CN108241179A - 一种仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人，包括头部、沉浮调节机构、重心调节机构、电路舱、滑翔翼和尾部。头部由图像采集舱构成；沉浮调节机构包括内油囊，换向阀，液压泵，溢流阀和外油囊；重心调节机构包括步进电机驱动器，步进电机，舵机驱动，左右重心舵机，丝杆，导轨及重块；电路舱由控制***组成，包括运动层，传感层，控制层，通讯层和监控层；滑翔翼由环氧碳纤维材料构成，具有强度高，质量轻等优势。尾部包括四关节仿生鱼尾舵机和鱼尾骨架。本发明的仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人，具有大航程、低噪音、低能耗、高隐蔽性、转弯半径小的特点，能够提高测量数据的精确性以及提高测量的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及水下探测机器人技术领域，特别是涉及一种仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人。
背景技术
现有技术中，水下机器人共有三种推进方式：螺旋桨推进具有推进动力大，机器人速度快但是噪音大的特点；仿生推进方式具有机器人灵活性高、水下平衡姿态调整易、噪音低，转弯半径小但作业半径小，效率不高的特点；滑翔推进方式具有能耗低、大航程、但转弯半径大、不够灵活的特点。
基于以上原因，需要研究设计一种既能够具有以上推进方式的优点还能够有效解决其不足的水下机器人。
发明内容
本发明的目的是提供一种仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人，以解决上述现有技术存在的问题，采用仿生与滑翔混合推进方式，该机器人具有大航程、噪音低、能耗低、转弯半径小的特点，基于该平台可以增加各种具体的传感层和应用层使其在军事应用的水下搜救中具有较好的实用价值，在海洋的开发与应用上具有很好的应用前景。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人，包括从头到尾依次连接设置在机器人机舱内的头部、沉浮调节机构、重心调节机构、电路舱、滑翔翼和尾部，所述头部和尾部通过外部丝杠锁死在所述机舱中，所述沉浮调节机构、重心调节机构和电路舱依次通过丝杠锁紧串联并放置在所述机舱中，所述滑翔翼固定在所述机舱中部；所述电路舱内的控制***与所述头部、沉浮调节机构、重心调节机构、滑翔翼和尾部均电连接，所述尾部包括依次连接的多关节仿生鱼尾舵机和鱼尾骨架。
可选的，所述头部包括图像采集舱和整流罩，所述整流罩套设在所述图像采集舱外周，所述图像采集舱中设置有摄像头模块。
可选的，所述摄像头模块采用广角鱼眼摄像头，所述摄像头还设置有红外灯与补光灯电路。
可选的，所述沉浮调节机构包括通过油管相互连接的内油囊、换向阀、液压泵、溢流阀和外油囊，所述沉浮调节机构外侧为耐压舱，所述内油囊设置在所述耐压舱内部，所述外油囊位于所述耐压舱和外层PVC管之间，所述外油囊直接与水接触，通过所述液压泵和溢流阀的配合使用将所述内油囊和外油囊之间的液体相互转换。
可选的，所述重心调节机构包括步进电机、左右重心舵机、悬臂、转动轴、导轨和重块，所述电路舱中的步进电机驱动器和舵机驱动分别通过线缆与所述步进电机和左右重心舵机连接，所述步进电机连接丝杠，丝杠与固定的所述导轨共同挂载所述重块，所述左右重心舵机的舵机壁延伸固定在整个所述重心调节机构上，所述转动轴的一端贯穿所述重心调节机构另一端通过悬臂与所述重心调节机构的顶端连接。
可选的，所述电路舱中的控制***采用三核处理器协同工作，两个辅助处理器分别控制一部分的运动调节，主处理器完成通讯及各个传感器的数据处理与指令发送。
可选的，所述滑翔翼采用NACA4415翼型，翼型的相对弯度为4％，相对厚度为15％，所述滑翔翼的材质为轻质碳纤维环氧复合材料。
