浮力和推進器雙驅動方式遠程自治水下機器人的製作方法

2023-05-20 19:59:31 2

專利名稱：浮力和推進器雙驅動方式遠程自治水下機器人的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種海洋工程技術領域的水下機器人，特別是一種浮力和推進器雙驅動方式遠程自治水下機器人。
背景技術：
海洋水下勘探和作業中大量使用各類水下機器人，其中遠距遙控機器人(簡稱ROV)和自治水下機器人(簡稱AUV)是最常見的兩類。遠距遙控機器人具有連接水面和水下的臍帶纜，用於輸送能量和通訊，因此可以長時間工作於水下，但需要複雜的水面支持系統和水面母船相配合，使用成本高，隱蔽性差。自治水下機器人沒有聯接水面水下的臍帶纜，省去了複雜的水面支持設備和母船，使用和維護成本低，隱蔽性好。但自治系統只能自己攜帶有限的能量，因此，提高能量利用效率以延長其水下持續工作時間和航程，是自治水下機器人領域重要的課題之一。常規的自治水下機器人是推進器驅動的，也即運動是靠推進器提供推進力的。通常，自治水下機器人由安裝位置和方向都不同的多個推進器驅動，可以獲得水體空間良好的機動性。對於較高速情況，也有通過推進器和操縱舵面聯合實現機器人水體空間機動的。在水下運載工具中，還存在另一類稱作水下滑翔器的潛水器。這種潛水器採用浮力驅動方式。和推進器驅動不同，浮力驅動沒有外置的推進器，而是通過調節潛水器的重心以改變姿態，並配合浮力調節產生運動的推進力。這種驅動方式可以在保證高的推進效率的同時實現很低的航行速度，因此獲得高的續航時間和航程。這種驅動噪音低，對外部環境的幹擾小，不足之處是航速很低，機動能力差。
經對現有技術的文獻檢索發現，美國USPTO專利號為5995882的專利提供一種預編程的用於海洋數據採集的自治水下機器人，機器人具有長約6英尺，直徑13英寸的主體，主體上有一個集成的頻閃和天線塔。控制面按照非常規方式布置，升沉控制面布置在機器人前部、緊接頭錐後面，方向舵在推進器的前面。自治水下機器人採用推進器驅動方式的特點是機動性好、航速較高，但這種推進方式航程和續航時間較短，並且噪音較高，對環境有一定的幹擾。在實際的海洋水下勘探作業中，高續航能力、低噪音、良好機動性和快速性都是重要的需求指標，理想的自治水下機器人需要在這些方面都具有滿意的性能，現有的技術不能滿足這種要求。

發明內容
本發明的目的是針對背景技術中存在的不足，提供一種浮力和推進器雙驅動方式遠程自治水下機器人，使其簡單可靠並且成本低廉，既具有高的續航能力，又可在短時間內實現高的航速和機動性。
本發明通過以下技術方案實現，本發明包括機器人主體，一對主翼，一對推進器和垂直尾翼，機器人主體的外部是整流用的透水殼，透水殼內部是側向重心調節裝置、浮力調節裝置和耐壓艙，耐壓艙內有電池組和縱向重心調節裝置。透水殼是長徑比在6至9之間的迴轉體，具有低流體阻力外形，透水殼尾部向後引出天線。主翼和垂直尾翼具有低流體阻力翼型。主翼設置於透水殼後部，對稱分布於透水殼左右兩側。垂直尾翼設置於透水殼尾部，在透水殼的垂直對稱面內。主推進器設置在主翼的外側。
主推進器採用導管螺旋槳推進器，螺旋槳的外部有導管，導管的入水口有可以打開和關閉的整流罩。整流罩由活動支架、填充支架、整形骨架和可摺疊的高強度薄膜組成。活動支架、填充支架都是半環形的，其截面的一端為半圓，整形骨架是半環形的，其截面積很小，高強度薄膜在摺疊起來時是半環形的，張開時為半球形。導管由內管和外管組成，內管和外管之間是中空的空腔，空腔在入水口方向的端面是環形的。填充支架由彈簧壓緊在空腔入水口方向端面的下半部，活動支架通過兩個轉動副安裝在導管的入水口端面處，其上極限位置覆蓋空腔入水口方向端面的上半部，下極限位置覆蓋空腔入水口方向端面的下半部，與填充支架重疊。整形骨架具有和活動支架相同的旋轉軸，高強度薄膜一端固定在活動支架上，另一端固定在內管和外管之間空腔內的上半部，中間由整形骨架支撐。外管的外壁膨脹出雙耳形的密封腔，用來支撐活動支架和設置第一電機，第一電機的轉軸與活動支架相連。當第一電機調節活動支架於上極限位置時，整流罩打開，整形骨架和高強度薄膜陷入內管和外管之間的空腔中，活動支架和填充支架遮蓋內管和外管之間空腔的入水口端，並為其整形。當第一電機調節活動支架於下極限位置時，活動支架和填充支架均陷入內管和外管之間的空腔中，整流罩關閉，整形骨架和高強度薄膜遮蓋住導管的入水口並為其整形。
