CN107804443A - 一种混合动力水下机器人平台 - Google Patents

一种混合动力水下机器人平台 Download PDF

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CN107804443A CN201710995342.5A CN201710995342A CN107804443A CN 107804443 A CN107804443 A CN 107804443A CN 201710995342 A CN201710995342 A CN 201710995342A CN 107804443 A CN107804443 A CN 107804443A
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姜珊珊
李阳
张�杰
王戋
刘召斌
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Abstract

本发明涉及一种混合动力水下机器人平台，包括壳体，壳体的外轮廓呈仿生鱼形，壳体的一端连接有仿生鱼尾结构，壳体的两侧均设置有推进器；主机舱，主板舱靠近壳体前端的一侧连接有摄像头，主机舱内设置有电子罗盘和控制器；运动控制舱，运动控制舱内安装有俯仰重心调节机构；推进器、电子罗盘和重心调节机构均与电池舱电连接。本发明的混合动力水下机器人平台采用推进器和仿生鱼尾结构的混合动力驱动设计，大大的提高了机器人在复杂洋流环境下的作业能力；可以搭载多类型检测设备，能够满足复杂的任务需求，能够进行水质提取、检测和拍照等操作，通过抽水舱，可以对不同深度的水质进行采样检测，具有广阔的应用前景。

Description

一种混合动力水下机器人平台
技术领域
本发明涉及水下设备技术领域，尤其涉及一种混合动力水下机器人平台。
背景技术
机器鱼的高速、高效、高伪装性、高机动性、以及强适应性，使得其在军事应用、生物观察以及狭小空间内的检测等方面具有重要应用和迫切需求。但是由于充电问题的限制，现有技术中的机器鱼无法执行长时间远距离的任务，严重限制了机器鱼在水下尤其是海洋中执行任务的能力。
目前，大多数的机器鱼都采用多关节串联的驱动方式，这种控制方式较为复杂，不利于对在水中的机器鱼操纵，且结构复杂成本高，份量重。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种混合动力水下机器人平台，以解决上述问题的至少一种。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种混合动力水下机器人平台，包括：
壳体，所述壳体的外轮廓呈仿生鱼形，所述壳体的一端连接有仿生鱼尾结构，所述壳体的两侧均设置有推进器；
主机舱，所述主板舱位于所述壳体内，且与所述壳体的内侧连接，所述主机舱靠近所述壳体前端的一侧连接有摄像头，所述主机舱内设置有电子罗盘和控制器；
运动控制舱，所述运动控制舱分别与与所述主机舱和所述壳体连接，所述运动控制舱内安装有俯仰重心调节机构，所述俯仰重心调节机构的上方设置有固定支架，所述固定支架上方放置有电池舱，所述电池舱通过安装架与所述固定支架连接；
抽水舱，所述抽水舱位于所述壳体外侧，且与所述壳体的下端连接；
所述推进器、电子罗盘和重心调节机构均与所述电池舱电连接。
本发明的有益效果是：本发明的混合动力水下机器人平台采用推进器和仿生鱼尾结构的混合动力驱动设计，大大的提高了机器人在复杂洋流环境下的作业能力；可以搭载多类型检测设备，能够满足复杂的任务需求，能够进行水质提取、检测和拍照等操作，通过抽水舱，可以对不同深度的水质进行采样检测，具有广阔的应用前景。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述壳体的一端为镜头防护罩，另一端为后盖板，所述镜头防护罩和所述后盖板通过所述上壳体和所述下壳体连接，所述上壳体向上设置有RF天线，两个所述推进器均设置在所述下壳体的两侧。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用镜头防护罩，能够对镜头组起到较好的保护作用；采用RF天线，能够实现PC端的无缆操纵，能够实现稳定即时通信。
