CN103754341B - 可变形太阳能水下机器人及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变形太阳能水下机器人，包括主体、浮力调节装置以及左右对称安装于主舱体两侧的一对伸缩驱动装置、一对上伸缩套筒、一对下伸缩套筒和主体两侧的一对侧舱体，主体包括导流罩、主舱体、固定尾翼、纵向推进器、垂向推进器、横向推进器、水下摄像机、主电子舱、电池舱、副电子舱、水声通讯装置和GPS与无线通讯装置。运行方法包括以下步骤：1）下沉，2）进行浮游作业并爬壁，3）爬壁结束后关闭各推进器，主舱体与侧舱体收纳成鱼雷型，4）上浮至水面，太阳能电池板展开后充电。本发明便于安装、拆卸和维修，结构紧凑、加工方便；具备浮游、吸附、爬行、水下监察、水面太阳能充电多种功能，实用性强，适用范围广。

Description

可变形太阳能水下机器人及控制方法

技术领域

本发明涉及一种水下机器人，特别是一种可展开成扁平状、收纳成鱼雷型并能用太阳能电池板充电的可变形的太阳能水下机器人，属于海洋工程技术领域。

背景技术

随着经济的发展，人们对江河湖海水资源的开发和利用增多，水下作业也不断增加。相比于传统的潜水员作业，无人水下机器人下潜深度大、成本低、可靠性高、且可在危险环境下作业，逐渐成为各国开发水下资源的重要装备。自治无人水下机器人（AutonomousUnderwaterVehicle，以下简称AUV）是一种自身携带能源的无人无缆水下机器人，可以通过人工操控或预编程操控其水下作业，在海洋环境调查、海洋资源勘探、水下结构物监测等领域应用广泛。相比于带缆遥控水下机器人(RemotelyOperatedVehicle，以下简称ROV），AUV无脐带缆纠缠、可进入复杂结构、水面操控系统简单、运行和维护费用较低。AUV代表了未来水下机器人的发展方向，随着科技的发展及关键技术的进一步成熟，AUV的应用前景将会更加广阔。

AUV本体结构常采用的鱼雷型是由流线型改造而成。其前段为一鼻型帽，中段是直筒型壳体，后段类似鱼雷尾翼，它的航行阻力较小，易于加工制造、发射和回收。但常规的AUV因其携带能源有限而无法支持长时间大范围的航行。为了解决这方面的问题，现已开发出两种特殊的AUV：太阳能水下机器人和水下滑翔机器人。前者采用“开源”的方式，后者采用“节流”的方式，均提高了机器人的续航力。美国开发的太阳能自治无人水下机器人(solar-poweredautonomousunderwatervehicles以下简称SAUV）是一种能下潜到500米的太阳能AUV，自身携带太阳能电池板和锂离子电池，可定期浮出水面补充电力，同时进行GPS位置矫正和远程信息交换。但是为了安装太阳能电池板，SAUV被设计成扁平状，重达370磅，航行阻力大，行进缓慢，仅为每小时2英里。常规的AUV一般采用螺旋桨和舵翼配合的驱动方式，或者采用无舵翼的多个推进器驱动方式，水下滑翔机器人则采用浮力驱动方式：通过调节本体的重心来改变姿态，配合浮力调节产生运动的推进力。这种驱动方式可以保证高的推进效率和低的航行速度，因此获得高的续航时间和航程。例如中国发明专利CN101070092A公开了一种“混合驱动水下航行器”，其驱动系统在水平舵翼、垂直舵翼、导管螺旋桨推进器的基础上增加了浮力调节系统和俯仰调节系统。实现了螺旋桨舵翼模式和滑翔模式下的运动控制，能够大范围长时间作业。中国发明专利CN101070091A公开了一种“深海太阳能潜水器“，既可以使用太阳能电池板获取电能，又能以浮力驱动的大角度滑翔运动方式来提高续航力，还能通过推进器驱动实现高的机动性。但上述两种机器人在鱼雷型本体上安装固定翼后体型变宽，航行阻力变大，作业范围有限，不易进入狭小空间作业；滑翔模式时机器人航速低、机动能力差、运动轨迹单一（锯齿型）；控制对象多，控制系统复杂，但其功能并没有拓展，仅可以进行不同方式的浮游，不具备爬壁能力。