可选的，所述机舱在端盖与舱壳体之间各采用双层O型垫圈过盈配合，并通过内舱体外部丝杠螺母装置完成锁紧。
可选的，所述机舱外部整体包覆有一层PVC材质的透水外壳。
可选的，所述水下机器人还包括有设置在机舱上的太阳能供电***，所述太阳能供电***与所述电路舱的控制***电连接。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明中的仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人是采用CPG仿生与滑翔两种推进方式相结合、分时复用的一款面向军事领域的海底地质勘探的水下机器人，该款水下机器人具有以下几个方面的优势：
(1)推进方式方面：结合CPG仿生和滑翔两种推进技术，研制出具有大航程、噪音低、能耗低、转弯半径小等特点的一款面向军事领域海底地质勘探的水下机器人。后期如果结合太阳能技术，更能够实现对监控、检测地点进行持续数月不间断的监控。
(2)控制***方面：采用三核处理器协同工作，两个辅助处理器分别控制一部分的运动调节，主处理器完成通讯及各个传感器的数据处理与指令发送使得整个***的实时性、可操作性大大提高。
(3)水下通讯方面：由于海水对电磁波衰减系数大，在水下无线通信主要采用声通讯和激光通讯，如上海谨瑜科学仪器有限公司ATM系列水下通讯设备，AquaNetwork水下通信***等。传统的水下通信设备造价昂贵、体积大、设备复杂维修难度高，本项目避其锋芒，针对水下滑翔器的特有运动方式，研制的一款定时、定点水面通讯的***，完成水下机器主体与地面的数据传输及任务下载等。
(4)模块化设计：水下机器人的机械主体分为：头部整流前罩、沉浮调节机构、重心调节机构、电路舱、仿生鱼尾结构、滑翔机翼等几个部分，各部分之间结构紧凑、互不干扰、可单独拆卸、维修及开发更为简易方便。
(5)密封方式的独特：海底高压环境下使得水下机器人的密封成为一项技术难题，本项目在端盖与舱壳体之间各采用双层O型圈过盈配合，并通过内舱体外部丝杆螺母装置完成连接，整体性较好，连接紧密可靠。
(6)机翼材料选型：翼型使用流线型较好的美国NACA4415，有效避免翼上发生流动分离，水动力特性好。翼型的相对弯度为4％，最大弯度位置在弦长的0.4，相对厚度为15％。传统机翼材料一般由超硬铝和钢或钛合金等，加工难度和机翼重量都较大，本项目引入碳纤维环氧复合材料，它的比重不到钢的1/4，抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为23000～43000Mpa亦高于钢，在抗腐蚀性、耐热性等方面亦占据绝对的优势，大大减轻了机翼重量，加工方面，采用抽真工艺，相交传统机床加工更为方便、简洁。
(7)模糊PID算法：采用先进的模糊PID控制算法，可以提高机器人的稳定性和控制精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人的整体结构示意图；
图2为沉浮调节机构的结构示意图一；
图3为沉浮调节机构的结构示意图二；
图4为重心调节机构的结构示意图；
图5为尾部的结构示意图；
图6为控制***的控制流程示意图；
其中，1头部；2沉浮调节机构；3重心调节机构；4电路舱；5滑翔翼；6尾部；7内油囊；8换向阀；9液压泵；10溢流阀；11外油囊；12步进电机；13悬臂；14左右重心舵机；15丝杠；16导轨；17重块；18螺母；19转动轴；20仿生鱼尾舵机；21鱼尾骨架；22外层PVC管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人，以解决上述现有技术存在的问题，采用仿生与滑翔混合推进方式，该机器人具有大航程、噪音低、能耗低、转弯半径小的特点，基于该平台可以增加各种具体的传感层和应用层使其在军事应用的水下搜救中具有较好的实用价值，在海洋的开发与应用上具有很好的应用前景。
