【正文】 目錄 第一章． 緒論 .......................................... 1 第二章． ROV 簡(jiǎn)介 ....................................... 2 （一） ROV的概念 和結(jié)構(gòu)組成 .............................. 2 （二） ROV的特點(diǎn) ....................................... 4 （三） ROV的功能和應(yīng)用 ................................. 4 （四） ROV的應(yīng)用分類 ................................... 6 （五） ROV的關(guān)鍵技術(shù) ................................... 8 第三章． 總體設(shè)計(jì) ...................................... 10 （一）系統(tǒng)的總體架構(gòu) .................................. 10 （二） ROV控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及發(fā)展 ........................... 10 （三）數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì) ...................................... 11 （四）運(yùn)行設(shè)計(jì) ....................................... 12 第四章． 詳細(xì)設(shè)計(jì) ...................................... 14 （一）整體軟件設(shè)計(jì) .................................... 14 （二）上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) .................................. 14 （三）下位機(jī)軟件設(shè)計(jì) .................................. 52 第五章． 軟件測(cè)試 ...................................... 61 （一）測(cè)試目的 ....................................... 61 （二）測(cè)試方法和效果 .................................. 61 1 第一章 緒論 21 世紀(jì)是人類向海洋進(jìn)軍的世紀(jì)。深海作為人類尚未開(kāi)發(fā)的寶地和高技術(shù)領(lǐng)域之一，已經(jīng)成為各國(guó)的重要戰(zhàn)略目標(biāo)，也是近幾年國(guó)際上競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。水下機(jī)器人作為一種高技術(shù)手段在海洋開(kāi)發(fā)和利用領(lǐng)域的重要性日漸重要。當(dāng)今，在一些國(guó)家的水下機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，并在許多場(chǎng)合的應(yīng)用中體現(xiàn)出了良好的效果。隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，迫切需要大量適用于作業(yè)的各式各樣的水下機(jī)器人。世界上許多國(guó)正在大力加強(qiáng)水下機(jī)器人的研究，我國(guó)力爭(zhēng)在不久的將來(lái)，推出大量實(shí)用的機(jī)器人，以使自己的機(jī)器人技術(shù)和產(chǎn)品在國(guó)際上占有一席之地。 隨著 科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，水下機(jī)器人從無(wú)智能走向智能化發(fā)展。具有智能的機(jī)器人應(yīng)用于深海作業(yè)中，極大地提高了人類對(duì)海洋的探測(cè)。