综上所述，高续航力的AUV尚存在以下缺点：1、改变了低阻力鱼雷型外壳，航行速度低，机动能力差，作业范围有限；2、驱动控制对象多，控制系统复杂；3、功能单一，仅可以浮游作业，不可进行其他模态的运动。

发明内容

本发明的目的是提供一种机动性高、续航力强、航速阻力小、控制简单、并且可以吸附壁面爬行的变形水下机器人及运行方法。这种机器人实用性强，适用范围广，可以根据不同的任务需要伸展成扁平状或收纳成鱼雷型。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种可变形太阳能水下机器人，包括主体、浮力调节装置以及左右对称安装于主舱体两侧的一对伸缩驱动装置、一对上伸缩套筒、一对下伸缩套筒和主体两侧的一对侧舱体，所述侧舱体下侧设置两个沿侧舱体纵向排列的万向轮；所述主体包括导流罩、主舱体、固定尾翼、纵向推进器、垂向推进器、横向推进器、水下摄像机、避碰声呐、扫描声呐、主电子舱、电池舱、副电子舱、水声通讯装置和GPS与无线通讯装置，透明的导流罩安装于主舱体前端，导流罩前端装有避碰声呐，导流罩下部装有扫描声呐，导流罩内装有水下摄像机；各推进器均为电机驱动的螺旋桨推进器，包括纵向推进器、一对垂向推进器和一对横向推进器，纵向推进器设置在主舱体尾部，一对垂向推进器和一对横向推进器分别沿主舱体中轴线对称设置在主舱体内；纵向推进器为导管螺旋桨，纵向推进器轴线位于主舱体中轴线上，纵向推进器轴线、一对垂向推进器轴线和一对横向推进器轴线互相垂直；所述浮力调节装置安装于主舱体中段上部，包括密封的且具有固定容积的耐压液舱、高压液泵、密封的且具有可变浮容积的外皮囊，所述外皮囊设置在主舱体上侧内，耐压液舱设置在主舱体下侧内，连接外皮囊和耐压液舱的高压液泵设置在外皮囊和耐压液舱之间；内部装有大容量充电电池的电池舱位于主舱体中段下部，副电子舱位于主舱体尾段，其内装有检测传导率、水温度和水深度的CTD传感器和惯性导航装置；所述伸缩驱动装置对称设置在主舱体外侧的一对上伸缩套筒与一对下伸缩套筒之间，包括电动推杆、中部交叉铰接的两根伸缩臂、固定内盒和可动外盒，所述固定内盒固定在主舱体的矩型凹槽内，电动推杆一端与一根伸缩臂一端铰接后与固定内盒纵向可移动连接，电动推杆另一端与另一根伸缩臂中部滑动连接，一根伸缩臂另一端与可动外盒一端铰接；另一根伸缩臂一端与固定内盒一端铰接，另一根伸缩臂另一端与可动外盒另一端可移动连接；上伸缩套筒外侧设有可收放的太阳能电池板。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现。

前述的可变形太阳能水下机器人，其中主舱体锥型尾段外周面上设有成十字型的尾翼，一对横向推进器分别设置在主舱体中部的两个平行且垂直于主舱体轴线的横向导流通道内。

前述的可变形太阳能水下机器人，其中上侧的尾翼内设有水声通讯装置和GPS与无线通讯装置。

前述的可变形太阳能水下机器人，其中所述上伸缩套筒或下伸缩套筒均由横截面逐个缩小、且彼此套合的多节矩型套管连接而成，所述矩型套管内端设有外翻边，矩型套管外端设有内翻边，相邻两节矩型套管的内翻边和外翻边彼此扣合；主舱体两侧通过对称设置的上伸缩套筒、下伸缩套筒与外侧的侧舱体活动连接；主舱体两侧的上伸缩套筒和下伸缩套筒外移侧舱体展开时，主舱体与侧舱体成扁平状；主舱体两侧的上伸缩套筒和下伸缩套筒收纳侧舱体时，主舱体与侧舱体收纳成鱼雷型。所述上伸缩套筒的每节矩型套管上侧均设有太阳能电池板。

