基本信息
- 项目名称：
- 基于水声遥控的超小型无缆水下机器人验证机
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品旨在研制一种利用水声遥控方式控制的水下机器人验证机，该技术涉及到多学科领域。水声遥控系统采用性能优异的水声信道编码技术，使得水声遥控可靠性得到显著提高。通过所建立的动力分配数学模型，控制8个推进器电机的旋转方向和旋转速度。在人工操控条件下控制验证机的姿态和运动，使载体更加适应机器人水下作业。
- 详细介绍：
- 在海上石油开采、海洋矿藏资源调查、海底地形地貌测量、海上救捞作业、海底管道和电缆的敷设与检查、海上军事作战等领域中，水下机器人是一不可替代的有效工具。ROV和AUV是两种最为基本的水下机器人类型。尽管水下机器人从诞生到现在已经60多年了，彼此平行发展而不能很好的相互借鉴、相互补充。造成这种平行发展的基本原因就在于水下与水面之间的通信技术。ROV是高可靠性的有缆传输，AUV完全自主。如果AUV能够与水面控制中心能够通信的话，无疑会提高AUV的性能。本作品的基本目的就在于寻求一种可靠性高的水声通信方法使AUV与水面控制中心能够建立起数据的通信。至少在AUV在巡航期间或作业期间出现异常，例如AUV对海洋环境的变化不适应而导致的异常，水面控制中心能够及时掌握AUV的当前状态并控制或调整AUV进入正常的工作状态；如果AUV具有这样的通信能力，通过水声遥控可以辅助AUV更好的应对千变万化的海洋环境而有效的完成预定任务。除应用于军事目的AUV需要隐蔽之外，其余AUV配有水声通信不但可以提高其性能，开可以缩短AUV的研制周期、降低AUV研制或工程化应用成本。 为了更好的验证水声遥控技术的可靠性，我们将制作一个小型水下机器人动力平台，通过水声遥控的方式控制它的航行。8轴推进器动力系统与推进器动密封问题都是在动力平台制作过程中所遇到问题而引发的联想。 创新点: (1)采用具有良好的抗噪声、抗多途性能的调频信号水声信道编码技术，并可以使用简单、可靠的解码系统实现数字信号处理。验证机利用该信道编码技术实现水面与水下的半双工通信。下行信道传输遥控指令，上行信道传输验证机状态信息。 (2)随水下深度增加推进器旋转轴径向密封压力增加的动密封技术，且机械结构简单，降低了成本，提高了密封材料使用寿命。 (3)8轴推进器动力系统在水下作业机器人中的应用而使得验证机姿态可以灵活改变，降低对作业机械手臂的性能要求。结合良好人机交互的控制模式，提高水下机器人作业效率。
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：在海上石油开采、海洋矿藏资源调查等领域中，水下机器人能大幅度提高作业效率。尽管ROV和AUV水下机器人已有多年，但彼此处于平行发展态势。造成这种不能相互配合的根本原因在于水下通信技术发展缓慢，不能满足水声遥控以及通信的需要。因此，本作品的核心目的在于寻求一种解码率高、虚警率低的水声通信方法，使AUV与水面控制中心建立高可靠的数据通信机制。基本思路：1、设计并实现既适合水声信道传输又具有数据解码简单、可靠性高的水声遥控指令信道编码技术。2、设计制作具有灵活运动姿态的水下机器人动力平台，从而降低对作业机械手的性能要求。3、独立于主体密封壳体的水下推进器结构设计。使其不但具有可靠的动密封性能，同时提高其耐腐蚀性以便延长推进器的使用寿命。创新点：1、采用调频信号水声信道编码技术，提高可靠性的同时降低后期解码系统的硬件复杂度。2、随潜器下潜深度的增加，推进器旋转轴径向密封压力随之增加的动密封技术，提高动密封性能的同时简化机械结构，从而降低制作成本。3、8轴推进器的动力系统结构设计，可使得潜器姿态灵活改变。技术关键：1、水声遥控的高可靠性；2、水下动密封技术；3、水下机器人任意姿态的实现；4、系统高可靠性；主要技术指标：1、整机尺寸：1000*530*530（长*宽*高,mm），重量45kg，续航时间2小时。2、水声遥控：频段：28kHz~32kHz；多途信道水池条件下漏报概率小于千分之一；虚警概率：小于千分之一；遥控距离200米；指令编码数量512个；3、最大工作水深100米。
科学性、先进性
- 本原理样机具有以下特点和进步： 一、运用经典理论，提高了低信噪比与严重多途条件下遥控编码指令在水声信道中的检测能力。 二、本样机采用的耐压能力自适应水下密封技术不但可以提高密封材料的使用寿命同时还可以提高水密性能。 三、目前框架结构主要应用在ROV中,在无缆水下机器人中采用基于框架结构的8轴六自由度动力系统，使得水下验证机能够灵活的改变姿态，可以适应水下作业对载体灵活性的需要。 四、参考文献： [1] 蒋新松，封锡盛，王棣棠. 水下机器人[M]. 沈阳：辽宁科学技术出版社，2000. [2] 钟先友，谭跃刚. 水下机器人动密封技术[J]. 机械工程师， 2006，第1期. [3] 惠俊英，生雪莉. 水下声信道[M]. 北京：国防工业出版社，2007. [4] 邹士新，程刚，陈立强. 水声遥控时频域联合编码研究[J]. 探测与控制学报，2005，第2期 [5] 阳兵兵. 观测型水下机器人结构机器惯性导航方法研究[D]. 杭州：浙江大学，2008.
获奖情况及鉴定结果
- 2011年5月在某校“五四杯”大学生科技创新竞赛中获一等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 模型、图纸、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
- 一、使用说明：该系统使用方法简单，只要将验证机放入水中，然后通过双飞行摇杆控制验证机水下姿态和运动轨迹，通过水声信道上传状态信息在上位机中显示出来，而且具有危险警报功能。二、技术特点：ROV电缆易缠绕、作业范围小，对于绝大多数AUV来讲，最突出的弱点就是对包括海底地形、地貌、海流流速/流向等水下环境变化的适应性。采用水声遥控的水下机器人无电缆缠绕、作业范围大。 三、适用范围：安装视频设备替代部分ROV水下作业，结合AUV技术且在巡航与作业有效性方面的性能优于AUV的USC（Under sound control-AUV技术替代AUV。 四、推广前景：“十二五”规划中我国大力发展海洋科技，可见市场前景广阔。国外有缆的微型水下机器人售价一般在200万左右，AUV售价更高，而且研发周期长。而本机整体全部为耐腐蚀，耐压材料，作业深度200米，成本也可控制在80万左右，价格上具有明显的优势。进口同等作业深度的一般小型水下推进器价格在1.2万元左右，而采用本方案，价格可以控制在5000元。
同类课题研究水平概述
- 超小型水下遥控潜器体积小、重量轻、自带能源，可以进入大型遥控潜水器无法进入的区域实施作业或进行水下观察，还具有运输方便、机动性好、运动灵活等特点，特别适用于配合载人潜水器工作，如对其将要进入的环境事先观察，查找和排除潜在危险，或作为载人潜水器的抛载装置，触发抛载机构等。目前世界各国都在大力发展自主知识产权的水下遥控潜器，因为其无论在经济领域，还是军事领域都有其不可替代的作用。 美国早期的许多拖曳式潜器都是由一些研究机构为进行海洋学研究而发展起来的，比如Scripps海洋学协会的物理实验室和Woods Hole海洋水文研究所，它们多是由政府或海军资助。随着技术的进步，政府投资建造了商用潜器，并交给承包商来使用。现在，美国很少有潜器系统直接由政府使用。在其他一些国家，尤其是俄罗斯，相当重视水下潜器技术的发展，在60年代末期，俄罗斯集中了相当一部分科研人员和专家开发海洋工程和研究海洋开发技术，多数潜器系统是由政府出资并直接使用的。一些文献表明，俄罗斯从20世纪70年代就已经开始了水下无缆遥控潜器的研究。加拿大遥控水下潜器的开发工作目前正在水面以下和表层两条战线展开，主要用于完成水文调查和军事任务。无缆遥控潜器在军事应用领域的引入是一不可避免的发展趋势。自1969年以来，英国爱丁堡市赫利奥特瓦特大学一直在积极进行ROV的设计、制造和应用，其研发的有缆潜器可在三维空间里提供自动定向、自动定深和自动导航，而英国的无缆遥控潜器正处于初试阶段，研究工作的重点是无人无缆的控制和通信问题。 我国水下潜器的发展相对世界其他国家而言比较晚，上个世纪80年代国家人工智能专家组提出了研发ROV的建议，主要应用领域是海底资源调查以及开采、海洋科学考察和研究、海洋石油开发和海洋工程、海洋救险和打捞等。在我国，ROV的发展在很大程度上由两个因素决定，其一是特定的市场需求，其二是水下系统的技术改进。我校在水声技术领域研究多年，致力于水声通信和海洋探测等多个领域，但是由于缺乏适合的搭载设备，使得一些关键性实验无法进行，本项目旨在设计实现一款结构紧凑、性能稳定可靠、控制灵活多样的基于水声遥控的微型无缆水下机器人验证机，用以搭载各类通信、探测、打捞等设备，最终满足海洋探测和开发的各类需要。
