水下船體表面清刷機器人控制研究

船舶通常在海上航行。水下船體表面通常附著著一些白色和腐蝕的毛發，這增加了船體表面的粗糙度，增加了航行阻力，從而影響了船舶的航行速度。近年來,日本、美國、法國和英國等國家的水下清刷作業裝置日趨成熟并走向實用化。例如,美國福祿公司推出的清洗貓(HYDROCAT),日本中國電力公司和造船公司等聯合開發的一種清理和檢查用機器人,英國的水下清掃裝置等。目前我國船體表面的清理工作主要是在船塢里進行噴砂處理,作業環境污染嚴重,修船期長,船塢不足。因此,研制水下船體表面清刷機器人已成當務之急,具有一定的實際意義和理論意義。1水下船舶的機器人水下船體表面清刷機器人主要由推力吸附機構、輪式行走機構、清刷作業裝置和控制系統等部分組成,其總體示意圖如圖1所示。該機器人工作機理:在船的甲板上放置一臺可自由移動的運載小車,小車上有上位機、卷揚裝置。卷揚裝置隨著機器人的上下移動及時地收放保護纜繩,為機器人提供安全保障條件。機器人從運載小車爬到水下船體表面上,按照規劃的軌跡運動,依靠螺旋推力吸附和液壓馬達驅動,運用傾角傳感器等檢測和調整機器人的位姿,轉彎運動是靠前輪擺動馬達的轉向來實現的。機器人攜帶清洗刷,一邊移動一邊清刷,如此往復,直至完成水下船體清刷作業任務。該機器人的具體技術指標為:(1)吸附方式:推力吸附;(2)移動方式:輪式液壓驅動;(3)移動速度:2～8m/min;(4)控制方式:有線遙控;(5)負重能力:不小于400N;(6)工作深度:水下20m以內。2動力源的設計由于液壓系統具有功率重量比和力矩慣量比較大的特點,而且易于實現直線驅動和直接驅動,因此廣泛應用于工程機械。故水下船體清洗機器人選用液壓系統作為動力源。整個系統由供油部分、控制部分、執行部分和液壓管路等組成。供油部分由泵、過濾器、安全閥等組成;執行部分由回轉液壓馬達和擺動馬達等組成;控制部分主要由電液伺服閥和順序閥等組成。液壓回路由泵油回路、推力吸附子回路、行走轉向回路和清刷回路等組成。液壓控制系統可以采取全自動方式,在計算機的控制下完成動作,也可以按照人工操作遙控器所發出的指令工作。2.1液壓元件的調節變量泵作為液壓系統的液壓能的主要提供者,與其它液壓元件組成閉式系統,補油泵從過濾器中汲取油液,將其泵入到系統的主回路中,主回路的回油壓力由液壓閥進行調節。泵油回路如圖2所示。2.2變量馬達研磨由于水下船體表面附著一些海生物和銹蝕,使得船體表面凹凸不平,為此選用了推力吸附的方式。機器人的中心安放一個高轉速的螺旋槳推力裝置,螺旋槳的動力由液壓變量馬達驅動。依靠螺旋槳推動海水產生的反作用力,使得機器人緊緊貼靠在船舶的表面上。推力吸附回路液壓原理圖如圖3所示。在變量馬達出油口串聯一個背壓閥,背壓閥的工作壓力一般在0.2～0.6MPa,保證變量馬達可靠地工作。由于該子系統是優先保證的,因此在該子系統和其它子系統之間采用順序閥隔開,防止在系統壓力不足的時候同時對所有液壓馬達供油。只有確保了本系統的壓力后,順序閥才打開,液壓泵才對其它液壓馬達供油。2.3擺動液壓馬達控制從移動的靈活性考慮,選用輪式的移動方式,即后輪驅動,以及前輪作為方向輪的形式。兩后輪采用相互獨立的變量液壓馬達驅動,安放在前輪上的一個擺動液壓馬達控制前輪方向。運用電液伺服閥,控制進入變量液壓馬達的液壓油方向和流量。當機器人轉向時,擺動液壓馬達控制前輪轉向,光電編碼盤檢測轉彎角度的大小,信號經放大處理后,輸出兩路電信號分別控制左右兩輪的變量液壓馬達流量,調整其液壓馬達速度,從而控制左右車輪的轉速,實現轉向時的兩驅動輪的差速。機器人的前進、后退由換向閥來實現。前輪轉向液壓驅動原理圖如圖4所示。2.4背壓閥液壓回路水下清刷裝置,由刷具、液壓馬達及聯軸器等組成。其液壓回路為:液壓油經電磁換向閥進入到液壓馬達,液壓馬達的出口處配置一個背壓閥,以防止系統過壓。清刷液壓系統原理圖如圖5所示。2.5藥物的8.2/s液壓回路的額定壓力選擇10MPa,油液粘度選為16～28mm2/s。液壓泵選擇葉片泵,額定工作壓力為10MPa。由于工作在海水中,溫度往往比較低,為了保證系統正常的工作,采用低凝液壓油,工作溫度范圍為-40～80℃。3總體控制系統機器人采用上下位機兩級控制策略。下位機將采集到的信息傳送到上位機,上位機將控制命令傳送給下位機,以控制機器人的各種運動及清刷作業。機器人總體控制系統框圖如圖6所示。基于液力驅動的水下船體清刷機器人,需通過實驗對其性能進行檢驗,看其性能是否滿足要求,實驗方案如下所述。3.1種行駛狀態的速度比較實時讓機器人在水下船體表面上按照低速、中速和高速上下爬行,測量移動的距離和時間,從而計算出機器人處于三種爬行狀態時的速度。通過測試和數據處理可知,機器人可以分別按照高速、中速和低速三檔速度運動。3.2懸掛抗壓強度的測定讓機器人在船體表面上進行負載實驗。逐次增加懸掛砝碼的重量,直至機器人處于脫落的臨界狀態,計算懸掛的總重量,可測得機器人的最大負重能力。3.3移動機器人情況在機器人移動的軌跡上設置障礙,機器人上下移動時經過設置的障礙,逐步增加放置障礙木板的高度,觀察機器人爬行的平穩程度,可測得機器人越障能力。3.4糾偏能力檢測設定初始狀態,記錄電子傾角傳感器在上位機界面的顯示值a1,然后讓機器人向上(或向下)移動1.6m,記錄此時電子傾角傳感器在上位機界面的顯示值a2,連續操作5次,計算a1和a2的差值后取平均值,可測得機器人的糾偏能力。4船舶表面清刷機器人的控制方案針對水下船體表面附著海生物