CN107323637A - 水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水下机器人，包含机身、浮力机构以及动力机构；浮力机构、动力机构安装在机身上；浮力机构包含配重块(6)与浮力块，配重块(6)与浮力块共同调节浮力机构在水中的浮力；动力机构包含多个推进器，多个推进器能够同时运行或部分运行。本发明相比4轴或3轴水下机器人，增加了自由度，尤其在水平方向，实现了水下机器人的原地左右转弯和左右平移，极大地增加了水下机器人的灵活度。

Description

水下机器人

技术领域

本发明涉及水下检测领域，具体地，涉及一种水下机器人。

背景技术

全球水下机器人在小型化、智能化的方向上快速发展。尤其在油价低迷的世界经济大势下，水下机器人行业赖以生存的海洋石油气行业长期不景气，唤醒了市场用更经济实用的小型智能水下机器人代替笨重昂贵的重载作业型水下机器人的迫切需求。欧美以Oceaneering为首的行业巨头们，都在积极对产品进行电气化、智能化、小型化的升级改造，也催生了一批像iBubble,OpenROV等致力于迷你型水下机器人设计开发的专业团队，水下机器人的运动稳定性、自由度、自适应性等方面都有了巨大的进步。但是如何保持机器人在水下某一平面上运动，或者在水流冲击下保持水下空间位置不变，现有技术仍存在不足。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种水下机器人。

根据本发明提供的水下机器人，包含机身、浮力机构以及动力机构；

浮力机构、动力机构安装在机身上；

浮力机构包含配重块与浮力块，配重块与浮力块共同调节浮力机构在水中的浮力；

动力机构包含多个推进器，多个推进器能够同时运行或部分运行。

优选地，所述机身包含底部支架、左侧支架、右侧支架以及支板；

底部支架沿宽度方向的两端分别与左侧支架、右侧支架紧固连接；

支板形成左支板与右支板，左支板、右支板分别安装在左侧支架、右侧支架上。

优选地，还包含导流罩；所述导流罩安装在支板上，浮力块安装在导流罩内；

多个配重块可拆卸安装在底部支架上；

配重块在底部支架上的安装数量与安装位置能够调节。

优选地，所述推进器形成水平推进机构与垂直推进机构；

水平推进机构包含右前水平推进器、左前水平推进器、右后水平推进器以及左后水平推进器；垂直推进机构包含右侧垂直推进器与左侧垂直推进器；

水平推进机构位于在支板与底部支架之间；

右侧垂直推进器、左侧垂直推进器分别安装在右侧支架、左侧支架上。

优选地，右前水平推进器、左前水平推进器、右后水平推进器、左后水平推进器在水平面上倾斜安装。

优选地，所述动力机构还包含电子舱与电池舱；

左支板与右支板之间设置有弧形支架，电子舱安装在弧形支架上；

电池舱安装在底部支架上。

优选地，所述电子舱包含深度传感器、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪以及控制器；

所述控制器包含定深模块与定向模块。

优选地，所述定深模块包含：

第一信号接收模块：接收来自深度传感器的深度信号；

深度变化信号生成模块：根据深度信号，对比设定深度，生成深度变化信号；

第一指令生成模块：根据深度变化信号，生成深度调节指令。

优选地，所述定向模块包含：

第二信号接收模块：接收来自三轴陀螺仪的角度方位信号；

角度方位变化信号生成模块：根据角度方位信号，对比设定的角度方位，生成角度方位变化信号；

第二指令生成模块，根据角度方位变化信号，生成角度方位调节指令。

优选地，还包含探照灯与半球罩；

所述探照灯包含左灯与右灯，左灯、右灯分别安装在左侧支架、右侧支架上；

半球罩设置在电子舱的前端。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明相比4轴或3轴水下机器人，增加了自由度，尤其在水平方向，实现了水下机器人的原地左右转弯和左右平移，极大地增加了水下机器人的灵活度；