一种可变形太阳能水下机器人的控制方法，包括以下步骤：

1)下水时，收成鱼雷型的主舱体与侧舱体处于上浮的正浮力状态；启动高压液泵，使得浮力调节装置的外皮囊内的储存液体容积与耐压液舱储存液体容积发生变化，主舱体与侧舱体处于下沉的零浮力状态，收纳成鱼雷型的主舱体与侧舱体下潜到达目标深度；通过水下摄像机、扫描声呐、CTD传感器和惯性导航装置获取各种传感信息，在水下水声通讯范围内，通过水声通讯装置和水面操控台进行信息交换；在水下水声范围外，按照预编程沿规划路径运动，各种信息可以记录存储在主电子舱的主控模块内；避碰声呐、惯性导航装置进行导航；

2）操纵纵向推进器、一对垂向推进器和一对横向推进器的不同组合运动，进行高机动浮游作业，接近目标壁面；调整收纳成鱼雷型的主舱体与侧舱体的姿态，使侧舱体下的万向轮贴近目标壁面；正向启动电动推杆外伸，伸缩臂带动上伸缩套筒和下伸缩套筒展开，主舱体与侧舱体成扁平状；操纵纵向推进器、一对垂向推进器和一对横向推进器的不同组合运动，推动四个万向轮载着扁平状的主舱体与侧舱爬壁；

3）爬壁结束后关闭纵向推进器、一对横向推进器和一对垂向推进器，反向启动电动推杆缩回，伸缩臂带动主舱体两侧的上伸缩套筒和下伸缩套筒收纳侧舱体，主舱体与侧舱体收纳成鱼雷型，惯性导航装置所测数据表明主舱体与侧舱体姿态稳定后，可控制主舱体与侧舱体浮游作业；

4）需补充电源时，启动浮力调节装置，使收成鱼雷型的主舱体与侧舱体上浮至水面，伸缩臂推动上伸缩套筒和下伸缩套筒展开，主舱体两侧伸缩臂的各节扣合的矩型套管展开，上伸缩套筒各矩型套管上的太阳能电池板展开后在阳光下充电，并将电能输入电池舱内的充电电池中。

本发明的有益效果如下：

本发明采用模块化设计，便于安装、拆卸和维修；结构紧凑、布置合理、成本低廉、加工方便；具备浮游、吸附、爬行、水下监察、水面太阳能充电多种功能，实用性强，适用范围广。本发明可以上浮到水面上通过伸缩驱动装置推动上伸缩套筒和下伸缩套筒展开，太阳能电池板充电以提高续航力。水下浮游时通过伸缩驱动装置拉回上伸缩套筒和下伸缩套筒，将本发明收纳成鱼雷型，航行阻力小、可进入狭窄空间作业、扩大了作业范围。浮力调节装置实现了本发明的大幅度升沉，能耗低；接近目标深度时纵向推进器、一对垂向推进器和一对横向推进器的不同组合运动，可以实现本发明的升沉、俯仰、进退、回转和横移，机动性强；爬壁时展开上伸缩套筒和下伸缩套筒，使机器人本发明提高了爬行吸附力，兼备负压和推力吸附，增加本发明的稳定性。

