0 引　言

缆控无人潜航器（ROV）作为应用最广泛的潜航器，是近年来学术研究的热点之一。它分为观察级和作业级。观察级ROV具有实用价值高、可靠性高、价位低廉等优点，可以代替潜水员进入危险环境或深水域环境工作，完成对港口码头、海洋工程水下结构、水库大坝等的观察监视任务，在民用工程和军事领域均展示了诱人的应用前景。

目前国内的水下机器人仍处在不断探索和改进的阶段，不少学者总结现有先进水下机器人的设计思想，针对某一系统或模块提出了改进方案。国内学者蒋新松、张铭均等^{[1 – 2]}对ROV的设计、制造和性能计算进行归纳整理，填补了我国在水下机器人技术领域的空缺。苏浩^[3]分析了国内外模块化水下机器人的研究成果，总结它们的优点和不足，对水下机器人的功能需求进行分析和分解，利用设计矩阵建立水下机器人设计的模块化表达方式，最终确定了符合模块化设计原则的单元模块划分方案。

本文提出一种小型封闭式流线型观察级水下机器人（ROV）的设计方案，通过水下摄像机和水下照明灯等探测设备，结合水下导航定位技术，实现水下复杂环境的观察和定位。

1 总体方案设计 1.1 主要技术与性能指标

ROV本体采用封闭式流线型设计，配备4台轴流推进器、1台自动对焦的半球云台高清摄像机、2个大功率水下照明灯。可替代潜水员开展水下地形地貌观察、水中作业环境监视、船体和螺旋桨检查等各类水下观察任务。具体技术指标要求如表1所示。

1.2 系统组成及工作原理

整套ROV系统由水上控制系统、水下观测系统组成。其中水上控制系统由电源箱和控制箱组成，其作用是为整个系统提供动力、对ROV运行情况进行实时监控和对ROV下达操作指令。水下观测系统用以ROV实现所需功能，主要由耐压电子舱模块、动力推进模块和水下勘测模块组成；其中耐压电子舱模块的作用是给ROV本体的各个模块提供电力与传输控制信号、交换水上控制台和ROV本体之间的电信号；动力推进模块保证ROV可以依据控制信号实现相应的运动；水下勘测模块可以对ROV工作区域进行图像、视频采集并实时传输到水上控制系统。

模块化设计是未来水下机器人的发展方向之一，其可以较低成本使ROV系统高效率地适应多样化任务。ROV多数模块是相互独立工作，可以根据作业需求快速拆装或更换模块；若某个模块出现故障，并不影响其他部分的工作。此设计方法可以保证ROV具有良好的扩展性和可靠性，使其满足多种多样的工作需求。最终ROV本体的三维模型（为便于演示，耐压舱体设置为透明色）如图1所示。

1.3 总体平衡设计

为了保证ROV在水中运动的平稳性，应建立总体坐标系，得出潜航体的重心和浮心。所有零部件的重量、浮力和重心浮心明细情况如表2所示。最终重心及浮心位置分布如表3所示。ROV的浮心重心计算公式如下：

$\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{{X_{{g}}} = \displaystyle\frac{{\sum {{M_{{i}}} \cdot {X_{{i}}}} }}{{{M}}},}\\{{Y_{{g}}} = \displaystyle\frac{{\sum {{M_{{i}}} \cdot {Y_{{i}}}} }}{{{M}}},}\\{{Z_{{g}}} = \displaystyle\frac{{\sum {{M_{{i}}} \cdot {Z_{{i}}}} }}{{{M}}},}\end{array}} \right.\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{{X_{{g}}} = \displaystyle\frac{{\sum {{F_{{i}}} \cdot {X_{{i}}}} }}{{{M}}},}\\{{Y_{{g}}} = \displaystyle\frac{{\sum {{F_{{i}}} \cdot {Y_{{i}}}} }}{{{M}}},}\\{{Z_{{g}}} = \displaystyle\frac{{\sum {{F_{{i}}} \cdot {Z_{{i}}}} }}{{{M}}}}\text{。}\end{array}} \right.$

式中：F_i为各设备的浮力；M_i为各设备的质量；X_i，Y_i，Z_i为设备浮心（重心）在总体坐标系的坐标；F为ROV的总浮力；M为ROV的总质量。

可求出稳心高度 $h \!=\! \left| {{Z_c} \!- \!{Z_g}} \right| \!=\! \left| {6.893\! -\! 0.216} \right| \!=\!6.677{\rm{mm}};$ ${Y_g} \approx {Y_c}$ ； ${X_g} \ne {X_c}$ ； ${\rm{tg}}{\varphi _{{}_0}} = \displaystyle\frac{{\left| {{X_c} - {X_g}} \right|}}{{\left| {{Z_c} - {Z_g}} \right|}} \!=\! \displaystyle\frac{{\left| { - 0.202 + 0.855} \right|}}{{\left| {6.893 - 0.216} \right|}}\!=\!$ $ 0.098$ ； ${\varphi _{{}_0}} = {5.60^ \circ }$ ，在 ${0^ \circ } \sim {10^ \circ }$ 范围之内，满足规范要求。

