水下对接装置空间位置和姿态的计算方法

水下对接装置空间位置和姿态的计算方法

(一)新型水下对接装置的研究目标水下连接是指在两个独立于水中的室内部门的连接后，连接成为一个整体，包括结构上的机械连接和它们之间的密封。水下对接技术主要应用于援潜救生,即救生艇对失事潜艇艇员的救援。由于各国军用和民用潜艇数量和事故的增加,加之潜艇事故的危险性大,特别是俄罗斯“库尔斯克”号核潜艇失事,更引起了各国对援潜救生的普遍重视。另外,随着海洋开发事业的不断发展,人类在海底的活动也会越来越多,在未来海底居住舱室中人员的转移、物资的供给等方面,水下对接技术都将起到非常重要的作用,具有重大的研究价值与应用前景。新型水下对接装置的研究目标是研制出具有以下功能的水下对接实验系统:当六自由度模拟救生艇在模拟失事艇救生平台上方悬停动力定位时,能够自动捕获模拟失事艇上的辅助目标环,自动完成对中和联接。该项目旨在提高对接的可靠性和成功率,突破水下机动对接的局限性,为将来的深潜救生艇能够在低能见度、大海底流及失事艇大纵横倾姿态(大于45°)下实施水下对接救生打下基础。(二)新的水下连接装置1.机械手联动机械手图1为新型水下对接装置的原理示意图。对接装置由四只捕捉机械手组成,各机械手的功能用于主动搜索对接目标环,形成机械手并联机构,自主协调运动,自动地完成初联接、对中、拉降的对接过程。(二)自动搜索装置根据自主水下对接过程的要求,设计的对接装置控制系统硬件框图如图2所示。显示和综合控制计算机(PC工控机)和水下对接装置的主单片机系统通过RS-485串口相联。主单片机系统通过双口RAM向4个从单片机系统传递指令并获取捕捉机械手的状态信息,主单片机系统还能够控制油源电机的启动和停止。每个从单片机系统控制一个捕捉机械手,以便实现自主搜索等局部自主作业功能。捕捉机械手有两个运动自由度和一个抓取功能,即在铅垂面内绕水平轴线的旋转运动和伸缩油缸的直线运动。同时捕捉机械手的末端沿伸缩油缸轴线的直线运动和绕该轴线的旋转运动方向上具有柔顺功能。末端的位置通过安装在旋转轴线上的旋转电位计和安装在伸缩油缸上的直线电位计信息来确定。捕捉机械手的端部装有轮子,能实现万向轮的功能,使捕捉机械手能够沿接触表面任何方向滑动。另外手爪末端还有3个提供触点开关量信息的传感器,一个用来检测手爪是否抓到目标物的传感器,其余两个,判断手爪末端是否接触甲板和检测接触力是否过大,用来检测手爪末端受力是否过载和控制末端沿被救艇甲板表面运动,以保证捕捉机械手在自动搜索目标桩的过程中能够有把握地抓住目标桩。在这一自动搜索过程中,伸缩油缸的状态如表1所示。浮动状态是指液压缸的两腔均与油箱联通,活塞杆在外力作用下可以自由运动。系统中的液压油源是封闭式的液压动力源,动力源的补偿油囊使得油箱内部的压力同外界基本相同,保证了浮动状态的稳定。(三)自动搜索装置的工作过程当救生艇在被救艇上方一定范围内时,开始水下对接过程,大致可以分为以下步骤:(1)自动搜索:即捕捉机械手自动搜索并捕捉目标环,从而实现救生艇与失事潜艇的初联接,这是水下对接过程中最重要的一步。从单片机在接受到主单片机的指令后自主地控制相应的捕捉机械手开始搜索作业,首先将机械手向外摆动至摆角为最大的位置,然后向外伸出,在满足条件“伸缩油缸伸至最长位置”或“捕捉机械手末端接触到甲板”中的一个后,机械手向内摆动,这一过程中伸缩油缸的状态如表1所示。若捕捉环在机械手的捕捉范围内,捕捉机械手末端沿甲板运动最终捕获到目标环,目标环触动手爪上的触点开关,手爪闭合抓住目标环,捕捉机械手的两个驱动液压缸处于浮动状态,完成自动搜索的作业任务。(2)引导对中:即协调控制各捕捉机械手动作,使得救生艇和被救失事艇的对接裙口相对位置对正,为最后实现对接密封作好准备。为保证初联接的可靠,捕捉机械手的手爪在捕获目标环后,与目标环的相对位置即被锁定,因此引导对中采取先松开相对的两只手爪,利用另外两只相对的捕捉机械手完成这两只机械手的对中,最后利用对中后的两只捕捉机械手完成对接装置与被救失事艇的对中。(3)下拉锁定:经过引导对中后,四个捕捉机械手伸缩油缸的轴线平行,这时利用直线传感器的位置信息控制四只捕捉机械手同步回缩,完成对接作业。(四)固联坐标系的建立根据捕捉机械手捕捉到“对接目标环”时的机械手末端的位置,可以计算出目标环相对于救生艇的位置,这一结果可用于对接装置与失事艇之间的协调控制。在对接装置上建立固联坐标系Oxyz,“对接目标环”上的坐标系为O1x1y1z1,如图3所示。这样两只机械手在Oxz平面上,另两只机械手在Oyz平面上,四只机械手末端的坐标分别为:P1(0,y1,z1)、P2(0,y2,z2)、P3(x3,0,z3)、P4(x4,0,z4),它们可在Oxz平面和Oyz平面上求出。(五)水中模拟对接试验水下模拟对接试验装置由安装在“六自由度深潜救生艇”试验模型艇下部的“水下对接装置”,及模拟失事艇上的对口平台与目标环等装置组成,如图4所示。试验条件是:船模阻力试验水池,长100m,宽7m,水深3.5m,对口装置模型缩放比1∶2;失事艇模拟平台最大倾角30°。新型水下对接装置在船模阻力水池中进行了多次模拟静水(无水流)和有水流(0.2m/s)条件下的对接试验,并成功地完成了对接,验证了新型水下对接装置的有效性和可行性。实际对接时间一般为5～6min。有水流的条件是由电动拖车拖曳模拟对接平台在水池内移动,相对于静水产生相对运动。水中模拟对接试验的对接过程,如图5所示。通过本课题的研究,本文提出了一种基于六自由度动力定位型深潜对接救生术及装置的新方案,介绍了该方案系统的组成,分析了对接装置的工作