第六章 “探海I型”自主水下机器人AUV总体设计pptx

  第六章 “探海Ⅰ型”自主式水下机器人AUV总体设计目录研究背景研究方案研究成果6.1 AUV性能指标技术方面的要求性能指标参数：鱼雷型全驱动AUV对象指标长度(m)≤2.2直径(mm)最大水深(m)≤22060最大航速(kn)2.5空气中净重(kg)≤65续航时间(h)6通信距离（km）水面≥3，水下0.5推进电机两个垂推电机、两个侧推电机、一个主推电机导航传感器光纤惯导、深度计、DVL、GPS声视觉照明前视扫描声呐、水下摄像机、水下照明灯技术方面的要求运动控制：AUV配备由GPS、单轴光纤陀螺、姿态传感器、多普勒计程仪及压力传感器（深度计）组成的航位推算导航定位系统，根据航位推算系统给出的位姿信息，可以在一定程度上完成以下功能:水下动力定位控制：根据航位推算进行动力定位控制30分钟，水下原地动力定位误差小于1m；定深定向定速控制：给定目标深度、目标航向，进行定深定向控制，深度误差小于0.2 m，航向误差小于1度；水面航迹跟踪控制：给定水面航迹，依赖GPS信号进行水面航迹跟踪控制，航迹跟踪误差不大于5m；水下航迹跟踪控制：给定目标航迹，进行大地坐标系下水下航迹跟踪控制，大地坐标系下x、y向轨迹跟踪误差小于0.3m，深度误差小于0.2m，航向误差小于1度；水下路径跟踪控制：给定水下路径，依赖航位推算系统来进行水下路径跟踪控制，路径跟踪误差不大于1m。技术方面的要求图像处理视频图像处理：为水下摄像机配有专用的PC104计算机处理系统，可以通过图像采集卡实时采集水下摄像机图像，并能够开展视觉图像处理技术探讨研究；声呐图像处理：为前视扫描成像声呐配有专用的PC104计算机处理系统，能够实时采集声呐图像，并能够开展声呐图像处理技术探讨研究。技术方面的要求操控模式：具有三种典型的作业模式网络遥控作业模式：光纤遥控作业模式、脐带缆遥控作业模式和 Wi-Fi 遥控作业模式统称为网络遥控作业模式。机器人与水面控制管理系统之间利用互联网通信实现信息交互，在采用光纤遥控作业模式时AUV既可在水面作业也可在水下作业。水面无线遥控作业模式：AUV在水面航行时，与水面控制管理系统之间通过无线电进行信息通信，机器人接收水面控制管理系统的遥控指令，并将各种工况信息反馈给水面控制管理系统。自主航行作业模式：水下机器人根据水面控制管理系统设定好的航行使命（包括航迹、航速、巡航时间和定深等参数）自主进行水下作业，当AUV完成工作浮出水面时，发送AUV状态信息和航行数据。6.2 AUV总体方案设计6.2.1 工作模式 为适应精简装备的需求，本AUV吸取ROV的工作特点，将工作模式分为3块:水面无线遥控作业模式、光纤遥控作业模式与水下自主作业模式。水面无线遥控作业模式:水面无线遥控作业模式指水下机器人与水面控制单元之间通过WIFI或无线电进行信息通讯。水下机器人接收水面控制单元的遥控指令，并将机器人的状态信息反馈给水面控制单元。光纤遥控作业模式:光纤遥控作业模式指水下机器人与水面控制单元之间通过光纤通信实现信息交互。采用光纤遥控作业模式时水下机器人能同时在水面与水下进行作业。自主作业模式:自主作业模式指水下机器人根据主控端设定好的航行计划(如航行速度、航行轨迹、航行深度)自主进行水下作业的工作模式。6.2.2 总体结构组成研制一套携带水下摄像机和单波束前视扫描成像声呐的水下自主机器人AUV系统。系统具备运动控制和图像处理功能，能利用设计的控制管理系统完成所要求的功能并利用观测设备做水下图像采集和声呐扫描。