ROV的结构设计及关键技术研究

论文摘要

有缆水下机器人(ROV)广泛应用于海洋救助与打捞、海洋石油开采、水下工程施工、军事和国防建设等诸多方面,具有广阔的应用前景。本文源自国家“863”重点项目,目的在于设计并研制出具有自主知识产权的、用于深水海底管道回接的ROV系统。论文基于国内外水下机器人设计的成功经验,通过对ROV结构设计因素的分析研究,设计了六推进器框架式水下机器人,并对其进行了仿真研究。首先,在深入分析了国内外大量ROV相关技术研究的基础上,根据作业任务所限定的设计特征,规划了ROV的原理样机系统,确定了ROV由浮力模块、载体框架、推进部分、作业工具、密封舱以及辅助配件等六部分组成模块组成,其中浮力模块用于提供足够的浮力,载体框架用来搭载传感器、控制部分以及作业工具等,推进部分为六个螺旋桨推进器,它们之间相互配合保证水下机器人在水中可以自由地作三维空间运动,辅助配件则对整个系统进行补充和优化。然后,在给出ROV特征参数的基础上,确定各主要功能模块的具体结构型式,利用Pro/E软件进行结构优化设计。在ROV整体设计完成后,利用整体平衡法对ROV系统进行了平衡计算,验证了布局的合理性,详细介绍了耐压壳、载体框架、起吊环等关键部位,并对每一部分都利ANSYS有限元分析软件进行了强度校核,证明了选择的材料和结构满足强度要求。其次,利用Pro/E软件完成了ROV的虚拟装配,以预测其性能,进而改进设计,提高性能。建立了ROV系统的坐标系及相互之间的转换关系,分别从运动学和动力学角度分析了ROV建模需要考虑的参数,同时参考了国内外的相关文献,分析了水下机器人运动学和动力学模型的推导方法。最后,对ROV的控制系统进行了研究,确定了控制系统的形式,并根据航行控制系统的要求选择控制方式,采用以位总线集散控制系统为核心的计算机控制系统,并对其硬件和软件体系进行了方案设计。本课题研究也可为同类研究参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 水下机器人的分类
• 1.3 ROV国内外现状研究
• 1.3.1 国外发展状况
• 1.3.2 国内发展状况
• 1.4 课题来源、背景及意义
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 课题的研究目的
• 1.4.3 课题的研究意义
• 1.5 论文完成的主要工作
• 第2章 ROV系统方案研究
• 2.1 引言
• 2.2 深水管道回接过程
• 2.3 ROV系统的组成
• 2.4 ROV的系统设计
• 2.4.1 ROV的设计特征
• 2.4.2 形体的选择
• 2.4.3 密封舱壳体方案选择
• 2.4.4 推进系统方案设计
• 2.4.5 密封问题研究
• 2.4.6 整体平衡准则
• 2.5 本章小结
• 第3章 ROV的机械结构设计
• 3.1 ROV结构设计
• 3.1.1 整体结构设计
• 3.1.2 结构优化设计
• 3.3 密封舱耐压壳设计
• 3.3.1 材料选择
• 3.3.2 耐压壳受力分析
• 3.3.3 耐压壳体结构设计
• 3.3.4 耐压壳的有限元分析与计算
• 3.4 载体框架设计
• 3.4.1 材料选择
• 3.4.2 载体框架的结构形式
• 3.4.3 构件的连接方式
• 3.4.4 ANSYS强度分析
• 3.5 起吊环结构及其强度ANSYS分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 ROV虚拟样机的实现及其运动模型研究
• 4.1 引言
• 4.2 ROV的零件建模
• 4.2.1 模型结构分析
• 4.2.2 造型手段
• 4.2.3 合理添加关系式
• 4.2.4 建立零件族表
• 4.3 ROV的虚拟装配
• 4.3.1 确定装配层次
• 4.3.2 确定装配顺序
• 4.3.3 确定装配约束
• 4.3.4 装配体的爆炸视图
• 4.4 ROV的运动学模型
• 4.4.1 坐标系的选取及ROV运动参数
• 4.4.2 固定坐标系和运动坐标系的转换关系
• 4.4.3 平面运动假设
• 4.5 ROV动力学建模方法
• 4.5.1 受力分析
• 4.5.2 推进器建模
• 4.5.3 ROV模型
• 4.6 本章小结
• 第5章 ROV控制系统研究
• 5.1 引言
• 5.2 控制系统选择
• 5.3 ROV的航行控制系统
• 5.3.1 基本要求与控制方式
• 5.3.2 驱动方案设计
• 5.4 ROV位总线集散控制系统方案研究
• 5.4.1 硬件结构
• 5.4.2 软件体系
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