本发明提供的仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人，包括从头到尾依次连接设置在机器人机舱内的头部、沉浮调节机构、重心调节机构、电路舱、滑翔翼和尾部，头部和尾部通过外部丝杠锁死在机舱中，沉浮调节机构、重心调节机构和电路舱依次通过丝杠锁紧串联并放置在机舱中，滑翔翼固定在机舱中部；电路舱内的控制***与头部、沉浮调节机构、重心调节机构、滑翔翼和尾部均电连接，尾部包括依次连接的多关节仿生鱼尾舵机和鱼尾骨架。
该仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人，当采用滑翔推进方式时，通过沉浮调节机构改变在海水中的净浮力提供上升和下潜的驱动力。通过重心调节机构改变重心位置调整姿态(俯仰角、横滚角)，配合低阻力外壳和侧翼作用，可在水中连续做锯齿形曲线运动。当遇到复杂环境水域时或需对某一定深水域进行勘探时，水下机器人采用仿生推进方式，利用四关节尾部左右摆动，作为动力源进行推进，从而适应复杂水域的活动和定深定高水域勘探。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1-6，其中，图1为本发明中仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人的整体结构示意图；图2为沉浮调节机构的结构示意图一；图3为沉浮调节机构的结构示意图二；图4为重心调节机构的结构示意图；图5为尾部的结构示意图；图6为控制***的控制流程示意图。
如图1-6所示，本发明提供一种仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人，包括从头到尾依次连接设置在机器人机舱内的头部1、沉浮调节机构2、重心调节机构3、电路舱4、滑翔翼5和尾部6，头部1和尾部6通过外部丝杠锁死在机舱中，并且具有防水效果，沉浮调节机构2、重心调节机构3和电路舱4依次通过丝杠15锁紧串联并放置在机舱中，滑翔翼5固定在机舱中部并锁死；电路舱4内的控制***与头部1、沉浮调节机构2、重心调节机构3、滑翔翼5和尾部6均电连接，尾部6包括依次连接的多关节仿生鱼尾舵机20和鱼尾骨架21。仿生鱼尾，采用特制鱼尾骨架21处理，以保证在深水高水压情况下，仿生鱼尾外壳不因变形而导致运动姿态受损，四关节舵机的存在，极大改善水下机器人的运动能力。
头部1包括图像采集舱和整流罩，整流罩套设在图像采集舱外周，使密封结构处圆滑过渡，图像采集舱中设置有摄像头模块，该摄像头模块采用raspberrypi广角鱼眼摄像头，摄像头还设置有红外灯与补光灯电路，解决在水下航拍时，因光线太弱，导致视觉效果不佳的情况。
沉浮调节机构2包括通过油管相互连接的内油囊7、换向阀8、液压泵9、溢流阀10和外油囊11，沉浮调节机构2外侧为耐压舱，内油囊7设置在耐压舱内部，外油囊11位于耐压舱和外层PVC管22之间，外油囊11直接与水接触，通过液压泵9和溢流阀10的配合使用将内油囊7和外油囊11之间的液体相互转换。内油囊7、换向阀8、液压泵9、溢流阀10和外油囊11各个部件间通过油管相互连接内部充满了液压油，整套机构由液压泵9驱动油液，通过换向阀8与溢流阀10配合，使油液在内外油囊11间相互转换，达到调节沉浮的目的。
重心调节机构3包括步进电机12、左右重心舵机14、悬臂13、转动轴19、导轨16和重块17，电路舱4中的步进电机驱动器和舵机驱动分别通过线缆与步进电机12和左右重心舵机14连接，步进电机12连接丝杠，丝杠15与固定的导轨16共同挂载重块17，重块17通过螺母18与丝杠15和导轨16进行连接，左右重心舵机14的舵机壁延伸固定在整个重心调节机构3上，转动轴19的一端贯穿重心调节机构3另一端通过悬臂13与重心调节机构3的顶端连接。重心调节机构3中采用4988步进电机驱动器驱动步进电机12和lobot舵机驱动板驱动左右重心舵机14，分别进行水下滑翔时机器的前后左右浮心调节，从而达到机器人能够平衡稳定工作的有益效果。
电路舱4中的控制***采用三核处理器协同工作，两个辅助处理器分别控制一部分的运动调节，主处理器完成通讯及各个传感器的数据处理与指令发送，使得整个***的实时性得到了极大的提高。此外，该控制***采用分层结构设计，分为运动层、传感层、控制层、通讯层和监控层。
运动层为底层运动控制单元，把抽象的运动指令分解成电机、引擎之间的运动关系，并通过驱动器驱动电机执行。其中运动控制卡采用美国进口PMAC多轴运动控制器，电机采用瑞士MAXON电机，以保证运动的精确性和稳定性。
传感层分为两部分主要为运动传感与信息传感。运动传感主要测量水下机器人的航行姿态，包括三轴加速度、三轴偏转角、三轴磁通量等。信息传感通过DJIN7478水下超声波测距模块、地磁传感器HMC5983、GPS和ADC电池电压采集等来测量，主要感知机器人电池情况和周围环境，包括下潜深度、距离水底深度、GPS信息、前方障碍等。
控制层采用ARM Cortex-M3处理器的stm32f103zet6嵌入式主板作为主处理器，挂载stm32f103c8t6作为辅助处理器的多核处理器协同工作的方式。主要根据接收到的指令和任务，对传感信息进行融合，进行路径规划并建立运动模型，分解为运动层、通讯层和监控层所能够接受的任务，并对其进行控制
通讯层主要完成水下机器本体与监控终端的数据通讯，水下机器人每过一定时间，按照预设程序浮出水面，GPS信号自校准和数据的上传并下载新的指令，接收新的任务。
监控层接收通讯层的数据信息，通过图形化的方式显示到显示屏上。并能够通过键盘对水下机器人进行直接的遥控和指令控制。可以设定相关区域，对水下机器人进行随点随行的设定(即通过鼠标点击和深度输入直接设定水下机器人航行路径)。
滑翔翼5采用流线型较好NACA4415的翼型，翼型的相对弯度为4％，最大弯度位置在弦长的0.4，相对厚度为15％，有效避免翼上发生流动分离，提高水动力特性，同时选用轻质碳纤维环氧复合材料，采用真空吸塑的工艺制造，在减小航行阻力同时具有较大的升阻比，能够提高整机滑翔的工作效率。
机舱上在端盖与舱壳体之间各采用双层O型圈过盈配合，并通过内舱体外部丝杆螺母18装置完成锁紧，整体性较好，连接紧密可靠有效实现水下50米范围内的绝对密闭。机舱外部整体包覆有一层PVC材质的透水外壳。
水下机器人还包括有设置在机舱上的太阳能供电***，太阳能供电***与电路舱4的控制***电连接，实现对监控、检测地点进行持续数月不间断的监控。
本发明中的仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人，可以克服水下机器人单一推进方式的局限性，从而使仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人具有大航程、低噪音、低能耗、高隐蔽性、转弯半径小的特点，提高测量数据的精确性以及提高测量的工作效率，以该***为平台开发系列水下装备，能够促进海洋工程装备产业的智能化和自动化升级，也可供部分特殊人群或针对特殊工作环境使用。
该水下机器人是一种大范围、大深度运动的海洋环境数据采集平台。它由自身携带的电池供电，当采用滑翔推进方式时，通过沉浮调节机构2改变在海水中的净浮力提供上升和下潜的驱动力。通过重心调节机构3改变重心位置调整姿态(俯仰角、横滚角)，配合低阻力外壳和侧翼作用，可在水中连续做锯齿形曲线运动。在锯齿形运动过程中，通过自带的传感器和数据采集***不断地对水中盐度、深度、温度及地形地貌等水下环境数据进行采样和记录。当遇到复杂环境水域时或需对某一定深水域进行勘探时，水下机器人采用仿生推进方式，利用四关节尾部6左右摆动，作为动力源进行推进，从而适应复杂水域的活动和定深定高水域勘探。每过一段时间，按照预设程序浮出水面，通过卫星将数据上传并下载相应的指令(如需更改探测区域、滑翔深度和推进方式的更改等)。
