作业型ROV系统结构设计与运动性能分析.pdf

摘要

摘要

作业型ROV是一种为执行复杂的水下任务如清洗、勘探和维修等设计的具备远程

控制的水下机器人。本文旨在开发一款多功能作业型ROV，通过模块化设计理念，综

合优化了其结构、动力学和水动力学特性，并通过实验验证其可靠性与应用广度。具

体研究内容如下：

1ROV

（）针对水下多样化作业需求，基于模块化设计理念确立了的整体系统方

案。在详细设计中完成对框架及吊点模块、观察模块、耐压舱模块等关键模块的结构

设计及校核。其中针对观察系统的作业需求对灯光舱及摄像舱进行优化设计；针对耐

压舱的密封形式及材料的深入分析设计了方体舱与圆柱舱；通过优化浮力模块与推进

系统布局，保障ROV的水下作业稳定性和可靠性，解决了传统ROV在水下多自由度

运动与实时观测作业中遇到的问题；最后基于总体结构平衡设计完成稳定性校核。

2

（）针对水利工程绞车滚筒轻量化设计要求，提出轻量化设计方法解决了水利工

程绞车滚筒设计中的重量与强度冲突问题。该方法通过分析滚筒及滚筒侧板受力并结

合Capstan方程和层压效应，计算多层缠绕滚筒的缠绕应力和横向应力。应用双阶段结

构优化策略，并通过ANSYS进行静力学分析，最终实现了滚筒重量的21.7%减轻。

（3）针对传统欧拉运动方程的极点问题，通过构建基于四元数法的ROV运动学

模型解决了连续无奇点运动方程问题。综合考虑重力、浮力、水阻的影响得到动力学

方程。通过CFD数值仿真对ROV在不同航速下的六自由度水动力性能进行模拟，通

过数据拟合明确阻力与速度的定量关系，为后续ROV设计优化提供理论基础。

（4）基于理论分析和数值仿真的结果，完成了ROV样机的制作和系统调试。通

过对耐压舱、脐带缆、推进器、网络摄像头等的测试，验证组件功能与系统稳定性。

通过在水池实验和码头实验进行一系列运动性能验证，尤其在抗流性能测试中验证了

其对复杂水流环境的适应能力。后续展开清洗作业实验为进一步优化设计提供实践经

验。实验结果验证了ROV设计的可靠性和实用性，展现了其在复杂水下环境中的稳定

作业能力。

本文通过对ROV各个方面进行系统的分析、优化和验证，成功研发一款功能全面、

性能优异的作业型水下ROV，为水下复杂环境作业提供了有效的技术解决方案。

关键词：作业型ROV；模块化设计；水动力仿真；滚筒优化

I

盐城工学院硕士学位论文

Abstract

TheWork-ClassROVisaremotelyoperatedunderwaterrobotdesignedforperforming

complexunderwatertaskssuchascleaning,exploration,andmaintenance.Thispaperaimsto

developamultifunctionalwork-classROVbyintegratingamodulardesignconcept,which

comprehensivelyoptimizesitsstructure,dynamics,andhydrodynamiccharacteristics,and

validatesitsreliabilityandapplicationscopethroughexperiments.Thespecificresearch

contentsareasfollows:

(1)Inresponsetothediverseunderwateroperationalrequirements,anoverallsystem

planfortheROVwasestablishedbasedontheconceptofmodulardesign.Thedetail