一种浑水成像无人遥控潜水器及其设计方法
阅读说明：本技术 一种浑水成像无人遥控潜水器及其设计方法 (Muddy water imaging unmanned remote control submersible and design method thereof ) 是由 冯玉娟 王志东 郑文声 凌宏杰 徐峰 于 2021-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种浑水成像无人遥控潜水器,包括潜水器本体、浑水检测模块,浑水检测模块安装于潜水器本体顶面的中部；浑水检测模块包括透明壳、辅助轮、摄像头、弹簧,透明壳置于潜水器本体上方,其底面通过多个间隔分布的弹簧与潜水器本体的顶面连接,辅助轮在透明壳上表面的周向设有多个,分别通过轮座及螺栓与透明壳连接,摄像头朝上安装于透明壳内,摄像头外壁与透明壳内壁之间的空腔填充气体或液体。本发明还提供了其设计方法。本发明浑水检测能力突出、结构稳定性强、结构布局合理并且散热性能强,能够有效提高在浑浊水域及昏暗水域的工作效率及可靠性。(The invention discloses a muddy water imaging unmanned remote control submersible which comprises a submersible body and a muddy water detection module, wherein the muddy water detection module is arranged in the middle of the top surface of the submersible body; the muddy water detection module comprises a transparent shell, auxiliary wheels, a plurality of cameras and springs, wherein the transparent shell is arranged above the submersible body, the bottom surface of the transparent shell is connected with the top surface of the submersible body through the springs distributed at intervals, the auxiliary wheels are arranged in the circumferential direction of the upper surface of the transparent shell and are respectively connected with the transparent shell through wheel seats and bolts, the cameras are upwards installed in the transparent shell, and a cavity between the outer wall of each camera and the inner wall of the transparent shell is filled with gas or liquid. The invention also provides a design method of the novel solar cell. The muddy water detection device has the advantages of outstanding muddy water detection capability, strong structural stability, reasonable structural layout and strong heat dissipation performance, and can effectively improve the working efficiency and reliability in turbid water areas and dim water areas.)
技术领域
本发明涉及水下机器人技术领域，尤其是涉及一种浑水成像无人遥控潜水器及其设计方法。
背景技术
ROV(Remote Operated Vehicle，无人遥控潜水器)是用于水下观察、检查和施工的水下机器人。微型ROV自带能源，运行灵巧，携带有微型摄像机和传感器，可以扩展载人潜水器的观测范围，能深入载人潜水器不便或不能进入的狭小危险区域进行工作。
