水下机器人的发展

水下机器人的发展（精选5篇）

水下机器人的发展 篇1

1水下机器人发展背景

在浩瀚的宇宙中，有一个蔚蓝色的星球，那是人类赖以生存的地方——地球。地球的表面积为5.1亿平方公里，而海洋的面积为3.6亿平方公里。地球表面积的71%被海洋所覆盖。在烟波浩渺的海洋深处，蕴藏着什么样的宝藏？是否存在着智慧生命？海底生物是怎样生活的？海底的地形地貌又是什么样的？所有这一切都使海洋充满了神秘的色彩，也吸引了无数科学家、探险家为之探索。从远古时代起，人们就泛舟于海上。从19世纪起，人们开始利用各种手段对海洋进行探察。20世纪，水下机器人技术作为人类探索海洋的最重要的手段，受到了人们普遍的关注。进入21世纪，海洋作为人类尚未开发的处女地，已成为国际上战略竞争的焦点，因而也成为高技术研究的重要领域。毫不夸张地说，本世纪是人类进军海洋的世纪。人类关注海洋，是因为陆上的资源有限，海洋中却蕴藏着丰富的矿产资源、生物资源和能源。另一个重要原因是，占地球表面积49％的海洋是国际海底区域，该区域内的资源不属于任何国家，而属于全人类。但是如果哪一个国家有技术实力，就可以独享这部分资源。因此争夺国际海底资源也是一项造福子孙后代的伟大事业。水下机器人作为一种高技术手段，在海底这块人类未来最现实的可发展空间中起着至关重要的作用，发展水下机器人的意义是显而易见的。

２水下机器人的定义与分类

２．１水下机器人的定义与概述

水下机器人也称作无人水下潜水器（ｕｎｍａｎｎｅｄ ｕｎｄeｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ＵＵＶ），它并不是一个人们通常想象的具有类人形状的机器，而是一种可以在水下代替人完成某种任务的装置。在外形上更像一艘微小型潜艇，水下机器人的自身形态是依据水下工作要求来设计的。生活在陆地上的人类经过自然进化，诸多的自身形态特点是为了满足陆地运动、感知和作业要求，所以大多数陆地机器人在外观上都有类人化趋势，这是符合仿生学原理的。水下环境是属于鱼类的“天下”，人类身体的形态特点与鱼类相比则完全处于劣势，所以水下运载体的仿生大多体现在对鱼类的仿生上。目前水下机器人大部分是框架式和类似于潜艇的回转细长体，随着仿生技术的不断发展，仿鱼类形态甚至是运动方式的水下机器人将会不断发展。水下机器人工作在充满未知和挑战的海洋环境中，风、浪、流、深水压力等各种复杂的海洋环境对水下机器人的运动和控制干扰严重，使得水下机器人的通信和导航定位十分困难，这是与陆地机器人最大的不同，也是目前阻碍水下机器人发展的主要因素。

２．２水下机器人的分类

水下潜水器根据是否载人分为载人潜水器和无人潜 水器两类。载人潜水器由人工输入信号操控各种机动与 动作，由潜水员和科学家通过观察窗直接观察外部环境，其优点是由人工亲自做出各种核心决策，便于处理各种 复杂问题，但是人生命安全的危险性增大。由于载人需 要足够的耐压空间、可靠的生命安全保障和生命维持系 统，这将为潜水器带来体积庞大、系统复杂、造

价高昂、工作环境受限等不利因素。无人水下潜水器就是人们常说 的水下机器人，由于没有载人的限制，它更适合长时间、大范围和大深度的水下作业。无人潜水器按照与水面支持系统间联系方式的不同可以分为下面两类。

（１）有缆水下机器人，或者称作遥控水下机器人（ｒｅｍｏｔｅｌｙ ｏｐｅｒａｔｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅ，简称ＲＯＶ），ＲＯＶ需要由电缆 从母船接受动力，并且Ｒ０Ｖ不是完全自主的，它需要人 为的干预，人们通过电缆对Ｒ０Ｖ进行遥控操作，电缆对 ＲｏＶ像“脐带”对于胎儿一样至关重要，但是南于细长 的电缆悬在海中成为ＲＯＶ最脆弱的部分，大大限制了 机器人的活动范围和工作效率。

（２）无缆水下机器人，常称作自治水下机器人或智 能水下机器人（ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅ，简称 ＡＵＶ），ＡｕＶ自身拥有动力能源和智能控制系统，它能 够依靠自身的智能控制系统进行决策与控制，完成人们 赋予的工作使命。ＡｕＶ是新一代的水下机器人，由于 其在经济和军事应用上的远大前景，许多国家已经把智能水下机器人的研发提上日程。有缆水下机器人都是遥控式的，根据运动方式不同 可分为拖曳式、（海底）移动式和浮游（自航）式三种。无缆水下机器人都是自治式的，它能够依靠本身的自主决 策和控制能力高效率地完成预定任务，拥有广阔的应用前景，在一定程度上代表了目前水下机器人的发展趋势。

２．３自治水下机器人

自治水下机器人，又称智能水下机器人，是将人工智能、探测识别、信息融合、智能控制、系统集成等多方 面的技术集中应用于同一水下载体上，在没有人工实时控制的情况下，自主决策、控制完成复杂海洋环境中的 预定任务使命的机器人。俄罗斯科学家Ｂ．Ｃ．亚斯特列 鲍夫等人所著的《水下机器人》中指出第３代智能水下机器人是一种具有高度人工智能的系统，其特点是具有高度的学习能力和自主能力，能够学习并自主适应外界环境变化。执行任务过程中不需要人工干预，设定任务 使命给机器人后，由其自主决定行为方式和路径规划，军事领域中各种战术甚至战略任务都依靠其自主决策 来完成。智能水下机器人能够高效率地执行各种战略 战术任务，拥有广泛的应用空间，代表了水下机器人技术的发展方向。

3水下机器人的发展现状

3．1 国外水下机器人发展现状

国外水下机器人技术的发展，主要以美国、日本以及西方发达国家为代表，他们的发展技术几乎可以代表了全世界水下机器人技术的发展水平。著名的一些研究机构有美国麻省理工学院MIT Sea Grant’s AUV实验室、美国海军研究生院智能水下运载研究中心、美国伍慈侯海洋学院、美国佛罗里达大西洋高级海洋系统实验室、美国缅因州大学海洋系统工程实验室、美国夏威夷大学自动化系统实验室、日本东京大学机器人应用实验室、英国还是技术中心等。

美国是最先发展水下机器人的国家，他们掌握着水下机器人较高的技术水平。由美国海军研究生院的Phoenix AUV 和性能更优越的 Aries AUV ,主要用于研究智能控制、规划与导航、目标识别等技术;麻省理工学院的智能机器人 Odyssey II 主要用于海冰下的检测和标图;斯坦福大学的 OTTER 的研究目的是使其成为科学和工业界在开发海洋的一种常用工具;美国的新罕布什尔州自主水下系统研发所与俄罗斯远东科学院水下技术研究所联合开发出太阳能自主水下机器人 ,其计划的

