CN107878712A - 冰下探测机器人 - Google Patents
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Abstract
冰下探测机器人，包括同轴线依次相连的艏舱、主舱、电子控制舱和艉舱，主舱、电子控制舱和艉舱组成机身，艏舱和艉舱与外部水域相通，主舱和电子控制舱为密封舱；艏舱内装有声纳高度计和声学收发器；主舱外套装有非接触式电能及信号传输组件，非接触式电能及信号传输组件内装有电磁耦合线圈，主舱内安装有姿态调整系统和浮力调节系统；电子控制舱内安装有深度计、主控电路板、导航与通信组件和电子罗盘；还包括对称设置的机翼，机翼沿着机身从前往后扩展平铺设置，在机翼的尾部左右边缘安装有可沿冰层下表面移动的防滑轮；艉舱上固定有螺旋桨推进系统和防滑轮驱动系统，防滑轮与驱动其运动的防滑轮驱动系统连接。
Description
技术领域
本发明属于智能设备领域，涉及一种冰下探测机器人。
背景技术
北极地区存在着广袤的浮冰区，南极存在着连接大洋和极地冰盖的冰架。不论南极还是北极，对于冰下环境的探测至今还是难点。科学家要想研究浮冰下面的环境，目前通常有两种方式，一是通过在水下航行的自主水下航行器(AUV)，二是通过在冰面上钻孔并将带缆的仪器设备放入其中。AUV虽然可以在水下一定范围内探测，但是由于电磁波在水中衰减严重，不能实现与冰面的实时通信，此外AUV探测方式还存在续航能力有限，自动回坞充电困难的不足；钻孔放入的设备探测范围仅限于冰洞四周。针对上述冰下探测手段的不足，本发明的目的是提供一种功能多样，能实现冰面下实时通信和数据传输，运行可靠的冰下探测机器人。
现有技术存在以下不足之处：
1.AUV虽然可以在水下一定范围内探测，但是由于电磁波在水中衰减严重，不能实现与冰面的实时通信，此外AUV探测方式还存在续航能力有限，自动回坞充电困难的不足
2.钻孔放入的设备探测范围仅限于冰洞四周，成本太高，不适合大范围地采集数据。
发明内容
本发明提供了一种探测手段多样、能适应不同环境、可通过冰层进行数据传输、运行可靠的冰下探测机器人。
本发明采用的技术方案是：
冰下探测机器人，包括同轴线依次相连的艏舱、主舱、电子控制舱和艉舱，主舱、电子控制舱和艉舱组成机身，其特征在于：艏舱和艉舱与外部水域相通，主舱和电子控制舱为密封舱；艏舱内装有声纳高度计和声学收发器；主舱外套装有非接触式电能及信号传输组件，非接触式电能及信号传输组件内装有电磁耦合线圈，主舱内安装有姿态调整系统和浮力调节系统；电子控制舱内安装有深度计、主控电路板、导航与通信组件和电子罗盘；还包括对称设置的机翼，机翼沿着机身从前往后扩展平铺设置，机翼与外界相通，在机翼的尾部左右边缘安装有可沿冰层下表面移动的防滑轮，主舱上的信号传输组件的天线外安装有可在冰面上滑行以实现运动的同时进行通信的天线罩子；艉舱上固定有螺旋桨推进系统和防滑轮驱动系统，防滑轮与驱动其运动的防滑轮驱动系统连接。本发明可以贴着冰运动，借助冰作为电磁波的通信信道，解决了常规水下机器人在水下不能实时远距离通信的困难。并且采用翼身融合的设计，有效减小了水流干扰，降低了水流阻力，不仅提高了本体的升阻比，还使全机的载荷分布更均匀。
进一步，姿态调整系统包括横滚角调节装置和俯仰角调节装置，横滚角调节装置由偏心旋转电机和随着偏心旋转电机转动而转动的偏心旋转重物组成，偏心旋转电机安装在支架上，支架上还固定有电池包，横滚角调节装置和支架以及电池包组成平移组件，平移组件可移动的安装在轴向平行设置的调节丝杠和平移导轨上，构成俯仰角调节装置。
进一步，调节丝杠与调节电机的转轴连接，调节丝杠上设有调节螺母，支架与调节螺母固定连接；电池包可沿着平移导轨移动地安装于平移导轨上。
