0 引　言

潜艇艇体、海底门或螺旋桨等水下部位的损伤、堵塞或绞缠会影响潜艇航行安全。因此，对潜艇艇体水下安全检查是保证潜艇安全航行的重要环节。目前，实施水下检查主要依靠潜水员来完成，其检查效率低且风险较高；小型水下无机器人可以对其进行水下检查，但其稳定性差、抗流能力弱，且操作难度大，受到很大限制^[1-3]。因此，针对潜艇艇体特点，采用悬停/爬行混合式机器人实施艇体水下部位的安全检查是一种有效的方法^[4-9]。

本文针对艇体表面特点和易操作要求，在开源BlueROV2 Heavy水下机器人的基础上，设计一种可以借助螺旋桨反作用力，将其“吸附”在艇体表面的水下悬停/爬行混合式水下检测机器人，该机器人重量轻、体积小、易操作，可用于潜艇艇员对艇体水下部位的快速检查。

1 方案设计

BlueROV2 Heavy水下机器人（见图1）是美国Blue Robotics公司推出的一种开源水下机器人。它具有4部水平推进器和4部垂直推进器组成的8个推进器6个自由度运动功能，可以实现前进、后退、转向、前倾、后倾、翻滚和悬停等运动模式。

根据BlueROV2 Heavy水下机器人结构特点以及运行性能，本文设计的潜艇艇体水下状态检测机器人在悬浮状态下，4部垂直推进器提供上升、下潜，且处于自平衡状态。运动由无刷推进器来执行，其平衡由姿态传感器进行控制；当机器人需要在艇体表面爬行检测时，4部垂直推进器提供机器人不同方向作用力，使机器人处于预设“倾斜”状态；在此基础上升，4部垂直推进器同时提供相同喷水反作用力，实现机器人与艇体表面的吸附。吸附后，控制履带轮实现检测机器人在艇体表面运动。

为实现艇体状态检测机器人能吸附在艇体表面，本方案在BlueROV2 Heavy水下机器人基础上，通过履带式爬行机构系统设计、整体浮力重心设计以及机器人运动控制优化等3方面进行改进，即在原有结构、控制系统基础上，通过增加履带使其具有爬行功能；通过调节浮体材料位置调整机器人稳性；通过优化控制软件提升其操控性能等，确保艇体状态检测机器人运动灵活，且能在艇体表面稳定爬行。

1.1 履带式爬行机构动力设计

为提高检测机器人在艇体表面爬行的适应性，本方案采用履带爬行机构。一方面可以增加检测机器人的承载能力。同时，还可以提高检测机器人越障的通过性，保持运动过程平稳。

BlueROV2 Heavy水下机器人选用T200推进器，总共8个。每个推进器最大功率约为350 W，正向最大推力约为5±0.5 kgf，反向最大推力约为4±0.5 kgf。由于提供反作用力的推进器由4个垂直布置的推进器提供，其可实现的最大反作用力不小于18 kgf；前进或后退作用力的推进器由4个45°布置的水平推进器提供，其可实现最大前进推力约为14 kgf，最大后退推力约为11 kgf。

在艇体状态检测机器人翻转实现贴壁爬行运动模式时，推进器的推力逐渐增大至能满足翻转的条件，继而保持翻转后的姿态。此时重心与浮心的高度差，即稳心高度会产生一个恢复力矩。当检测机器人增加履带爬行机构后，重心降低、稳心高度变大，如果推进器的最大推力不能克服调整后的翻转恢复力矩，则需要重新稳心高度，这就需要尽量降低履带爬行机构的重量或适当将履带爬行机构重心向原结构靠近。本方案采用履带爬行机构的主料采用PEEK材质制成，在保证一定强度和韧性的情况下，其机构的重量最轻。

1.2 机器人整体稳定性设计

BlueROV2 Heavy水下机器人浮性材料采用R-3318聚氨酯泡沫制成，密度约为288 kg/m³，安装位置在机器人上方（见图3）。BlueROV2 Heavy水下机器人自重约为8 kg，增加履带爬行机构重量和调整控制舱后导致潜艇艇体水下状态检测机器人总体重量增加约5 kg。原结构的浮体材料不能提供所需浮力，需要适当增加浮体材料数量以及布放位置。

检测机器人增加履带爬行机构后，其整体重心下移，稳心高度增加，为了保证机器人的稳定性，需要适当降低稳心高度。其途径之一是增加浮体材料体积并布放在合理位置。考虑到BlueROV2 Heavy原本结构预留空间有限，增加的浮性材料需要提供约5 kg浮力，其体积较大，需要扩充框架来固定浮性材料。鉴于增加浮性材料主要用于克服履带爬行机构增加的重量。通过计算，可以将浮性材料尽可能布放爬行机构底部（见图3），其大小约为265 mm×205 mm×50 mm。

1.3 机器人动力控制软件优化

本方案是在BlueROV2 Heavy水下机器人基础上进行了改装，使其具有悬浮/爬行等运动模式。由于增加了四驱履带式爬行机构，其检测机器人的控制也需要进行修改。综合BlueROV2 Heavy水下机器人的控制系统内部接口，结合履带式爬行机构驱动控制系统，借助控制舱内的Pixhawk飞控模块提供PWM脉冲信号（见图4），控制四驱履带式爬行机构运动。

Pixhawk飞控模块的14个PWM接口中，其中8个PWM接口用于BlueROV2 Heavy水下机器人控制，2个PWM接口用于控制水下照明灯和摄像头舵机，2个PWM接口用于控制四驱履带式爬行机构直流电机，其控制原理如图5所示。

根据上述优化设计与改装，潜艇艇体状态检测机器人，主要技术指标如下：

1）使用深度：100 m；

2）移动速度：＞5 m/min；

3）抗流能力：≮1.5 kn；

4）电源：内置DC14V20AH；

5）控制方式：有线遥控；

6）重量： $\leqslant $ 13.5 kg（空气中）；

7）尺寸：约450 mm×350 mm×350 mm；

8）电缆长度：100 m。

2 有限元仿真分析 2.1 样机正面抗流仿真

为了验证样机正面抗流能力，采用Ansys软件进行侧面抗流有限元仿真，分析检测机器人正面承受压力云图以及抗流冲击情况，模拟环境为样机受到侧面水流冲击，其速度为1.5 kn。

通过仿真分析发现：侧板受洋流以1.5 kn速度直接冲击下，其压力值为46.19 N，结合推进器推力及相关摩擦系数分析，在实际工作中，推力可提供200 N推力，摩擦系数取0.3，则其相对应的最大摩擦力为60 N，其仿真数值大于46.19 N，因此，在该环境工况和垂直推进器反作用力下，艇体状态检测机器人可以抵抗1.5 kn流速冲击而不会发生倾覆，可满足设计要求。

通过压力云图（见图6）发现：受冲击压力值最大值分布在控制舱半球罩以及浮体材料外壳处，鉴于半球罩和浮体材料强度大于样机的受冲击压力值，其整体强度满足要求。

根据检测机器人样机正面冲击速度云图（见图7）可以发现，整机的水下状况比较稳定，并未受到洋流的速度影响。

2.2 样机侧面抗流仿真

同样对潜艇艇体状态检测机器人样机进行侧面抗流分析，通过数值计算和压力云图（见图8）、速度云图（见图9）仿真效果来看：侧板受1.5 kn水流冲击下，其压力值为46.53 N；侧板所受的压力值最大，对该部分进行适当加固可提高机器人的稳性。在该处连接部位采用直径6 mm丝杠进行连接固定，且侧板厚度采用厚度为12.7 mm的POM板和10 mm的铝合金加强板，且整机结构比较稳固。

综上分析，通过潜艇艇体状态检测机器人样机正面和侧面数值计算和压力、速度受力分析，可以看出整机结构设计比较稳固，可以满足1.5 kn速度洋流下正面和侧面抗流设计要求。

3 试验验证 3.1 机器人样机运动模态测试

机器人样机运动性能在实验室4.0 m潜水池进行测试，环境流速0 m/s，能见度超过20 m。主要通过手柄控制，测试机器人样机“水平-倾斜-吸附-运动”等多运动模态转换以及机器人的操控性能。测试结果表明：该检测机器人可以实现自主平衡悬浮、预设倾斜角度运动、悬停/爬行运动状态快速转换以及池壁表面爬行等多种运动模态。

3.2 机器人样机实艇测试

为了进一步测试样机在实艇条件下技术性能。依托靠泊的实艇，在码头海域对样机的悬停、吸附、爬行等运动性能进行测试。码头测试环境不稳定流速约1.0 kn左右，能见度约为1.0 m，海况为2级。测试结果表明：该检测机器人能够分别以侧向和横向2种方式完成吸附，并能在艇体表面灵活爬行、转向等多种运动模式任意切换。

4 结　语

针对潜艇艇员实施水下快速检查需求，在成熟的BlueROV2 Heavy水下机器人结构和控制的基础上，借助4部水平布置的T200推进器产生的反作用，将便携式潜艇艇体状态检测机器人“吸附”潜艇艇体表面，用于实现潜艇艇体水下部位的实时检查。通过性能测试和海上实艇测试，该检测机器人可实现水中定深、定向、悬停、倾斜、翻滚、吸附、爬行等多种运动模式任意切换，可以对潜艇艇体表面、螺旋桨、海底门等附件周围的实施悬停检查和艇体表面爬行检查，为潜艇航行安全和应急情况处置提供支持。