重要的是水下機(jī)器人在海洋開(kāi)發(fā)各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，代替人在那些人類無(wú)法工作的深海環(huán)境條件下完成任務(wù)作業(yè)。這將極大地?cái)U(kuò)展人類科學(xué)研究活動(dòng)的范圍，提高人類創(chuàng)造性科學(xué)的探究和發(fā)展。 2 第二章 ROV 簡(jiǎn)介 （一） ROV 的概念和 結(jié)構(gòu) 組成 ROV 的概念 ROV，即水下機(jī)器人（ Remote Operated Vehicle ） ， 是一種可在水下移動(dòng)、具有視覺(jué)和感知系統(tǒng)、通過(guò)遙控或自主操作方式、使用機(jī)械手或其他工具代替或輔助人去完成水下作業(yè)任務(wù)的 機(jī)電裝置。 ROV 的 結(jié)構(gòu) 組成 （ 1） ROV 系統(tǒng)組成包括：動(dòng)力推進(jìn)器、遙控電子通訊裝置、黑白或彩色攝像頭、攝像俯仰云臺(tái)、用戶外圍傳感器接口、實(shí)時(shí)在線顯示單元、導(dǎo)航定位裝置、自動(dòng)舵手導(dǎo)航單元、輔助照明燈和凱夫拉零浮力 拖纜等單元部件。 如下圖是一個(gè)中型的 ROV： （ 2） 機(jī)器人框架規(guī)格說(shuō)明表 3 序號(hào) 名稱 技術(shù)要求 1 水下機(jī)器人外形結(jié)構(gòu)與尺寸 結(jié)構(gòu)： 框架式 尺寸：約 400mm 高 ? 450mm 寬 ?700mm長(zhǎng) 根據(jù)具體訂做規(guī)格要求尺寸會(huì)在此基礎(chǔ)上有所變動(dòng) 2 照明系統(tǒng) 3 組 50w 的高光通量鹵素?zé)?，固定在框架中，燈光可覆蓋俯仰 140 度范圍。 與攝像系統(tǒng)配合 使用 ，能清晰觀看約 5 米以外的物體，可調(diào)節(jié)亮度。 3 攝像系統(tǒng) 530 線變焦彩色 CCD攝像機(jī)， ， 光圈， PAL 制式，可電動(dòng)變焦， 與照明系統(tǒng)配合 使用 ，能清晰觀看約 5 米以外的物體 4 云臺(tái)系統(tǒng) 俯仰 140 度，配合攝像系統(tǒng)使用，運(yùn)動(dòng)靈活 5 推進(jìn)器系統(tǒng) 4 個(gè)有刷電機(jī)推進(jìn)器。 水平方向：兩個(gè)推進(jìn)器，呈 V 字形排列，V 字角度可調(diào)。 垂直方向：兩個(gè)推進(jìn)器，呈 V 字形排列，V 字角度可調(diào)。航行速度約 3 節(jié)（ 在 0 節(jié)水流狀態(tài)下）。 能升降、前進(jìn)、后退、橫移以及轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)自如；能穩(wěn)定在某一深度（定深）。 6 基本傳感器 用于航行自動(dòng)控制的三軸磁羅經(jīng)傳感器 1個(gè)，精確度 度，三軸傾斜傳感器 1 個(gè)，精確度 度，深度傳感器 1 個(gè)，精確度。 7 配重 配重采用掛載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)體中裝有掛載平臺(tái)，上面帶有各種安裝孔，同時(shí)預(yù)備有各種重量的配重塊，通過(guò)安裝孔將各種配重塊安裝到掛載平臺(tái)中。 框架中帶有配重懸架，根據(jù)攜帶的傳感器重量不同，可方便安裝和拆卸配重塊。 8 浮體 深水浮體，耐壓強(qiáng)度可達(dá) 40MPa。 滿足 主機(jī)重量 22kg 內(nèi)、有效載重至少 2kg的機(jī)器在水下姿態(tài)平衡的要求，顏色為黃色。 9 電纜 密度約 ，浮力為相對(duì)偏向正浮力，直徑 12mm左右，牽引力達(dá)到 100KG，電纜內(nèi)部帶有紡輪編織抗拉層。此外動(dòng)力線一組，超五類雙絞線兩組。 4 10 地面控制系統(tǒng) 配備專用操作控制臺(tái)和增強(qiáng)型的軟件控制系統(tǒng)， 專用控制臺(tái)和計(jì)算機(jī)軟件多模式操作；控制臺(tái)配備搖桿手柄和按鈕。軟件采用全圖形界面設(shè)計(jì)。內(nèi)容包括：圖像捕捉，云臺(tái)控制，照片存儲(chǔ)管理，整個(gè)系統(tǒng)自檢，照明燈控制（開(kāi)、關(guān)、調(diào)節(jié)亮度），顯示潛水導(dǎo)航參數(shù)，各種信息 指示等。顯示配備10 寸液晶屏。帶 sony 游戲手柄，控制機(jī)器運(yùn)動(dòng)，筆記本電腦由用戶自配。 