本发明的优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例，是参照附图仅作为例子给出的。

附图说明

图1为本发明展开状态的立体示意图；

图2为本发明收纳状态的立体示意图；

图3为本发明展开状态的立体分解图；

图4为图1的D向放大视图；

图5为图4的A-A剖视图；

图6为图4的B-B剖视图；

图7为图4的C-C剖视旋转放大图；

图8为图6的Ⅰ部放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例作对本发明作进一步说明。

如图1～图8所示，本发明包括主体1、浮力调节装置200以及左右对称安装于主体两侧的一对伸缩驱动装置2、一对上伸缩套筒3、一对下伸缩套筒4和主舱体102两侧的一对侧舱体5，所述侧舱体5下侧设置两个沿侧舱体5纵向排列的万向轮6。主体1包括导流罩101、主舱体102、固定尾翼103、纵向推进器104、垂向推进器105、横向推进器106、水下摄像机107、避碰声呐108、扫描声呐109、主电子舱110、电池舱114、副电子舱115、水声通讯装置116和GPS与无线通讯装置117，透明的导流罩101安装于主舱体102前端，导流罩前端装有避碰声呐108，可使本发明避障规避；导流罩101下部装有扫描声呐109，以获得海底型态和海底的深度；导流罩101内装有水下摄像机107；可获得水平全向和俯仰0°-90°的水下高清视频信息。

各推进器均为电机驱动的螺旋桨推进器，包括纵向推进器104、一对垂向推进器105和一对横向推进器106，纵向推进器104设置在主舱体102尾部，一对垂向推进器105和一对横向推进器106分别沿主舱体102中轴线对称设置在主舱体102内。纵向推进器104为导管螺旋桨，纵向推进器104轴线位于主舱体104中轴线上，纵向推进器104轴线、一对垂向推进器105轴线和一对横向推进器106轴线互相垂直，可实现本发明升沉、进退、俯仰、转艏、横移五个自由度的浮游运动。纵向推进器轴从主舱体锥型尾段120伸出，主舱体锥型尾段120外周面上设有成十字型的尾翼103，可以保证本发明航行的稳定性。一对横向推进器106分别设置在主舱体中部的两个平行且垂直于主舱体轴线的横向导流通道130内。

浮力调节装置200安装于主舱体102中段上部，包括密封的且具有固定容积的耐压液舱111、高压液泵112、密封的且具有可变浮容积的外皮囊113，所述外皮囊113设置在主舱体102上侧内，耐压液舱111设置在主舱102体下侧内,连接外皮囊113和耐压液舱111的高压液泵112设置在外皮囊113和耐压液舱111之间。采用高压液泵112使外皮囊113内储存液体容积与耐压液舱111内储存液体容积发生变化，从而调节主体1的浮力大小，实现本发明的升降。内部装有大容量充电电池的电池舱114位于主舱体102中段下部，副电子舱115位于主舱体102尾段，其内装有检测传导率、水温度和水深度的CTD传感器和惯性导航装置。

伸缩驱动装置2对称设置在主舱体外侧的一对上伸缩套筒3与一对下伸缩套筒4之间，包括电动推杆201、中部交叉铰接的两根伸缩臂202、固定内盒203和可动外盒204，固定内盒203固定在主舱体102的矩型凹槽内，电动推杆201一端与一根伸缩臂202一端铰接后与固定内盒203纵向可移动连接，电动推杆201另一端与另一根伸缩臂202中部滑动连接，一根伸缩臂202另一端与可动外盒204一端铰接；另一根伸缩臂202一端与固定内盒203一端铰接，另一根伸缩臂202另一端与可动外盒204另一端可移动连接。电动推杆201外伸，两根伸缩臂202成十字交叉状，推动侧舱体5外移，本发明成扁平状展开。电动推杆201缩回，两根伸缩臂202成一字状叠合，侧舱体5缩回，本发明收纳成鱼雷型。上伸缩套筒外侧设有可收放的太阳能电池板32。

上伸缩套筒3或下伸缩套筒4均由横截面逐个缩小、且彼此套合的多节矩型套管31连接而成，矩型套管31内端设有外翻边311，外端设有内翻边312，相邻两节矩型套管31的内翻边312和外翻边311彼此扣合；主舱体102两侧通过对称设置的上伸缩套筒3、下伸缩套筒4与外侧的侧舱体5活动连接。主舱体102两侧的上伸缩套筒3和下伸缩套筒4外移侧舱体展开时，主舱体102与侧舱体5成扁平状；主舱体102两侧的上伸缩套筒3和下伸缩套筒4收纳侧舱体5时，主舱体102与侧舱体5收纳成鱼雷型。上伸缩套筒3的每节矩型套管31上侧均设有太阳能电池板32。

本发明的运行方法，包括以下步骤：

1)下水时，收成鱼雷型的主体1与侧舱体5处于上浮的正浮力状态；启动高压液泵112，使得浮力调节装置200的外皮囊113内的储存液体容积与耐压液舱111储存液体容积发生变化，主舱体102与侧舱体5处于下沉的零浮力状态，收成鱼雷型的主舱体与侧舱体下潜到达目标深度；通过水下摄像机107、扫描声呐109、CTD传感器和惯性导航装置获取各种传感信息，在水下水声通讯范围内，通过水声通讯装置116和水面操控台进行信息交换；在水下水声范围外，可按照预编程沿规划路径运动，各种信息可以记录存储在主电子舱110的主控模块内；避碰声呐108、惯性导航装置进行导航。

2）操纵纵向推进器104、一对垂向推进器105和一对横向推进器106的不同组合运动，进行高机动浮游作业，接近目标壁面；调整收纳成鱼雷型的主舱体102与侧舱体5的姿态，使侧舱体5下的万向轮6贴近目标壁面；正向启动电动推杆201外伸，伸缩臂202带动上伸缩套筒3和下伸缩套筒4展开，主舱体102与侧舱体5成扁平状；操纵纵向推进器104、一对垂向推进器105和一对横向推进器106的不同组合运动，推动四个万向轮载6着扁平状的主舱体102与侧舱5爬壁。

3）爬壁结束后关闭纵向推进器104、一对横向推进器105和一对垂向推进器106，反向启动电动推杆201缩回，伸缩臂202带动主舱体102两侧的上伸缩套筒3和下伸缩套筒4收纳侧舱体5，主舱体102与侧舱体5收纳成鱼雷型，惯性导航装置所测数据表明主舱体102与侧舱体5姿态稳定后，可控制主舱体102与侧舱体5浮游作业。

4）需补充电源时，启动浮力调节装置200，使收成鱼雷型的主舱体102与侧舱体5上浮至水面，伸缩臂202推动上伸缩套筒3和下伸缩套筒4展开，主舱体102两侧伸缩臂202的各节扣合的矩型套管31展开，上伸缩套筒3各矩型套管31上的太阳能电池板32展开后在阳光下充电，并将电能输入电池舱114内的充电电池中。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换型成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种可变形太阳能水下机器人，其特征是，包括主体、浮力调节装置以及左右对称安装于主体两侧的一对伸缩驱动装置、一对上伸缩套筒、一对下伸缩套筒和主舱体两侧的一对侧舱体，所述侧舱体下侧设置两个沿侧舱体纵向排列的万向轮；所述主体包括导流罩、主舱体、固定尾翼、纵向推进器、垂向推进器、横向推进器、水下摄像机、避碰声呐、扫描声呐、主电子舱、电池舱、副电子舱、水声通讯装置和GPS与无线通讯装置，透明的导流罩安装于主舱体前端，导流罩前端装有避碰声呐，导流罩下部装有扫描声呐，导流罩内装有水下摄像机；各推进器均为电机驱动的螺旋桨推进器，包括纵向推进器、一对垂向推进器和一对横向推进器，纵向推进器设置在主舱体尾部，一对垂向推进器和一对横向推进器分别沿主舱体中轴线对称设置在主舱体内；纵向推进器为导管螺旋桨，纵向推进器轴线位于主舱体中轴线上，纵向推进器轴线、一对垂向推进器轴线和一对横向推进器轴线互相垂直；所述浮力调节装置安装于主舱体中段上部，包括密封的且具有固定容积的耐压液舱、高压液泵、密封的且具有可变浮容积的外皮囊，所述外皮囊设置在主舱体上侧内，耐压液舱设置在外皮囊下侧，连接外皮囊和耐压液舱的高压液泵设置在外皮囊和耐压液舱之间；内部装有大容量充电电池的电池舱位于主舱体中段下部，副电子舱位于主舱体尾段，其内装有检测传导率、水温度和水深度的CTD传感器和惯性导航装置；所述伸缩驱动装置对称设置在主舱体外侧的一对上伸缩套筒与一对下伸缩套筒之间，包括电动推杆、中部交叉铰接的两根伸缩臂、固定内盒和可动外盒，所述固定内盒固定在主舱体的矩型凹槽内，电动推杆一端与一根伸缩臂一端铰接后与固定内盒纵向可移动连接，电动推杆另一端与另一根伸缩臂中部滑动连接，一根伸缩臂另一端与可动外盒一端铰接；另一根伸缩臂一端与固定内盒一端铰接，另一根伸缩臂另一端与可动外盒另一端可移动连接；上伸缩套筒外侧设有可收放的太阳能电池板。

