CN102616353A

CN102616353A - 碟形潜水器

Info

Publication number: CN102616353A
Application number: CN2012101117738A
Authority: CN
Inventors: 王天; 叶秀芬; 刘文智; 李海波; 王雷; 张超; 黄振栋; 刘晓阳; 张继宇; 许长魁; 王英东
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2032-04-17
Also published as: CN102616353B

Abstract

本发明的目的在于提供碟形潜水器，其特征是：包括机架以及安装在机架上的浮力材、水泵、平衡管、橡胶管和电池仓，橡胶管一端套在水泵上、另一端即喷口端固定在机架侧面面向外侧。本发明灵活，可以实现无转弯半径的水下运动；具有全封闭的水动力外形，没有外挂物，无外露推进器的轴系、舵系等结构，使得该发明水动力性能优异；矢量喷水推进，不易缠绕，结构简单；能够实现三维运动；能够在传感器的帮助下实现自主巡游、避障功能和遥控功能。

Description

碟形潜水器

技术领域

本发明涉及的是机器人领域，具体地说是水下工作的机器人。

背景技术

水下机器人是先进机器人技术在水下的特殊应用，是机械学科与信息学科相结合的前沿技术领域，是人类探索和开发海洋的有效工具。水下机器人的研究和广泛应用对于充分利用自然资源，发展国民经济具有十分重要现实意义。

但是现今的水下机器人一般有类鱼雷的流线型机器人，该类机器人适合远程高速运行，但是转弯等需要转弯半径，运动不够灵活。开架式的水下作业机器人虽然无转弯半径，但是运行阻力大且结构无法封闭。作业机器人需要有着灵活的机动能力、具有封闭外形、运行阻力小、结构简单稳定性高、具有较少或者完全没有外挂动力及舵系设备的机器人。这样的机器人在海洋工程作业的时候不易被缠绕。

国内外研究现状及发展趋势

国内非常规外形水下机器人研究现状：翟宇毅等人在《一种超小型碟形水下机器人设计》中提到了一款水下机器人该水下机器人利用两个螺旋桨，能够完成多个自由度方向的运动。与通常超小型水下机器人相比，该碟形水下机器人的特点是采用可两轴旋转的水平螺旋桨来同步实现机器人的升降与/或横向水平运动。从设计来看，碟形潜水器结构简单，但在控制系统方面要求比较高，也要求控制单片机有较高的运算速度以满足实时控制，在控制方面其水下机器人仅作横向运动，而其他方向不能有运动。在不同的环境和不同的条件下，换算关系并不完全一样，就算在同样的环境中，不同方向上的换算也有差别，因此实际速度的合成与理想状态下的速度合成有较大的误差。在上海交通大学学报2003年8月37卷8期中，张新曙等人发表的《碟形潜水器水动力性能研究》中也提到了一种碟形水下机器人，具有椭圆横截面的扁平机器人。但是该机器人并非圆碟形，并且该机器人只是机器人主体应用扁平形状，仍然通过外挂舵系及螺旋桨推进器进行驱动。仍然存在缠绕问题

国外非常规外形水下机器人研究现状

Perry公司推出的第二代“鲸鱼座II”水下智能机器人，也采用了椭圆截面的扁平水动力外形，但是该机器人依然配有外挂的舵系，通过推进器和舵的配合来改变运动姿态并且不能实现原地三轴姿态调整。

发明内容

本发明的目的在于提供具有封闭外形、运行阻力小、结构简单稳定性高、具有较少或者完全没有外挂动力及舵系设备的碟形潜水器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明碟形潜水器，其特征是：包括机架以及安装在机架上的浮力材、水泵、平衡管、橡胶管和电池仓，橡胶管一端套在水泵上、另一端即喷口端固定在机架侧面面向外侧。

本发明还可以包括：

1、所述的机架包括蝶形的外圈和设置在外圈里的龙骨。

2、所述的平衡管包括外壳以及安装在外壳里的导轨、滑块、电机，滑块安装在导轨上，电机驱动滑块在导轨上移动。

3、所述的平衡管有两个，两个平衡管呈十字形安装在机架的中心位置。

4、所述的橡胶管和水泵有四组，相邻橡胶管的喷口端成90度角。

5、所述的浮力材有四个，四个浮力材围绕机架圆心均匀布置。

6、机架外安装扰流壳，在机架上、橡胶管喷口端旁开设进水口以使得水进入扰流壳内部。

本发明的优势在于：1、灵活，可以实现无转弯半径的水下运动；2、具有全封闭的水动力外形，没有外挂物，无外露推进器的轴系、舵系等结构，使得该发明水动力性能优异。3、矢量喷水推进，不易缠绕，结构简单；4、能够实现三维运动；5、能够在传感器的帮助下实现自主巡游、避障功能和遥控功能。

附图说明

图1是本发明的是本发明的俯视图(不含扰流外壳)；

图2是本发明的侧视图(不含扰流外壳)；

图3是本发明的结构简图；

图4是本发明控制系统框图；

图5是本发明的矢量推进布置图；

图6是本发明基于SVM预测控制器结构；

图7是本发明基于SVM预测精度。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～7，图1及图2均对外壳进行透明化处理。图中1-1尼龙机架上，机架通过15-1，、15-2、15-3、15-4四个孔，用内六角螺栓固定在碳纤维外壳(底壳)上。碳纤维外壳(顶壳)通过螺栓固定在机架1-1上面的14-1、14-2、14-3、14-4、14-5、14-6孔上，整机外壳部分固定完成，浮力材2-1、2-2、2-3、2-4利用硅胶固定在碳纤维外壳(顶部)的内侧，碟形潜器内部的所有部件都固定在机架上1-1。电池仓3-1、3-2通过硅胶固定在机架上。水泵5-1、5-2、5-3、5-4通不锈钢扎螺纹扎带13-1、13-2、13-3、13-4固定在机架1-1上。橡胶管4-1、4-2、4-3、4-4一端套在水泵5-1、5-2、5-3、5-4的喷水口处，一端固定在机架侧面向外喷水提供动力。平衡(圆筒)管6-1、6-2外壳用来防水作用，内部由导轨(丝杠)7-1、滑块8-1、电机9-1组装而成，滑块沿导轨移动调节碟形潜器的重心位置。平衡管6-1利用不锈钢螺纹扎带10-1、10-2固定在机架上，平衡管6-2利用不锈钢螺纹扎带12-1、12-2固定在机架上。

