基于有限元分析的深海机器人用脐带缆传热特性研究

为研究水上堆叠的脐带缆在海上运行过程中的温升情况,对不同堆叠层数以及缠绕圈数的脐带缆,采用有限元法,分析了脐带缆的最高温度,同时研究了电流、环境温度和太阳辐射对堆叠6层脐带缆最高温度的影响,并利用最小二乘法得到了回归方程。结果表明,堆叠一层与堆叠两层时,脐带缆的最高温度几乎不变。而后每增加1层,最高温度上升2℃左右。随着缠绕圈数的增加,脐带缆温度先增加后减少,为保证良好的脐带缆散热条件,脐带缆缠绕圈数要大于等于6圈。以电流、环境温度和太阳辐射与脐带缆最高温度之间的变化规律所提出的回归方程,最大误差为1.73%,可为水上堆叠脐带缆最高温度的计算提供一种更简便快速的方法。

ROV平台全景摄像系统的研究

不同于空气成像,水下全景受水压、暗光影响比较大,需要特殊的镜头封装和聚焦型水下照明,而水下多路图像处理可以借鉴、调整已有的图像处理算法,以解决偏色、噪点等成像问题;且基于全景视频传输的热点研究,水下ROV全景摄像系统有较好的发展空间。基于对水下全景摄像技术的研究,文章首先详细介绍了水下全景摄像的生成和传输方式,并以ROV平台为载体,从相机硬件的需求分析,说明分布式、集成式两种相机布局;接着,针对获得的多路图像数据,通过图像预处理、拼接融合生成全景图像;最后,考虑水下水上的远程视频传输,介绍了全景视频基于切片流(Tile流)划分的自适应多速率传输方案。从水下全景摄像技术的发展来看,随着图像无损拼接、影像处理器计算速度更迭、图像复原、超宽带连接和全景视频传输等技术的提高,ROV平台全景摄像系统将得到广泛应用。

4000m深海科考重型ROV成套系统设计及应用

以深海生态无人科学考察4000m以上的作业水深、150马力@50Hz作业功率、具备多样性科考工具搭载能力及远程操控等功能为设计目标,文章给出了一种科考级重型ROV成套系统的设计方案。其采用了ROV本体轻量化高功率密度、5级海况下自排缆双冗余驱动收放、便捷分布式紧凑型水面远距离供电控制及组合式作业工具等设计技术,可实现ROV本体4000 m飞行、安全布放回收及无人深海科考作业等功能,且部分部件可推广应用于6000m平台。最后,基于油压补偿推进器、灯控箱、工具阀箱及水下电子舱等关键自制零部件,研制了ROV成套系统工程产品;并通过单体部件级、子系统级及整机系统级测试,以及首次海试和9天8个潜次的深海生态科考任务,取得了大量科考样本和数据,有效检验了该ROV系统的作业能力及可靠性。

重型水下机器人被动波浪补偿装置仿真分析

目前,海洋波浪补偿装置仿真模型通常过于复杂,不利于直观理解其动力学特性和性能机理。对此,文章以一种满足深海重型水下机器人布放回收作业的摆臂式、气液混合驱动的被动波浪补偿装置(passive heave compensation,PHC)为研究对象,分析其复杂波浪补偿过程和非线性动力学特征;通过构建合理的建模假设,降低建模难度,推导出系统动力学和运动学简化数学模型,并开发对应的数值仿真软件;开展基于模型的稳定和动态仿真分析,提出可能影响被动补偿性能的主要因素,包括蓄能器容积、初始充氮压力和充油后氮气压力等。通过仿真不同设计参数和系统状态的波浪补偿装置在静水面和3级海况下的波浪补偿性能,对比仿真影响波浪补偿性能的主要因素,结果验证了该被动波浪补偿装置在补偿行程、脐带缆拉力变动响应灵敏度等方面的补偿性能,以及该算法模型的有效性;并根据对比结果,提出通过适当调节蓄能器体积和氮气压力来改善波浪补偿装置性能的使用和设计建议。

