为了解决船体壁面附着物及锈蚀检测不便等问题,对履带式船用水下观察机器人开展设计与吸附分析。基于设计指标和总体结构,建立机器人运动学模型,求解机器人在直线下滑和纵向倾覆状态下单块磁体所需的理论最小吸附力。利用Maxwell对磁体模型参数进行优化,并对履带组件上布置单块磁体、N-S正反充磁2块磁体和3块磁体分别进行仿真,确定采用N-S正反充磁布置。最后制造功能样机进行实验验证。结果表明机器人静态不失稳主要取决于其纵向倾覆状态,陆上行走单块磁体理论吸附力要达到230 N,水下运动要达到140 N;磁体模型参数确定为背板厚度3.5 mm、磁体厚度13 mm、仿真及实验船板厚度5 mm;优化后单块磁体与金属壁面满足5 mm以内的接触间距,相邻两块N-S正反方向充磁布置,等效单块磁体与金属壁面满足6.5 mm以内的接触间距;搭建样机验证了机器人设计指标的...

水下机器人在水域勘测和军事侦查等领域正在发挥越来越重要的角色。针对现阶段水下机器人价格昂贵,设计复杂的特点,设计了一种结构简单的水下机器人,主要由四个无刷电机推进器和密封舱组成。围绕水下机器人系统结构,阐述了机器人的硬件结构与密封方式、卡尔曼滤波在GPS与捷联惯性导航组合导航的应用、控制简化与分解方法与上位机系统的编写和实现。最后,使用该机器人系统在水池中进行运动控制实验。实验结果表明水下机器人在航行过程中密封可靠,运动平稳,能够满足水下机器人的运动控制要求。

在水下机器人领域,水动力一直作为研究重点,其中机器人水下运动过程中黏性流场阻力分析尤为关键。文中以碟形四旋翼水下机器人作为研究对象,分析其在自由起降及精确着底运动过程中所受黏性流场阻力变化规律。首先对碟形四旋翼水下机器人进行运动方程建模,采用计算流体力学CFD方法,利用Fluent软件对其在黏性流场内运动进行多组仿真实验。实验结果证明该机器人运动速度与黏性流场阻力关系符合运动规律,对后续机器人结构优化及样机开发具有重要指导意义。

为应对复杂的水下工作环境,提高水下机器人工作时的稳定性、灵敏度和抗干扰能力,提出一种模糊PID算法对水下机器人原控制系统进行优化。优化后的水下机器人机械结构、控制系统硬件架构不变,仅通过改变软件程序对水下机器人进行模糊PID控制。水下机器人工作时,各类传感器把现场的环境参数转化为电信号,经预设的模糊库进行模糊化处理后发送给STM32控制器;STM32控制器按预设的程序对模糊化信号进行处理,处理完去模糊化后的电信号后发送给执行元件,从而实现水下机器人的模糊PID控制。MATLAB/Simulink仿真和水下测试结果显示:与经典PID算法比较,经模糊PID算法优化后的水下机器人反应更灵敏、系统更稳定、抗干扰能力更强,达到了预期的效果。

针对大型管道内生物附着物状态的高精度测量需求,提出一种利用齐次变换的轮廓重建方法,通过坐标变换使偏移轮廓的坐标校正回准确轮廓的坐标,消除运动位置偏差引起的轮廓测量误差。通过建立管道超声测量实验装置进行实验验证,得到偏移重建后产生的绝对误差为9 mm、相对误差为2.36%,偏转重建后产生的绝对误差为6 mm、相对误差为1.6%,误差落在超声检测系统的厘米级分辨率之内。后续可以通过提高超声检测系统的分辨率提高轮廓检测精度。该方法可以应用于水下管道轮廓检测以及水下机器人基于轮廓的自动定心探测。

针对低速水下机器人模型试验测取水动力特性的需求,设计一款满足相似理论要求的室内小型低速开口式直流水洞;利用Fluent软件仿真得到试验段各截面速度分布云图,选出满足试验条件的截面范围;搭建试验平台并进行流场标定,结果表明稳流段速度达到2 m/s,稳流段的流场均匀且稳定,范围大于200 mm×68 mm×300 mm,满足阻塞率不大于25%、试验段长度通常是模型长度3倍的要求,验证了仿真结果的正确性且满足预期水下机器人模型试验的要求。此试验系统适用于速度不大于2 m/s,模型长不大于200 mm,模型来流方向的横截面积不大于5000 mm2的试验条件。

开展了液压油泵送水银式纵倾调节系统的设计研究,静态相容性试验及动态安全性试验结果表明系统设计路线是可行且安全的,并展望了水下机器人姿态调节系统将来的发展趋势。

姿态调节是决定水下机器人作业能力和运动稳定性的关键,为此针对煤矿抽水蓄能电站水下巡检机器人提出了一种基于全水液压的沉浮和姿态调节一体化系统。该系统主要由对称设置于机器人两侧的姿态活塞缸、变量泵及专用六位六通控制阀组成,传动介质来自机器人外部水体环境,其有沉浮、纵倾、横倾和对角侧倾四种调节状态。沉浮调节为机器人与外界水体的质量交换过程,而在调节姿态时机器人与外界水体交换通道关闭,可确保姿态调节过程中机器人本体始终处于悬停状态,提高了机器人调姿过程的稳定性。在结构创新基础上,推导了机器人重心及姿态角方程,建立了其姿态调节AMESim仿真模型,分析了机器人沉浮和姿态调节过程,并研究了活塞缸总长、间距、直径及浮心z向坐标等参数对姿态角的影响规律。结果表明:增大活塞缸直径、浮心z向坐标、活塞缸...

介绍了一种在浅水区域进行探测识别、搜索打捞作业的微小型水下机器人,其总体方案及总体布置突出了该水下机器入其有阻力小、灵活机动的特点.头部组件及推进器采用了模块化设计,结构简单、方便维修、安全性高.对耐压壳体强度及稳定性进行了计算校核.用两个主推动器和两个辅推动器实现水下机器人的前后、浮潜和左右转弯运动,并对水下机器人的密封及腐蚀进行了简述.对水下机器人本体结构设计极具实用价值.

针对大深度水下机器人升沉运动过程中耗能较大的问题,提出了一种海水浮力调节的驱动方式。针对没有大压力、小流量高压海水泵问题,研制了由低压齿轮油泵驱动海水增压泵的装置作为产生高压海水的动力源,并设计了切换阀及压力平衡阀等关键部件。为模拟大深度海洋环境,研制了外负载模拟装置,对大深度海水浮力调节系统进行了前后舱充排水同步性实验、压力-流量实验、能耗实验以及定量充排水等4个实验,实验结果验证了该系统的可行性和有效性。