子母ROV系统的制作方法

本实用新型涉及缆控水下机器人，特别涉及一种具有子、母单元的缆控水下机器人。

背景技术：

目前，缆控水下机器人(remotelyoperatedvehicles，rov)通常仅为单体，其大多数是为了满足某一方面的需要而被设计的。但是，对于狭长的水下隧洞、暗渠等水利设施的检修而言，单个的rov无法同时满足抗流和定点观察的作业要求。

技术实现要素：

鉴于现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种子母rov系统，其特征在于，包括：

能够在水下航行和/或行走的rov母单元；

通过第一线缆和所述rov母单元连接的用于对水中物体的壁面进行检测的rov子单元；

所述rov母单元在水中为净负浮力，壁面对其的摩擦力大于水流对所述rov母单元、第一线缆和rov子单元的冲击力之和，以使得其能够在水中锚定。

本实用新型提供的子母rov系统中的rov母单元具有良好的水下航行和/或行走、锚定能力，可携带缆线、rov子单元等到达指定位置并锚定，rov子单元可在rov母单元附近进行小范围的区域作业，二者相配合以使得综合能力和适用性得到显著提高。

在本实用新型的一些实施方式中，所述第一线缆为抗拉零浮力缆。

在本实用新型的一些实施方式中，所述rov母单元包括：

母单元本体；

设置于所述母单元本体上的用于存储盘好的第二线缆的储缆装置；

设置于所述母单元本体上的用于将所述储缆装置中的第二线缆拖拽出的吐缆装置。

本实用新型中的储缆装置和吐缆装置均设置在rov母单元上，rov母单元在行进过程中吐缆装置可保证吐缆的长度略大于行进距离，以使得rov母单元在已经经过区域的缆线可保持相对静止，不必随着rov母单元行进，可减少此段缆线的行进水阻。

在本实用新型的一些实施方式中，所述吐缆装置包括：

沿竖直方向对称地设置于所述母单元本体上的纵向限位轮；

沿水平方向对称地设置于所述母单元本体上的横向限位轮；

设置于所述母单元本体上的用于驱动所述横向限位轮转动的驱动单元，以使得所述储缆装置中的所述第二线缆能够先经由所述纵向限位轮再经由所述横向限位轮后被拖拽出；或

设置于所述母单元本体上的用于驱动所述纵向限位轮转动的驱动单元，以使得所述储缆装置中的第二线缆能够先经由所述横向限位轮再经由所述纵向限位轮后被拖拽出。

上述设置可以避免主动轮吐缆后外部仍有从动轮阻碍缆线排出的情况出现。纵向限位轮和横向限位轮均由张紧机构压紧在线缆上，保证其和线缆有一定的接触压力，确保主动轮能利用摩擦力将线缆排出。

在本实用新型的一些实施方式中，所述的子母rov系统包括：

设置于水面之上的控制单元，所述控制单元通过所述第二线缆和所述母单元本体连接；

所述吐缆装置包括：设置于所述横向限位轮或者所述纵向限位轮上的用于检测所述第二线缆张力的张力传感器，以使得所述控制单元能够根据所述张力传感器所测得的张力数值控制所述吐缆装置的吐缆速度。

在本实用新型的一些实施方式中，所述控制单元中预存有所述本体在前进和静止状态下所述缆线的张力数值范围；当所述张力传感器获得的张力数值在所述前进状态下的张力数值范围内时，所述控制单元控制所述吐缆装置和/或储缆装置吐缆；当所述张力传感器获得的张力数值在所述静止状态下的张力数值范围内时，所述控制单元控制所述吐缆装置和/或储缆装置停止吐缆。

在本实用新型的一些实施方式中，所述控制单元中预存有所述本体在后退状态下所述缆线的张力数值范围；当所述张力传感器获得的张力数值在所述后退状态下的张力数值范围内时，所述控制单元控制所述吐缆装置和/或储缆装置反向运转以实现收揽。

在本实用新型的一些实施方式中，所述rov母单元包括：

设置于母单元本体上的定位装置和/或测速装置，所述控制单元能够根据所述定位装置所测得的定位数据和/或所述测速装置测得的速度数据控制所述吐缆装置的吐缆速度。

在本实用新型的一些实施方式中，所述rov母单元包括：

设置于所述母单元本体底部的履带。

在本实用新型的一些实施方式中，所述第二线缆采用铠装零浮力缆。

在本实用新型的一些实施方式中，所述rov子单元包括：

子单元本体；

设置于所述子单元本体上的至少一个舵板；

设置于所述子单元本体上的用于检测水流速度和/或方向的检测单元；

所述控制单元能够根据所述检测单元检测到的水流速度和/或方向数据控制所述舵板相对于水流的角度。

在rov子单元上安装至少一个舵板，该舵板可进行单自由度或多自由度的角度调节。在作业过程中，可依据水流的流速和/或流向等参数进行相应的舵板角度调节，利用舵效实现对rov子单元垂直于壁面的正向压力，使rov子单元行进更稳定。