一种基于遗传算法的无人潜水器推力分配优化方法

为解决无人潜水器(remotely operated vehicle,ROV)推力分配的输出饱和问题,文章提出一种基于遗传算法的无人潜水器推力分配优化方法。首先以某型微小型电动ROV的推进器空间布局为基础建立了ROV水平面与垂直面的推力数学模型,然后应用遗传算法分别对ROV的水平面与垂直面的推进器的推力分配进行优化,并与伪逆法的推力分配进行对比。仿真分析表明,与伪逆法推力分配相比,采用遗传算法优化的推力分配,不仅可以避免推力输出饱和,而且各推进器输出推力的合力或力矩与期望的合力或力矩基本吻合,误差可以保证在±1%以内。

遥控水下机器人模型辨识及预测控制算法研究

针对遥控水下机器人(remotely operatedvehicle,ROV)因非对称结构布局、重心和浮心位置变化等因素造成的运动状态耦合和模型非线性问题,文章提出了一种考虑ROV典型非线性特性的在线模型辨识方法,研究并推导了基于所辨识模型的多维预测控制(model predictive control,MPC)算法及其基于算子分割二次规划的快速优化求解方法,搭建了包含ROV非线性数学模型、模型参数辨识算法模块和MPC算法模块的算法仿真系统。通过在辨识模型中分别考虑非线性特性和不考虑非线性特性,改变ROV数学仿真模型的ROV浮心位置参数,对比仿真验证了本文模型辨识算法的有效性和先进性;在上述辨识模型的基础上,对比仿真分析了4种情况下ROV的姿态控制效果,即MPC算法依托的辨识模型是否考虑ROV典型非线性特性,以及基于直接求解MPC算法和本文所提出的基于快速优化近似求解的MPC算法,验证了本文所提控制算法的有效性。

一种基于通用变频器的工作级ROV动力系统研究

由于水下特殊环境,工作级ROV应用陆地通用电动控制技术受限,导致其主流仍以液压驱动为主。而陆地先进的动力控制技术主要以电力驱动为主,通过与当前2种动力拓扑,进行对比分析,得出基于通用变频器驱动的工作级ROV动力系统的特点,同时针对该动力系统的控制实时性问题分析,提出改进方法,并论证改进方法的可行性,总结了当前工作级ROV动力系统的工程实现特点和未来发展趋势。

工作级电动水下机器人水面直流供电研究

ROV需要采用水面通过脐带缆供电,供电过程中根据水下负载的变化存在电压降落的问题,针对长距离大功率的工作级ROV更为突出,通常采用交流供电升压补偿进行解决。而针对工作级的电动ROV,采用直流供电方案是一种新的解决途径。鉴于此,对其水面直流供电进行研究,介绍了采用水面十二脉波可控直流电源供电的电动ROV供电系统方案,对系统参数进行了计算分析,搭建了MATLAB仿真模型,分析了负载增加和减少的过程,研究了电动ROV可控直流供电的可行性。

大功率斩波电源的高频振荡分析

大功率斩波等离子弧电源在基于IGBT斩波的超高系统集成频率下会产生较大的电压谐振导致熄弧,解决输出侧直流电压高频振荡提高输出电压特性,是一个技术难题。本文以某等离子弧电源项目为基础进行建模分析,进行仿真和试验验证。表明精确增加多级高频滤波电容即可有效改善高频谐振问题。

深海工作级液压ROV系统供电设计研究

本文详细介绍深海工作级ROV的供电系统负载情况,分析了ROV供电系统设备选型的关键技术问题,针对ROV供电系统特殊需求提出了关键参数的选择计算方法。最后,以6000米级150hpROV为例进行供电系统关键参数选择计算,并通过仿真及实际应用验证说明其可行性。