基本信息
- 项目名称：
- 探路者号水下作业机器人
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品是一个多功能的AUV，即无缆化水下作业机器人。采用自主研制的水下推进器作为动力装置，实现多自由度灵活运动。具有水下探测，识别，定位，跟踪，作业等功能。 本机器人应用范围非常广泛，如海洋输油管道检查；跨江、跨河管道检查；船体检修；船底探查；码头及码头桩基、桥梁、大坝水下部分检查；航道排障、港口作业；水下考古、水下沉船考察等一系列应用。
- 详细介绍：
- 本项目研究的目的在于研制一套自主式水下航行器（Autonomous underwater vehicle）,可以执行多种水下任务，例如海底资源探测、沉船打捞、水下地形探测、水下管线维护等，而且可以通过地面站对水下机器人的多种参数进行远程无线监控，尤其是可以实时监测水下环境的视频画面。 此水下机器人可以广泛应用于水下环境探测，管道检修，舰船维护，矿产探测等，通过机器人可以把水下采集的信息进行存储、分析以及上传。通过预先设定的航路可以让机器人自主完成任务，实现预期目标。这样可以使得水下作业的效率大大提高，增加收益。 主要创新点 1基于水动力模型的流线型结构设计 水下机器人根据使用目的和技术要求的不同，其外形尺寸、结构形式有很大差异。形体的选择要考虑以下原则和要求： （1）阻力小、航行性能好； （2）足够的强度； （3）便于总体布置； （4）良好的工艺性。 我们对潜器的总体结构外形采用流线型设计，潜器的运动控制方式为水动力定位形式，通过控制侧推电机来控制潜器的横向或方向运动，通过垂直电机来控制潜器的潜浮，利用主推电机来控制前进后退，这种形式的潜器在小范围内运动有着很好的灵活性，对控制系统来说也比较容易找到控制规律。潜器的主体外形之所以选用流线型设计就是使它能够有很好的方向性，潜器的正面投影面积最小，这样可以提高运动空间。通过一代原理验证机的实验结果看，这种设计能够保证潜器的良好工作。 2自主/遥控复合操作方式 当潜器处于单任务模式时，可以通过上位机为潜器进行路径规划，潜器采用预编程模式执行任务。当潜器处于多任务模式下，可以通过浮漂利用IEEE 802.11无线网络与控制站进行通信，操作人员能够通过网络遥操作对潜器运行进行干预。 3无人勘察、作业一体化设计 目前根据功能设计将AUV分为调查型和作业型两种。调查型又称为信息型，是指能够完成摄影、录像、海洋要素测量、海底地形勘测等任务的AUV。目前世界上绝大多数AUV都属于这一类型。作业型是指带有机械手等执行机构，能够完成海底作业等任务的AUV,这类AUV目前还处于研制阶段。本项目设计的无人水下航行器配备众多传感器接口和4自由度机械手，能够同时完成探测和作业任务，大大节约了人力物力。 4推进系统创新 推进系统采用的是我们自行研制的加涵道的HR120C型水下推进器及同轴反转推进器。推进器经过打压试验，可在1500米水深以下正常工作（未进行破坏性试验），自制螺旋桨，涵道密封装置等，可以降低机器人的整体成本，同时提供可靠的动力支持。该套系统采用一个水平推进作为主推电机为机器人提供动力。横推电机应用前后布置的形式来控制机器人的平移及转向。垂推电机也采用两台HR120C可控制机器人在水中的沉浮及俯仰姿态，可以保证机器人良好的动力特性并且可以大大地降低成本。 5双摄像头多线程目标监控 AUV头部装有两台CMOS数字摄像头。一方面，在多任务模式下，一台摄像头可以用来采集水底图像，另一台摄像头用来监测AUV航向前方的目标物。在进行石油管道检修时，一方面能够按照水底引导物运动，另一方面能够实时采集前视摄像头图像，进行输油管道勘察。另一方面，两台摄像头能够组成双目定位系统，在浅海、江河运行时能够不依靠惯性器件进行视觉导航、航迹规划、局局部绘图等任务。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的和基本思路： 此作品设计制作一个AUV（自动水下潜器），用来完成一些水下人工难以或无法完成的任务，提高工作效率，减少潜水员的使用，减少生命财产损失。例如应用于水下管道检修，矿产资源探测，水库检修，水下搜救以及一些军事方面的应用。 机器人主体采用流线型设计，多推进器实现多自由度灵活运动，前置摄像头进行信息采集与图像识别，三轴姿态传感器用于机器人姿态调整，嵌入式之星处理器及ARM9进行相关控制来实现机器人的整体功能。 创新点和技术关键： 1、应用自主研制的水下推进器，实现多自由度水下灵活运动。 2、基于水动力模型的流线型结构设计 3、整合任务设定，自主航行，自主探测，自主定位，信息收集，水下作业等功能于一体 4、自主/遥控复合操作方式 5、双摄像头多线程目标监控 主要技术指标： 机器人规格：长1200mm宽：400mm高：500mm 最大测试航速：3.2m/s 最大下潜速度：0.4m/s 最大上升速度：0.6m/s 最大测试下潜深度：150m左右（有机玻璃结构未做破坏性试验） 1000m左右（合金结构在国家级打压池测试，未做破坏性试验） 图像采集：50度广角镜头，70度俯仰摇头，可视距离2m以上 自动水下定深：精度0.01m 航向偏差：最大±1° 水听器定位误差：小于±3° 自重：10KG 整机功率：430W 最大测试续航时间：1.2小时（单组电池）