在本实用新型的一些实施方式中，所述rov子单元包括：

设置于所述子单元本体上的第一驱动单元；

用于将所述舵板铰接于所述子单元本体上的销轴；

所述控制单元控制所述第一驱动单元驱动所述舵板沿所述销轴旋转。

在本实用新型的一些实施方式中，所述舵板具有两个，且分别设置于子单元本体的首尾两端。

在本实用新型的一些实施方式中，所述rov子单元包括：

设置于所述子单元本体上的至少一个推进器；

所述控制单元能够根据水流速度和/或方向数据控制所述推进器的开启、关闭和/或转速。

在rov子单元中部设置有一个或多个推进器，该推进器可利用螺旋桨推水的反作用力将rov子单元更紧密的贴合在水下壁面上。由于舵板的存在，rov子单元已经受到水流垂直于壁面的正向压力，螺旋桨的推力可小于rov子单元所需的正压力。由于螺旋桨的推力和螺旋桨转速成正比，rov子单元可根据水流的流速、流向等条件调整螺旋桨转速，始终确保rov子单元能紧密贴合在壁面上即可，避免螺旋桨始终高速运转带来的功率消耗大、电机寿命受衰减等问题。

在本实用新型的一些实施方式中，所述rov子单元包括：

设置于所述子单元本体上的至少一个推进器；

所述检测单元能够检测所述子单元本体和壁面的压力，所述控制单元能够根据压力数据控制所述推进器的开启、关闭和/或转速。

在本实用新型的一些实施方式中，所述rov子单元包括：

设置于所述子单元本体上的至少一条包络式履带，以使得所述子单元本体能够在壁面上运动；以及

设置于所述子单元本体上的用于驱动所述包络式履带的第二驱动单元。

在本实用新型的一些实施方式中，所述包络式履带具有多条，且对称的分布在所述子单元本体的两侧。

在rov子单元中部有两条包络rov子单元周向的履带，履带的运行方向可根据实际作业需要设置为平行于水流方向或垂直于水流方向。在水流作用在舵板的正压力和螺旋桨推进压力下，履带可获得足够的摩擦力，驱动rov子单元沿相应方向行进。

上述rov子单元的吸附机构和行走机构独立，不会出现吸附机构和行走机构相互耦合造成的吸附机构反复开关引起的吸附机构失效等问题，简化了吸附机构的实现方式和作用方式，使得吸附装置的吸附更稳固。

在本实用新型的一些实施方式中所述rov子单元包括设置于所述子单元本体上的用于连接外部线缆的系泊杆。系泊杆可用缆绳等平衡平行于水流方向的冲击力。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的子母rov系统应用示意图；

图2为本实用新型一实施例的rov母单元的结构示意图；

图3为本实用新型一实施例的储缆装置和吐缆装置的俯视示意图；

图4为本实用新型一实施例的储缆装置和吐缆装置的侧视示意图；

图5为本实用新型一实施例中带有定位装置和测速装置的rov母单元的结构示意图；

图6为本实用新型一实施例的rov子单元结构示意图(侧视图)；

图7为本实用新型一实施例的rov子单元结构示意图(俯视图)；

图8为本实用新型一实施例的rov子单元在隧道内壁上沿垂直于水流的方向做周向运动示意图。

具体实施方式

为了使实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对实用新型作进一步详细的说明。虽然附图中显示了本公开示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻的理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1所示，本实用新型提供的子母rov系统包括rov母单元1、第一线缆2和rov子单元3。子母rov系统被投放至水下隧洞、暗渠5中，rov母单元1能够在水下航行和/或行走，rov子单元3用于对水中物体的壁面进行定点检测，二者通过第一线缆2连接。rov母单元1在水中为净负浮力，壁面对其的摩擦力大于水流对所述rov母单元、第一线缆和rov子单元的冲击力之和，以使得其能够航行和/或行走到预定位置后在水中锚定。