该机器人的控制系统如图4所示，包括嵌入式计算机，姿态传感器，深度传感器，电机驱动器，步进电机驱动器，无线调试模块、电源管理系统。其中嵌入式计算机系统主要负责采集姿态传感器数据及底层驱动板采集的深度传感器数据、电源电流电压值、泄漏传感器数据。

该套控制系统以嵌入式计算机为核心，姿态传感器及GPS通过RS232接口与嵌入式计算机相连。无线通讯系统转换器通过以太网接口与嵌入式相连。

嵌入式计算机通过RS232接口与CAN总线控制器相连，底层驱动元件均挂载在CAN总线上。

底层驱动元件采用STM32单片器，通过该单片机接收嵌入式计算机的控制指令来驱动水泵及步进电机，并读取深度传感器值及电池电压信息将信息汇总打包后返回给嵌入式计算机。

本发明的工作原理如下：

如图1和图2，喷水口嵌于机体外壳边缘处，呈矢量布局。相邻两个喷口角度成90°，如图6。这四台推进器的推力经过适量合成，将会产生一个大小为

T_{b} = {[\frac{T_{1} + T_{2} - T_{3} - T_{4}}{2}, 0, \frac{T_{1} - T_{2} - T_{3} + T_{44}}{2}]}^{T}

推力。及大小为

M_{T}^{b} = [0, r (T_{1} - T_{2} + T_{3} - T_{4}) / 2,0]

的扭转力矩。

1、机器人平移实现

机器人在T_b，

的驱动下就可以在体坐标系X_bOY_b平面内360°平移及360°旋转，来改变航向角ψ

2、机器人操纵面调整

通过改变两个之心调节块的位置，将会产生机器人重心偏移，这样重心与浮心将会产生一个扭转力矩

通过改变该力矩改变机器人操纵面X_bOY_b与大地坐标系的角度也就是改变机器人的俯仰角θ和横滚角

3、解决惯性调节滞后问题

该水下机器人因为水阻力及本身转动惯量问题，所以该机器人属于大惯性系统，所以在姿态调节中会产生之后问题，因此对机器人未来运动效果进行预测是解决该问题的最佳手段，因此针对该机器人设计了一套基于支持向量机的多输入多输出姿态系统辨识及预测模型。该模型预测结构如图6。在图6中，T₁(k)，T₂(k)，T₃(k)，T₄(k)分别代表k时刻4个推进器的输出量。x_b(k)，z_b(k)为k时刻两个姿态调节质心块的偏移量，经过合成后作为输入u(k)与上一时刻三个输出的迭代结果v(k)一起作为三个支持向量机的输入量。θ(k+1)、ψ(k+1)、

分别为k+1时刻机器人的俯仰角、横滚角和偏航角。

给定训练样本集

T＝{(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，…，(x_n，y_n)}

其中x_i∈X＝R^l，y_i∈Y＝R^m

n，l，m分别是样本数及输入输出变量的维数。

多输入多输出支持向量机回归估计函数则变为：

其中阀值b为一常数。将支持向量及参数代入上式即可求得。

b_{k} = \frac{1}{l} Σ_{k = 1}^{l} {y_{k} - Σ_{i = 1}^{n} [(α_{i}^{*} - α_{i}) K (x_{i}, x_{k})] + ϵsgn (α_{k}^{*} - α_{k})}

对应的迭代关系如下式。

将对k时刻的T₁(k)，T₂(k)，T₃(k)，T₄(k)以及为k时刻两个姿态调节质心块的偏移量x_b(k)，z_b(k)并且结合每个时刻输出的三个姿态角的数值进行迭代即可推算到下一时刻的姿态变化。经过试验得出该预测方法的预测效果良好，如图7。

Claims

1.碟形潜水器，其特征是：包括机架以及安装在机架上的浮力材、水泵、平衡管、橡胶管和电池仓，橡胶管一端套在水泵上、另一端即喷口端固定在机架侧面面向外侧。

2.根据权利要求1所述的碟形潜水器，其特征是：所述的机架包括蝶形的外圈和设置在外圈里的龙骨。

3.根据权利要求2所述的碟形潜水器，其特征是：所述的平衡管包括外壳以及安装在外壳里的导轨、滑块、电机，滑块安装在导轨上，电机驱动滑块在导轨上移动。

4.根据权利要求3所述的碟形潜水器，其特征是：所述的平衡管有两个，两个平衡管呈十字形安装在机架的中心位置。

5.根据权利要求4所述的碟形潜水器，其特征是：所述的橡胶管和水泵有四组，相邻橡胶管的喷口端成90度角。

6.根据权利要求5所述的碟形潜水器，其特征是：所述的浮力材有四个，四个浮力材围绕机架圆心均匀布置。

7.根据权利要求6所述的碟形潜水器，其特征是：机架外安装扰流壳，在机架上、橡胶管喷口端旁开设进水口以使得水进入扰流壳内部。