最终目的是开发一艘具有超过一年续航力的太阳能自主水下机器人。美国麻省理工学院(MIT)的布鲁克斯(RodneyA.Brooks)模拟人类大脑物理结构的基于连接主义的反射性 ,以移动式机器人研究为背景 ,提出以一种依据行为来划分层次和构造模块的思路。它的特点基本与分层递阶体系相反。

日本凭借其在智能机器人先进技术的优势，在水下机器人方面也不甘落后，取得了突跃式的进步，并且成为这个领域的佼佼者。智能水下机器人是将人工智能、自动控制、模式识别、信息融合与理解、系统集成等技术应用于传统的载体上 ,在无人驾驶的情况下自主地完成复杂海洋环境中预定任务的机器人。日本对于无人有缆潜水器的研制比较重视，不仅有近期的研究项目，而且还有较大型的长远计划。目前，日本正在实施一项包括开发先进无人遥控潜水器的大型规划。这种无人有缆潜水器系统在遥控作业、声学影像、水下遥测全向推力器、海水传动系统、陶瓷应用技术水下航行定位和控制等方面都要有新的开拓与突破。这项工作的直接目标是有效地服务于200米以内水深的油气开采业，完全取代目前由潜水人员去完成的危险水下作业。

欧洲方面，根据欧洲尤里卡计划，英国、意大利将联合研制无人遥控潜水器。这种潜水器性能优良，能在6000米水深持续工作250小时，比现在正在使用的只能在水下4000米深度连续工作只有l2小时的潜水器性能优良的多。按照尤里卡EU-191计划还将建造两艘无人遥控潜水器，一艘为有缆式潜水器，主要用于水下检查维修；另一艘为无人无缆潜水器，主要用于水下测量。这项潜水工程计划将由英国；意大利、丹麦等国家的l7个机构参加。

法国方面，1980年法国国家海洋开发中心建造了“逆戟鲸”号无人无缆潜水器，最大潜深为6000米。1987年，法国国家海弹开发中心又与一家公司合作，共同建造“埃里特”声学遥控潜水器。用于水下钻井机检查、海底油机设备安装、油管辅设、锚缆加固等复杂作业。这种声学遥控潜水器的智能程度要比“逆戟鲸”号高许多。1688年，美国国防部的国防高级研究计划局与一家研究机构合作，投资2360万美元研制两艘无人无缆潜水器。1990年，无人无缆潜水器研制成功，定名为“UUV”号。这种潜水器重量为6.8吨，性能特别好，最大航速10节，能在44秒内由0加速到10节，当航速大于3节时，航行深度控制在土1米，导航精度约0.2节/小时，潜水器动力采用银锌电池。这些技术条件有助于高水平的深海研究。

3.2 国内水下机器人的发展现状

我国从上世纪70年代开始较大规模地开展潜水器研制工作,起步较其他发达国家晚了很多，但是在过去的几十年内，我国水下机器人技术的发展还是取得了很大的进步，并且取得了一些重要的成果。我国先后研制成功以援潜救生为主的7103 艇(有缆有人)、I型救生钟(有缆有人)、QSZ 单人常压潜水器(有缆有人)、8A4 水下机器人ROV(有缆无人)和军民两用的HR—01 ROV,RECON IV ROV 及CR-01A 6000m 水下机器人AUV(无人无缆)等, 使我国潜水器研制达到了国际先进水平。2011年7月26日上午，中国载人潜水器“蛟龙”号在第二次下潜试验中成功突破5000米水深大关，最大下潜深度达到5057米，创造了中国载人深潜新的历史，“蛟龙号”载人潜水器5000米深潜成功，意味着中国载人深潜水平已位居世界前列。标志着中国具备了到达全球70%以上海洋深处进行作业的能力，极大增强了中国科技工作者进军深海大洋、探索海洋奥秘的信心和决心。

4.水下机器人关键技术

4.1总体技术

水下机器人是一种技术密集性高、系统性强的工程，涉及到的专业学科多达几十种，各学科之间彼此互相牵制，单纯地追求单项技术指标，就会顾此失彼。解决这些矛盾除有很强的系统概念外，还需加强协调。在满足总体技术要求的前提下，各单项技术指标的确定要相互兼顾。为适应较大范围的航行，从流体动力学角度来看，水下机器人的外形采用低阻的流线型体。结构尽可能采用重量轻、浮力大、强度高、耐腐蚀、降噪的轻质复合材料。

4.2仿真技术

水下机器人工作在复杂的海洋环境中，由智能控制完成任务。由于工作区域的不可接近性，使得对真实硬件与软件体系的研究和测试比较困难。为此在水下机器人的方案设计阶段，要进行仿真技术研究，内容为两部分：

4.2.1平台运动仿真

按给定的技术指标和水下机器人的工作方式，设计机器人平台外形并进行流体动力试验，获得仿真用的水动力参数。在建立运动数学模型、确定边界条件后，用水动力参数和工况进行运动仿真，解算各种工况下平台的动态响应，根据技术指标评估平台的运动状态，如有差异,则通过调整平台尺寸、重心浮心等技术参数后再次仿真,„„,直至满足要求为止。

4.2.2控制硬、软件的仿真

在水中对控制系统的调试和检测具有很大的风险，因此有必要在控制硬、软件装入平台前，在实验室内先对单机性能进行检测，再对集成后的系统在仿真器上做陆地模拟仿真试验，并评估仿真后的性能。内容包括动密封、抗干扰、机电匹配、软件调试。根据结果，进行修改和完善。因而需研究和开发一套用于控制系统仿真的仿真器。仿真器主要由模拟平台、等效载荷、模拟通讯接口、仿真工作站等组成。在仿真器上对控制系统的仿真，可以减少湖海试时的调试工作量，避免由海中不确定因素带来的麻烦。

4.3水下目标探测与识别技术

目前，水下机器人用于水下目标探测与识别的设备仅限于合成孔径声纳、前视声纳和三维成像声纳等水声设备。

4.3.1合成孔径声纳

用时间换空间的方法、以小孔径获取大孔径声基阵的合成孔径声纳，非常适合尺度不大的水下机器人，可用于侦察、探测、高分辨率成像，大面积地形地貌测量等，为水下机器人提供一种性能很好的探测手段。

4.3.2前视声纳组成的自主探测系统

前视声纳的图像采集和处理系统，在水下计算机网络管理下自主采集和识别目标图像信息，实现对目标的跟踪和对水下机器人的引导。可以通过实验，找出用于水下目标图像特征提取和匹配的方法，建立数个目标数据库，在目标图像像素点较少的情况下，较好的解决数个目标的分类和识别。系统对目标的探测结果，能提供目标与机器人的距离和方位，为水下机器人避碰与作业提供依据。