第一线缆2采用较短的抗拉零浮力缆连接，该缆用于电力输送和信号传输，也用于与rov母单元1的系泊牵引以对抗水流冲击力。

如图2所示，rov母单元1包括母单元本体11、设置于所述母单元本体11上的用于存储盘好的第二线缆12的储缆装置13以及设置于母单元本体11上的用于将储缆装置13中的第二线缆12拖拽出的吐缆装置14。

rov母单元1与地上或水面上的绞车/缆轴6和控制单元4以第二线缆12电气连接，第二线缆12采用铠装布放缆，该铠装布放缆有良好的抗剪强度、耐磨性和抗刮划能力，以保证rov母单元1在拖缆过程中，铠装布放缆不会被水底的附生水生物、凸起的砾石、破损的洞壁等刮伤、刮断，影响电气传输。

上述第二线缆12在作业开始时是储存在rov母单元1的储缆装置13中，rov母单元1上装有吐缆装置14，可根据rov母单元1行进的距离和行进速度调整吐缆速度，亦可设置为恒定张力下放缆。rov母单元1作业时，水面上的绞车/缆轴6不放缆，rov母单元1边行进边自行放缆，保证其在行进过程中第二线缆12不会产生不必要的拉力。在rov母单元1上设置储缆装置13和吐缆装置14解决了缆线展开困难和水中缆线过长引起的缆阻力之间的矛盾，解决了rov在水中拖曳缆前进的技术难题。

一般情况下水下隧洞、暗渠5的长度较长，若用第二线缆12传递动力电，会由于阻抗等原因会造成较大压降，影响rov母单元1的正常功能，因此在长距离的检修作业中，第二线缆12采用光纤缆，只做信号线用，rov母单元1的能源为其自身携带的电池。在短距离检修中，可采用第二线缆12同时做信号线和动力线，以延长子母rov系统的水下作业时间。

作业开始前用第一线缆2和第二线缆12连接rov母单元1、rov子单元3和水面绞车/缆轴6，将rov母单元1、rov子单元3和第一线缆2放入水下隧洞、暗渠5。控制单元4操控rov母单元1沿着水下隧洞、暗渠5的边坡行驶入。由于rov母单元1的自重较大，可依靠自重实现锚定，其和水下隧洞、暗渠5的内壁的摩擦力要大于水流对rov母单元1、第一缆线2以及rov子单元3的冲击力之和。在特定条件下，可以附以磁力吸附、螺旋桨推力吸附等方式进行辅助固定。因此rov母单元1和rov子单元3驶入水下隧洞、暗渠5内时不会被水流冲走，能保持稳定的状态。

如图3和图4所示，该吐缆装置14包括沿竖直方向对称地设置于母单元本体11上的纵向限位轮141，沿水平方向对称地设置于母单元本体11上的横向限位轮142，以及设置于母单元本体11上的用于驱动横向限位轮142转动的驱动单元143，以使得储缆装置13中的第二线缆12能够先经由纵向限位轮141再经由横向限位轮142后被拖拽出。即，本实施例中横向限位轮142相较于纵向限位轮141更为临近母单元本体11的尾部，且临近尾部的横向限位轮142作为主动轮。

本领域技术人员应当能够理解，该吐缆装置14还可以将驱动单元143设置于母单元本体11上且用于驱动纵向限位轮141转动，以使得储缆装置13中的第二线缆12能够先经由横向限位轮142再经由纵向限位轮141后被拖拽出。即，本实施例中纵向限位轮141相较于横向限位轮142更为临近母单元本体11的尾部，且临近尾部的纵向限位轮141作为主动轮。

上述设置可以避免主动轮吐缆后外部仍有从动轮阻碍第二线缆12排出的情况出现。纵向限位轮141和横向限位轮142均由张紧机构压紧在第二线缆12上，保证其和第二线缆12有一定的接触压力，确保主动轮能利用摩擦力将第二线缆12排出。

更进一步地，如上所述，该rov包括设置于水面之上的控制单元4，控制单元4通过第二线缆12和能够航行于水下的母单元本体11连接。吐缆装置14包括设置于横向限位轮142或者纵向限位轮141上的用于检测第二线缆12张力的张力传感器144，以使得控制单元4能够根据张力传感器144所测得的张力数值控制吐缆装置14的吐缆速度。本实施例中，所述张力传感器144采用深圳市鸿瑞传感仪器有限公司hr1080-100kg型传感器。

控制单元4中预存有母单元本体11在前进、静止和后退状态下第二线缆12的张力数值范围；当张力传感器144获得的张力数值在前进状态下的张力数值范围内时，控制单元4控制吐缆装置14吐缆；当张力传感器144获得的张力数值在静止状态下的张力数值范围内时，控制单元4控制吐缆装置14停止吐缆；当张力传感器144获得的张力数值在后退状态下的张力数值范围内时，控制单元4控制吐缆装置14反向运转以实现收揽，减小非必要第二线缆12在水中长度过长引起的缆线水阻，也能避免缆线放线长度不足导致缆线受拉和母单元本体11受冲击拉力。