进一步，所述主机舱上端设置有设置有GPS定位模块和通讯模块，所述GPS定位模块和通讯模块均与所述电池舱电连接，所述通讯模块与PC端通过信号连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：设置GPS定位模块，可以通过PC端上位机查看机器人平台的所在位置，并通过PC端控制机器人平台的游动路径，具有失联自动返航功能；设置通信模块，能够实时的向PC端发送检测信息。
进一步，所述主机舱的下端设置有用于安装传感器的水质传感器接口。
采用上述进一步方案的有益效果是：水质传感器接口可以搭载不同类型的传感器，可以将机器人平台应用于不同领域，完成如温度、pH值、氨氮含量测试等不同任务。
进一步，所述重心调节机构包括：
驱动电机，所述驱动电机固定与所述固定支架的后端板连接，所述驱动电机与所述电池舱电连接；
第一丝杠，所述第一丝杠的一端与所述驱动电机的输出端连接，另一端与所述固定支架的前端板活动连接；
重力块，所述重力块套设在所述第一丝杠外侧，并与所述第一丝杠螺纹连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：重心调节机构与电子罗盘和控制器结合，当机器人平台收到浪涌作用，自身姿态发生变化时，能够自动做出重心调节的动作，从而保持机器人平台自身姿态的稳定。
进一步，所述第一丝杠的下方设置有光电开关。
进一步，所述抽水舱包括：
舱体，所述舱体与所述下壳体的下端连接，所述舱体前端开设有进水口，所述舱体内设置有步进电机；
第二丝杠，所述第二丝杠的一端与步进电机的输出端连接，另一端与舱体活动连接，所述第二丝杠外侧套设有滑块；
活塞，所述活塞设置在所述滑块的外侧，且与所述滑块固定连接。
进一步，所述抽水舱还包括试剂投放组，所述试剂投放组设置在所述舱体前端。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过步进电机，结合第二丝杠和滑块来带动活塞运动，能够实现指定地点和指定深度对水样的采集和存储；同时，试剂投放组为一个小舱室，搭载试剂投放组，在其内部提前放好试剂，能够将需要投放的试剂投放到指定地点和指定深度。
进一步，两个所述推进器均为螺旋桨推进器。
采用上述进一步方案的有益效果是：当机器人平台处于复杂水域中，采用螺旋桨推进器进行驱动，有效的提高了机器人平台在复杂水域中的行进速度和工作效率。
进一步，所述仿生鱼尾结构采用软质硅胶材质制成。
采用上述进一步方案的有益效果是：仿生鱼尾结构可以轻松拆卸，且具有高韧性和高柔软度，采用仿生鱼尾结构驱动模式的能量转换效率较高。
附图说明
图1为本发明所述混合动力水下机器人平台的俯视图；
图2为本发明所述混合动力水下机器人平台的主视图；
图3为本发明所述混合动力水下机器人平台的爆炸视图；
图4为本发明所述混合动力水下机器人平台的剖视图；
图5为本发明所述重心调节机构的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
100、壳体；110、镜头防护罩；111、防撞组件；120、后盖板；121、开关；130、上壳体；131、RF天线；140、下壳体；200、仿生鱼尾结构；300、推进器；400、主机舱；410、摄像头；420、GPS定位模块；430、通讯模块；440、红外传感器；450、压力传感器；500、运动控制舱；510、重心调节机构；511、驱动电机；512、第一丝杠；513、重力块；514、光电开关；520、固定支架；521、后端板；522、前端板；530、安装架；540、水质传感器接口；550、防水航插；600、电池舱；700、抽水舱；710、舱体；711、探照灯；720、步进电机；730、第二丝杠；731、滑块；740、活塞；750、试剂投放组。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1-4所示，本发明的一种混合动力水下机器人平台，包括壳体100、主机舱400、运动控制舱500、抽水舱700和推进器300。其中，所述壳体100的外轮廓呈仿生鱼形，所述壳体100的一端连接有仿生鱼尾结构200，所述壳体100的两侧均设置有推进器300；所述主板舱400位于所述壳体100内，且与所述壳体100的内侧连接，所述主机舱400靠近所述壳体100前端的一侧连接有摄像头410，所述主机舱400内设置有电子罗盘和控制器；所述运动控制舱500分别与与所述主机舱400和所述壳体100连接，所述运动控制舱500内安装有重心调节机构510，所述重心调节机构510的上方设置有固定支架520，所述固定支架520上方放置有电池舱600，所述电池舱600通过安装架530与所述固定支架520连接；所述抽水舱700位于所述壳体100外侧，且与所述壳体100的下端连接；所述推进器300、电子罗盘和重心调节机构510均与所述电池舱600电连接。优选的，本发明的控制器为STM32控制主板。
相对于现有技术，本发明的混合动力水下机器人平台以箱豚科热带盒子鱼为原型，采用单关节的仿生鱼尾机构200驱动的仿生设计，将动力推进对周围环境造成的干扰降到最低，推进效率高达80％，保证续航时间。采用推进器300和仿生鱼尾结构200的混合动力驱动设计，推进方式与其它的水下机器人不同，工作时对水下生态环境几乎不会造成影响，最大还原了水体本来环境。当遇到特殊且复杂的水下环境时，机器人平台可利用自身结构的优势，有效实现水中的灵活运动，适应不同环境。大大的提高了机器人平台在复杂洋流环境下的作业能力；可以搭载多类型检测设备，能够满足复杂的任务需求，能够进行水质提取、检测和拍照等操作；同时，主机舱400内的电子罗盘可实时监测到机器人平台自身的姿态情况，实时监测机器人平台的横滚角、俯仰角和偏航角，结合控制器的PID闭环控制，对机器人平台的姿态做出相应反应，从而保证机器人平台在水域中稳定的游动；通过抽水舱700，可以对不同深度的水质进行采样检测，具有广阔的应用前景。
如图3所示，所述壳体100的一端为镜头防护罩110，另一端为后盖板120，所述镜头防护罩110和所述后盖板120通过所述上壳体130和所述下壳体140连接，所述上壳体130向上设置有RF天线131，两个所述推进器300均设置在所述下壳体140的两侧。采用镜头防护罩110，能够对摄像头410起到较好的保护作用；采用RF天线131，能够实现PC端的无缆操纵，能够实现稳定即时通信。
如图3-4所示，本发明的所述主机舱400上端设置有设置有GPS定位模块420和通讯模块430，所述GPS定位模块420和通讯模块430均与所述电池舱600电连接，所述通讯模块430与PC端通过信号连接。其中，通讯模块430具体为WIFI模块，可以实时向PC端发送检测信息，包括水质污染物浓度、GPS坐标、电子罗盘测量值、实时拍摄图像等信息。设置GPS定位模块420，可以通过PC端上位机查看机器人平台的所在位置，并通过PC端控制机器人平台的游动路径，具有失联自动返航功能；设置通信模块430，能够实时的向PC端发送检测信息。本发明的机器人平台在使用时，操作人员通过无缆操控即可实现。操作人员可通过PC端实时控制机器人平台在水中的游动轨迹，机身通过搭载的大功率WiFi模块向PC端实时回传监测数据。采用这种无缆操控方式，便于机器人平台在水中无束缚游动，扩大了机器人平台的游动距离和水下作业范围，提高了机器人平台在水中游动的灵活性和便捷性。PC端通过WiFi模块接收到机器人平台的回执信息，实时显示所拍摄画面、机器人平台所处位置信息、实时检测污染物浓度等信息，可实时控制机器人平台游动速度、下潜深度、采集水质开关等功能，并自动生成污染物质随时间、空间变化的图表，有利于研究人员直观进行分析。一个技术人员即可控制机器人平台完成多种水下任务，省时、高效、经济、环保。
同时，主机舱配400备有位于中央和两侧的红外传感器440，即，在机身搭载三路红外传感器，实时监测障碍物。当监测到水下物体时，可根据算法策略，自主做出判断，进行躲避或者拍照，完成水下障碍物规避与目标物体的搜索。在水质良好的情况下，能够轻松的避开障碍物。同时，主机舱400侧面还安装有压力传感器450，用于检测外部水压。
此外，所述主机舱400的下端设置有用于安装传感器的水质传感器接口540，水质传感器接口540可以搭载不同类型的传感器，可以将机器人平台应用于不同领域，完成如温度、pH值、氨氮含量测试等不同任务。通过在水质传感器接口搭载的特定传感器实时监测水质情况，具有精度高、执行方便、不受天气影响等优点。一次航行可采集单点水样，自动生成采样报告，可以极大的提高监管部门的工作效率，节约经济成本。该水质传感器接口540设置在防水航插550处。
如图3-5所示，所述重心调节机构510包括驱动电机511、第一丝杠512和重力块513。其中，所述驱动电机511与所述固定支架520的后端板521连接，所述驱动电机511与所述电池舱600电连接；所述第一丝杠512的一端与所述驱动电机511的输出端连接，另一端与所述固定支架520的前端板522活动连接；所述重力块513套设在所述第一丝杠512外侧，并与所述第一丝杠512螺纹连接。重心调节机构510与电子罗盘和控制器结合，当机器人平台受到浪涌作用，自身姿态发生变化时，能够自动做出重心调节的动作，进行浮潜动作，结合较大重浮差控制左右调节，从而保持机器人平台自身姿态的稳定。为了能够检测到重力块513沿第一丝杠512的移动位置，所述第一丝杠的下方设置有光电开关514。
如图3-5所示，本发明的电池舱600配备4000mA大容量的进口锂电池，续航时间最长可达90分钟，能够轻松的完成巡游、取样和检测工作。
如图3-4所示，所述抽水舱700包括舱体710、步进电机720、第二丝杠730、活塞740和试剂投放组750。其中，所述舱体710与所述下壳体140的下端连接，所述舱体700前端设置有探照灯711，为机器人平台的航行提供照明，所述舱体710内设置有步进电机720；所述第二丝杠730的一端与步进电机720的输出端连接，另一端与舱体710活动连接，所述第二丝杠730外侧套设有滑块731；所述活塞740设置在所述滑块731的外侧，且与所述滑块731固定连接；所述抽水舱700还包括试剂投放组750，所述试剂投放组750设置在所述舱体710前端。通过步进电机720，结合第二丝杠730和滑块731来带动活塞740运动，能够实现指定地点和指定深度对水样的采集和存储；同时，试剂投放组750为一个小舱室，搭载试剂投放组750，在其内部提前放好试剂，能够将需要投放的试剂投放到指定地点和指定深度。
本发明的机器人平台配置水质采样装置，可使机器人平台在指定位置采集水样，从而避免了传统采样中的采样位置单一、偶然性大、复杂水域中采用困难等弊端，可保证精准、客观、方便的水质采集，完全符合国家环保行业标准的定时定点定量采样模式。
具体地，两个所述推进器300均为螺旋桨推进器。当机器人平台处于复杂水域中，采用螺旋桨推进器进行驱动，有效的提高了机器人平台在复杂水域中的行进速度和工作效率。所述仿生鱼尾结构200采用软质硅胶材质制成。仿生鱼尾结构200可以轻松拆卸，且具有高韧性和高柔软度，采用仿生鱼尾结构200驱动模式的能量转换效率较高。
本发明的混合动力水下机器人平台采用推进器300与仿生仿生鱼尾结构200的混合动力驱动。在静水区域，可采用仿生鱼尾结构200驱动模式，从而提高了能量转换效率，极大的提高了机器人平台的续航时间。由于鱼类摆尾式机动不但效率高、操纵灵活，而且尾迹小、几乎不产生噪声，是水下推进和操控的最佳方式。当机器人平台处于复杂水域中，可采用螺旋桨推进器驱动模式，极大的提高了机器人平台在复杂水域中的行进速度和工作效率。这两种驱动模式可自由切换，轻松应对各种水下环境。
本发明的机器人平台采用整体开放、局部密封的方式进行防水设计。即使因剧烈碰撞发生意外漏水，也能保证机器人平台所受损失最小，不会出现整个机器进水的情况。模块化的设计思路使得后期维修及更换零件更加简单、方便，维修成本更低，使用寿命更长。
本发明的机器人平台能够适用于多种应用场景：
比如，水质检测。在污染水域中定点提取水质，也可通过自身搭载的传感器实时的检测到污染物浓度信息。包括：1.污染源头追溯：环保部门可选配动态水质分析仪，依据污染浓度分布情况，搜寻排染源头，并进行拍照取证。2.针对性治污：根据前期水质监测数据分析，掌握水域环境中污染物浓度分布与时间及空间关系，并分时段、流域、深度高效治污。3.重大污染事件应急响应：设备轻便易携带，可用于重大污染事故发生时，对水环境迅速监测并评估污染范围及污染物质分布情况。
或者，智能渔业养殖。机器人平台可以诱导鱼群运动，适当增加鱼的运动量；可以实时监控温度、PH值、溶解氧等水质参数；观测养殖水产品的生长情况、进食、饵料剩余情况；可用于水环境、水下生物的观测、研究和教学，海洋考察等。
