水下對接裝置空間位置和姿態(tài)的計算方法

水下對接裝置空間位置和姿態(tài)的計算方法

(一)新型水下對接裝置的研究目標水下連接是指在兩個獨立于水中的室內(nèi)部門的連接后，連接成為一個整體，包括結(jié)構(gòu)上的機械連接和它們之間的密封。水下對接技術(shù)主要應(yīng)用于援潛救生,即救生艇對失事潛艇艇員的救援。由于各國軍用和民用潛艇數(shù)量和事故的增加,加之潛艇事故的危險性大,特別是俄羅斯“庫爾斯克”號核潛艇失事,更引起了各國對援潛救生的普遍重視。另外,隨著海洋開發(fā)事業(yè)的不斷發(fā)展,人類在海底的活動也會越來越多,在未來海底居住艙室中人員的轉(zhuǎn)移、物資的供給等方面,水下對接技術(shù)都將起到非常重要的作用,具有重大的研究價值與應(yīng)用前景。新型水下對接裝置的研究目標是研制出具有以下功能的水下對接實驗系統(tǒng):當六自由度模擬救生艇在模擬失事艇救生平臺上方懸停動力定位時,能夠自動捕獲模擬失事艇上的輔助目標環(huán),自動完成對中和聯(lián)接。該項目旨在提高對接的可靠性和成功率,突破水下機動對接的局限性,為將來的深潛救生艇能夠在低能見度、大海底流及失事艇大縱橫傾姿態(tài)(大于45°)下實施水下對接救生打下基礎(chǔ)。(二)新的水下連接裝置1.機械手聯(lián)動機械手圖1為新型水下對接裝置的原理示意圖。對接裝置由四只捕捉機械手組成,各機械手的功能用于主動搜索對接目標環(huán),形成機械手并聯(lián)機構(gòu),自主協(xié)調(diào)運動,自動地完成初聯(lián)接、對中、拉降的對接過程。(二)自動搜索裝置根據(jù)自主水下對接過程的要求,設(shè)計的對接裝置控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。顯示和綜合控制計算機(PC工控機)和水下對接裝置的主單片機系統(tǒng)通過RS-485串口相聯(lián)。主單片機系統(tǒng)通過雙口RAM向4個從單片機系統(tǒng)傳遞指令并獲取捕捉機械手的狀態(tài)信息,主單片機系統(tǒng)還能夠控制油源電機的啟動和停止。每個從單片機系統(tǒng)控制一個捕捉機械手,以便實現(xiàn)自主搜索等局部自主作業(yè)功能。捕捉機械手有兩個運動自由度和一個抓取功能,即在鉛垂面內(nèi)繞水平軸線的旋轉(zhuǎn)運動和伸縮油缸的直線運動。同時捕捉機械手的末端沿伸縮油缸軸線的直線運動和繞該軸線的旋轉(zhuǎn)運動方向上具有柔順功能。末端的位置通過安裝在旋轉(zhuǎn)軸線上的旋轉(zhuǎn)電位計和安裝在伸縮油缸上的直線電位計信息來確定。捕捉機械手的端部裝有輪子,能實現(xiàn)萬向輪的功能,使捕捉機械手能夠沿接觸表面任何方向滑動。另外手爪末端還有3個提供觸點開關(guān)量信息的傳感器,一個用來檢測手爪是否抓到目標物的傳感器,其余兩個,判斷手爪末端是否接觸甲板和檢測接觸力是否過大,用來檢測手爪末端受力是否過載和控制末端沿被救艇甲板表面運動,以保證捕捉機械手在自動搜索目標樁的過程中能夠有把握地抓住目標樁。在這一自動搜索過程中,伸縮油缸的狀態(tài)如表1所示。浮動狀態(tài)是指液壓缸的兩腔均與油箱聯(lián)通,活塞桿在外力作用下可以自由運動。