縱向重心調節裝置包括第二電機，滑塊和絲杆，第二電機的輸出軸連接絲杆，絲杆連接滑塊，滑塊和電池組固連。
側向重心調節裝置包括第三電機、齒輪、齒條和重塊。第三電機的輸出軸連接齒輪，齒輪連接齒條，齒條再連接重塊。
浮力調節裝置包括常壓液艙、高壓液囊、泵、閥和液位測量傳感器，常壓液艙具有固定浮容積，高壓液囊具有可變浮容積，常壓液艙、泵、閥和高壓液囊連通，液位傳感器設置於常壓液艙內部，常壓液艙和高壓液囊對稱於機器人外形垂直對稱面。
耐壓艙內還設置有中央控制計算機組、深度傳感器、姿態傳感器、羅盤、GPS接收機和無線通訊控制器。GPS接收機和無線通訊控制器均與透水殼尾部的天線連接，中央控制計算機組連接推進器、浮力調節裝置、側向重心調節裝置、縱向重心調節裝置、深度傳感器、姿態傳感器、羅盤、GPS接收機和無線通訊控制器，實現全系統的綜合控制。
縱向重心調節裝置可以沿機器人縱軸方向移動機器人重心，側向重心調節裝置可以沿機器人側軸方向移動機器人重心。重心的縱向調節範圍覆蓋並寬於浮力調節時浮心的縱向變化範圍，並且在重心和浮力的各種調節狀態下，始終保持機器人系統具有一定的穩性高。
浮力調節裝置通過改變機器人的浮容積，調節潛水器的浮力。當浮容積最小時，機器人系統具有最小負浮力，當浮容積最大時，機器人系統具有最大正浮力，當潛水器具有某適當的中間浮容積時，機器人系統具有零浮力。浮力調節裝置對稱於機器人外形垂直對稱面，浮力調節過程中機器人的浮心始終在此垂直對稱面內。
機器人外形的升力焦點位於浮心和重心的後部，提供足夠的縱傾靜穩定性。同樣，機器人外形的側向水動力焦點位於重心和浮心的後部，提供足夠的航向靜穩定性。
中央控制計算機組對自治水下機器人的控制策略是這樣的在由出發點至作業點，以及作業點至回收點的航行過程中，本發明以浮力驅動方式航行，在作業點作業過程中，本發明以推進器驅動方式航行。
當本發明以浮力驅動方式航行時，主推進器導管入水口的整流罩關閉，整個機器人外形上完全固定。在水面時，浮力調節裝置減少機器人的浮容積，使其處於負浮力狀態，同時縱向重心調節裝置調節機器人重心，使機器人產生負的縱傾角(抬頭為正)，機器人在負浮力和升力的聯合作用下，建立起前進和下潛速度，並達到穩定的航行狀態。當機器人到達設定深度時，浮力調節裝置增加機器人的浮容積，使其處於正浮力狀態，同時縱向重心調節裝置調節機器人重心，使機器人產生正的縱傾角(抬頭為正)，機器人在正浮力和升力的聯合作用下，建立起前進和上升速度，並達到穩定的航行狀態。通過下潛和上升過程的不斷重複，機器人實現遠程航行和長的續航時間。航行過程中側向重心調節機構也可以側向調節機器人重心，使機器人產生一定的橫傾角，機器人在浮力和升力的聯合作用下，建立起偏航角速度。
當本發明以推進器驅動方式航行時，主推進器導管入水口的整流罩打開，整個機器人外形只有推進器是活動部件，並且浮力調節裝置調節機器人使之處於零浮力狀態。此時，機器人通過兩個推進器推力的配合，共同產生沿縱軸方向的推力，以及在機器人主翼平面內的偏航力矩，通過對重心的調節，改變機器人主翼平面的空間姿態。通過對主翼平面空間姿態以及主翼平面內推力和偏航力矩的聯合控制，實現水下機器人的空間機動。
