CN106275507A - 一种风能发电的具有多种运动方式的球形探测器 - Google Patents
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Abstract
一种风能发电的具有多种运动方式的球形探测器,包括:充气组件、气囊等;气囊两端均安装有外套,外套位于气囊内部,内套与外套配合使得气囊端部固定在外套和内套之间的间隙内;导向杆、丝杠、偏心轮轴两端均分别与基座固定,内套端部固定在基座上;导向杆、丝杠均穿过驱动块,驱动块在电机的驱动下沿着导向杆滑动;陀飞轮固定在偏心轮轴上,蓄电池套在偏心轮轴上;太阳能电池板分别安装在两基座的侧面;充气装置安装在基座上,照相系统固定在驱动块上。本发明具有极强的环境适应性,新的能源方式使其能源产生摆脱了时间、日照、风沙的限制,通过折叠结构设计最大限度的节约了在轨空间,多驱动、运动方式扩展了探测器功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种球形探测器。
背景技术
以轮式、腿式、履带式等常见移动方式的探测器虽然具有越障能力强、稳定性高等特点,但都存在抗翻倒性差的缺陷,受到地形环境因素制约较大,在恶劣、复杂的地形环境中难以发挥作用;且由于其自身结构复杂,所占空间大,不易于一箭多器发射及群体协同进行深空探测。
“a novel strategy for an omnidirectional spherical rolling robot”一文介绍的正四面体空间均布的轮幅内驱动球形探测器(Javadi A H,Mojabi P,2002,InProc.IEEE Int.Conf.On Robotics and Automation)、“Circular/spherical robots forcrawling and jumping”(Yuuta Sugiyama,Ayumi Shiotsu,etc,2005,Proceedings ofthe 2005IEEE International Conference on Robotics and Automation)一文介绍的壳体可变形的圆形和球形机器人、麻省理工学院“Mobility and power feasibility of amicrobot team system for extraterrestrial cave exploratio”(Kesner S B,PlanteJ S,etc,2007,IEEE International Conference on Robotics and Automation)的具有跳跃和滚动运动的微型球形机器人系统、北京邮电大学的BYQ-Ⅰ、BYQ-Ⅱ、BYQ-Ⅲ、BYSQ-Ⅰ(“全方位机器人研究”、“一种新颖的球形运动机器人的研究”等学位论文)等均为内驱动球形机器人,可实现完全自主运动,但由于内驱动球形机器人行进速度低、受携带能源制约,活动范围有限,难以实现远距离环境探测。
“NASA/JPL tumbleweed polar rover”(IEEE Aeroconference)一文介绍的充气式风力驱动球形机器人具有高速行进、大范围探测的能力;中国专利101249849A名称为一种风力驱动具有多种运动方式的环境探测球形机器人,兼具主动驱动与被动驱动能力,但二者都完全依赖于太阳能单元实现能源供给,当长期处于无日照或日照时间过短的环境时,将严重影响系统工作。“Low Cost Mars Surface exploration:The Mars Tumbleweed”(NASA/TM-2003-21241 1)提到的Wind Spheres蒲公英探测器实现信标作用,但无法携带载荷实现环境探测等功能。