11 供電系統(tǒng) 輸入交流電 100270VAC， 50/60Hz， 整個(gè)水下機(jī)器人的功率約為 800W。 12 最大下潛深度 根據(jù)客戶要求定制 13 水下機(jī)器人在空氣中重量以及有效載重 水下機(jī)器人在空氣中重量約為 22KG，有效載重 2kg 14 保修期 兩年 （二） ROV 的 特點(diǎn) 水下機(jī)器人小巧靈活、操作簡(jiǎn)便 (通過(guò)控制臺(tái)上的多個(gè)旋鈕即可控制機(jī)器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、上升、下沉；燈光強(qiáng)弱和攝像頭焦距；云臺(tái)俯仰等 )；機(jī)器人 可攜帶定位聲納、圖像掃描聲納、多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)傳感器 (YSI)、輻射傳感器、機(jī)械手、金屬測(cè)厚計(jì)等；可實(shí)時(shí)進(jìn)行水下視頻檢測(cè)和觀測(cè)。 概括為以下四點(diǎn)： 可移動(dòng)性 移動(dòng)是指水下機(jī)器人在海底爬行、附著在結(jié)構(gòu)物上行進(jìn)或在海水中浮游。 能夠感知機(jī)器人的外部和內(nèi)部環(huán)境特性 擁有完成使命所需的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 能自主地或在人的參與下完成水下作業(yè) （三） ROV 的功能 和應(yīng)用 無(wú)人有纜水下機(jī)器人 ROV 的優(yōu)點(diǎn)在于動(dòng)力充足，可以支撐復(fù)雜的探測(cè)設(shè)備和較大的機(jī)械作業(yè)用電，信息和數(shù)據(jù)的傳遞和交換 5 快捷方便、數(shù)據(jù)量大，其總體決策水平較 高，因此應(yīng)用廣泛。目前，小型遙控水下機(jī)器人已廣泛用于： 管道容器檢查 市政飲用水系統(tǒng)中水罐、水管、水庫(kù)檢查； 排污 /排澇管道、下水道檢查； 洋輸油管道檢查； 跨江、跨河管道檢查； 船舶河道海洋石油 船體檢修；水下錨、推進(jìn)器、船底探查； 碼頭及碼頭樁基、橋梁、大壩水下部分檢查； 航道排障、港口作業(yè)； 鉆井平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)檢修、海洋石油工程； 科學(xué)研究教學(xué) 水環(huán)境、水下生物的觀測(cè)、研究和教學(xué)； 海洋考察； 冰下觀察； 水下娛樂(lè) 水下電視拍攝、水下 攝影 ； 潛水、劃船、游艇； 看護(hù)潛水員 ,潛水前合適地點(diǎn)的選擇； 能源 核電站反應(yīng)器檢查、管道檢查、異物探測(cè)和取出； 水電站船閘檢修； 水電大壩、水庫(kù)堤壩檢修 (排沙洞口、攔污柵、泄水道檢修 )； 安全 檢查大壩、橋墩上是否安裝爆炸物以及結(jié)構(gòu)好壞情況； 遙控偵察、危險(xiǎn)品靠近檢查； 水下基陣協(xié)助安裝 /拆卸； 船側(cè)、船底 走私 物品檢測(cè) (公安、海關(guān) )； 水下目標(biāo)觀察，廢墟、坍塌礦井搜救等； 6 搜尋水下證據(jù) (公安、海關(guān) )； 海上救助打撈、近海搜索； 考古 水下 考古 、水下沉船考察； 漁業(yè) 深水網(wǎng)箱漁業(yè)養(yǎng)殖，人工漁礁調(diào)查 （四） ROV 的 應(yīng)用分類 水下機(jī)器人應(yīng)用分為軍用和民用兩類 。 軍用有纜水下機(jī)器人 美國(guó)海軍的 ROVCURV最引人注目。它是 專門用于美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)中心打撈沉沒(méi)于水中的武器，其作業(yè)深度 610m， 1958年建成。在最初服役的 6 年中，平均每年回收約 100 個(gè)魚(yú)雷及其他裝置。茬 CURV 的基礎(chǔ)上，美國(guó)海軍后來(lái)又改迸建造了一艘 CURV2 和一艘CURV3，它們的作業(yè)深度分別增至為 762m和 2300m。這類水下機(jī)器人的另一個(gè)重要作用是協(xié)助潛水員執(zhí)行打撈作業(yè)。 I973年 8 月CURV3 和載人水下機(jī)器人 PISCES V 共同打撈起另一艘沉沒(méi)的載人潛水器 PISCES III。 