4.3.3三维成像声纳

用于水下目标的识别的三维成像声纳，是一个全数字化、可编程、具有灵活性和易修改的模块化系统。可以获得水下目标的形状信息，为水下目标识别提供了有利的工具。

4.4智能控制技术

智能控制技术是提高水下机器人的自主性，在复杂的海洋环境中完成各种任务，因此研究水下机器人控制系统的软件体系、硬件体系和控制技术十分重要。智能控制技术的体系结构是人工智能技术、各种控制技术在内的集成，相当于人的大脑和神经系统。软件体系是水下机器人总体集成和系统调度，直接影响智能水平，它涉及到基础模块的选取、模块之间的关系、数据（信息）与控制流、通讯接口协议、全局性信息资源的管理及总体调度机构。体系结构的目标与水下机器人的研究任务应是一致的，也是提高智能水平（自主性和适应性）的关键技术之一。不断改进和完善体系结构，加强对未来的预报预测能力，使系统更具有前瞻性和自主学习能力。

4.5规划与决策技术

规划与决策是指对自主式水下机器人在有海流区域工作时姿态和路径的规划与决策，主要确保水下机器人工作时艏向严格顶流。有两种路径规划方法，一种是坐标系旋转法，基本思想是将坐标系绕着Z轴旋转，直到X正半轴方向指向来流方向，在工作中保证机器人的姿态始终与X正半轴方向一致。另一种是基于栅格的位形空间激活值传播法。该方法能方便地实现各种优化条件，并适用于各种复杂的环境，具有较佳的控制生成路径能力和可扩展性，而且算法本身具有内在的并行性，很好地满足了机器人艏向尽量顶流的要求。

4.6水下导航(定位)技术

用于自主式水下机器人的导航系统有多种，如惯性导航系统、重力导航系统、海底地形导航系统、地磁场导航系统、引力导航系统、长基线、短基线和光纤陀螺与多普勒计程仪组成推算系统等，由于价格和技术等原因，目前被普遍看好的是光纤陀螺与多普勒计程仪组成推算系统，该系统无论从价格上、尺度上和精度上都能满足水下机器人的使用要求，国内外都在加大力度研制。

4.7通讯技术

为了有效的监测、传输数据﹑协调和回收等，水下机器人需要通讯。目前的通讯方式主要有光纤通讯、水声通讯。

4.7.1光纤通讯

由光端机（水面）﹑水下光端机﹑光缆组成。其优点是数据率高（100Mbit/s），很好的抗干扰能力。缺点，限制了水下机器人的工作距离和可操纵性，一般用于带缆的水下机器人TUV、ROV。

4.7.2水声通讯

由于声波在水中的哀减慢，对于需要中远距离通讯的水下机器人，水声通讯是唯一的、比较理想的一种方式。实现水声通讯最主要的障碍是随机多途干扰，要满足较大范围和高数据率传输要求，需解决多项技术难关。要达到实用程度，仍然有大量的工作要做。

4.8能源系统技术

水下机器人、特别是续航力大的自主航行水下机器人，需要具有体积小、重量轻、能量密度高、多次反复使用、安全和低成本的能源系统。

4.8.1热系统

热系统是将能源转换成水下机器人的热能和机械能，包括封闭式循环、化学和核系统。其中由化学反应（铅酸电池、银锌电池、锂电池）给水下机器人提供能源是现今一种比较实用的方法。

4.8.2电-化能源系统

质子交换膜燃料电池具有水下机器人的动力装置所需的性能。该电池的特点是能量密度大、高效产生电能，工作时热量少，能快速启动和关闭。该电池技术难点是合适的安静泵、气体管路布置、散热、固态电解液以及燃料和氧化剂的有效存储。21世纪燃料电池将极大地改变人们的生活和企业环境。随着生产成本、稳定性等课题得到解决，燃料电池可望成为水下机器人的主导性能源系统。

5水下机器人的发展趋势

纵观水下机器人的发展历史，无论是载人潜器还是ROV或AUV，都代表了一定历史时期潜水器技术发展的状况及市场的需求。现阶段水下机器人的发展趋势体现在以下几个方面：

(1)AUV代表了未来水下机器人研究的方向

当前在各类水下机器人研究中，AUV是一个热点，我们可以通过大量的国际会议了解到当前国际上水下机器人研究发展的这种趋势。另外，各国对AUV研究的投资也比其它类型机器人的投资要多得多。对AUV的研究范围比较广泛，既包括当前的应用研究也着眼于未来进行基础研究，从经济型到复杂型，有军用的也有民用的，几乎覆盖了AUV的各种类型。

事实上，AUV是一种非常适合于海底搜索、调查、识别和打捞作业的既经济又安全的工具。在军事上，AUV亦是一种有效的水中兵器。与载人潜水器相比较，它具有安全（无人）、结构简单、重量轻、尺寸小、造价低等优点。而与ROV相比，它具有活动范围大、潜水深度深、不怕电缆缠绕、可进入复杂结构中、不需要庞大水面支持、占用甲板面积小和成本低等优点。AUV代表了未来水下机器人技术的发展方向，是当前世界各国研究工作的热点。当前AUV的发展趋势为更深、更远、功能更强大，特别是未来海上作战等军事需求的增加，给AUV的发展带来了无限生机，也预示着AUV开始走向应用阶段。

更深——向深海发展

地球上97%的海洋深度在6000米以上，称之为深海。研制6000米的潜水器是许多国家的目标。美国、俄罗斯、法国、中国等都拥有自己的6000米级的AUV。尽管ROV和载人潜器也能达到这个深度，但发展AUV比其它潜器的造价要低得多，更经济。图7为我国第一台6000米自治水下机器人“CR-01”，它主要用于太平洋洋底多金属结核的调查。

更远——向远程发展

AUV的分类方法有几种，其中一种是按照航程的远近分为远程和近程两类。所谓远程是指AUV一次补充能源连续航行超过100海里以上，而小于100海里称为近程。远程AUV涉及的关键技术包括能源技术、远程导航技术和实时通信技术。因此，许多研究机构都在开展上述关键技术的研究工作，以期获得突破性的进展。也只有在上述关键技术解决后，才能保证远程AUV计划的实施。

功能更强大——向作业型及智能化方向发展

现阶段的AUV只能用于观察和测量，没有作业能力，而且智能水平也不高。将来的AUV将引入人的智能，更多地依赖传感器和人的智能。还要在AUV上安装水下机械手，使AUV具有作业能力，这是一个长远的目标。