水下机器人的种类繁多，应对于低能见度水域的水下检测机器人成为水下机器人的一个重要分支。在近海海域或者黄河、长江流域,水质浑浊,可视性差,环境条件变化大,无法实现水下的目视检查,只能靠潜水员进行水下探摸,检验的可靠性不能满足要求,水面上的检验人员也不能对水下情况进行确定。对于水下检测尤其是浑水检测的要求日益迫切。
水下耐压舱体的结构形式也多种多样，常见的有长方体、圆柱体和球体等。长方体耐压舱体易于加工，方便布置内部元件，但是受压时边角处容易产生应力集中，耐压强度较低，适用于浅水密封。球形耐压舱体受压时应力可以在整个表面上均匀分布，耐压性能好，适用于深水密封；但是内部元件不方便布置，加工难度和成本也很高。圆柱形耐压舱的耐压性能良好，加工成本较低，从浅水到深水都可以使用。
此外，ROV上的水下照明模块作为一种为无人遥控潜水器的拍照和航行提供亮度的设备，在满足亮度的同时还要保证密封性、抗水压的能力和散热能力。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种浑水成像无人遥控潜水器，能够解决一般的无人遥控潜水器的浑水监测困难、结构布局不合理、稳定性差以及散热性能差的问题，并提供了该潜水器的设计方法。
技术方案：一种浑水成像无人遥控潜水器，包括潜水器本体、浑水检测模块，浑水检测模块安装于潜水器本体顶面的中部；
浑水检测模块包括透明壳、辅助轮、摄像头、弹簧，透明壳置于潜水器本体上方，其底面通过多个间隔分布的弹簧与潜水器本体的顶面连接，辅助轮在透明壳上表面的周向设有多个，分别通过轮座及螺栓与透明壳连接，摄像头朝上安装于透明壳内，摄像头外壁与透明壳内壁之间的空腔填充气体或液体。
进一步的，潜水器本体包括框架模块、运动缓冲轮、以及安装于框架模块耐压电子舱模块、水平推进器、竖直推进器、照明模块、云台摄像机、配重模块，框架模块为矩形镂空框架结构，运动缓冲轮、水平推进器、竖直推进器组成运动模块，耐压电子舱模块相对两侧分别至少设有一个水平推进器，竖直推进器在每侧的水平推进器的上方分别设有一个，耐压电子舱模块前部的上方设有云台摄像机，云台摄像机的前部的下方设有照明模块，配重模块安装于框架模块顶面上，框架模块外顶面上安装有四个呈矩形排列的运动缓冲轮，水平推进器、竖直推进器、照明模块、云台摄像机、摄像头分别与耐压电子舱模块信号连接。
进一步的，框架模块包括侧面框架一、侧面框架二、底面框架、顶面框架，侧面框架一和侧面框架二相对间隔设置，顶面框架、底面框架分别连接侧面框架一和侧面框架二的上部和下部，四者构成长方体框架结构，运动缓冲轮在顶面框架的外侧面上安装多个，水平推进器在侧面框架一、侧面框架二的内侧面上分别沿其长度方向间隔安装有两个，顶面框架上相对开设有两个弧形孔，两个竖直推进器分别安装于侧面框架一、侧面框架二的内侧面上并穿设于对应的一个弧形孔中，顶面框架中部设有内凹的圆柱形凹槽，弹簧与圆柱形凹槽的内底面连接。
最佳的，底面框架包括底前框架、底中框架、底后框架，三者依次间隔排列并分别连接侧面框架一、侧面框架二，照明模块安装于底前框架的内侧面上，耐压电子舱模块跨设安装于底中框架和底后框架内侧面上，配重模块与顶面框架的外表面连接，配重模块的形状与顶面框架的内侧面形状相同。
进一步的，耐压电子舱模块包括圆管形主舱体、端盖一、端盖二、隔舱、电源舱、控制舱，圆管形主舱体内部设置隔舱，将其内部分为两室，电源舱、控制舱分别安装于其中一室中，端盖一、端盖二分别与圆管形主舱体的两端密封连接。
进一步的，电源舱包括柱体框架一、电池、交换机、深度计及漏水应变片组件、导航模块、散热板，柱体框架一与圆管形主舱体内壁连接，电池设有两个，分别通过一个散热板安装于柱体框架一的内壁上，柱体框架一内壁上还间隔安装有交换机、深度计及漏水应变片组件、导航模块，深度计及漏水应变片组件为深度计与漏水应变片的组合。
进一步的，控制舱包括柱体框架二、以及安装于柱体框架二内部的第一集成控制器、第二集成控制器，柱体框架二与圆管形主舱体内壁连接，第一集成控制器、第二集成控制器分别与交换机连接，水平推进器、竖直推进器、漏水应变片分别与第二集成控制器信号连接，照明模块、云台摄像机、导航模块、深度计、摄像头分别与第一集成控制器信号连接。
最佳的，透明壳为圆柱形亚克力透明壳。
最佳的，辅助轮、运动缓冲轮均为永磁轮。
一种上述的浑水成像无人遥控潜水器的设计方法，包括以下步骤：
步骤一：根据浑水成像无人遥控潜水器功能要求，进行框架模块、浑水成像模块、耐压电子舱模块、运动模块、照明模块及配重模块的选型和设计；
步骤二：基于Solidworks软件完成功能部件三维建模和虚拟装配；
步骤三：根据功能需求，设计出浑水成像无人遥控潜水器初步外形；
步骤四：结构强度性能计算，看是否满足要求，若满足要求，通过辅助运动姿态控制装置以及简化模型计算脐带缆阻力，计算本体基础参数；若结构强度性能计算结果不满足要求，重新设计和选型；
步骤五：根据计算出的本体基础参数，判断静力学和动力学是否达到平衡，若达到平衡，产品定型；若达不到平衡，调整空间布局和产品选型；
步骤六：产品定型后，通过控制系统进行水池试验静力学、动力学、自航操作性测试。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)本发明浑水检测能力突出、结构稳定性强、结构布局合理并且散热性能强。
(2)浑水检测模块通过摄像头与弹簧及透明壳体协同工作的方式，实现对船底观测的定距与视觉延展功能，使机器人在浑水中观测到的图像更为清晰，通过与retinex软件代码相结合实现对浑水的清晰成像，有效提高在浑浊水域及昏暗水域的工作效率及可靠性。
(3)框架模块采用开架式镂空设计，可以有效增强浑水成像无人遥控潜水器直航时的稳定性，从而提高推进效率和检测性能；整体框架在保证对动力性能影响较小的情况下供流体自由进出；机身安装有多个推进器便于机器人在浑水中运动，可根据需要增减推进器；
(4)耐压电子舱模块的圆管形主舱体采用铝合金圆柱形结构，耐压性能良好，加工成本低，从浅水到深水均可使用；采用隔舱的方式将电源舱与控制舱隔开，避免了电池产生的热量对控制舱产生影响，同时在电池板上设置有散热板，便于电池板快速散热，整个耐压电子舱模块空间布局合理，耐压性能良好，加工成本低。
(5)水平推进器、竖直推进器均采用了塑料和铝合金材质制造，相较于其他推进器具有结构紧凑、质量轻便、推进效率高等优点；推进器的桨叶配备了直径100mm的导管，可以改善流场分布状况，提高推进效率；且推进器采用了全新的磁耦合密封技术，将动力部分与桨叶部分封装成两个独立的静密封结构，两者之间利用磁场传递扭矩，这可以避免因密封磨损导致的渗漏，大幅提高了使用寿命。
(6)照明模块配备两支照明灯，在水下可用于照明较远的被拍摄对象，亦可大范围照亮周边环境，提高水下航行安全性。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为浑水成像模块的结构示意图；
图3为框架模块的立体结构示意图；
图4为耐压电子舱模块的剖面结构示意图；
图5为电源舱的剖面结构示意图；
图6为配重模块的结构示意图；
图7为本发明设计方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
一种浑水成像无人遥控潜水器，如图1～6所示，包括潜水器本体、浑水检测模块2，潜水器本体包括框架模块1、运动缓冲轮53、以及安装于框架模块1耐压电子舱模块3、水平推进器51、竖直推进器52、照明模块4、云台摄像机6、配重模块7，运动缓冲轮53、水平推进器51、竖直推进器52组成运动模块5，浑水检测模块2安装于潜水器本体顶面的中部。
框架模块1为矩形镂空框架结构，框架模块1包括侧面框架一12、侧面框架二14、底面框架13、顶面框架11，侧面框架一12和侧面框架二14相对间隔设置，顶面框架11、底面框架13分别连接侧面框架一12和侧面框架二14的上部和下部，四者构成长方体框架结构，底面框架13包括底前框架131、底中框架132、底后框架133，三者依次间隔排列并分别连接侧面框架一12、侧面框架二14。侧面框架一12和侧面框架二14左右对称，整个框架模块1通过预埋螺栓连接并且顶面框架11和侧面框架一12、侧面框架二14以及底面框架13均有角码加固。框架模块1为整个潜水器其他部件的安装骨架，采用整板切割工艺保证强度的同时减轻潜水器重量。
浑水检测模块2包括透明壳21、辅助轮22、摄像头23、弹簧24，透明壳21为圆柱形亚克力透明壳，透明壳21置于潜水器本体上方，顶面框架11中部设有内凹的圆柱形凹槽15，透明壳21底面与圆柱形凹槽15的内底面之间通过多个间隔布置的弹簧24连接，透明壳21用于隔开浑水保证摄像头获取图像范围；辅助轮22在透明壳21上表面的周向设有多个，分别通过轮座及螺栓与透明壳21连接，辅助轮22为永磁轮，辅助轮22便于潜水器在船底进行浑水检测时对船底进行吸附与移动，维持运动状态及成像稳定性；摄像头23朝上安装于透明壳21内，摄像头23外壁与透明壳21内壁之间的空腔填充气体或液体，摄像头23位于透明壳21中间,透明壳21与弹簧24配合实现定距与视觉延展功能，助力摄像头23在浑水中成像，摄像头23通过算法进一步处理图像信息，得到清晰浑水图像，便于潜水器在浑水中的工作。
耐压电子舱模块3通过抱箍跨设安装于底中框架132和底后框架133内侧面上，耐压电子舱模块3包括圆管形主舱体31、端盖一321、端盖二322、隔舱33、电源舱35、控制舱34，圆管形主舱体31内部设置隔舱33，将其内部分为两室，电源舱35、控制舱34分别安装于其中一室中，端盖一321、端盖二322分别与圆管形主舱体31的两端密封连接。