本發明具有實質性特點和顯著進步。本發明增加了主翼和縱向、側向重心調節裝置，刪除了活動舵面，可以通過浮力驅動實現高的航程和續航時間，通過推進驅動實現高的機動性，在浮力驅動方式下系統外形沒有活動部件，在推進器驅動方式下其外形也只有兩個推進器是活動部件，設計結構緊湊，阻力小，簡單可靠並且成本低廉。


圖1是本發明結構示意2是本發明側視3是對圖2中的側向重心調節機構局部放大4是右推進器正視5是右推進器的左視6是右圖5的AA視圖其中，機器人主體1，主翼2，推進器3，垂直尾翼4，透水殼5，側向重心調節裝置6，浮力調節裝置7，耐壓艙8，導管9，整流罩10，活動支架11，填充支架12，整形骨架13，高強度薄膜14，內管15，外管16，第一電機17，電池組18，縱向重心調節裝置19，第二電機20，滑塊21，絲杆22，第三電機23，齒輪24，齒條25，重塊26，常壓液艙27，高壓液囊28，泵29，閥30，液位測量傳感器31，天線32，姿態傳感器33，羅盤34，GPS接收機35，無線通訊控制器36，中央控制計算機組37，深度傳感器38。
具體實施例方式
如圖1-6所示，本發明包括機器人主體1，一對主翼2，一對推進器3和一對垂直尾翼4，機器人主體1的外部是整流用的透水殼5，透水殼5內部是側向重心調節裝置6、浮力調節裝置7和耐壓艙8。透水殼5是長徑比在6至9之間的迴轉體，具有低流體阻力外形。主翼2和垂直尾翼4具有低流體阻力翼型。主翼2設置於透水殼5後部，對稱分布於透水殼5左右兩側。垂直尾翼4設置於透水殼5尾部，對稱分布於透水殼5上下兩側，在透水殼5的垂直對稱面內。主推進器3設置在主翼2的外側。
主推進器3採用導管螺旋槳推進器，螺旋槳的外部有導管9，導管9的入水口有可以開啟和關閉的整流罩10。整流罩10由活動支架11、填充支架12、整形骨架13和可摺疊的高強度薄膜14組成。活動支架11、填充支架12都是半環形的，其截面的一端為半圓，整形骨架13是半環形的，其截面積很小，高強度薄膜14在摺疊起來時是半環形的，張開時為半球形。導管9由內管15和外管16組成，內管15和外管16之間是中空的空腔，空腔在入水口方向的端面是環形的。填充支架12由彈簧壓緊在空腔入水口方向端面的下半部，活動支架11通過兩個轉動副安裝在導管9的入水口端面處，其上極限位置覆蓋空腔入水口方向端面的上半部，下極限位置覆蓋空腔入水口方向端面的下半部，與填充支架12重疊。整形骨架具有和活動支架相同的旋轉軸，高強度薄膜14一端固定在活動支架11上，另一端固定在內管15和外管16之間空腔內的上半部，中間由整形骨架支撐。外管16的外壁膨脹出雙耳形的密封腔，用來支撐活動支架11和設置第一電機17，第一電機17的轉軸與活動支架11相連。當第一電機17調節活動支架於上極限位置時，整流罩10打開，整形骨架13和高強度薄膜14陷入內管15和外管16之間的空腔中，活動支架11和填充支架12遮蓋內管15和外管16之間空腔的入水口端，並為其整形。當第一電機17調節活動支架於下極限位置時，活動支架11和填充支架12均陷入內管15和外管16之間的空腔中，整流罩10關閉，整形骨架13和高強度薄膜14遮蓋住導管9的入水口並為其整形。
耐壓艙8內有電池組18和縱向重心調節裝置19。縱向重心調節裝置19包括第二電機20，滑塊21和絲杆22。第二電機20的輸出軸連接絲杆22，絲杆22連接滑塊21，滑塊21和電池組18固連。第二電機20正反轉帶動電池組18沿機器人縱軸方向運動，最終使機器人重心沿縱軸方向前進和後退。重心的縱向調節範圍覆蓋並寬於浮力調節時浮心的縱向變化範圍。
側向重心調節裝置6包括第三電機23、齒輪24、齒條25和重塊26。第三電機23的輸出軸連接齒輪24，齒輪24連接齒條25，齒條25再連接重塊26。第三電機23正反轉帶動重塊26隨齒條25左右運動，最終使潛水器重心沿側軸方向左右移動。