再如，水下搜索。可在水下长时间作业，通过规划路径在水下搜寻救援目标，在精准的定位功能指引下，机器人平台可下潜到人类潜水员无法达到的深度海域和复杂海洋环境中进行搜救作业，有效覆盖面广，搜寻效率高，可减小救生员的危险系数。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混合动力水下机器人平台，其特征在于，包括：
壳体(100)，所述壳体(100)的外轮廓呈仿生鱼形，所述壳体(100)的一端连接有仿生鱼尾结构(200)，所述壳体(100)的两侧均设置有推进器(300)；
主机舱(400)，所述主板舱(400)位于所述壳体(100)内，且与所述壳体(100)的内侧连接，所述主机舱(400)靠近所述壳体(100)前端的一侧连接有摄像头(410)，所述主机舱(400)内设置有电子罗盘和控制器；
运动控制舱(500)，所述运动控制舱(500)分别与所述主机舱(400)和所述壳体(100)连接，所述运动控制舱(500)内安装有重心调节机构(510)，所述重心调节机构(510)的上方设置有固定支架(520)，所述固定支架(520)上方放置有电池舱(600)，所述电池舱(600)通过安装架(530)与所述固定支架(520)连接；
抽水舱(700)，所述抽水舱(700)位于所述壳体(100)外侧，且与所述壳体(100)的下端连接；
所述推进器(300)、电子罗盘和重心调节机构(510)均与所述电池舱(600)电连接。
2.根据权利要求1所述一种混合动力水下机器人平台，其特征在于，所述壳体(100)的一端为镜头防护罩(110)，另一端为后盖板(120)，所述镜头防护罩(110)和所述后盖板(120)通过所述上壳体(130)和所述下壳体(130)连接，所述上壳体(130)向上设置有RF天线(131)，两个所述推进器(300)分别设置在所述下壳体(140)的两侧。
3.根据权利要求1所述一种混合动力水下机器人平台，其特征在于，所述主机舱(400)上端设置有GPS定位模块(420)和通讯模块(430)，所述GPS定位模块(420)和通讯模块(430)均与所述电池舱(600)电连接，所述通讯模块(430)与PC端通过信号连接。
4.根据权利要求3所述一种混合动力水下机器人平台，其特征在于，所述主机舱(400)的下端设置有用于安装传感器的水质传感器接口(550)。
5.根据权利要求1所述一种混合动力水下机器人平台，其特征在于，所述重心调节机构(510)包括：
驱动电机(511)，所述驱动电机(511)固定与所述固定支架(520)的后端板(521)连接，所述驱动电机(511)与所述电池舱(600)电连接；
第一丝杠(512)，所述第一丝杠(512)的一端与所述驱动电机(511)的输出端连接，另一端与所述固定支架(520)的前端板(522)活动连接；
重力块(513)，所述重力块(513)套设在所述第一丝杠(512)外侧，并与所述第一丝杠(512)螺纹连接。
6.根据权利要求4所述一种混合动力水下机器人平台，其特征在于，所述第一丝杠(512)的下方设置有光电开关(513)。
7.根据权利要求2所述一种混合动力水下机器人平台，其特征在于，所述抽水舱(700)包括：
舱体(710)，所述舱体(710)与所述下壳体(140)的下端连接，所述舱体(710)前端开设有探照灯(711)，所述舱体(710)内设置有步进电机(720)；
第二丝杠(730)，所述第二丝杠(730)的一端与步进电机(720)的输出端连接，另一端与舱体(710)活动连接，所述第二丝杠(730)外侧套设有滑块(731)；
活塞(740)，所述活塞(740)设置在所述滑块(731)的外侧，且与所述滑块(731)固定连接。
8.根据权利要求7所述一种混合动力水下机器人平台，其特征在于，所述抽水舱(700)还包括试剂投放组(750)，所述试剂投放组(750)设置在所述舱体(710)前端。
9.根据权利要求1所述一种混合动力水下机器人平台，其特征在于，两个所述推进器(300)均为螺旋桨推进器。
10.根据权利要求1所述一种混合动力水下机器人平台，其特征在于，所述仿生鱼尾结构(200)采用软质硅胶材质制成。
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