(2)ROV广泛应用于水下作业中

从1953年世界上出现第一艘遥控潜水器，在近五十年的时间里，ROV从诞生到走向实用化。

目前全世界ROV的数量超过1000台，是其他各类潜水器总和的数十倍，这主要是由于ROV具有以下特点：

1>通过与水面相联的电缆向无人遥控潜器提供能源，作业时间不受能源的限制;2> 操作者直接在水面控制和操作ROV，人的介入使得许多复杂的控制问题变得简单；3> 可以用于水下作业，这一点是现阶段AUV无法达到的。例如ROV与载人潜器可以协同作业，完成对各种失事飞机、潜艇等的打捞任务。

6水下机器人的应用前景

水下机器人的发展 篇2

随着经济的发展、人文活动的增加和自然灾害的发生, 以植被的破坏和生活废弃物为主的污染物直接进入江河水域、近海海域和湖泊。由于环境的改变, 除外来漂浮物外自身滋生了环境污染物, 如蓝藻、水葫芦等生长、死亡、变质, 对环境产生了极为难处理的污染[1]。淤泥中的有机物质分解要消耗大量氧气, 造成鱼类大批死亡。港口、航道、水利等工程中, 在各类的游泳娱乐场所, 各种大小观赏性的人工鱼湖及水池等常常遇到水下清淤向题[2,3]。

但是一直以来河流、鱼池和湖泊等水下污物的清理是一项非常困难和麻烦的工作。而且沉积物会以大约15~20厘米每年的厚度递增, 如果不清除, 就意味着每年会有大约10吨的沉积物产生。因此水下污物的清理对水利建设、防洪防涝、渔业养殖、保障农副业丰收、稳定国民生活和经济发展有极其重要的意义[4,5]。

水下清污机的设计和研究一直是国内外研究的课题, 我国在这方面的研究始于上个世纪80年代, 上海水产大学最早申请了两份相关的专利。但多年来, 该领域的研究一直没有取得较大的进展[4,6]。

1 水下清污机器人的系统组成及关键技术

水下机器人是一个复杂的无人系统, 用以代替人类进行复杂、艰苦甚至危险的工作, 它涉及到电子、计算机、机械结构、液体流动、压力、光电、声音、磁电、定位和导向等多种学科, 体现了一个国家的综合技术力量和水平[7]。水下清污机器人的组成主要包括机器本体、清污机构和运动控制。

1.1 机器本体

水下清污机器人的本体有船体式、轮式行走、履带行走式和加装水力推进式等几种。

船体式采用主体部分依靠船体漂浮在水面, 而清污执行机构潜放到水下作业的形式。需要将主体浮到水面上, 船体较大, 成本较高, 需要有人在船上作业, 跟换水域时很不方便。

轮式行走式。这种结构主要以行走轮为支撑和动力, 通过密封设计可自由地在水下或陆地上行走。根据机体重量可加载一定的浮力装置, 减轻机器在水下运行时对地面产生的压力, 从而减少摩擦的影响[4]。

履带行走方。这种本体结构的机器人整体在水下工作, 使用橡胶材质的履带, 其特点是运动速度较快快、机械噪音小, 动力大, 重量小[8]。

这两类类清淤机在高低不平或软硬相差较大的水底淤泥层上行走时, 常遇到很大阻力, 有时这种阻力会迫使清淤机停止前进, 而机身两侧的行走轮因继续转动而下陷, 从而清淤机的前进阻力更大, 导致清淤效率受到严重影响[9]。

加装水力推进器的轮式行走式。水力推进器产生的水具有冲击机身前进时遇到的淤泥层而减少阻力的作用, 从而使清淤机在高低不平或软硬相差较大的水底淤泥层上行走自如。而且可增加清淤作业的连贯性并提高清淤效率[9]。

1.2 清污机构

耙斗抓斗式清污, 它由铲齿、转耙、支撑及导向装置、台车架、液压系统等组成。当耙斗向下运动时, 耙斗为张开状态, 随着耙斗的下降, 铲齿将污物自栅面铲至铲齿内侧, 当转耙闭合时, 使被铲齿铲入的污物扒进耙斗内[10]。然后利用升机构使耙斗停止在空中某一位置进行卸污作业。这种形式虽然可以在水下直接将淤泥捞起, 但由于受到臂长的限制, 所捞淤泥全部堆放在河岸边或采用船只运输。堆放在河岸边的淤泥被雨淋后将会重新回到河道内, 清淤效果很不理想;采用船只运输淤泥, 增加成本, 对施工带来很大不便。

螺旋式绞吸泵排清污。如图2所示, 污物被吸附口两旁的螺旋式铰刀吸附到吸入口, 这样可以避免工作过程中因污物向外流溢导致的再次污染;清污过程中, 通常沿直线运动, 这种泵体的铰刀可以根据需要进行高度调节, 可以有效减少清污区域的重叠[8]。

旋耕吸盘式清污。采用水力冲刷和旋切相结合破土方式研制而成, 盘内装有多个旋转清污刷和驱动轮, 刷污盘中孔内设有叶轮, 可广泛适用于河道中沙土、粘土及硬质粘土、河底碎石、杂草等河床的清污[11]。

除此以外还有各种老式传统的方式。如潜水泵拖曳式, 可在直接在岸上拖, 也可以通过浮体间接拖曳, 但是因为需要打桩或移桩, 操作起来很不方便。还有一种先将水抽尽然后再把污物挖掘走的方式, 一方面劳动量大, 另外一方面不适合于不能断水的场合使用, 整套装备的使用效率不高[4]。

1.3 运动控制

在清污机的运动方面, 早期使用人力拖曳的方式进行, 劳动轻度特别大。随着我国控制技术的进步, 后面陆续出现了各种自动化的控制方式, 但是整体来说清污机器人的控制技术还是比较落后。

岸上远距离控制。控制柜放在岸上视线范围内容易看到的地方, 工作人员根据水面上的方向指示标杆进行前运动, 倒退、转动抽吸工作等运动的操控。

语音控制。即人们可以通过口语对其进行控制[12]。机器人通过接受操作者的语言命令, 进行句法分析, 译成相应的机器指令, 完成一定的动作。但这种控制方式目前只处于理论研究阶段。

智能控制。在远端控制端, 操作员可以通过彩色CCD摄像头监视器观察管道清污情况和机器人的工作情况。通过传感器用来检测机器人与障碍物的距离, 从而感知机器人的位姿, 保证机器人的正常行走。通过232接口与上位机连线, 通过电脑实时显示移动机器人行驶速度、行驶过的距离以及对其进行操控[13]。