电源舱35采用框架式结构进行设计，电源舱35包括柱体框架一351、电池352、交换机353、深度计及漏水应变片组件354、导航模块356、散热板357，柱体框架一351与圆管形主舱体31内壁连接，电池352设有两个，分别通过一个散热板357安装于柱体框架一351的内壁上，散热板357为圆弧面铝合金板，与柱体框架一351内壁贴合匹配，交换机353、深度计及漏水应变片组件354、导航模块356间隔安装于柱体框架一351内壁上，也可以安装于两个散热板357的剩余空间上，深度计及漏水应变片组件354为深度计和漏水应变片的组合，电池352为本潜水器上的所以电器件供电。
控制舱34也采用框架式结构进行设计，控制舱34包括柱体框架二341、以及安装于柱体框架二341内部的第一集成控制器、第二集成控制器，两者分别与交换机353信号连接，柱体框架二341与圆管形主舱体31内壁连接，且柱体框架二341一端设有铮角，与隔舱进行配合，可将整个框架固定。水平推进器51、竖直推进器5、2漏水应变片分别与第二集成控制器信号连接，摄像头23、照明模块4、云台摄像机6、导航模块356、深度计分别与第一集成控制器信号连接。
上位机通过光纤传输信息到达潜水器的控制舱34，控制舱34根据由电源舱35内导航模块356、深度计、漏水应变片的传递信号掌握整个潜水器的运作情况，当出现状况时上报上位机。
耐压电子舱模块3相对两侧分别至少设有一个水平推进器51，如将水平推进器51在侧面框架一12、侧面框架二14的内侧面上分别沿其长度方向间隔安装有两个，竖直推进器52在每侧的水平推进器51的上方分别设有一个，顶面框架11上相对开设有两个弧形孔，两个竖直推进器52分别安装于侧面框架一12、侧面框架二14的内侧面上并穿设于对应的一个弧形孔中。水平推进器51、竖直推进器52的选型可为选用美国BLUEROBOTRICS公司提供的T200型号小型推进器，该推进器采用了塑料和铝合金材质制造，推进器的桨叶还配备直径100mm的导管。
耐压电子舱模块3前部的上方设有云台摄像机6，云台摄像机6安装于顶面框架11内侧面上，云台摄像机6的前部的下方设有照明模块4，照明模块4安装于底前框架131的内侧面上，云台摄像机6可为摄像系统由一套可任意角度旋转的云台、摄像机和透明球罩组成，且摄像机后部留有3个通孔，便于导线的安装；云台摄像机6进行密封设计，为了限制耐压舱体尺寸，采用径向密封方式。照明模块4包括两个水下灯，灯发光体采用LED模块，材料可为6061铝合金，水下灯的发光体前部使用耐压玻璃作为透光材料，发灯体通过包胶卡箍与底前框架131进行固定。
配重模块7安装于框架模块1顶面上，框架模块1外顶面上安装有四个呈矩形排列的运动缓冲轮53，运动缓冲轮53为永磁轮，配重模块7与顶面框架11的外表面连接，配重模块7的形状与顶面框架11的内侧面形状相同，配重模块7为将配浮、配重集成为一个模块，即将密度较小的浮力材料切割成与框架模块顶面框架，在其下表面固定螺杆，用于安装配重片，且整个配重模块7相对于本潜水器的位置固定，其浮心位于上半部分，而重心位于下半部分，潜水器下水后通过遥控手柄与摄像头配合可以通过自动或手动方式进行工作。
本潜水器主要用于船底的检测，潜水器通过竖直推进器52和配重模块7配合实现上浮或下潜，当在水下时，通过水平推进器51移动，同时配合运动缓冲轮53在船底面上进行移动，竖直推进器52和配重模块7对潜水器贴合船底面运动起到辅助作用，照明模块4进行灯光辅助，保证摄像头23、云台摄像机6的拍摄效果，摄像头23、云台摄像机6将拍摄的图像通过控制舱传递至主控系统进行图像处理，从而实现对船舶水下环境的监测。
所有模块设计完毕后，需对其进行虚拟组合装配。整体装配过程必须满足模块间互不干涉的基本条件，且要考虑装配顺序的合理性，所用紧固件的统一性。
上述的浑水成像无人遥控潜水器的设计方法，如图7所示，包括以下步骤：
步骤一：根据浑水成像无人遥控潜水器功能要求，进行框架模块、浑水成像模块、耐压电子舱模块、运动模块、照明模块及配重模块的选型和设计；
步骤二：基于Solidworks软件完成功能部件三维建模和虚拟装配；
步骤三：根据功能需求，设计出浑水成像无人遥控潜水器初步外形；
步骤四：结构强度性能计算，看是否满足要求，若满足要求，通过辅助运动姿态控制装置以及简化模型计算脐带缆阻力，计算本体基础参数；若结构强度性能计算结果不满足要求，重新设计和选型；
步骤五：根据计算出的本体基础参数，判断静力学和动力学是否达到平衡，若达到平衡，产品定型；若达不到平衡，调整空间布局和产品选型；
步骤六：产品定型后，通过控制系统进行水池试验静力学、动力学、自航操作性测试。
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