综上所述,现有环境探测器存在能源种类单一、携带能源受限、抗翻倒性差和空间资源占用大等不同方面的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:克服现有技术的不足,本发明提出了一种风能发电的具有多种运动方式的球形探测器,实现风能供电、行进速度快、内外驱动兼备、并具有多种运动方式,具有极强的环境适应性,新的能源方式使其能源产生摆脱了时间、日照、风沙的限制,通过折叠结构设计最大限度的节约了在轨空间,多驱动、运动方式扩展了探测器功能。
本发明所采用的技术方案是:一种风能发电的具有多种运动方式的球形探测器,包括:充气组件、发电装置、偏心轮轴、照相系统、陀飞轮、蓄电池、第一轴承、基座、外套、内套、密封内外圈、电机、丝杠、驱动块、导向杆、第二轴承、太阳能电池板、气囊;气囊两端均安装有外套,外套位于气囊内部,内套嵌入外套内,内套与外套配合使得气囊端部固定在外套和内套之间的间隙内,用于密封气囊的密封内外圈安装在外套和内套之间;导向杆两端分别与基座固定,导向杆位于两基座之间;基座固定安装在内套端部,位于气囊内部;丝杠一端通过第二轴承安装在基座上,另一端连接电机,电机固定在另一个基座上;导向杆、丝杠均穿过驱动块,驱动块在电机的驱动下沿着导向杆滑动;偏心轮轴一端通过第一轴承固定到基座上,另一端连接发电装置,发电装置安装到另一个基座上;陀飞轮固定在偏心轮轴上,蓄电池套在偏心轮轴上;太阳能电池板分别安装在两基座的侧面;充气装置安装在基座上;照相系统固定在驱动块上。
所述外套为圆筒形结构,一端有用于支撑气囊向外的翻边结构,内壁有用于安装密封内外圈的密封槽。
所述内套为一端开口的圆柱形壳体,外壁有用于安装密封内外圈的密封槽,与外套上密封槽位置对应。
所述陀飞轮为一体结构,包括两部分,一部分为长方形块,其上开有通孔,偏心轮轴从通孔穿过,另一部分为扇形的摆轮;陀飞轮固定在偏心轮轴中部。
所述蓄电池有两组,位于陀飞轮两侧。
所述相机系统包括2台或4台相机,对称安装在驱动块上。
所述太阳能电池板有8个,分别固定在两基座的侧边上。
所述气囊外直径为600mm。
所述陀飞轮的厚度为15mm,扇形摆轮的半径为16mm,陀飞轮重心距固连点的距离为23mm。
所述偏心轮轴和导向杆的轴线间距为57mm。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)本发明利用风动能作为新的能源选择。利用陀飞轮实现风动能,在被动驱动工作模式下,可通过陀飞轮和陀飞轮轴绕陀飞轮轴轴线转动,产生转动力矩,发电装置将动能转化为电能储存。从而实现风到势能、势能再到电能的转化,作为现有太阳能供电以外的新能源选择。该能源方式也使得探测器能源的产生摆脱了时间、日照、风沙的限制。
(2)本发明具有高收纳比结构。采用充气可展开结构,压紧收拢时呈长方体,充气可展开,其完全展开态(球形)与收拢态(长方体)具有高收纳比,大大地提高了发射空间的利用,为实现“一星多器、多器协同”的发射策略奠定基础。
(3)本发明具有7×24小时全天候探测能力。白天可实现地形探测与图像获取等功能,夜晚也可完成地形探测功能,具备全天候工作能力。同时,2种工作模式(主动驱动与风力驱动)、根据不同地形环境可选择滚动、弹跳、悬浮等多种运动方式,使其在行星表面时具有地形探测、图像获取等功能,在被行星季风卷起后,具备探测行星大气动力学与大气结构的能力;可保证强季风、沙尘等恶劣天气对球形探测器工作均无影响,反而可提高其探测距离。
附图说明
图1为本发明球形探测器的组成分解图;
图2为本发明球形探测器完全收拢状态示意图;
图3为本发明球形探测器半展开状态;
图4为本发明球形探测器完全展开状态;
图5为本发明端部局部装配图;
图6为本发明局部装配图图;
图7为本发明陀飞轮示意图。
具体实施方式
如图1所示,将多种运动方式进行综合,是实现扩展运动范围、提高其自适应力的重要途径。为了解决以往探测器在携带能源受限、抗翻倒性差和空间资源占用大等多方面的问题,本发明提出了一种风能发电的具有多种运动方式的球形探测器。对于风力装置,除环境因素外,作用在该装置上的风力与其形状和主要尺寸有关。本发明在风力驱动的同时,利用风能进行发电,可作为现有环境探测器的有力补充。