2、本发明水平推进机构包含的四个推进器在水平面上按一定角度倾斜安装，保证在水平方向前后左右各个方向的推力都很大；

3、本发明采用电子控制技术，结合控制器，实现了水下机器人的定深运动，定深作业极大地提高了水下观测与检查的准确性和效率，显著扩大了水下机器人的应用场景；

4、本发明采用电子控制技术，结合控制器，还能实现水下机器人的三维定向，三维定向作业极大地提高了水下机器人运动方向的精确度，扩大了水下机器人的应用场景。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明立体图；

图2为本发明主视图；

图3为本发明俯视图；

图4为本发明仰视图；

图5为本发明右视图；

图6为本发明左视图；

图7为本发明后视图；

图8为定深模式工作原理图；

图9为三维定向模式工作原理图。

图中示出：

右前水平推进器101 导流罩4

左前水平推进器102 右侧支架501

右侧垂直推进器111 左侧支架502

左侧垂直推进器112 底部支架510

右后水平推进器121 右支板521

左后水平推进器122 左支板522

电子舱210 弧形支架523

半球罩220 配重块6

电池舱230 配重安装孔600

右灯301

左灯302

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图7所示，实施例中，被发明提供的水下机器人包含机身、浮力机构以及动力机构，其中机身包含底部支架510、左侧支架502、右侧支架501以及支板，底部支架510沿宽度方向的两端分别与左侧支架502、右侧支架501紧固连接。包含四块支板按安装位置不同进行划分，形成左支板522与右支板521，左支板522、右支板521分别安装在左侧支架502、右侧支架501上，按照所处前后位置划分，左支板522形成左前支板与左后支板，右支板521形成右前支板与左前支板。四块支板的上端面均安装有导流罩4，支板与导流罩4之间通过螺丝紧固连接。浮力机构包含配重块6与浮力块，浮力块通过卡槽固定在导流罩4内，使得浮力块不容易从机身上脱落，同时减少浮力块受到外力的破坏；底部支架510上设置有多个配重安装孔600，配重块6于底部支架510的底端面可拆卸安装在配重安装孔600中，配重块6的安装数量与安装位置均可以调节。实际使用过程中，调节配重块6的数量以本发明提供的水下机器人整体在水中轻微正浮力，且浮力不超过200g为宜，调节配重块6安装位置使得机身水下姿态达到前后水平。左侧支架502、右侧支架501的前端还分别设置有左灯302、右灯301这两个探照灯。

动力机构包含六个推进器、电子舱210以及电池舱230。六个推进器按照安装位置以及推进方向的不同划分为右前水平推进器101、左前水平推进器102、右后水平推进器121、左后水平推进器122、右侧垂直推进器111以及左侧垂直推进器112，其中右前水平推进器101、左前水平推进器102、右后水平推进器121以及左后水平推进器122形成水平推进机构；右侧垂直推进器111与左侧垂直推进器112形成垂直推进机构。水平推进机构安装在支板的下端面上，空间位置处于支板与底部支架510之间，也就是说，右前水平推进器101安装在右前支板的下端面，并位于右前支板与底部支架510之间，水平推进机构包含的其他三个推进器也安装在对应的支板下端面，并位于底部支架510与对应的支板之间。水平推进机构包含的四个推进器在水平面上按一定角度倾斜安装，保证在水平方向前后左右各个方向的推力都很大，即所述四个推进器单独的推进方向并不是对着正前、正后、正左或正右方向的。右侧垂直推进器111、左侧垂直推进器112分别通过螺丝固定在右侧支架501、左侧支架502上。左支板522与右支板521之间设置有弧形支架523，存在两个所述弧形支架523沿前后方向布置，电子舱210安装在这两个弧形支架523上，并通过卡扣固定。电子舱210的前端设置有半球罩220，一方面形成密封，保护电子舱210中的元件，另一方面，还能起到减小运动阻力的作用。电池舱230则通过上下弧形闭合抱箍固定在底部支架510上。