2 耐压电子舱结构设计 2.1 舱体结构设计

圆柱形耐压舱体耐压性能良好，加工成本较低，方便布置内部元件，从浅水到深水都可以使用。因其工作环境为水下，对耐腐蚀性要求高，综合考虑各种材料的密度、强度、加工成本等属性，决定采用6061-t4铝合金作为耐压舱体的制造材料。

如图2所示耐压电子舱模块与云台摄像模块采用一体化设计。耐压电子舱包括单个圆柱形主舱体，一侧采用端盖密封；另一侧直接连接云台摄像模块，采用透明亚克力半球罩进行密封设计。根据舱体内部电气元件的大小和布置决定耐压舱的整体尺寸，如表4所示。

电子耐压舱的密封部位为舱盖-舱体、穿舱件-舱盖以及云台球罩-舱体，采用O型圈轴向密封方式进行水密性处理。其中购置的接插件自带配套的密封圈，装配时只需保证舱盖表面光洁度即可。根据我国和国际通行的O型圈尺寸规范，考虑到最大工作压强为3 MPa，最终选定的舱体-舱盖和舱体-云台球罩（两者密封参数相同）O型圈参数如表5所示。

2.2 舱体结构强度校核

耐压舱舱体与舱盖采用6061-t4铝合金，透明半球罩采用亚克力材料（丙烯酸），舱体、舱盖和球罩使用不锈钢公制M3螺丝连接。材料的参数如表6所示。

2.3 耐压舱稳性校核

耐压舱体在水下承受外压时，因载荷分布特殊，容易出现失稳现象。根据长径比，圆柱形薄壁舱体可分为长圆筒、短圆筒和刚性圆筒。其中长圆筒的破坏形式主要表现为失稳，刚性筒则为强度破坏，短圆筒需根据实际情况确定。长圆筒与短圆筒的临界长度通常用式（1）求得。

$Lk_1 = 1.17D\sqrt {D/S}\text{，} $

(1)

短圆筒与刚性筒的临界长度以式（2）求得。

$Lk_2 = \frac{{1.3ES}}{{\sigma S\sqrt {D/S} }}\text{。}$

(2)

式中：D为圆筒平均直径；S为壁厚；E为材料弹性模量； $\sigma_S$ 为屈服极限。

本文所设计耐压舱长度为390 mm，根据式（2）～式（3）可知属于短圆筒，因此不能忽略边界条件对临界压力的影响。短圆筒失稳的波形数n>2，可采用Laime简化公式计算其临界压力。

${P_K} = 2.6E\frac{{{{\left( {S/D} \right)}^{2.5}}}}{{L/D}}\text{。}$

(3)

计算得到临界压力PK=11.601 MPa，大于实际工况下的外压3 MPa，因此耐压电子舱稳性符合要求。

2.4 耐压舱结构强度数值仿真

在SolidWorks中建立舱体的实体模型，建立好模型后，进入Simulation模块，生成算例，采用直接离散法（Direct Sparse）求解器进行求解，得到应力分布云图，并给出最大应力的分布区域。

计算结果表明，3 MPa压强下耐压舱的最大应力为178.47 MPa，发生于舱盖中心；舱体舱盖交界处的应力次之，分布较集中。对亚克力球罩部分进行单独分析，计算结果表明，3 MPa压强下的最大应力为37.45 MPa，集中分布于球罩与法兰相接的内弧边处。应力云图如图3和图4所示。

该工况下的铝合金材料安全系数达到1.3，对应亚克力材料（丙烯酸）安全系数也可以达到1.2，且实际情况下，舱盖的开孔内会放置刚度较高的不锈钢水密接插件，可进一步提高整体强度。此耐压舱可满足在水下300 m的工作要求。

3 外壳与框架设计 3.1 材料选取

研发的观察级ROV采用透水式流线型设计。该设计的基本思路是在普通框架式ROV外部增加一个非水密的流线型外壳，可以有效降低ROV直航时的阻力，以提高推进效率和快速性能。考虑到流线型结构外壳曲面复杂，传统工艺加工成本高且难度大，因此决定采用3D打印技术进行加工。在保证结构强度的前提下，为了尽可能降低重量，且考虑到深水工况下的耐腐蚀要求，决定采用可进行3D打印加工的DSM-8000 ABS工程塑料制造本体框架和外壳。该材料具有精度高、硬度好、抗变形、表面光滑等特点，可以做喷漆、丝印、电镀等后处理加工。