结合图5，该子母rov系统包括设置于母单元本体11上的定位装置15(如美国link-quest公司的tracklink1500ha型usbl)和/或测速装置16(如德州仪器ti公司的71b-2051-012型dvl)，控制单元4能够根据定位装置15所测得的定位数据和/或测速装置16测得的速度数据控制吐缆装置14的吐缆速度。通过上述协同作用，依据母单元本体11的位置变化情况调整吐缆的速度，确保吐缆的长度适中或略大于母单元本体11的行进速度，减小非必要缆线在水中长度过长引起的缆线水阻，也能避免缆线放线长度不足导致缆线受拉和母单元本体11受冲击拉力。

此外，需要说明的是，储缆装置13可以是无源的，也可以是有源的。当储缆装置13为无源储缆器时，储缆装置13无自主放缆的能力，依靠吐缆装置14的拉力实现缆从储缆装置13中展开，此时储缆装置13应有自锁结构，实现当吐缆装置14不工作时，其不会转动将缆展开，避免缆线的乱圈与卡缆等问题。当储缆装置13为有源储缆器时，储缆装置13可自主放缆，并在其不工作时依靠动力源和/或自锁结构实现自锁，防止缆线非受控展开。

在选用有源的储缆装置13的情况下，当张力传感器144获得的张力数值在前进状态下的张力数值范围内时，控制单元4控制储缆装置13吐缆；当张力传感器144获得的张力数值在静止状态下的张力数值范围内时，控制单元4控制储缆装置13停止吐缆；当张力传感器144获得的张力数值在后退状态下的张力数值范围内时，控制单元4控制储缆装置13反向运转以实现收揽。

储缆装置13放缆时应与吐缆装置14协同工作，保证放缆速度与吐缆速度同步。

继续参照图2，rov母单元1还包括设置于母单元本体11底部的履带17。因此rov母单元1具有优异的机动能力，可在具有边坡的隧洞入口入水作业和在有边坡的隧洞出口行驶上岸的能力，rov母单元1的行进方式可以选择轮式或履带式，优选履带式。当隧洞入口不具备边坡时，可用tms(缆线管理系统)将rov母单元1和rov子单元3放入指定水深。

参照图6和7所示，rov子单元3包括子单元本体31、舵板32和检测单元33(如德州仪器ti公司的71b-2051-012型dvl)。其中，舵板32设置于子单元本体31之上且至少具有一个。检测单元33设置于子单元本体31上，且用于检测水流速度和/或方向，控制单元4则能够根据检测单元33检测到的水流速度和/或方向数据控制舵板32相对于水流的角度。

进一步的，舵板32具有两个，且分别设置于所述子单元本体31的首尾两端。

在水下爬壁rov的前后端各安装一个舵板32，该舵板32可进行单自由度或多自由度的角度调节。在作业过程中，可依据水流的流速和流向等参数进行相应的舵板角度调节，利用舵效实现水流对rov垂直于壁面的正向压力，使rov子单元3的工作状态更为稳定。

当舵板32设计成多自由度旋转时，可通过两个舵板32的角度配合以及不断地进行角度调整，令rov子单元3向顶壁、侧壁或底壁运动，实现rov初始检测位置的可控性，可优先、重点检测某一疑似问题点，提高检测的作业效率。

继续参照图1和图2，舵板32靠设置于子单元本体31上的第一驱动单元34驱动，以使其能够沿着铰接于子单元本体31上的销轴35旋转。控制单元4控制第一驱动单元34的运行和停止。

进一步地，本实施例中的rov子单元3还包括设置于子单元本体31上的至少一个推进器36(本实施例采用两个在主体1上对称分布的推进器)。控制单元4能够根据检测单元33获取的水流速度和/或方向数据控制推进器36的开启、关闭和/或转速。

由此可见，当舵效产生的水流对rov垂直于壁面的正向压力不足以使子单元本体31贴近顶壁、侧壁或底壁时，可以利用推进器推水的反作用力提供额外的垂直于作业壁面的正向压力。在舵板32和推进器36的共同作用下(协调工作下)，可实现rov子单元3紧密贴合在作业壁面上，相对于推进器36单独工作，可大大减小推进器功耗，延长推进器的寿命。