电子舱210包含深度传感器、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪以及控制器，所述控制器包含定深模块与定向模块。所述定深模块包含：第一信号接收模块：接收来自深度传感器的深度信号；深度变化信号生成模块：根据深度信号，对比设定深度，生成深度变化信号；第一指令生成模块：根据深度变化信号，生成深度调节指令。所述定向模块包含：第二信号接收模块：接收来自三轴陀螺仪的角度方位信号；角度方位变化信号生成模块：根据角度方位信号，对比设定的角度方位，生成角度方位变化信号；第二指令生成模块，根据角度方位变化信号，生成角度方位调节指令。

本发明提供的水下机器人具有定深模式与三维定向模式。如图8所示，所述定深模式下，定深模块被激活，深度传感器实时监测水下机器人的深度，并向第一信号接收模块发送深度信号，若在水流等外部干扰的作用下，水下机器人偏离了设定深度D，到达深度D′，深度变化信号生成模块根据深度信号，计算深度变化量ΔD，生成深度变化信号，其中ΔD＝D′-D。第一指令生成模块再根据深度变化信号，生成深度调节指令，控制垂直推进机构向上推动、向下推动或保持现有运动状态。当深度变化信号生成模块计算出ΔD>0时，说明机器人在下降，发出反应深度变深的深度变化信号，第一指令生成模块据此生成要求向上调节的深度调节指令，垂直推进机构运行并推动水下机器人向上运动；当深度变化信号生成模块计算出ΔD<0时，说明机器人在上升，发出反应深度变浅的深度变化信号，第一指令生成模块据此生成要求向下调节的深度调节指令，垂直推进机构运行并推动水下机器人向下运动；当深度变化信号生成模块计算出ΔD＝0时，说明机器人深度未变化，发出反应深度未变化的深度变化信号，第一指令生成模块据此生成深度保持的深度调节指令，垂直推进机构保持现有运动状态。通过上述的调节方法，使得定深模式下的水下机器人处于设定的深度位置，控制器根据三轴加速度传感器以及三轴陀螺仪回传的运动信息，进一步控制水平推进机构各个推进器的动力和方向，使得水下机器人能够设定深度的水平面上运动。

如图9所示，三维定向模式下，定向模块被激活，三轴陀螺仪实时监测水下机器人的x、y、z空间坐标以及俯仰角、翻滚角、偏航角三维空间方位信息，并向第二信号接收模块发送角度方位信号。水下机器人的设定三维空间方位记为θ，φ，ψ，其中θ为设定俯仰角、φ为设定翻滚角、ψ为设定偏航角。若在水流等外部干扰的作用下，水下机器人偏离了设定的三维空间方位，变成θ′，φ′，ψ′，其中θ′为偏离后的俯仰角、φ′为偏离后的翻滚角、ψ′为偏离后的偏航角。角度方位变化信号生成模块根据角度方位信号，计算角度方位变化量Δθ，Δφ，Δψ，生成角度方位变化信号，其中Δθ＝θ′-θ；Δφ＝φ′-φ；Δψ＝ψ′-ψ。第二指令生成模块根据角度方位变化信号，生成相应的角度方位调节指令。例如，当角度方位变化信号生成模块计算出Δφ、Δψ为0，而Δθ不为0，说明俯仰角发生了变化，若水下机器人前端向上抬起，此时，控制右前水平推进器101与左前水平推进器102运行，右侧垂直推进器111与左侧垂直推进器112向上推进水下机器人；或者，控制右后水平推进器121与左后水平推进器122运行，右侧垂直推进器111与左侧垂直推进器112向下推进水下机器人，直至Δθ＝0；同理，水下机器人后端向上抬起时，只需相应地调节各个推进器的运行方式即可。角度方位变化信号生成模块计算出Δθ、Δψ为0，而Δφ不为0，说明翻转角发生了变化，如果水下机器人左侧向下偏转时，左侧垂直推进器112向上推进和/或右侧垂直推进器111向下推进便可进行调节，直至Δφ＝0；水下右侧向下偏转时调节方式同理。角度方位变化信号生成模块计算出Δθ、Δφ为0，而Δψ不为0，说明偏航角发生了变化，若水下机器人向左偏航时，右前水平推进器101运行和/或左后水平推进器122运行便可进行调节，直至Δψ＝0；水下机器人向右偏航时调节方式同理。当Δθ、Δφ、Δψ这三个参数中有两个或三个不为0时，可调节六个推进器的方向和速度，同时将多个不为0的参数调整至0，也可以单个参数逐一进行调整。通过上述的调节方法，使得三维定向模式下的水下机器人处于设定三维空间方位，控制器根据三轴加速度传感器回传的运动信息，连续不断的调整推进器的方向和速度，使得水下机器人得以稳定在固定的方位上。

除此以外，在水平方向，还能实现水下机器人的原地左右转弯和左右平移，比如右前水平推进器101和左后水平推进器122同时等速运行，水下机器人即可原地右转弯；右前水平推进器101和右后水平推进器121同时等速运行，水下机器人即可向右平移。原地左转弯与向左平移的原理同上。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种水下机器人，其特征在于，包含机身、浮力机构以及动力机构；

浮力机构、动力机构安装在机身上；

浮力机构包含配重块(6)与浮力块，配重块(6)与浮力块共同调节浮力机构在水中的浮力；

动力机构包含多个推进器，多个推进器能够同时运行或部分运行。

2.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述机身包含底部支架(510)、左侧支架(502)、右侧支架(501)以及支板；

底部支架(510)沿宽度方向的两端分别与左侧支架(502)、右侧支架(501)紧固连接；

支板形成左支板(522)与右支板(521)，左支板(522)、右支板(521)分别安装在左侧支架(502)、右侧支架(501)上。

3.根据权利要求2所述的水下机器人，其特征在于，还包含导流罩(4)；所述导流罩(4)安装在支板上，浮力块安装在导流罩(4)内；

多个配重块(6)可拆卸安装在底部支架(510)上；

配重块(6)在底部支架(510)上的安装数量与安装位置能够调节。

4.根据权利要求2所述的水下机器人，其特征在于，所述推进器形成水平推进机构与垂直推进机构；

水平推进机构包含右前水平推进器(101)、左前水平推进器(102)、右后水平推进器(121)以及左后水平推进器(122)；垂直推进机构包含右侧垂直推进器(111)与左侧垂直推进器(112)；

水平推进机构位于在支板与底部支架(510)之间；

右侧垂直推进器(111)、左侧垂直推进器(112)分别安装在右侧支架(501)、左侧支架(502)上。

5.根据权利要求4所述的水下机器人，其特征在于，右前水平推进器(101)、左前水平推进器(102)、右后水平推进器(121)、左后水平推进器(122)在水平面上倾斜安装。

6.根据权利要求2所述的水下机器人，其特征在于，所述动力机构还包含电子舱(210)与电池舱(230)；

左支板(522)与右支板(521)之间设置有弧形支架(523)，电子舱(210)安装在弧形支架(523)上；

电池舱(230)安装在底部支架(510)上。

7.根据权利要求6所述的水下机器人，其特征在于，所述电子舱(210)包含深度传感器、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪以及控制器；

所述控制器包含定深模块与定向模块。

8.根据权利要求7所述的水下机器人，其特征在于，所述定深模块包含：

第一信号接收模块：接收来自深度传感器的深度信号；

深度变化信号生成模块：根据深度信号，对比设定深度，生成深度变化信号；

第一指令生成模块：根据深度变化信号，生成深度调节指令。

9.根据权利要求7所述的水下机器人，其特征在于，所述定向模块包含：

第二信号接收模块：接收来自三轴陀螺仪的角度方位信号；

角度方位变化信号生成模块：根据角度方位信号，对比设定的角度方位，生成角度方位变化信号；

第二指令生成模块，根据角度方位变化信号，生成角度方位调节指令。

10.根据权利要求6所述的水下机器人，其特征在于，还包含探照灯与半球罩(220)；

所述探照灯包含左灯(302)与右灯(301)，左灯(302)、右灯(301)分别安装在左侧支架(502)、右侧支架(501)上；

半球罩(220)设置在电子舱(210)的前端。