2.如权利要求1所述的可变形太阳能水下机器人，其特征是，主舱体锥型尾段外周面上设有成十字型的尾翼，一对横向推进器分别设置在主舱体中部的两个平行且垂直于主舱体轴线的横向导流通道内。

3.如权利要求2所述的可变形太阳能水下机器人，其特征是，上侧的尾翼内设有水声通讯装置和GPS与无线通讯装置。

4.如权利要求1所述的可变形太阳能水下机器人，其特征是，所述上伸缩套筒或下伸缩套筒均由横截面逐个缩小、且彼此套合的多节矩型套管连接而成，所述矩型套管内端设有外翻边，矩型套管外端设有内翻边，相邻两节矩型套管的内翻边和外翻边彼此扣合；主舱体两侧通过对称设置的上伸缩套筒、下伸缩套筒与外侧的侧舱体活动连接；主舱体两侧的上伸缩套筒和下伸缩套筒外移侧舱体展开时，主舱体与侧舱体成扁平状；主舱体两侧的上伸缩套筒和下伸缩套筒收纳侧舱体时，主舱体与侧舱体收纳成鱼雷型。

5.如权利要求1或4所述的可变形太阳能水下机器人，其特征是，所述上伸缩套筒的每节矩型套管上侧均设有太阳能电池板。

6.一种如权利要求1所述的可变形太阳能水下机器人的运行方法，其特征是，包括以下步骤：

1)下水时，收成鱼雷型的主舱体与侧舱体处于上浮的正浮力状态；启动高压液泵，使得浮力调节装置的外皮囊内的储存液体容积与耐压液舱储存液体容积发生变化，主舱体与侧舱体处于下沉的零浮力状态，收纳成鱼雷型的主舱体与侧舱体下潜到达目标深度；通过水下摄像机、扫描声呐、CTD传感器和惯性导航装置获取各种传感信息，在水下水声通讯范围内，通过水声通讯装置和水面操控台进行信息交换；在水下水声范围外，按照预编程沿规划路径运动，各种信息可以记录存储在主电子舱的主控模块内；避碰声呐、惯性导航装置进行导航；

2)操纵纵向推进器、一对垂向推进器和一对横向推进器的不同组合运动，进行高机动浮游作业，接近目标壁面；调整收纳成鱼雷型的主舱体与侧舱体的姿态，使侧舱体下的万向轮贴近目标壁面；正向启动电动推杆外伸，伸缩臂带动上伸缩套筒和下伸缩套筒展开，主舱体与侧舱体成扁平状；操纵纵向推进器、一对垂向推进器和一对横向推进器的不同组合运动，推动四个万向轮载着扁平状的主舱体与侧舱爬壁；

3)爬壁结束后关闭纵向推进器、一对横向推进器和一对垂向推进器，反向启动电动推杆，伸缩臂带动主舱体两侧的上伸缩套筒和下伸缩套筒收纳侧舱体，主舱体与侧舱体收纳成鱼雷型，惯性导航装置所测数据表明主舱体与侧舱体姿态稳定后，控制主舱体与侧舱体浮游作业；

4)需补充电源时，启动浮力调节装置，使收成鱼雷型的主舱体与侧舱体上浮至水面，伸缩臂推动上伸缩套筒和下伸缩套筒展开，主舱体两侧伸缩臂的各节扣合的矩型套管展开，上伸缩套筒各矩型套管上的太阳能电池板展开后在阳光下充电，并将电能输入电池舱内的充电电池中。