如图1所示,是本发明的系统组成分解图,如图2所示,是本发明完全收拢状态,如图3所示,是本发明半展开状态,如图4所示,是本发明完全展开状态。
整个球形探测器的组成及各个部件说明图如图1所示。一种风能发电的具有多种运动方式的球形探测器,包括:充气组件1(如图5所示,由阀门19和气瓶20组成)、发电装置2、偏心轮轴3、照相系统4、陀飞轮5、蓄电池(兼顾配重)6、第一轴承7、基座8、外套9、内套10、密封内外圈11、电机12、丝杠13、驱动块(含馈元)14、导向杆15、第二轴承16、电池板17、气囊18。
本发明球形探测器包括:中部载荷区、气囊18、充气组件1和刚柔连接组件,前两者通过刚柔连接组件实现连接。其中,中部载荷区包括驱动组件、陀飞轮组件、蓄电池6(兼顾配重)、太阳能电池组件和相机组件五个部分。
刚柔连接组件由外套9、内套10、密封内外圈11和基座8组成,共有2套,对称布局在球形气囊的两端。外套9和内套10为回转体结构,在侧面有均布的螺钉孔,用于外套9、内套10和气囊18的固定;外套9为圆筒形结构,一端有向外的翻边结构用于支撑气囊18,内壁有用于安装密封内外圈11的密封槽;内套10为一端开口的圆柱型壳体,外壁有用于安装密封内外圈11的密封槽且与外套9上密封槽位置对应,安装在外套9圆筒结构内;气囊18端部安装在外套9和内套10之间,密封内外圈11安装在外套9、内套10的相应的密封槽内,用螺钉在外套9和内套10的侧壁固定后成为一个整体,气囊18端部薄膜从密封内外圈11之间穿过,靠密封内外圈11的浮动式连接形式将柔性气囊18与刚性金属结构隔开,并实现刚柔连接部位的密封,如图5所示。
基座8为平板结构,内套10开口端通过螺钉固定在基座8中部,基座8提供太阳能电池板17、驱动组件、陀飞轮组件、充气组件等的连接接口。三轴传感器、信息处理器、能源管理器等可布在基座8上,其设计同常规探测器。
驱动组件由导向杆15、丝杠13、驱动块(含馈元)14、第二轴承16和电机12(含控制)组成。导向杆15的两端分别与上下两个基座8固定;丝杠13的一端连接第二轴承16,另一端连接电机12,再固定在两端的基座8上;驱动块14包括两部分,主体结构为块状,块状结构侧壁向外伸出柄状结构,导向杆15穿过驱动块14的块状结构中部,丝杠13穿过柄状结构的一端,在电机12的驱动下,驱动块(含馈元)14能够沿着导向杆15滑动,改变球形探测器的重心,实现本发明探测器滚动的主动控制,如图6所示。
可选用具有一定刚度的特种天线,实现导向杆15功能,同时,实现天线馈元与驱动块14的功能合并。与之对应,可将导向杆15一端的部分气囊18采用反射材料,从而实现对天定向。
陀飞轮组件由陀飞轮5、第一轴承7、偏心轮轴3和发电装置2组成。偏心轮轴3的一端安装第一轴承7,固定到基座8上;另一端连接发电装置2,安装到另一个基座8上。陀飞轮5由螺钉固定到偏心轮轴3上;当探测器滚动时,陀飞轮5和偏心轮轴3绕偏心轮轴3的轴线转动,产生转动力矩,发电装置2将动能转化为电能储存。陀飞轮组件如图6所示,陀飞轮5如图7所示。陀飞轮5为一体结构,包括两部分,一部分为长方形块,其上开有通孔,偏心轮轴3从通孔穿过,并使用螺钉在与偏心轮轴3垂直的方向固定陀飞轮5和偏心轮轴3;另一部分为扇形的摆轮;蓄电池(兼顾配重)6套在偏心轮轴3上,位于陀飞轮5两侧。
太阳能电池组件共包括8块太阳能电池板17,分别安装在上下两个基座8的4个侧面,当有光照时将太阳能转化为电能储存,对球形探测器内各组件供电。该部分具有可扩展性。气瓶20安装在基座8上。
在驱动块(含馈元)14上可对称安装2台或4台相机,相机能随驱动块(含馈元)14上下移动,用于观察记录外部环境信息和内部工作状态。
当完成系统布局后,可通过蓄电池(兼顾配重)6来保证系统的重心位于探测器的中轴线上。