2 国内外研究现状

清污清淤机的设计和研究一直是国内外研究的课题, 但多年来, 该领域的研究一直没有取得较大的进展。在国内普遍存在技术落后、能耗高、工效低、功能单一等问题, 而且大多是针对河道、水库的清污使用。上海水产大学科技术实业公司生产的ZQY型清污机可在陆上、水下全地形自动行走, 但是必须有人在岸操纵, 而且外形尺寸较大, 整机重量达到600 kg。福建省第一建筑工程公司水下式鱼塘清污系统, 使用泥浆泵加两级泥水分离器的方法进行清污, 但是自动化程度不高, 工作效率低, 功能单一。上海水产大学海洋学院的水力推进清污机可适应水下复杂的土层条件, 且低质心升沉可控, 但是一旦不带螺旋桨的清淤机, 工作时会出现时走时停现象, 能耗高, 功能单一[9]。小型化, 通用化, 价格又相对低的清污机器目前市场上并没有, 而且自动化、智能化程度不高。

从进口的产品来看, 国外的同类产品结构紧凑, 多数是基于像游泳池这样地表平整、水质相对干净的场合使用而设计, 通用性和智能型均不高, 而且价格昂贵。如美国的彩鲨全自动吸污机及美国的海豚全自动水下清污机机器人无须工作人员在场也能自己工作, 清扫、洗刷、过滤。它体积小, 轻便, 使用方便。但只适合于私家泳池、小区泳池、训练池、体育馆泳池等地方使用, 且只能过滤相对干净的流体, 但单机价格均在两到四万元甚至更高, 价格昂贵。

3 发展趋势

综观目前水下清污机器人的状况及市场需求, 这类机器人的发展趋势有以下几点。

(1) 更具有多样性和针对性。不同场合不同环境下的水域以及需要清理的污垢物体都是不一样的。清污机器人的下一步发展必然会做的越来越专业, 专门针对某一场合设计和制造各种特种专用的水下清污机器人, 机器人的种类会越来越多。

(2) 两极分化。水下清污机器人是清污机器人的一个分支, 他的发展也必然会两极分化。对于大型的水库, 宽广的河道, 会需要越来越大的清污机器, 已满足其工作效率高的需求。而另外一个方面, 随着人们对生活质量的需求, 各种水域或容器越来越多进入人们的生活空间, 这些场合必然需要越来越精巧的机器人对其进行水质的维护。

(3) 人工智能化。这是所有机器设备发展的共同趋势, 水下清污机器人也不例外, 为了实现机器人的智能化, 在机器人身上会加装越来越多的传感器。可对水下目标进行探测与识别, 可自动识别甚至计算和记录行走路径, 可以自动或手动的进行定位或定期清污, 可自动检测水环境质量, 可通过物联技术向云端传输各种状态数据和环境数据, 操作者可近距离操控也可通过互联网进行远程监控。

4 结束语

水下清污机器人肩负着各大水域清理的工作, 但是整体技术相对比较落后。这方面的研究和投入很少, 技术进步缓慢, 在如泳池人工鱼池方面的清污应用的研究和产品较多。该领域的技术进步只能依靠其他领域水下机器人技术的进步, 将其技术成功应用于水下清污。

摘要：水下清污机器人是水下清污常用的设备, 介绍水下清污机器人的主要组成部分及其关键技术, 分析了该类机器人目前国内外的发展状况, 并对水下清污机器人未来的发展趋势进行了探讨。

水下机器人的发展 篇3

水下机器人的耐压壳体用来装置电子元器件和检测装置, 耐压壳体形状常采用重量与排水量比值较小的球形和圆柱形, 对于对浅海水下机器人的耐压壳体一般选择薄壁圆柱形壳体。

1 理论分析

对于耐压壳体等薄壁圆柱壳体, 其失效形式主要有强度破坏和失稳破坏两种。强度破坏是指耐压壳体的某些受力点达到屈服状态, 产生塑性变形而导致结构破坏。失稳破坏是指耐压壳体内部应力在未达到材料的强度极限的情况下, 产生较大的变形而使结构降低承载能力, 甚至发生破坏[1], 本文着重考虑长圆柱耐压壳体的情况。

长圆柱壳体可以忽略两端边界对稳定性的影响, 其失效形式为外压壳体失稳。长圆柱壳体临界压力计算, 工程上采用著名的Bresse公式[2]:

其中:Pcr为壳体接近破坏时的临界压力 (MPa) ;E为壳体材料的弹性模量 (MPa) ;μ为壳体材料的泊松比;T为壳体的壁厚 (mm) ;D为壳体的平均值直径 (mm) ;L为壳体的长度 (mm) 。

2 数学建模

2.1 优化模型

本文对对耐压壳体重量与排水量比进行优化, 这种优化问题的数学模型一般表达式写成

(1) 确定设计变量。图1为耐压壳体结构示意图, 在本文中, 圆柱耐压壳体的长度L为定值。圆柱耐压壳体的设计变量共2个, 分别为圆柱耐压壳体的壁厚T和圆柱耐压壳体的中面直径D。

(2) 确定目标函数。本文以耐压壳体重量与排水量比为优化问题的目标函数。

其中:W为圆柱壳体的重量;D为耐压壳的排水量;ω为耐压壳体重量与排水量比值;ρ为圆柱壳体材料密度;ρw为海水密度;圆柱耐压壳体的中面直径D;圆柱耐压壳体的壁厚T;圆柱耐压壳体的长度L。

(3) 确定约束函数。圆柱耐压壳体的结构优化问题的约束函数为以下两个条件:

其中, Pcr为耐压壳体的临界强度, PW为ROV的工作深处静水压力, SA为安全系数。

2.3 数学模型求解

耐压壳体的长度限定, 所以耐压壳体的优化设计为典型的二维变量非线性约束的优化问题, MATLAB优化工具箱可以方便解决此类问题。

3 实例分析

假设水下机器人工作深度范围为100m~1500m, 圆柱壳体长度L=800mm。研究三种不同材料的耐压壳体的结构, 三种材料分别为:某种铝合金, 某种钛合金和某种合金钢。

本文中设计的耐压壳体安装在ROV的浮力材料中, 与设计的浮力材料的尺寸相关。可以得到估计相应的取值范围, 圆柱耐压壳体的壁厚T, 取值范围4~10mm, 圆柱耐压壳体的中面直径D, 取值范围160~180 mm。

设圆柱壳体为长圆柱壳体。Pcr可以根据式 (1) 进行计算。运用matlab优化工具箱来求解约束非线性规划问题。不同材料的计算结果, 见图2、图3、图4和图5。

图2给出了三种不同材料的耐压壳体不同工作深度的最优壁厚, 从图上可以看出, 工作深度500米及以上, 耐压壳体的壁厚基本上与工作深度成线性关系 (起始点除外, 由于设计尺寸的限制) , 材料的密度越小, 随着工作深度的不断增加, 壁厚增加幅度越大。反之, 增加越平缓。

图3给出了给出了三种不同材料的耐压壳体不同工作深度的最优的中面直径, 由于受到设计尺寸的限制, 起始的耐压壳体的中面直径很大, 随着工作深度的不断增加, 中面直径恢复平缓上升。对于合金钢, 弹性模量和密度大, 随着工作深度增加, 中面直径几乎保持不变;对于铝合金, 弹性模量和密度小, 随着工作深度增加, 工作深处静水压力不断增加, 壁厚和直径比不断变大, 中面直径变化量大于壁厚的变化量;对于钛合金, 介于两者之间。