浮力調節裝置7包括常壓液艙27、高壓液囊28、泵29、閥30和液位測量傳感器31，常壓液艙27具有固定浮容積，高壓液囊28具有可變浮容積，常壓液艙27、泵29、閥30和高壓液囊28連通，內部是用於浮力調節的高比重液體。液位傳感器31設置於常壓液艙27內部，間接測量機器人系統的浮容積。浮力調節裝置7利用泵29將高比重液體在常壓液艙27和高壓液囊28之間調撥，當液體充滿常壓液艙27時，機器人系統具有最小負浮力，當液體充滿高壓液囊28並使之達到最大浮容積時，機器人系統具有最大正浮力，當液體按適當比例分布於常壓液艙27和高壓液囊28中時，機器人系統具有零浮力。常壓液艙27和高壓液囊28對稱於機器人外形垂直對稱面，浮力調節過程中機器人的浮心始終在此垂直對稱面內。
在重心和浮力的各種調節狀態下，始終保持機器人系統具有一定的穩性高。機器人外形的升力焦點位於浮心和重心的後部，提供足夠的縱傾靜穩定性。同樣，機器人外形的側向水動力焦點位於重心的後部，提供足夠的航向靜穩定性。
透水殼5尾部向後引出天線32。
耐壓艙8內還設置有姿態傳感器33、羅盤34、GPS接收機35、無線通訊控制器36、中央控制計算機組37、深度傳感器38。GPS接收機35和無線通訊控制器36均與透水殼5尾部的天線32連接，當天線32伸出水面時，實現GPS定位和與外部的無線電通訊。中央控制計算機組37連接推進器3、浮力調節裝置7、側向重心調節裝置6、縱向重心調節裝置19、深度傳感器38、姿態傳感器33、羅盤34、GPS接收機35和無線通訊控制器36，實現全系統的綜合控制。
中央控制計算機組37對自治水下機器人的控制策略是這樣的在由出發點至作業點，以及作業點至回收點的航行過程中，本發明以浮力驅動方式航行，在作業點作業過程中，本發明以推進器驅動方式航行。
當本發明以浮力驅動方式航行時，整流罩10關閉，整個機器人外形上沒有活動的部件。在水面時，浮力調節裝置7向常壓液艙27調撥高比重液體，使機器人系統處於負浮力狀態，同時縱向重心調節裝置19調節系統重心，使機器人產生負的縱傾角(抬頭為正)，機器人在負浮力和升力的聯合作用下，建立起前進和下潛速度，並達到穩定的航行狀態。當機器人到達設定深度時，浮力調節裝置7向高壓液囊28調撥高比重液體，使機器人系統處於正浮力狀態，同時縱向重心調節裝置19縱向調節系統重心，使機器人產生正的縱傾角(抬頭為正)，機器人在正浮力和升力的聯合作用下，建立起前進和上升速度，並達到穩定的航行狀態。通過下潛和上升過程的不斷重複，機器人實現遠程航行和長的續航時間。航行過程中側向重心調節裝置6也可以側向調節系統重心，使機器人產生一定的橫傾角，機器人在浮力和升力的聯合作用下，建立起偏航角速度。
當本發明以推進器驅動方式航行時，導管9入水口的整流罩10打開，整個機器人外形只有推進器3是活動部件，並且浮力調節裝置7調節機器人使之處於零浮力狀態。通過兩個推進器推力的配合，共同產生沿機器人縱軸方向的推力，以及在機器人主翼平面內的偏航力矩。通過對重心的調節，改變機器人主翼平面的空間姿態，通過對主翼平面空間姿態以及主翼平面內推力和偏航力矩的聯合控制，實現水下機器人的空間機動。
權利要求
1.一種浮力和推進器雙驅動方式遠程自治水下機器人，包括機器人主體(1)，一對推進器(3)和垂直尾翼(4)，其特徵在於，還包括一對主翼(2)，機器人主體(1)的外部是整流用的透水殼(5)，透水殼(5)內部是側向重心調節裝置(6)、浮力調節裝置(7)和耐壓艙(8)，耐壓艙(8)內部有電池組(18)和縱向重心調節裝置(19)，透水殼(5)尾部向後引出天線(32)，主翼(2)和垂直尾翼(4)具有低流體阻力翼型，主翼(2)設置於透水殼(5)後部，對稱分布於透水殼(5)左右兩側，垂直尾翼(4)設置於透水殼(5)尾部，在透水殼(5)的垂直對稱面內，推進器(3)設置在主翼(2)的外側，推進器(3)採用導管螺旋槳推進器，螺旋槳的外部有導管(9)，導管(9)的入水口有能開啟和關閉的整流罩(10)。