在发射时,气囊18和陀飞轮5呈收拢压紧状态,中部载荷区位于收紧的球状展开体中心,整个系统完全收拢状态外包络为长方体,如图2所示。当该探测器运送/发射到达某一探测环境开始工作时,发出指令,打开阀门19将气体充入气囊18中,内压解锁,展开状态为球形,其半展开态及完全展开态如图3、图4所示。该充气式的球体结构使之仍具有全向滚动的特点,并兼具较好的弹性;而且所有设置可以得到球壳的可靠保护,没有导线在外裸露,不易被障碍物挂住或挂断导线。
本发明的球形探测器具有以下4项主要功能:利用三轴传感器数据,实现行星表面地形探测功能、利用相机组件数据,实现图像采集功能、可作为其它探测器与指定卫星之间的中转机站、当遇到春季强季风时,在空中可利用三轴传感器数据实现大气结构测量。
本发明的球形探测器的工作模式有两种:被动驱动模式和主动驱动模式。球形探测器适合在行星风力较强时释放,主要工作在被动驱动模式,此时以自然风能为主要驱动力,充气式的球体结构使之具有全向滚动的特点,并兼具较好的弹性。在遇到障碍物或陷入困境时,进入主动驱动模式,通过配重体的移动,改变球形探测器的重心位置,此时球体系统的重力和地面对球体的支持力形成一个力偶,该力偶将驱动球形探测器在平面上发生滚动,在遇到障碍物时可以此来调整其位置姿态,从而达到越过或避开障碍物的目的。
在被动驱动模式下,通过电磁阀控制充气组件1,对球状体进行充气,使探测器可具有弹跳和滚动两种运动状态。在该模式下,探测器在探测环境表面受风力驱动做滚动运动,可对大面积的行星表面进行探测。同时,球形探测器滚动过程中,可通过陀飞轮5绕着与球体连接的偏心轮轴3中心摆动,将风能转化为势能,再将力矩传递到发电装置2上,实现势能到电能的转化。在主动驱动模式下,内置驱动装置工作原理如下:电机12带驱动块(含馈元)14自球心沿丝杠13和导向杆15向一端进行直线移动,球体的重心位置随之发生改变,球形探测器随之沿直线驱动块(含馈元)14移动的方向滚动。此时,由蓄电池6为电机12供电,电能主要来自于被动驱动模式下的风能发电及太阳能的持续供电。
在发射状态下,气囊18可折叠,折叠后用搭扣进行固定。充气后,搭扣自动弹开,气囊18展开为球形,具有密封和耐50kPa内压能力。如图5所示,充气组件1由阀门19、气瓶20和传感器组成。气瓶20携带气源,接到充气指令后阀门19打开,对气囊18充气,传感器监视气囊18内压强,可多次对气囊18进行充气。充气组件1各设备都设有2套,互为备份。同时,高压的气瓶20携带气体量充分考虑漏率与探测器在轨工作时间。
通常,柔性气囊18在内压作用下,在舱体蒙皮上产生的面内应力足以使气囊18获得抵抗外力变形的能力,一般不需要进行刚化。但考虑到行星表面环境,希望进一步提高其刚度,可进行刚化处理。采取的措施是在气囊18表面设计可刚化涂层,涂层材料可以是热固性可刚化材料、热塑性可刚化材料、层合铝自刚化材料体系等,当气囊18展开时,将实现自刚化。
实施例
本发明球形探测器在发射时,气囊18和陀飞轮5呈收拢压紧状态,中部载荷区位于收紧的球状展开体中心,整个系统完全收拢状态外包络约为600mm*120mm*120mm的长方体,如图2所示。
当本发明的球形探测器运送/发射到达某一探测环境开始工作时,发出指令,打开气阀将气体充入气囊18中,内压解锁,展开状态为直径约为0.6m的球形,其半展开态及完全展开态如图3所示。
在发射状态下,气囊18可折叠,折叠后用搭扣进行固定。充气后,搭扣自动弹开,气囊18展开为球形,具有密封和耐50kPa内压能力。气囊18及充气组件参数如表1所示。
表1气囊及充气组件参数
驱动组件由导向杆15、丝杠13、驱动块(含馈元)14、第二轴承16和电机12(含控制)组成。驱动组件参数如表2所示。
表2驱动组件参数