该AUV由水上部分和水下部分所组成：水上部分最重要的包含水面控制台（水上光端机、无线数传设备）、水密光纤套组和监控计算机；水下部分主要为AUV本体，其作为该系统的重要组成部分，在物理实体上最重要的包含：艏段、艏部推进段、电子舱段、艉部推进段和主推进段。6.2.2 总体结构组成AUV总体构成最重要的包含：通信模块、声视觉设备、导航传感器、控制管理系统和动力推进系统等；水面控制台和监控计算机通过无线或网络连接实现对AUV的监测和操控根据AUV的关键技术参数，设计出AUV的总体组成总体结构组成艏段：包括水下摄像机、避碰声呐、水下照明灯和艏段壳体。为了使水下机器人拥有非常良好的流线型并兼顾艏部的安装空间，艏段壳体采用半球壳加圆柱壳的结构及形式，采用透水结构，水下摄像机、照明灯以及避碰声呐都单独密封，并通过水密电缆与电子舱段上的前密封端板相连。艏部推进段：包括艏部侧向推进器、艏部垂向推进器和推进段壳体。壳体采用透水结构，艏段的水下摄像机、照明灯和避碰声呐的线缆穿过艏部推进段内腔与电子舱段上前密封端盖上的水密插座相连。6.2.2 总体结构组成电子舱段：作为整个AUV系统的核心，包括前挡板、后挡板、多普勒计程仪、天线、天线导流罩、仪器舱和电子舱段壳体，其中壳体与前挡板、后挡板、多普勒计程仪以及天线组成密封壳体。两端的密封端板上安装有水密接插件，通过水密接插件与水下摄像机、照明灯、前视声呐和推进电机相连。艉部推进段：艉部推进段的结构与艏部推进段大致相同，为消除艏部推进与艉部推进作业时产生附加力矩对水下机器人的姿态造成不利影响，首尾两个侧推螺旋桨和首尾两个垂推螺旋桨的旋向相反。6.2.2 总体结构组成主推进段：包括主推进器、安全抛载机构、尾翼板、尾舵、尾壳挡板和壳体。尾壳外形为椭球型，尾壳与尾壳挡板通过两道径向O形圈密封，组成密封腔体。安全抛载机构采用自持式电磁铁（抛载块重量1kg）：电磁铁在断电时吸附重块，在供电时释放重块，其寿命大于100万次。根据五个部块的组成设计出AUV本体组成结构CAD图6.2.3 控制管理系统设计思想本AUV控制系统包括水面控制单元和水下控制单元两部分，水面控制单元主要负责控制指令的下达和机器人运行状态的监控，水下控制单元进行控制指令的执行和水下机器人航行状态的返回。6.2.3 控制系统模块设计思想本AUV在设计上采用分布式控制管理系统。采用分布式控制系统的自主水下机器人从控制结构上可分为水面控制单元、自动驾驶仪单元、运动控制单元、信息测量单元及导航单元6.3 AUV实体样机研制6.3.1 AUV 3D模型在进行AUV实体样机研制之前，需要先用三维制图软件根据技术要求和总体结构组成设计出AUV每个部段的虚拟模型，并将这些虚拟模型顺序装配，完成组装后将细节调整完好再输出设计图，利用Soildworks软件制作的AUV虚拟样机三维结构6.3.2 AUV实体样机通过对AUV的三维建模，可以对所要制作的实体AUV的设备布局、部段安排有一个系统的认知，能更好地在有限的空间和长度上达到所要求的目标。最后依照各部件的尺寸进行加工和组配，得到的实体样机6.4 AUV关键部件设计6.4.1 推进模块选型侧推/垂推主推电机类型额定电压功率最大转速传感器类型侧推/垂推Maxon无刷电机24V25W12900rpm霍尔传感器主推Maxon无刷电机24V100W6000rpm霍尔传感器6.4.2 水下摄像机与照明灯选型AUV艏部装配一个水下摄像机，当机器人在水下时，能够将拍摄的水下物体和水底地形等视频实时保存到视频采集卡上，等到AUV浮出水面再接收处理选用outland公司的UWC-330/P型水下摄像机参数指标参数指标尺寸Ф41×127mm最大水深2000m重量陆上0.28kg，水中0.09kg最大光圈F2.0供电90mA，12VDC灵敏度1.31ux分辨率1933H×1088V 焦距3.6mm6.4.2 水下摄像机与照明灯选型水下摄像机旁边装有一个用于提高拍摄对象亮度的水下照明灯。选用outland公司配套的UWL-401型照明灯参数指标参数指标尺寸Ф41×102mm最大水深2000m重量陆上0.22kg，水中0.08kg亮度（1m）9601ux供电20W，24VDC色温3000K6.4.3 电池包选型AUV导航关键部件都需要电池包来提供能源电池包由多个单体锂离子电池组装而成组装后的技术参数为：电压25.9V~26.6V；电池容量大于等于1409Wh；总重约6.5kg电池包在使用之前需进行测试，看是否能够进行正常的充、放电，电压电流是否正常充电连接图放电连接图6.4.4 多普勒计程仪多普勒计程仪实现AUV的精确导航和定位主要用于测量机器人对地的三轴速度和距离水底的高度选用LinkQuest公司的NavQuest 600 Micro DVL，采用先进的声学多普勒技术，在快速准确的声速输出的情况下，具有高精度、长距离、低成本的特点参数指标参数指标精度0.2%±1mm/s速度±20节高度110m电压24±2VDC通讯RS232/RS422频率600KHz6.4.5 光纤惯导光纤惯导即航姿传感器，是AUV进行自主导航定位必不可少的传感器，用于测量机器人的航向、姿态、角速度和线加速度通过功能对比选用中科（苏州）探海公司定制的GIF6536A型光纤惯导参数指标参数指标位置精度水平2m；高度2m速度精度0.02m/s姿态精度航向0.15°；姿态0.15°工作电压18V~36VDC接口类型RS232/RS422（输出）波特率9600~115200bps6.4.6 前视扫描成像声呐设计的水下机器人搭载一个前视扫描成像声呐（避碰声呐），用于探测海底地貌和在AUV进行自主导航定位时扫描水下物体进行避碰选用Tritech公司的Micron DST型声呐参数指标参数指标供电4W，12~48VDC工作频率700kHz通信方式RS232/RS485探测距离0.3m~75m波束角垂直方向35°，水平方向3°扫描范围360°思考题1.欠驱动型AUV和全驱动型AUV有什么区别，试分析两者的利弊。2.岸基单元与AUV可以采用哪些通讯方式？3.组合导航由哪些传感器组成？4.AUV的控制管理系统主要分成哪些模块？5.请你担任设计师，尝试进行AUV的总体设计。Thank you!AUV在国家领海防御和海洋资源开发等方面发挥着日益重要的作用，是现在水下机器人研究领域的热点AUV在国家领海防御和海洋资源开发等方面发挥着日益重要的作用，是现在水下机器人研究领域的热点AUV在国家领海防御和海洋资源开发等方面发挥着日益重要的作用，是现在水下机器人研究领域的热点AUV在国家领海防御和海洋资源开发等方面发挥着日益重要的作用，是现在水下机器人研究领域的热点AUV在国家领海防御和海洋资源开发等方面发挥着日益重要的作用，是现在水下机器人研究领域的热点AUV在国家领海防御和海洋资源开发等方面发挥着日益重要的作用，是现在水下机器人研究领域的热点AUV在国家领海防御和海洋资源开发等方面发挥着日益重要的作用，是现在水下机器人研究领域的热点AUV在国家领海防御和海洋资源开发等方面发挥着日益重要的作用，是现在水下机器人研究领域的热点

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