本实施例中的推进器采用天津深之蓝海洋设备科技有限公司的tg166a型推进器。

进一步地，该rov子单元3包括设置于子单元本体31上的至少一条包络式履带37，以使得子单元本体31能够在外部壁面上(隧道的内部壁面)运动；以及设置于子单元本体31上的用于驱动所述包络式履带37的第二驱动单元(图中未示出)。检测单元33能够检测包络式履带37和外部壁面间的接触压力数据，控制单元4再根据接触压力数据调整推进器36的转速。

当rov由于舵效的作用抵触在检测点内壁上后，可视抵触压力的大小选择是否需要推进器36提供额外的正向压力。若在无推进器36推力辅助的情况下，rov子单元3就能依靠包络式履带37完成沿壁面的行进，则无需开启推进器36。若包络式履带37会在壁面上打滑难以行进，则需启动推进器36，不断提高推进器36转速，直至rov所受到的垂直于壁面的正向压力足以使rov子单元3在壁面上行进，此时的推进器36转速即为rov能正常作业所需的最低转速。为保证作业的可靠性，可在此转速基础上适当增加转速。在舵板32和推进器36的共同作用下(协调工作下)，可实现rov子单元3紧密贴合在作业壁面上，相对于推进器36单独工作，可大大减小推进器功耗，延长推进器的寿命。

本实施例提供rov子单元3的吸附机构(舵板和推进器)与行走机构(包络式履带)相互独立，不存在吸附与行走机构执行的冲突，可令吸附机构始终保持最优的吸附效果，使作业过程更可靠。

如图8所示，水流的方向为沿纸面垂直向外或者向内，本实施例提供的rov子单元3能够在隧道内壁上沿垂直于水流的方向做周向运动。

为了使rov子单元3的运动更为平稳可靠，rov子单元3中部沿轴线对称布置有两条或多条包络式履带37，该包络式履带37覆盖rov子单元3整个周向方向，可保证rov子单元3以周向的任意角度初始接触壁面时，包络式履带37均可以起到支撑和缓冲的作用。通过对包络式履带37的转速和转向的调节，可实现rov子单元3的前进、后退或转向，完成rov子单元3沿周向的内壁检查工作或短距离的水流方向的位置调节。

参照附图6和7，本实施例中该rov子单元3还包括设置于子单元本体31底部的用于连接外部线缆的系泊杆38。作业前，将第一缆线2连接在rov子单元3的系泊杆38上。第一缆线2用于实时传输视频图像和监控信号的同时，还用于平衡水流对rov子单元3平行于水流方向的冲击分力。

上述rov子单元3可携带摄像头、照明灯、声呐等装置进行抵近观察、探测，也可搭载机械手、标记机构等设备对检测出的缺陷进行辅助作业或全自主作业。

作业时，操控人员通过控制单元4操控rov母单元1上的行走机构运动，使rov母单元1沿水流方向行驶至检修点。可通过rov母单元1上的摄像头观察选择须进一步查验的检修点，也可以通过定位导航设备(如usbl等)确定需查验的位置后在仔细检修。在rov母单元1行进过程中，通过rov母单元1上的吐缆装置14不断的将储缆装置13中的第二线缆12放出，吐缆的长度应始终略大于rov母单元1的行进距离。当抵达检修点时，操控rov子单元3上的舵板32运动至合适角度，利用舵效产生的垂直于壁面的正向压力令rov子单元3紧密地贴合水下隧洞、暗渠5的内壁，同时操控rov子单元3上的推进器36运转，将rov子单元3进一步推抵在水下隧洞、暗渠5的内壁上。通过控制单元4操控rov子单元3上的包络式履带37运转，可实现rov子单元3环绕水下隧洞、暗渠5的周向运动，对水下隧洞、暗渠5检修点的整个截面进行检查。

当水下隧洞、暗渠5的所有检修点均检查完毕后，进入回收阶段。改变rov子单元3的舵32角度，关停推进器36(必要时可令推进器36反转)，令rov子单元3脱离水下隧洞、暗渠5的内壁。通过控制单元4继续操控rov母单元1沿水流的方向向下游行进直至到达出口。操作人员从出口内将rov子单元3捞出，操控rov母单元1沿着边坡爬出水面后，将第二线缆12从rov母单元1上拆下并用堵头堵紧密封后，将第二线缆12放回水中，操控绞车/缆轴6运转，将第二线缆12逆流拉回盘卷在绞车/缆轴6上，完成回收作业过程；当检测点距入口距离较短或水流流速不大时，也可通过控制单元4操控rov母单元1逆流而上行进至入口，操作人员将第二线缆12、rov母单元1、rov子单元3和第一线缆2从入口处捞出，操控绞车/缆轴6运转，将第二线缆12盘卷在绞车/缆轴6上，完成回收作业过程。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制性的。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，但本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。