新型电机驱动的近海油气勘探作业系统研究.pdf

新型电机驱动的近海油气勘探作业系统研究 新型电机驱动的近海油气勘探作业系统研究 徐国华 华东科技大学 【摘 要】我国近海油气资源丰富，在未来时间里它是我国资源的主要来源。在油气勘探过程中，水下 作业系统扮演着及其重要的角色。目前，商用水下作业系统都使用液压驱动机械手，其缺点有：控制精度 不高、系统复杂、能量效率低。针对这一问题，结合我国油气资源勘探的要求，提出了研制电机驱动的水 下作业系统。该系统的利用先进的水下漫油式无刷直流电机驱动，其优势在于：能量效率高、结构紧凑、 控制精度高。所研制的水下作业系统基于多种传感器信息融合，采用主／从伺服控制、监督控制及自主控制， 可广泛用于我国近海油气资源的勘探、钻井平台的维护等领域的精密作业。 1 技术研究要解决的主要问题 目前，在海洋油气资源勘探开发领域，用于海洋作业的商业水下作业系统都是液压驱动， 其主要优点是负载能力强、负载／自重量比高，由于有压力补偿，深海密封容易实现。但是， 液压驱动的机械手系统复杂，能量转换效率低，尤其是其终端位置精度不高，难以实现终端 与作业环境之间作用力及空间位置的精确控制，无法进行高精度水下作业。随着海洋开发技 术的发展，为了进一步提高开发效率及作业能力，海底作业系统将由主／从遥控操作方式， 向监督控制方式以及装具在无人无缆潜水器上进行自主作业发展。在监督控制方式下，如机 械手终端力及位置控制精度不高，将使得作业系统难以进行作业。另一方面，对于无人无缆 潜水器，为了减少能量转换中损失，一般不配置液压系统，如果装具机械手，只能是电机驱 动的。因此，液压驱动的海底作业系统在很多场合中存在较大局限性，研究具有自主知识产 权的海底电机驱动机械手系统对将来海洋深入开发具有重要意义。 本项目所研制的电机驱动海洋作业系统可搭载在拖曳式水下工作站、取样拖网或水下潜 器上，可配置测距声纳、三维视觉系统、触觉及力觉传感器，可灵活地采用主／从控制、监 督控制或自主控制，通过人工操作、半自动操作及全自动操作三种方式进行直接海底取样、 投放和回收专用传感器或取样器及其他作业。 2该项技术的国内外现状 电机驱动的海底作业系统主要是随着监督控制中高效水下作业的需要及作业型无人无 SPA 缆水下潜水器(AUV)技术发展而兴起。在国外，比较有代表性的是意大利的Tecnomare 家海洋生命研究院、意大利国家机器人研究中心联合研制的深海采样高级机械手(AKADEUS- Advanced for Underwater ManipulatorDeep Sampling)，可采用人工操作、半自动操作及 一662— 我国近海油气勘探开发高技术发展研讨会文集 全自动操作三种方式进行工作。其机械手终端配置了多种力传感器，可以进行精细的海底采 样作业。欧洲联合研究中心、意大利那不勒斯大学、美国夏威夷大学、斯坦福大学及Woods Hole海洋学院等机构，单独或者相互联合开展作业型AUV技术研究，给AUV平台装具电驱 动水下机械手，进行水下自主作业试验或仿真。在亚洲，日本也有电驱动水下机械手研究报 道，东京大学及九洲工业学院也开展作业型AUV技术研究。目前，作业型AUV研究仍处于实 验室阶段，由于AUV无需直接受母船支持，具备长时间独立自航能力，比有缆无人潜水器更 具有优越性，因此，作业型AUV是未来海洋开发工具的发展趋势之一。 国内，在总装备部、国防科工委支持下，我国开展作业型AUV研究已延续了三个五年计 划。在我国自行研制的几型作业型军用智能水下机器人试验样机上装具了由华中科技大学研 制的多型电机驱动的水下作业机械手。机械手终端上配置了华中科技大学研制的测距声纳及 触觉传感器，同时融合平台上的扫描成像声纳及三维视觉进行目标探测并定位，自主完成模 拟灭雷、拆卸螺栓及水下清扫等作业。所研制的系统已先后进行了多次海试，并获得包括国 家科技进步二等奖、国防科工委科技进步一等奖等多项奖励，部分成果将进入型号论证阶段。 由于采用的不是浸油式的无刷电机，承压式密封难以解决深海下可靠密封，其工作深度指标 为海下300米，无法满足更大范围的海洋勘探和开发需系