科学性、先进性
- 国内相关成果： 中国863计划支持的重大高科技项目CR-01 6000米自治水下机器人，由中俄联合研制。该机器人经过了三年时间的研制，后又经过一年的工程化改进，使之成为一台可靠性较高的实用样机。1995年8月，CR-01 6000米无缆自治水下机器人研制成功，使中国机器人的总体技术水平跻身于世界先进行列，成为世界上拥有潜深6000米自治水下机器人的少数国家之一。 此机器人为大型军事领域机器人，我校参与其相关研制，但此次的机器人我们设计主要是针对民用方面。 国外相关成果： 在2007年月底，美国国家航空航天局资助的全自动水下机器人成功地在世界上最深的水下洞穴进行了探测。这一项目将是未来探测木星卫星木卫二的序曲，科学家们认为木卫二上有液态水形成的海洋。深井热量探测器（DEPTHX）是一个重约3300磅的计算机化的潜水器，它能够自行做出决定。 国外的相关研究技术较我国先进，因此我们的研究可以进一步促进国内水下机器人技术的研究与应用，在民用方面该机器人具有很好的市场前景与经济效益
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 合同
作品可展示的形式
- 实物、产品，现场演示，图片，录像，样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势： 1、应用嵌入式之星进行图像处理，ARM9进行运动控制，系统控制2个主推进器，2个侧推进器，2个垂直推进器，可以实现多自由度灵活运动，可以保障机器人在水下顺利完成任务，提高效率。 2、应用自主研制的防水电机作为推进器，推进器经过打压试验可在1500米水深以下正常工作（未进行破坏性试验），自制螺旋桨，涵道密封装置等，可以降低机器人的整体成本，同时提供可靠的动力支持。 3、整机采用CAN总线通信，可靠稳定。通信系统采用CAN总线通信形式。 适应范围： 1.军事方面：用于军事勘察，水下监测，投放标志物。 2.民用方面： 海洋输油管道检查；跨江、跨河管道检查；船体检修；船底探查；航道排障、港口作业；钻井平台水下结构检修；水下考古、水下沉船考察，水下清洁等。
同类课题研究水平概述
- 国内外研究水平： 水下自动机器人代表了未来水下机器人研究的方向当前在各类水下机器人研究中，水下自动机器人是一个热点，我们可以通过大量的国际会议了解到当前国际上水下机器人研究发展的这种趋势。 更深——向深海发展 地球上97%的海洋深度在6000 米以上，称之为深海。研制6000 米的潜水器是许多国家的目标。美国、俄罗斯、法国、中国等都拥有自己的6000 米级的AUV。尽管ROV和载人潜器也能达到这个深度，但发展水下自动机器人比其它潜器的造价要低得多，更经济。 更远——向远程发展 水下自动机器人的分类方法有几种，其中一种是按照航程的远近分为远程和近程两类。所谓远程是指水下自动机器人 一次补充能源连续航行超过100 海里以上，而小于100海里称为近程。 远程水下自动机器人涉及的关键技术包括能源技术、远程导航技术和实时通信技术。因此，许多研究机构都在开展上述关键技术的研究工作，以期获得突破性的进展。也只有在上述关键技术解决后，才能保证远程AUV 计划的实施。 功能更强大——向作业型及智能化方向发展 现阶段的水下自动机器人只能用于观察和测量，没有作业能力，而且智能水平也不高。将来的水下自动机器人将引入人的智能，更多地依赖传感器和人的智能。还要在水下自动机器人上安装水下机械手，使水下自动机器人具有作业能力，这是一个长远的目标。 美国新近研究水下作业机器人，实现吸收海水中热量提供电力，从事人类难以达到的远距离，深海作业，并实现多点测探任务。 我国这方面的研究与国外发达国家相比还有一段距离，民用方面的AUV非常少，多为小型ROV，即有缆水下机器人。我们设计制作的AUV具有机械手及相关水下作业设备，这也是一个突破点，为我国水下机器人的发展贡献出一份力量。