2.根據權利要求1所述的浮力和推進器雙驅動方式遠程自治水下機器人，其特徵是，整流罩(10)由活動支架(11)、填充支架(12)、整形骨架(13)和可摺疊的高強度薄膜(14)組成，導管(9)由內管(15)和外管(16)組成，內管(15)和外管(16)之間是中空的空腔，空腔在入水口方向的端面是環形的，填充支架(12)由彈簧壓緊在空腔入水口方向端面的下半部，活動支架(11)通過兩個轉動副設置在導管(9)的入水口端面處，其上極限位置覆蓋空腔入水口方向端面的上半部，下極限位置覆蓋空腔入水口方向端面的下半部，與填充支架(12)重疊，整形骨架(13)具有和活動支架(11)相同的旋轉軸，高強度薄膜(14)一端固定在活動支架(11)上，另一端固定在內管(15)和外管(16)之間空腔內的上半部，中間由整形骨架(13)支撐，外管(16)的外壁膨脹出雙耳形的密封腔，用來支撐活動支架(11)和設置第一電機(17)，第一電機(17)的轉軸與活動支架(11)相連。
3.根據權利要求2所述的浮力和推進器雙驅動方式遠程自治水下機器人，其特徵是，活動支架(11)、填充支架(12)都是半環形的，其截面的一端為半圓，整形骨架(13)是半環形的，其截面積很小，高強度薄膜(14)在摺疊起來時是半環形的，張開時為半球形。
4.根據權利要求1所述的浮力和推進器雙驅動方式遠程自治水下機器人，其特徵是，側向重心調節裝置(6)包括第三電機(23)、齒輪(24)、齒條(25)和重塊(26)，第三電機(23)的輸出軸連接齒輪(24)，齒輪(24)連接齒條(25)，齒條(25)再連接重塊(26)。
5.根據權利要求1所述的浮力和推進器雙驅動方式遠程自治水下機器人，其特徵是，浮力調節裝置(7)包括常壓液艙(27)、高壓液囊(28)、泵(29)、閥(30)和液位測量傳感器(31)，常壓液艙(27)具有固定浮容積，高壓液囊(28)具有可變浮容積，常壓液艙(27)、泵(29)、閥(30)和高壓液囊(28)連通，液位傳感器(31)設置於常壓液艙(27)內部，常壓液艙(27)和高壓液囊(28)對稱於機器人外形垂直對稱面。
6.根據權利要求1所述的浮力和推進器雙驅動方式遠程自治水下機器人，其特徵是，縱向重心調節裝置(19)包括第二電機(20)，滑塊(21)和絲杆(22)，第二電機(20)的輸出軸連接絲杆(22)，絲杆(22)連接滑塊(21)，滑塊(21)和電池組(18)固連。
7.根據權利要求1所述的浮力和推進器雙驅動方式遠程自治水下機器人，其特徵是，耐壓艙(8)內還設置有姿態傳感器(33)、羅盤(34)、GPS接收機(35)和無線通訊控制器(36)，中央控制計算機組(37)、深度傳感器(38)，GPS接收機(35)和無線通訊控制器(36)均與天線(32)連接，中央控制計算機組(37)連接推進器(3)、浮力調節裝置(7)、側向重心調節裝置(6)、縱向重心調節裝置(19)、深度傳感器(38)、姿態傳感器(33)、羅盤(34)、GPS接收機(35)和無線通訊控制器(36)，實現全系統的綜合控制。
全文摘要
一種浮力和推進器雙驅動方式遠程自治水下機器人，用於海洋水下工程技術領域。本發明包括機器人主體，一對主翼，一對推進器和垂直尾翼，機器人主體的外部是整流用的透水殼，主翼和垂直尾翼具有低流體阻力翼型，主翼設置於透水殼後部，對稱分布於透水殼左右兩側，垂直尾翼設置於透水殼尾部，在透水殼的垂直對稱面內。推進器設置在主翼的外側。本發明具有推進器驅動和浮力驅動兩種驅動方式，在浮力驅動模式下依靠浮力和重心的調節產生推力和控制運動方向，具有高的續航能力，在推進器驅動模式下依靠推進器產生推力，依靠左右推進器的推力差和重心調節控制運動方向，具有高機動能力。
文檔編號B63B3/00GK1709766SQ20051002681
公開日2005年12月21日 申請日期2005年6月16日 優先權日2005年6月16日
發明者葛彤, 連璉 申請人:上海交通大學