軍用無(wú)纜水下機(jī)器人 AUV可用來(lái)輔助軍用潛艇，作為它的體外傳感器，為它護(hù)航和警戒，以及為它引開(kāi)敵方攻擊充當(dāng)假目標(biāo)。在反潛方面， AUV可擔(dān)任海上反潛警戒，也可當(dāng)作反潛艦艇進(jìn)行訓(xùn)練的靶艇。另外，在水雷戰(zhàn)和反水雷方面以及其他許多特種作業(yè)中， AUV 都可以大顯身手。 民用水下機(jī)器人 由于近年來(lái)人們對(duì)海洋考察和開(kāi)發(fā)的增多，水下機(jī)器人得到廣泛的應(yīng)用，其申 ROV大量地被使用在各種水下作業(yè)中， AUV 大范圍、大深度的作業(yè)設(shè)備近期在深海資源勘探和科學(xué)考察上得到了快速地發(fā)展。由于造價(jià)和人員風(fēng)險(xiǎn)的原因，載人潛水器相對(duì)發(fā) 7 展放緩。目前水下機(jī)器人主要應(yīng)用領(lǐng)域包括水下工程、海洋石油、打撈救生和海洋科學(xué)考察等 各方面。 （ 1）水下工程 水下檢查 :查明管道、水下工程、電纜鋪設(shè)的情況及其位置，檢查百油鉆井平臺(tái)和井口的銹蝕及損壞的程度，檢查水庫(kù)大壩及閘門的裂縫、損壞情況等。 水下監(jiān)視 :監(jiān)視和輔助潛水員進(jìn)行水下作業(yè)、救助打撈和石油鉆井平臺(tái)的水下作業(yè)等。 搜索與識(shí)別 :對(duì)海洋、湖泊、江河中的沉船、遺失的儀器、工程設(shè)備等搜索尋找、記錄和識(shí)別。 安裝與回收 :協(xié)助石油鉆井平臺(tái)安裝、搬遷，扭轉(zhuǎn)閥門、更換和安放設(shè)備，協(xié)助水下工程建設(shè)、打撈作業(yè)等。 水下清理 :水電站攔污柵清理，海上石油鉆井平臺(tái)基礎(chǔ)清理，船體、管道及水下構(gòu)件除銹、除 漆等。 （ 2） 海洋救助與打撈救生 在海難救助，打撈沉船的作業(yè)中獨(dú)立完成或協(xié)助潛水員完成水下作業(yè)任務(wù)。全球定位、搜索，救援遇難艦船、解救受困潛水艇、中繼通訊等。 （ 3） 海洋科學(xué)考察 海洋科學(xué)考察主要包括水文地質(zhì)考察 (記錄海底地形、繪制海底地圖、選擇土樣和巖石樣本等 )、海洋生物考察 (測(cè)定海底生物形態(tài)，采集生物樣本等 )、海洋物理考察 (測(cè)定地球磁場(chǎng)，考察石油、天然氣、礦物資源，考察海底火山活動(dòng)情況等 )、海洋光學(xué)考察等等。 （ 4） 水下考古 確定水下文物位置和性質(zhì)，采集文物樣本，清理考古現(xiàn)場(chǎng)，打撈文物 等。 8 （五） ROV 的 關(guān)鍵技術(shù) 能源技術(shù) 有纜遙控水下機(jī)器人隨著深度的增加，高電壓的動(dòng)力輸送和動(dòng)力設(shè)備是必須的。目前 3000V 電壓動(dòng)力較為普遍地應(yīng)用在 ROV 設(shè)備上。為了減少臍帶電纜的尺寸和重量，將來(lái)ROV會(huì)采用更高的電壓等級(jí)。目前無(wú)纜水下機(jī)器人的能源較多是使用鉛酸電池和銀鋅電池。 精確定位技術(shù) 目前水下機(jī)器人在水上采用 GPS，水下定位采用聲學(xué)定位設(shè)備。水下 GPS技術(shù)目前正在迅速地發(fā)展，自治導(dǎo)航的精度預(yù)計(jì)將在 5年內(nèi)提高 10 倍。 零可見(jiàn)度導(dǎo)航技術(shù) 混水作業(yè)一直是水下機(jī)器人應(yīng)用的最大障 礙，利用聲學(xué)、激光技術(shù)以及計(jì)算機(jī)圖形增強(qiáng)技術(shù)，將使這個(gè)難題得到解決。 材料技術(shù) 在水中每增加 10m 的水深，外界壓力將增加 1個(gè)大氣壓 ()。高強(qiáng)度、輕質(zhì)、耐腐蝕的結(jié)構(gòu)材料和浮力材料是水下機(jī)器人重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)問(wèn)題。 作業(yè)技術(shù) 水下機(jī)器人的發(fā)展目標(biāo)是代替人完成各種水下作業(yè)。柔性水下機(jī)械手、專用水下作業(yè)工具以及臨場(chǎng)感、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，將便水下機(jī)器人在海洋開(kāi)發(fā)中發(fā)揮更大的作用。 聲學(xué)技術(shù) 被稱為