图4给出了三种不同材料的耐压壳体不同工作深度的最优结构的重量, 从图上可以看出, 工作深度500米及以上, 耐压壳体的重量基本上与工作深度成线性关系 (起始点除外, 由于设计尺寸的限制) , 材料的密度越小, 随着工作深度的不断增加, 增加幅度越大。反之, 增加幅度越小。

图5给出了三种不同材料的耐压壳体不同工作深度的最优结构重量与排水量之比, 铝合金的重量与排水量之比最小, 合金钢金的重量与排水量之比最大, 钛合金介于两者之间。在相同工作深度下, 铝合金耐压壳体的重量与排水量之比最小, 承载能力最强。

4 结论

本文讨论了等薄壁圆柱耐压壳体的三种不同形式的失效形式, 然后对耐压壳体重量与排水量比为优化问题的进行了研究, 深入细致地讨论了三种不同材料的耐压壳体, 在不同工作深度 (100~1500m) 情况下的理论上的最优结构, 耐压壳体的结构与材料的密度和弹性模量有着密切的关系。随着ROV工作深度的不断增加, 耐压壳体的结构尺寸不断变化。根据ROV的工作深度和结构尺寸, 来选择耐压壳体的材料, 以此来设计出耐压壳体的最优结构。

摘要：浅海水下机器人的耐压壳体是水下机器人的重要部件之一。本文在对水下机器人的耐压壳体的失效形式进行理论分析基础上, 提出优化设计的数学模型。借助MATLAB优化工具对耐压壳体进行优化设计。

关键词：水下机器人,耐压壳体,优化设计

参考文献

[1]程浩.基于MATLAB和Creo的浮标耐压壳体设计[J].制造业自动化, 2013 (20) :127-129.

水下机器人的发展 篇4

关键词：ROV,液压泄露

近年来, 水下机器人 (ROV) 在海洋工程中的应用越来越广泛, 不仅需要水RROOVV能够完成观察检测等任务, 而且需要RROOVV能完成一些更为复杂的操作任务, 如水下矿产勘探开采、海洋地质采样、水下石油管线的铺设与检修、水下基盘和采油树的安装与维修等。ROV在水下工作时要用到机械手、液压扳手、切缆器、水枪泵、吸泥泵等辅助工具, 而它们都需要ROV的液压系统提供动力, 如果液压系统出现了问题, 就会造成海上工程进度受阻, 施工船舶现场待机, 环境污染等一系列严重后果。因此有必要对ROV液压系统的作业风险进行分析, 找出影响ROV液压系统泄漏的主要因素, 有针对性地防止ROV液压系统发生泄漏, 实现ROV海上安全作业效能的最大化。

1 ROV液压系统构成

辅助装置以及执行、控制与动力等元件共同构成了ROV液压系统。执行元件将液压油压力能转换为动作机构的机械能, 如ROV推进器的液压马达主要负责产生旋转扭矩;调节与控制液压油方向、流量与压力属于控制元件的主要功能, ROV液压系统各种功能由单向阀、流量阀与泄压阀等的各种组合来实现;电动机机械能向液压油压力能的转换由动力元件完成;辅助元件是将前面三部分 (动力元件、控制元件和执行元件) 连接在一起组成一个系统, 起贮油、过滤和密封等作用, 如管路和接头、油箱、过滤器和密封元件等。各种液压元件分工协作, 共同完成ROV液压系统的应用功能。

ROV液压系统泄漏是目前液压工作中系统普遍存在的故障现象, 所以我们要对ROV液压系统引起高度重视, 以防止产生泄漏现象。

2 ROV液压系统泄漏类型

运动密封处与固定密封处泄漏是ROV液压系统产生泄漏的二种主要类型, 前者大多涵盖多路阀阀杆、油缸活塞杆等部位;后者则更多的会发生在各管接头连接部位、缸底等处。

如果由油液泄漏方面划分的话, 则包括内泄漏、外泄漏两种。前者主要是指在液压系统中液压元件内部产生的泄漏;后者则说的是液压油由系统内向外部环境的泄漏。

3 泄漏发生的根源

3.1 密封件设计因素影响

设计、挑选液压系统密封元件对于ROV液压系统本身的可靠性有着决定性影响, 因为选用了不标准的密封件或者密封结构的设计失当, 忽略了液压油和温度环境改变、运行速度高低、极限压力大小、载荷状况以及密封材料相容型式等, 以至ROV液压系统会发生间接或直接性的程度不同的泄漏现象。

3.2 元件制造与装配不当

3.2.1 制造因素

形位与尺寸公差、表面光洁度及其处理等因素对于全部ROV液压元件、密封部件而言均必需严格执行, 假如上述要求无法完成, 会让零件的先天渗漏点成为客观的存在, 完成装配或使用时渗漏现象就会发生。

3.2.2 装配因素

许多ROV的配件属于精密元件, 在装配前应对密封零件进行仔细检查, 看是否有破损的把粘在上面的灰尘或者水分清理掉, 装配时应将零件蘸少许液压油, 轻轻压入。装配液压元件时, 必需谨慎操作, 假如用力过度, 会导致零件变形 (尤其是密封法兰、缸体受到手锤等的敲击) 达不到密封的效果, 容易造成液压系统泄漏。选择适当的清洗剂清洁密封件, 尤其对O形圈、防尘圈以及密封圈等橡胶件清洗, 它们的弹性会因为运用汽油一类清洗济而更易老化, 导致密封性能降低。

管接头和管式元件相连处是ROV液压管接头漏油产生的主要部位, 比如, 连接锥管螺纹过程中, 螺堵、螺纹二者间没有充分吻合, 漏油很容易发生。运用公制螺纹连接管接头时, 密封平面与螺孔中心线之间不垂直, 也就是说, 加工尺寸与螺孔几何精度和要求不相符, 导致组合垫圈密封程度不足, 泄漏会由此产生。

3.3 油液污染

3.3.1 气体污染

当重新装配液压部件时, 液压系统的启动必须要先充满油, 再放气。常温常压条件下, 6%-8%容积比的空气存在于液压油内, 如果减小压力, 油内会有空气游离出来, 导致气泡产生, 破裂的气泡会让液压元件发生气蚀现象, 噪声会由此产生。如果油内有众多的空气进入, 气蚀增加, 增大了液压油压缩性, 会导致工作不平稳现象发生。假如工作时的ROV液压系统于极短时间内, 高、低压之间的压力变换迅速, 高压侧的气泡温度升高后快速回至低压侧, 爆裂由此发生, 元件内壁的损伤、凹点由此产生, 引起泄漏。

3.3.2 颗粒污染

清洁的液压油是ROV液压系统的生命。ROV液压传动系统中, 能量传递工作介质是油液, 液压油选择准确之际, 必需保证清洁, 不能有污物混杂其中。如果ROV液压系统油中混入的污物进入阀芯与阀体的配合间隙, 就可能造成堵塞, 使局部压力增大, 超过耐压极限, 从而引起泄漏。原因在于, 组成ROV液压动力系统的各种阀、泵类元件相对运动时, 其全部的配合表面良好, 而且其配合表面间隙极小。

3.3.3 水污染

由于ROV工作在海水中, 海水可能会腐蚀液压系统的密封元件, 使元件的结构、材料、性质发生变化, 若海水进入ROV的液压系统, 海水会与液压油反应, 形成酸性物质和油泥, 使油液粘度下降、变质, 加速液压元件间的磨损, 会使系统发生内泄漏机率增大。

3.4 零件损伤

ROV设备有时候因为作业时海况较差能见度低, 在操控的时候不慎撞在海底结构物上, 也可能使某个液压元件损坏而发生泄漏。

4 防止泄漏的主要对策

4.1 防止空气进入系统

液压系统中所用的液压油可压缩性很小, 在一般的情况下它的影响可以忽略不计。但是低压空气的可压缩性很大, 约为液压油的1000倍, 所以即使系统中含有少量的空气, 它的影响也是很大的。为了防止空气破坏系统的稳定性, 在系统中设置有排气阀, 加完液压油或安装完液压管等配件后, 在设备起动之前, 先打开排气阀, 以排除存留在液压油中的空气。

4.2 防止密封件受损

在ROV液压系统密封件的安装过程中, 密封件安装的质量高, 不仅可以有效地降低液压系统的泄漏, 还可以提高密封件的使用寿命, 从而降低液压系统发生故障的几率。在装配液压元件时, 提前将各零部件清洗干净。在更换密封件时, 不允许用锐利的工具, 注意不得碰伤密封件或工作表面。在密封圈的装配中尽量采用专用工具, 要注意密封圈的方向性。O型圈虽没有方向性, 但在与档圈并用时, 要注意档圈的位置, 装错就不能起密封作用。同时, 在密封圈及其配合的表面上涂一些润滑脂, 以保护密封圈不受损坏。在经过螺纹时, 可在螺纹部缠上胶布或纸带, 并涂一些润滑脂, 以保护密封圈。在拆卸、分解液压元件时要注意零部件拆卸时的方向和顺序, 拆下的液压元件要妥善保存, 放在干净的位置不得丢失, 不要将其精加工表面碰伤。

4.3 防止过滤器堵塞

定期更换过滤器。ROV液压油过滤器是液压系统中除去液压油中少量固体颗粒的小型设备, 可保护设备的正常工作。当流体进入置有一定规格滤网的滤筒后, 其杂质被阻挡, 而清洁的滤液则由过滤器出口排出, 并要根据使用情况定期更换过滤器。

4.4 防止污物进入油液

定期更换液压油。液压油按技术资料规定加注后, 其品质并非一成不变, 因为液压油经常处于高温、高压下工作, 时间长了很容易变质和析出杂质, 从而影响系统中液压油的品质, 所以要定期检查和更换液压油。

4.5 防止液压系统长时间高温

在水上启动ROV液压系统检查ROV的推进器和机械手运行状态时, 由于没有海水冷却, 需要注意观察液压油箱上的温度表, 不要使液压油温度长时处在高温状态, 以免破坏液压系统密封套件的耐热性, 造成系统泄漏。

4.6 防止应力破坏密封性

在执行作业任务时, 要避免ROV撞到结构物, 否则可能会造成ROV液压系统的应力损伤, 破坏系统保护外壳, 从而导致液压泄露。也不要冒险去执行超出ROV自身液压极限的作业, 比如ROV的机械手只能提举100Kg, 若去提举200Kg的物件, 很可能导致液压油缸变形, 密封失效, 从而导致泄露。所以, 操作人员的风险意识一定要加强, 避免人为的破坏, 保障液压系统密封的良好性。

参考文献

[1]左健民.液压与气压传动[M].北京:机械工业出版社, 1999.

水下机器人的发展 篇5

关键词：极线约束,立体匹配,水下焊缝,双目视觉

0 引言

目前,机器人水下自动化焊缝跟踪主要针对二维的研究,由于在现实的水下焊接过程中,例如海底管道,船舶检修,这些焊缝不可能是二维平面焊缝,都是三维的空间焊缝结构,因此,很有必要发展水下三维空间焊缝跟踪技术。在机器人水下焊接中,实现对空间焊缝的立体定位,是水下焊缝跟踪中的关键一步,在焊缝特征点识别后的前提下,如何把双目图像中的二个二维图像特征转换为三维空间中的特征点,从而实现精确定位。以及如何从双目图像中获得目标的空间位置,从而实现焊缝跟踪,都是非常关键的问题。本文采用双目立体视觉系统采集水下焊缝图像,采用模糊增强图像处理方法获取焊缝边缘提取焊缝中心,采用极线约束的立体匹配方法,实现了双目立视觉的空间定位,为机器人空间焊缝跟踪打下基础。

1 双目视觉水下焊缝采集系统

为了实现水下焊缝图像的采集,本文设计了一种相交光轴的视觉结构形式,把摄像头、灯源安装在机器人的手臂末端,设计了一块带弧形槽的装配板来装配摄像头与灯源,卤钨灯装在装配板的正中固定于焊缝正上方,二摄像头位于左右二侧对称装配,二摄像头在该角度范围内可以在装配板上转动,根据设计,弧形槽的最大角度为90度。在实验中也可根据实际情况通过调节摄像头的装配高度以获得最适合的图像范围,这样使得二摄像头与灯源之间形成一个最佳配合。所设计的水下双目视觉传感系统在机器人水下焊缝跟踪中的安装如图1所示。水下卤钨灯与二个CCD摄像头均具有完全密封的防水结构,整个外壳由不锈钢材料加工而成,能够适应于70-80m的深水工作。其中,卤钨灯的外形尺寸为φ41×107mm,空气中重量0.3kg,水下的重量0.25kg,其最大功率为100W,放在熔池前方附近区域进行照明,供电电源采用TPR-6405直流可调压电源,其功率调节范围为0-300W,因此,可调节功率的大小来得到合适的亮度。

在水下焊接中,在600-700nm波段内,电弧辐射相对强度最弱,同时也最稳定[1],因此我们在选择滤光片时就要考虑既可以让可见光通过又可以滤去大部分弧光。把大于700nm的波段和小于600nm波段的弧光滤掉,同时也不会影响可见光的通过。

对滤光片的选取,由于大红色滤光片允许通过的波段大于610nm,紫红色滤光片所允许通过的波段是380 430 nm和630 750 nm,因此本文设计重点考虑采用大红+紫红色复合滤光片[2],实验表明,大红+紫红色复合滤光片光获取了比较清晰的焊缝图像。

2 极线约束原理及求法

2.1 极线约束原理

由图2所示双目立体视觉系统可知,假定空间的任意一点P,它在两个摄像机成像平面上的投影分别为P1和P2,其中C1和C2分别为两个摄像机的中心,即摄像机的坐标系原点。图2中,C1和C2的连线为基线,基线和两摄像机成像平面的交点e1和e2分别为两摄像机的极点,它们分别为两个摄像机中心C1和C2在对应的摄像机成像平面上投影坐标。P、C1和C2组成的三角平面称为极平面p。p和两个摄像机成像平面的交线l1和l2称为极线,一般称l1为点P2对应的极线,l2为点P1对应的极线,l1和l2互为对应极线[3]。

在极平面p上另取一点P',从图2中可以看到,它在两摄像机平面上的投影点分别为P1和P2',其中,P2和P2'都在极线l2上,这就是极线约束,即当给定一点P1,它的匹配点一定出现在它所对应的极线上,由此,可以将搜索空间压缩到一维的直线上,即极线上。而采用极线约束的准则便可以将匹配点的寻找过程约束到一条直线上,从而大大提高匹配的精度,减少匹配的时间,则本文所采取的匹配的准则即为极线约束的原则[4]。

2.2 极线的求法

如果t为三维向量,t=(tx,ty,tz),下列矩阵为t定义的反对称阵,记为:[t]x

由定义可知,[t]x=-([t]x)T,[t]x是一个不满秩的不可逆矩阵。

对两摄像机的投影方程为:

其中:分别是两摄像机的投影阵,x为某一点P在世界坐系下的齐次坐标,分别是P点在两摄像机平面上的坐标,将和矩阵中左面3×3部分记为,右边3×1部分记为。

如果将点P的坐标记为x=(xT,1)T,其中

根据射影变换的原理,对两摄像机则有下式成立:

则由式(4)、式(5)可得:

将上式右边向量记为m,即:

由定义的反对称阵为,将左乘式(5)两边,则由可知:

将(6)两边除以,并记得:

将左乘上式两边,并且两边同除以得:

式(10)为图像空间的双极线约束方程。已知一个空间点在一幅图像的图像坐标,利用摄像机的基本矩阵,可以在另一幅图像上得到式(10)所示的直线方程。那么,空间点在另一幅图像的图像坐标,在式(10)所确定的直线上。

3 匹配方法

该方法主要包括:水下焊缝图像处理及识别以提取焊缝的中心;确定左焊缝中心上一点,根据左焊缝中心匹配点求解右图像的极线方程;求极线方程与右焊缝中心的交点;计算水下焊缝三维坐标,详细的匹配算法流程如图3所示,匹配算法的详细描述如下:

Step1:输入左右摄像机拍摄的同一水下焊缝工件图像,根据水下焊缝的特点,利用上述图像处理算法,分别对左、右两幅图像进行处理,提取焊缝中心。

Step2:用左右图像的焊缝图像的中心构造左右两个中心点集。

Step3:取左焊缝的中心点集,判断中心点个数是否小于零,如果条件成立,则程序结束,如果不成立,执行Step4。

Step4:取左图像中一个焊缝中心点,建立它在右图像上的极线方程。

Step5:求该极线方程与右图像上焊缝边缘的交点,从而得到对应匹配点。

Step6:根据左右图像的二个匹配点坐标,计算该点的三维空间坐标。

Step7:中心点的个数减1,返回执行Step3。

4 焊缝图像处理及中心识别

在匹配之前,焊缝图像处理是关键的一步,而采用极线约束的方法进行匹配,需要提取焊缝的中心,文中对焊缝处理的算法详见参考文献[5],焊缝图像处理及中心提取算法的流程如图4所示,由于二个摄像头的处理方法均一样,因此选取一个摄像头的图像进行处理,本文分别对空间直线焊缝和空间拆线焊缝进行图像处理。图像处理效果如图5所示。

5 匹配实验

在图像处理的基础上,利用基于边缘特征提取的匹配方法,采用极线约束的匹配准则,本文进行了匹配试验,试验分二组进行,一组对空间直线焊缝进行匹配,一组对空间折线焊缝进行匹配,试验中,采集了整个焊缝图像,进行图像处理及中心识别后,采用前面所述的匹配算法,获取了它们在机器人基坐标系中的三维坐标。

1)空间直线焊缝试验

试验在水箱中进行,工件采用对接空间直线焊缝,用卤钨灯进行未焊接时的弱光照明以突出显示焊缝。在未焊接时在两个不同的位置分别对工件取像,取像时尽可能沿基线取像,如图5中(a1)~(d1)所示为空间直线焊缝图像的边缘检测及中心识别后的结果。采用前面所介绍的匹配算法,计算出焊缝在机器人坐标系中的坐标。并与真实坐标进行比较,匹配后的最大误差不超过0.98mm,平均误差控制在0.59mm以内,详细的偏差图如图6所示。

2)空间折线焊缝试验

试验在水箱中进行,工件采用对接空间折线焊缝,用卤钨灯进行未焊接时的弱光照明以突出显示焊缝。在未焊接时在两个不同的位置分别对工件取像,取像时尽可能沿基线取像,如图5中(a2)~(d2)所示为空间折线图像的边缘检测及中心识别后的结果。采用前面所介绍的匹配算法,计算出焊缝在机器人坐标系中的坐标。并与真实坐标进行比较,匹配后的最大误差不超过1.25mm,平均误差控制在0.65mm以内。详细的偏差图如图7所示。

对二种类型的空间焊缝匹配比较如表1所示。

6 结论

本文所设计的双目立体视觉系统能采集到清晰水下焊缝图像,对图像进行模糊增强及边缘检测后能很好地提取焊缝中心,采用极线约束的立体匹配方法及实验表明:1)空间直线的匹配精度要比空间折线的要高,空间直线的最大偏差和平均偏差要比空间折线的要低。2)Z方向产生的偏差较大,其原因是匹配时Z坐标是深度方向的值,更容易产生偏差。3)从总体上来看,匹配精度完全能够满足后续的焊缝跟踪要求。

参考文献

[1]石永华,王国荣,钟继光.药芯焊丝水下焊接焊缝跟踪视觉传感系统的设计[J].焊接技术,2000.29(4):20-21.

[2]肖心远,石永华,王国荣,等.机器人水下焊缝跟踪中双目立体视觉系统[J].焊接技术,2009,38(1):37-40.

[3]张广军.机器视觉[M].北京:科学出版社.2005,108-109.

[4]徐奕,周军,周源华.立体视觉匹配技术[J].计算机工程与应用,2003.15:1-5,62.