需要说明的是，本发明中关于上述各个部件的选型以及相关数据，均是为了体现本发明的方案能够实施而进行的实施例举证，只要能够满足影响的水下工作需求完成相应的数据监测或者推进等相关效果的实施，对本发明中的各个部件以及数据进行适应性的选择或调换也均在本发明的保护范围内；另外，只要与本发明的基本原理相同，仅是某个部件之间的简单的增删或者替换，也均落入本发明的保护范围内。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人，其特征在于：包括从头到尾依次连接设置在机器人机舱内的头部、沉浮调节机构、重心调节机构、电路舱、滑翔翼和尾部，所述头部和尾部通过外部丝杠锁死在所述机舱中，所述沉浮调节机构、重心调节机构和电路舱依次通过丝杠锁紧串联并放置在所述机舱中，所述滑翔翼固定在所述机舱中部；所述电路舱内的控制***与所述头部、沉浮调节机构、重心调节机构、滑翔翼和尾部均电连接，所述尾部包括依次连接的多关节仿生鱼尾舵机和鱼尾骨架。
2.根据权利要求1所述的仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人，其特征在于：所述头部包括图像采集舱和整流罩，所述整流罩套设在所述图像采集舱外周，所述图像采集舱中设置有摄像头模块。
3.根据权利要求2所述的仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人，其特征在于：所述摄像头模块采用广角鱼眼摄像头，所述摄像头还设置有红外灯与补光灯电路。
4.根据权利要求1所述的仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人，其特征在于：所述沉浮调节机构包括通过油管相互连接的内油囊、换向阀、液压泵、溢流阀和外油囊，所述沉浮调节机构外侧为耐压舱，所述内油囊设置在所述耐压舱内部，所述外油囊位于所述耐压舱和外层PVC管之间，所述外油囊直接与水接触，通过所述液压泵和溢流阀的配合使用将所述内油囊和外油囊之间的液体相互转换。
5.根据权利要求1所述的仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人，其特征在于：所述重心调节机构包括步进电机、左右重心舵机、悬臂、转动轴、导轨和重块，所述电路舱中的步进电机驱动器和舵机驱动分别通过线缆与所述步进电机和左右重心舵机连接，所述步进电机连接丝杠，丝杠与固定的所述导轨共同挂载所述重块，所述左右重心舵机的舵机壁延伸固定在整个所述重心调节机构上，所述转动轴的一端贯穿所述重心调节机构另一端通过悬臂与所述重心调节机构的顶端连接。
6.根据权利要求1所述的仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人，其特征在于：所述电路舱中的控制***采用三核处理器协同工作，两个辅助处理器分别控制一部分的运动调节，主处理器完成通讯及各个传感器的数据处理与指令发送。
7.根据权利要求1所述的仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人，其特征在于：所述滑翔翼采用NACA4415翼型，翼型的相对弯度为4％，相对厚度为15％，所述滑翔翼的材质为轻质碳纤维环氧复合材料。
8.根据权利要求1所述的仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人，其特征在于：所述机舱在端盖与舱壳体之间各采用双层O型垫圈过盈配合，并通过内舱体外部丝杠螺母装置完成锁紧。
9.根据权利要求1所述的仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人，其特征在于：所述机舱外部整体包覆有一层PVC材质的透水外壳。
10.根据权利要求1所述的仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人，其特征在于：所述水下机器人还包括有设置在机舱上的太阳能供电***，所述太阳能供电***与所述电路舱的控制***电连接。
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