系統(tǒng)中的液壓油源是封閉式的液壓動力源,動力源的補償油囊使得油箱內(nèi)部的壓力同外界基本相同,保證了浮動狀態(tài)的穩(wěn)定。(三)自動搜索裝置的工作過程當救生艇在被救艇上方一定范圍內(nèi)時,開始水下對接過程,大致可以分為以下步驟:(1)自動搜索:即捕捉機械手自動搜索并捕捉目標環(huán),從而實現(xiàn)救生艇與失事潛艇的初聯(lián)接,這是水下對接過程中最重要的一步。從單片機在接受到主單片機的指令后自主地控制相應(yīng)的捕捉機械手開始搜索作業(yè),首先將機械手向外擺動至擺角為最大的位置,然后向外伸出,在滿足條件“伸縮油缸伸至最長位置”或“捕捉機械手末端接觸到甲板”中的一個后,機械手向內(nèi)擺動,這一過程中伸縮油缸的狀態(tài)如表1所示。若捕捉環(huán)在機械手的捕捉范圍內(nèi),捕捉機械手末端沿甲板運動最終捕獲到目標環(huán),目標環(huán)觸動手爪上的觸點開關(guān),手爪閉合抓住目標環(huán),捕捉機械手的兩個驅(qū)動液壓缸處于浮動狀態(tài),完成自動搜索的作業(yè)任務(wù)。(2)引導對中:即協(xié)調(diào)控制各捕捉機械手動作,使得救生艇和被救失事艇的對接裙口相對位置對正,為最后實現(xiàn)對接密封作好準備。為保證初聯(lián)接的可靠,捕捉機械手的手爪在捕獲目標環(huán)后,與目標環(huán)的相對位置即被鎖定,因此引導對中采取先松開相對的兩只手爪,利用另外兩只相對的捕捉機械手完成這兩只機械手的對中,最后利用對中后的兩只捕捉機械手完成對接裝置與被救失事艇的對中。(3)下拉鎖定:經(jīng)過引導對中后,四個捕捉機械手伸縮油缸的軸線平行,這時利用直線傳感器的位置信息控制四只捕捉機械手同步回縮,完成對接作業(yè)。(四)固聯(lián)坐標系的建立根據(jù)捕捉機械手捕捉到“對接目標環(huán)”時的機械手末端的位置,可以計算出目標環(huán)相對于救生艇的位置,這一結(jié)果可用于對接裝置與失事艇之間的協(xié)調(diào)控制。在對接裝置上建立固聯(lián)坐標系Oxyz,“對接目標環(huán)”上的坐標系為O1x1y1z1,如圖3所示。這樣兩只機械手在Oxz平面上,另兩只機械手在Oyz平面上,四只機械手末端的坐標分別為:P1(0,y1,z1)、P2(0,y2,z2)、P3(x3,0,z3)、P4(x4,0,z4),它們可在Oxz平面和Oyz平面上求出。(五)水中模擬對接試驗水下模擬對接試驗裝置由安裝在“六自由度深潛救生艇”試驗?zāi)Ｐ屯虏康摹八聦友b置”,及模擬失事艇上的對口平臺與目標環(huán)等裝置組成,如圖4所示。試驗條件是:船模阻力試驗水池,長100m,寬7m,水深3.5m,對口裝置模型縮放比1∶2;失事艇模擬平臺最大傾角30°。新型水下對接裝置在船模阻力水池中進行了多次模擬靜水(無水流)和有水流(0.2m/s)條件下的對接試驗,并成功地完成了對接,驗證了新型水下對接裝置的有效性和可行性。實際對接時間一般為5～6min。有水流的條件是由電動拖車拖曳模擬對接平臺在水池內(nèi)移動,相對于靜水產(chǎn)生相對運動。水中模擬對接試驗的對接過程,如圖5所示。通過本課題的研究,本文提出了一種基于六自由度動力定位型深潛對接救生術(shù)及裝置的新方案,介紹了該方案系統(tǒng)的組成,分析了對接裝置的工作