3.2 结构设计

外壳中部为圆柱，两侧的流线基于经过改良的美国NACA翼型，阻力性能较好。整体外壳上下表面和侧面有若干透水圆孔，在保证对动力性能影响较小的情况下供流体自由进出。外壳上部开提手槽用于安装提手，并有相应遮挡盖板，以防异物进入。外壳上同时为4枚推进器、电子耐压舱和2个水下照明灯预留了安装位置。尾部安装了一只可快速拆卸的整流罩，用于改善尾流场、遮挡线缆；整流罩上呈圆周分布的4片稳定翼可减小横摇幅度。

因外壳为大面积薄板结构，平均厚度3 mm，抗弯强度较差，不可将配件直接固定于外壳上。因此本ROV另设计一套高强度内部框架，耐压电子舱、推进器、水下灯以及整体外壳将直接安装于作为基础的框架上。外壳与框架的整体如图5和图6所示。

3.3 框架结构强度校核

表7给出了计算对象的外形尺寸和重量等基本参数。采用通用的右手坐标系，即长度为X方向，宽度为Y方向，高度为Z方向；规定沿坐标轴正向观察时，力矩顺时针方向为正（下同），如图7所示。

框架材料采用DSM-8000 ABS工程塑料和6061-t4铝合金。2种材料的参数如表8所示。

针对实体有限元计算问题，应全部采用体积网格。综合考虑计算精度和计算耗时，决定将全局网格尺寸设定为5 mm，在尺寸较小的槽和孔处进行局部加密。最终节点总数约为13万，单元总数为7.8万。如图8所示，所有工况采用相同的网格划分方案。

3.4 工况1-静置

工况1为陆上水平静置。为了真实模拟ROV框架水平静置于地面的情形。在2个铝合金抱箍底面设置刚性固定约束。根据配件的实际安装位置，在框架各个面上分别施加静力载荷，约束和载荷的分布状况如表9所示。

计算结果表明，工况1下结构的最大应力为8.532 MPa，分布于铝合金抱箍的折角处。这是抱箍与耐压舱间的预紧力所致。ABS部分的最大应力为2.133 MPa。工况1下整体最大合位移为0.387 mm，发生于尾推进器安装板的末端。因尾推安装板较长所致。应力分布和集中位置如图9和图10所示。

3.5 工况2-直航且下潜

工况2为ROV在水中同时进行全速下潜和全速直航运动。本次计算采用弹簧法和惯性卸除法取代了刚性固定约束，在框架与外壳的连接螺孔处施加了沿X负方向的虚拟载荷，载荷数值与推进器提供的最大推力相等，以模拟ROV本体在水中同时匀速直航和匀速下沉的情形。考虑到动载荷往往大于静载荷，故根据配件的实际安装位置，推进器的推力方向和脐带缆的拉力方向，在框架各个面上分别施加2倍的静载荷，载荷的分布状况如表10所示。

计算结果表明，工况5下结构的最大应力为16 MPa，分布于铝合金抱箍的折角处。ABS部分的最大应力为2.67 MPa。工况5下整体最大合位移为0.64 mm，发生于铝合金抱箍的下端。应力云图和应力集中如图11和图12所示。

Simulation软件的有限元仿真计算结果表明，该框架的铝合金部分在所有工况下的最大应力为16 MPa，安全系数达到17.2；ABS工程塑料部分在所有工况下的最大应力约为2.67 MPa，安全系数达到14.5。因此该框架可满足使用要求。

4 结　语

ROV的设计是一个复杂的过程，本文阐述一种小型封闭式流线型观察级水下机器人的设计方案。通过水下摄像机和水下照明灯等探测设备，结合水下导航定位技术，它实现水下复杂环境的观察和定位，同时也可以通过搭载声呐等设备完成地形勘探、水下结构物探伤等功能。

本文在对国内外ROV设计方面相关文献进行充分调研的基础上，拟定了设计对象性能指标，基于模块化设计思想将其划分为若干个子系统和功能模块，并逐一制定了系统功能实现方案；在ROV本体详细结构设计中确定了每个模块零部件的材料选择、结构形式和装配方式，基于三维建模软件SolidWorks完成了ROV外壳框架、耐压电子舱等部件的三维建模和虚拟装配；基于静力学方法校核了ROV本体在水下的静稳性能；通过有限元方法校核了关键部件在不同工况下的结构强度。结果表明：该设计对象的静稳性能符合规范，框架结构强度满足使用需求，耐压舱结构强度也达到设计要求。本文采用的设计方法逻辑性较高，为后续开展水下机器人设计工作提供了详细的思路。