以在火星上应用为例,火星中主要的大气成分为CO2,约占整个火星大气的95%。经测量,在一般情况下火星表面的风速约为3.06m/s-16.11m/s,而在火星的两极地区,风速可高达111.11m/s,在全球性的沙尘暴情况下风速可能更高。假设风速为12m/s时,此时风力约为6N。陀飞轮组件参数为表3所示。
表3陀飞轮组件参数
太阳能电池组件共包括8块太阳能电池板17,太阳能电池组件参数如表4所示。
表4太阳能电池组件参数
本发明说明书未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (10)
1.一种风能发电的具有多种运动方式的球形探测器,其特征在于,包括:充气组件(1)、发电装置(2)、偏心轮轴(3)、照相系统(4)、陀飞轮(5)、蓄电池(6)、第一轴承(7)、基座(8)、外套(9)、内套(10)、密封内外圈(11)、电机(12)、丝杠(13)、驱动块(14)、导向杆(15)、第二轴承(16)、太阳能电池板(17)、气囊(18);气囊(18)两端均安装有外套(9),外套(9)位于气囊(18)内部,内套(10)嵌入外套(9)内,内套(10)与外套(9)配合使得气囊(18)端部固定在外套(9)和内套(10)之间的间隙内,用于密封气囊(18)的密封内外圈(11)安装在外套(9)和内套(10)之间;导向杆(15)两端分别与基座(8)固定,导向杆(15)位于两基座(8)之间;基座(8)固定安装在内套(10)端部,位于气囊(18)内部;丝杠(13)一端通过第二轴承(16)安装在基座(8)上,另一端连接电机(12),电机(12)固定在另一个基座(8)上;导向杆(15)、丝杠(13)均穿过驱动块(14),驱动块(14)在电机(12)的驱动下沿着导向杆(15)滑动;偏心轮轴(3)一端通过第一轴承(7)固定到基座(8)上,另一端连接发电装置(2),发电装置(2)安装到另一个基座(8)上;陀飞轮(5)固定在偏心轮轴(3)上,蓄电池(6)套在偏心轮轴(3)上;太阳能电池板(17)分别安装在两基座(8)的侧面;充气装置(1)安装在基座(8)上;照相系统(4)固定在驱动块(14)上。
2.根据权利要求1所述的一种风能发电的具有多种运动方式的球形探测器,其特征在于:所述外套(9)为圆筒形结构,一端有用于支撑气囊(18)向外的翻边结构,内壁有用于安装密封内外圈(11)的密封槽。
3.根据权利要求1或2所述的一种风能发电的具有多种运动方式的球形探测器,其特征在于:所述内套(10)为一端开口的圆柱形壳体,外壁有用于安装密封内外圈(11)的密封槽,与外套(9)上密封槽位置对应。
4.根据权利要求1或2所述的一种风能发电的具有多种运动方式的球形探测器,其特征在于:所述陀飞轮(5)为一体结构,包括两部分,一部分为长方形块,其上开有通孔,偏心轮轴(3)从通孔穿过,另一部分为扇形的摆轮;陀飞轮(5)固定在偏心轮轴(3)中部。
5.根据权利要求4所述的一种风能发电的具有多种运动方式的球形探测器,其特征在于:所述蓄电池(6)有两组,位于陀飞轮(5)两侧。
6.根据权利要求1或2所述的一种风能发电的具有多种运动方式的球形探测器,其特征在于:所述相机系统(4)包括2台或4台相机,对称安装在驱动块(14)上。
7.根据权利要求1或2所述的一种风能发电的具有多种运动方式的球形探测器,其特征在于:所述太阳能电池板(17)有8个,分别固定在两基座(8)的侧边上。
8.根据权利要求1或2所述的一种风能发电的具有多种运动方式的球形探测器,其特征在于:所述气囊(18)外直径为600mm。
9.根据权利要求1或2所述的一种风能发电的具有多种运动方式的球形探测器,其特征在于:所述陀飞轮(5)的厚度为15mm,扇形摆轮的半径为16mm,陀飞轮(5)重心距固连点的距离为23mm。
10.根据权利要求1或2所述的一种风能发电的具有多种运动方式的球形探测器,其特征在于:所述偏心轮轴(3)和导向杆(15)的轴线间距为57mm。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |