一種水下機(jī)器人主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種水下機(jī)器人主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，液壓絞車(chē)固定連接在母船的甲板上，液壓絞車(chē)的卷筒上纏繞有鎧纜，鎧纜通過(guò)定滑輪連接中繼器與水下機(jī)器人的合體，傳感器模塊固定安裝在定滑輪上，并與信號(hào)處理模塊、控制單元、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓絞車(chē)順序連接。本發(fā)明可以利用現(xiàn)有的液壓收放絞車(chē)，不需要增加額外的動(dòng)力設(shè)備，也不需要增大母船甲板的工作空間。并且由于液壓絞車(chē)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍大，補(bǔ)償范圍較寬；同時(shí)避免在釋放或回收時(shí)水下機(jī)器人與中繼器發(fā)生劇烈碰撞；相對(duì)于氣液蓄能器式的被動(dòng)補(bǔ)償方式，本發(fā)明能有效提高升沉補(bǔ)償效率，且操作較簡(jiǎn)單，便于工程實(shí)現(xiàn)，可適用于較高海況下的高精度升沉補(bǔ)償。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種水下機(jī)器人主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及深海探測(cè)與作業(yè)技術(shù)的海洋【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說(shuō)是一種用于水下機(jī)器人升沉的補(bǔ)償系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]有纜水下機(jī)器人深海作業(yè)時(shí)通過(guò)系纜連接著中繼器，中繼器通過(guò)很長(zhǎng)的鎧纜連接著水面支持母船。在惡劣海況下，支持母船會(huì)隨著海浪不斷地上下升沉，該升沉運(yùn)動(dòng)繼而通過(guò)鎧纜傳遞至水下中繼器，導(dǎo)致有纜水下機(jī)器人在回收或釋放過(guò)程中與中繼器發(fā)生碰撞，這就需要采用合適的升沉補(bǔ)償系統(tǒng)。目前有纜水下機(jī)器人使用的升沉補(bǔ)償系統(tǒng)主要是被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，利用液壓缸和氣液蓄能器緩沖母船升沉運(yùn)動(dòng)對(duì)水下中繼器的擾動(dòng)。當(dāng)母船升沉?xí)r，依靠海浪的舉升力和水下裝備的自重來(lái)壓縮和釋放蓄能器中的工作介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)升沉補(bǔ)償。該類(lèi)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)不需要提供額外的動(dòng)力，應(yīng)用較廣泛，但其所需設(shè)備龐大，補(bǔ)償精度低，滯后較大，補(bǔ)償能力有限。當(dāng)海況更加惡劣時(shí)，被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)不能滿(mǎn)足有纜水下機(jī)器人平穩(wěn)收放要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種有纜水下機(jī)器人深海作業(yè)時(shí)補(bǔ)償母船升沉運(yùn)動(dòng)以降低水下中繼器升沉運(yùn)動(dòng)幅度的主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，以提高補(bǔ)償效率和補(bǔ)償能力，使有纜水下機(jī)器人得以平穩(wěn)收放。
[0004]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種水下機(jī)器人主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，液壓絞車(chē)固定連接在母船的甲板上，液壓絞車(chē)的卷筒上纏繞鎧纜，鎧纜通過(guò)定滑輪連接中繼器與水下機(jī)器人的合體，其特征在于:在定滑輪上固定安裝有用于測(cè)量母船升沉運(yùn)動(dòng)信號(hào)的傳感器模塊，并與信號(hào)處理模塊、控制單元、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓絞車(chē)順序連接；傳感器信號(hào)處理模塊將傳感器模塊測(cè)得的母船升沉運(yùn)動(dòng)信號(hào)處理成母船升沉速度信號(hào)與母船升沉位移信號(hào)輸出至控制單元；控制單元采用前饋控制方法進(jìn)行主動(dòng)升沉補(bǔ)償，并將得出的補(bǔ)償控制信號(hào)輸出至液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；控制液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)液壓管路控制液壓絞車(chē)的液壓馬達(dá)；液壓馬達(dá)控制卷筒收放鎧纜補(bǔ)償中繼器與水下機(jī)器人的合體的升沉運(yùn)動(dòng)。
[0005]所述傳感器模塊包括加速度計(jì)和傾角儀。
[0006]所述母船升沉運(yùn)動(dòng)信號(hào)包括升沉加速度、縱傾角與橫搖角。
[0007]所述信號(hào)處理模塊是具有雙串口的工業(yè)級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)。
[0008]所述控制單元為帶有A/D和D/A信號(hào)轉(zhuǎn)換功能的工控機(jī)。
[0009]控制液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括電液比例閥和液壓裝置；
[0010]電液比例閥的控制接口與控制單元的輸出端連接；電液比例閥的管路接口 A 口、B口通過(guò)液壓管路與液壓馬達(dá)的進(jìn)出口連接；電液比例閥的管路接口 P 口、T 口與液壓裝置連接。
[0011]所述液壓裝置包括油箱、過(guò)濾器、液壓泵、電機(jī)、單向閥和安全閥；所述過(guò)濾器的進(jìn)口與油箱相連，其出口與液壓泵的進(jìn)口相連；與電機(jī)同軸連接的液壓泵出口經(jīng)單向閥與電液比例閥的管路入口 P 口相連，電液比例閥的管路出口 T 口通過(guò)安全閥與油箱相連。
[0012]所述液壓絞車(chē)包括基座、卷筒和液壓馬達(dá)；液壓馬達(dá)與卷筒同軸連接。
[0013]所述定滑輪與支架的一端固定連接；支架的另一端固定在母船上。
[0014]本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn):
[0015]1、可以利用現(xiàn)有的液壓收放絞車(chē)，不需要增加額外的動(dòng)力設(shè)備，也不需要增大母船甲板的工作空間。并且由于液壓絞車(chē)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍大，補(bǔ)償范圍較寬。
[0016]2、控制單元可以根據(jù)母船升沉運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊和信號(hào)處理模塊提供的母船升沉信號(hào)，向電液比例閥發(fā)出控制指令，驅(qū)動(dòng)液壓絞車(chē)卷筒做與母船升沉運(yùn)動(dòng)的反向運(yùn)動(dòng)，降低母船升沉對(duì)中繼器和水下機(jī)器人合體的垂向擾動(dòng)，避免在釋放或回收時(shí)水下機(jī)器人與中繼器發(fā)生劇烈碰撞。
[0017]3、相對(duì)于氣液蓄能器式的被動(dòng)補(bǔ)償方式，本發(fā)明能有效提高升沉補(bǔ)償效率，且操作較簡(jiǎn)單，便于工程實(shí)現(xiàn)，可適用于較高海況下的高精度升沉補(bǔ)償。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為一種有纜水下機(jī)器人主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)工作原理示意圖；
[0019]其中:1為母船、2為升沉運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊、3為信號(hào)處理模塊、4為控制單元、5為電液比例閥、6為液壓馬達(dá)、7為液壓絞車(chē)、8為鎧纜、9為支架、10為定滑輪、11為中繼器和水下機(jī)器人的合體、12為油箱、13為過(guò)濾器、14為液壓泵、15為電動(dòng)機(jī)、16為單向閥、17為安全閥。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0021]在現(xiàn)有的常規(guī)有纜水下機(jī)器人收放裝置的基礎(chǔ)上增加升沉運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊、信號(hào)處理模塊和控制單元。液壓絞車(chē)固定在母船的甲板上，鎧纜纏繞于液壓絞車(chē)的卷筒上，繞過(guò)支架的定滑輪后連接著中繼器和水下機(jī)器人的合體。液壓泵的進(jìn)口與過(guò)濾器的出口相連，過(guò)濾器的進(jìn)口與油箱相連，液壓泵的出口經(jīng)單向閥與電液比例閥的P 口相連，電液比例閥的T口經(jīng)過(guò)安全閥與油箱相連，電液比例閥的A 口和B 口分別與液壓馬達(dá)的進(jìn)口和出口通過(guò)液壓管路連接。液壓絞車(chē)卷筒軸心線(xiàn)基座上機(jī)械連接雙向定量液壓馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)液壓絞車(chē)正反向轉(zhuǎn)動(dòng)。升沉運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊包括加速度計(jì)和傾角儀，安裝于母船支架(本實(shí)施例采用A型架)的定滑輪處，與信號(hào)處理模塊的信號(hào)輸入接口相連，信號(hào)處理模塊是具有雙串口的工業(yè)級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)。信號(hào)處理模塊的信號(hào)輸出接口與控制單元相連，控制單元是帶有模數(shù)A/D和數(shù)模D/A信號(hào)轉(zhuǎn)換功能的工控機(jī)，控制單元與電液比例閥通過(guò)控制接口相連。
[0022]如附圖1所示，液壓泵14的進(jìn)口與過(guò)濾器13的出口相連，過(guò)濾器13的進(jìn)口與油箱12相連，液壓泵14的出口經(jīng)單向閥16與電液比例閥5的P 口相連，電液比例閥5的T口經(jīng)過(guò)安全閥17與油箱12相連，電液比例閥5的A 口和B 口分別與液壓馬達(dá)6的進(jìn)口和出口通過(guò)液壓管路連接，液壓馬達(dá)6與液壓絞車(chē)7通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)連接。液壓絞車(chē)固定在母船I的甲板上，鎧纜8纏繞于液壓絞車(chē)7的卷筒上，繞過(guò)支架9的定滑輪10后連接著中繼器和水下機(jī)器人的合體11。升沉運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊2包括加速度計(jì)和傾角儀，用于測(cè)量母船的升沉加速度、縱傾角與橫搖角，安裝于母船支架的定滑輪10處，與信號(hào)處理模塊3的信號(hào)輸入接口相連，信號(hào)處理模塊3是具有雙串口的工業(yè)級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)，用于處理測(cè)量的母船升沉運(yùn)動(dòng)信號(hào)，包括由加速度信號(hào)得到速度與位移信號(hào)。信號(hào)處理模塊3的信號(hào)輸出接口與控制單元4相連，控制單元4是帶有模數(shù)A/D和數(shù)模D/A信號(hào)轉(zhuǎn)換功能的工控機(jī)。控制單元4與電液比例閥5通過(guò)控制接口相連?？刂茊卧?根據(jù)母船升沉運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊2和信號(hào)處理模塊3提供的母船升沉信號(hào)，向電液比例閥5發(fā)出控制指令，控制液壓絞車(chē)7反向跟蹤母船升沉運(yùn)動(dòng)，通過(guò)收放鎧纜8來(lái)減少母船升沉運(yùn)動(dòng)對(duì)中繼器和水下機(jī)器人合體11的影響。
[0023]中繼器和水下機(jī)器人合體11中的中繼器與水下機(jī)器人之間用系纜連接，在釋放水下機(jī)器人過(guò)程中，中繼器釋放系纜使水下機(jī)器人與中繼器分離并到達(dá)指定位置進(jìn)行工作；在回收水下機(jī)器人過(guò)程中，中繼器收起系纜使水下機(jī)器人回到中繼器內(nèi)；因此，中繼器和水下機(jī)器人合體11無(wú)論是處于釋放或回收水下機(jī)器人過(guò)程，還是水下機(jī)器人與中繼器分離或合二為一的狀態(tài)，本發(fā)明的補(bǔ)償系統(tǒng)都能避免合體11內(nèi)的水下機(jī)器人與中繼器發(fā)生碰撞O
[0024]本發(fā)明的工作原理為:
[0025]當(dāng)母船I隨著海浪的作用上升時(shí)，就會(huì)通過(guò)鎧纜8帶動(dòng)中繼器與水下機(jī)器人的合體11 一起上升。安裝在母船支架定滑輪10處的升沉運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊2檢測(cè)到母船的運(yùn)動(dòng)加速度，并將該信號(hào)傳遞給信號(hào)處理模塊3。信號(hào)處理模塊根據(jù)內(nèi)部軟件中自定義的積分和自適應(yīng)濾波算法處理加速度信號(hào)，并將處理后的信號(hào)傳遞給控制單元4?？刂茊卧俑鶕?jù)制定的母船速度前饋的控制策略向電液比例閥5發(fā)出控制指令，令其驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)6，使液壓絞車(chē)7釋放鎧纜8，從而補(bǔ)償中繼器和水下機(jī)器人合體11上升的運(yùn)動(dòng)，使其相對(duì)于海底基本上處于不動(dòng)的狀態(tài)。
[0026]反之，當(dāng)母船I隨著海浪的作用下降時(shí)，水下鎧纜8與中繼器與水下機(jī)器人的合體11就會(huì)在重力作用下往下降，安裝在母船支架定滑輪10處的升沉運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊2檢測(cè)到母船的運(yùn)動(dòng)加速度，并將該信號(hào)傳遞給信號(hào)處理模塊3。信號(hào)處理模塊根據(jù)內(nèi)部軟件中自定義的積分和自適應(yīng)濾波算法處理加速度信號(hào)，并將處理后的信號(hào)傳遞給控制單元4。控制單元再根據(jù)制定的母船速度前饋的控制策略向電液比例閥5發(fā)出控制指令，令其驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)6，使液壓絞車(chē)7回收鎧纜8，從而補(bǔ)償中繼器和水下機(jī)器人合體11下降的運(yùn)動(dòng)，使其相對(duì)于海底基本上處于不動(dòng)的狀態(tài)。
[0027]其中，信號(hào)處理模塊是將母船升沉加速度信號(hào)處理成母船升沉運(yùn)動(dòng)的速度和位移，具體為:設(shè)母船升沉加速度為彳,加速度計(jì)測(cè)量值為a，母船縱傾角Θ、橫搖角P，重力加速度g，根據(jù)坐標(biāo)變換原理可知，母船的升沉加速度為Λ =卜gcospcos0，將加速度取一次積分為速度，速度再取一次積分既得位移。
[0028]另外制定的母船速度前饋控制策略是:將母船升沉速度信號(hào)作為前饋控制器的輸入，前饋控制器的輸出信號(hào)控制電液比例閥驅(qū)動(dòng)液壓絞車(chē)旋轉(zhuǎn)，使得絞車(chē)的轉(zhuǎn)速與母船升沉速度大小相等且反向，這樣便達(dá)到了前饋控制的目的。
[0029]綜上所述，本發(fā)明給出了一種有纜水下機(jī)器人主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，能夠在惡劣海況下進(jìn)行深海作業(yè)時(shí)補(bǔ)償母船升沉運(yùn)動(dòng)以降低水下中繼器升沉運(yùn)動(dòng)幅度，解決了傳統(tǒng)被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)所存在的補(bǔ)償效率低和補(bǔ)償范圍窄的問(wèn)題，提高了補(bǔ)償效率和補(bǔ)償范圍，使有纜水下機(jī)器人得以平穩(wěn)回收，避免了在惡劣海況下水下機(jī)器人在回收或釋放的過(guò)程中與中繼器的碰撞問(wèn)題。
【權(quán)利要求】
1.一種水下機(jī)器人主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，液壓絞車(chē)(7)固定連接在母船(I)的甲板上，液壓絞車(chē)(7)的卷筒上纏繞鎧纜(8)，鎧纜(8)通過(guò)定滑輪(10)連接中繼器與水下機(jī)器人的合體(11)，其特征在于:在定滑輪(10)上固定安裝有用于測(cè)量母船升沉運(yùn)動(dòng)信號(hào)的傳感器模塊(2)，并與信號(hào)處理模塊(3)、控制單元(4)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(18)、液壓絞車(chē)(7)順序連接；傳感器信號(hào)處理模塊(3)將傳感器模塊(2)測(cè)得的母船升沉運(yùn)動(dòng)信號(hào)處理成母船升沉速度信號(hào)與母船升沉位移信號(hào)輸出至控制單元(4);控制單元(4)采用前饋控制方法進(jìn)行主動(dòng)升沉補(bǔ)償，并將得出的補(bǔ)償控制信號(hào)輸出至液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(18);控制液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(18)通過(guò)液壓管路控制液壓絞車(chē)(7)的液壓馬達(dá)(6);液壓馬達(dá)(6)控制卷筒收放鎧纜(8)補(bǔ)償中繼器與水下機(jī)器人的合體(11)的升沉運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下機(jī)器人主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于:所述傳感器模塊(I)包括加速度計(jì)和傾角儀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下機(jī)器人主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于:所述母船升沉運(yùn)動(dòng)信號(hào)包括升沉加速度、縱傾角與橫搖角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下機(jī)器人主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于:所述信號(hào)處理模塊(3)是具有雙串口的工業(yè)級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下機(jī)器人主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于:所述控制單元(4)為帶有A/D和D/A信號(hào)轉(zhuǎn)換功能的工控機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下機(jī)器人主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于:控制液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(18 )包括電液比例閥(5 )和液壓裝置(19 ); 電液比例閥(5 )的控制接口與控制單元(4 )的輸出端連接；電液比例閥(5 )的管路接口A(yíng) 口、B 口通過(guò)液壓管路與液壓馬達(dá)(6)的進(jìn)出口連接；電液比例閥(5)的管路接口 P 口、T 口與液壓裝置(19)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種水下機(jī)器人主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于:所述液壓裝置(19)包括油箱(12)、過(guò)濾器(13)、液壓泵(14)、電機(jī)(15)、單向閥(16)和安全閥(17);所述過(guò)濾器(13)的進(jìn)口與油箱(12)相連，其出口與液壓泵(14)的進(jìn)口相連；與電機(jī)(15)同軸連接的液壓泵(14)出口經(jīng)單向閥(16)與電液比例閥(5)的管路入口 P 口相連，電液比例閥(5)的管路出口 T 口通過(guò)安全閥(17)與油箱(12)相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下機(jī)器人主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于:所述液壓絞車(chē)(7)包括基座、卷筒和液壓馬達(dá)(6);液壓馬達(dá)(6)與卷筒同軸連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下機(jī)器人主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于:所述定滑輪(10)與支架(9)的一端固定連接；支架(9)的另一端固定在母船(I)上。
【文檔編號(hào)】B66D1/50GK103626068SQ201210309848
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2012年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月28日
【發(fā)明者】張?bào)糜? 楊文林, 張艾群, 全偉才 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所