进一步，偏心旋转电机上设有蜗轮蜗杆减速器，起到锁定偏心旋转重物偏心角的作用。
进一步，浮力调节系统安装在主舱内的前部，其包括紧固在固定架上的电机、由前活塞缸和后活塞缸对接组成的活塞缸，在前、后活塞缸的对接处固定有滚动膜片，滚动膜片与活塞固连，活塞与活塞杆固连，活塞杆具有内螺纹，该内螺纹与活塞丝杠拧接组成丝杠螺纹副，活塞丝杠与电机转轴相连。
进一步，活塞杆上有限位槽，活塞缸端盖上设有嵌入到活塞杆的限位槽中的突起，前活塞缸的端部有孔，前活塞缸端部的孔与主舱上的和外界相连通的孔相对应，在前活塞缸与主舱的接触面上有密封圈。
进一步，机翼的主体是一梯型结构，其斜边是一倾斜的斜面结构，可以减小水流阻力。
进一步，在主舱和电子控制舱的连接处和电子控制舱与艉舱的连接处安装有机翼固定件，在艏舱和主舱的连接处也有螺纹孔，通过机翼固定件以及螺纹孔与螺钉配合固定机翼和机身。
进一步，螺旋桨推进系统包括螺旋桨和螺旋桨驱动装置，螺旋桨驱动装置密封安装在艉舱的内部，螺旋桨安装在艉舱的后侧方，螺旋桨驱动装置的螺旋桨电机通过磁耦合联轴器与螺旋桨连接。
进一步，防滑轮驱动系统包括密封腔、轴承、端盖、电机以及电机减速器、电机驱动器，电机和电机减速器、轴承都安装在端盖上，电机驱动器安装在另一个端盖上，电机的密封输出轴连接着防滑轮，输出轴与端盖的连接处加了密封圈，端盖与防滑轮相连接。
与现有技术相比，本发明取得了以下的有益效果：
1.螺旋桨驱动装置和防滑轮驱动装置独立于主腔体外单独密封，即使动密封失效，不会导致主腔体进水，也不会危及到关键的主控系统，从而增加了冰下探测机器人的工作可靠性。
2.冰下探测机器人可以适应三种探测环境，在需要远航程或者隐蔽性的场合采用滑翔模式运行，在需要精确定位或者需要克服海流影响时采用水下自主航行器(AUV)模式运行，在具有海冰或者冰架环境中又能够在冰层下方进行移动和探测，并且能够与水下接驳平台对接，进行非接触式充电和数据传输。该发明具有可靠性高、结构紧凑的技术效果。
3.冰下探测机器人可以在冰层下贴着冰运动，借助冰作为电磁波的通信信道，这样可以解决常规水下机器人在水下不能实时远距离通信的困难。
4.在冰层下方运动时，冰下探测机器人的运动可以近似为二维的运动，相比于在水下三维空间的运动，进行自主回收充电更加便利。
5.冰下探测机器人采用了翼身融合的设计，这种设计有效减小了传统布局中机翼与机身间的水流干扰，降低了水流阻力，并且扁平的机体和机翼一样能产生升力，不仅提高了本体的升阻比。
附图说明
图1为本发明的整体外观示意图；
图2为本发明的整体组装示意图；
图3为本发明的机翼结构示意图；
图4为本发明的防滑轮驱动结构。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
参照图1‐4，本发明的冰下探测机器人包括同轴线依次相连的艏舱1、主舱3、电子控制舱4和艉舱6，主舱3、电子控制舱4和艉舱6组成机身，艏舱1和艉舱6与外部水域相通，主舱3和电子控制舱4为密封舱。
艏舱1内装有声纳高度计24和声学收发器9。艏舱1是传感器舱，其中声纳高度计24用于测量航行器与海底的距离，声学收发器9集成了超短基线定位(USBL)功能，用于与水下接驳平台水声通信和超短基线定位，水下接驳平台实时告知冰下探测机器人的相对方位，然后冰下探测机器人启用自动回航程序，实现与水下接驳平台对接。
主舱3内安装有姿态调整系统和浮力调节系统23。姿态调整系统包括横滚角调节装置和俯仰角调节装置，横滚角调节装置由偏心旋转电机11和随着偏心旋转电机11转动而转动的偏心旋转重物10组成，偏心旋转电机11上设有蜗轮蜗杆减速器，起到锁定偏心旋转重物10偏心角的作用。偏心旋转电机11安装在支架19上，支架19上还固定有电池包20，横滚角调节装置和支架19以及电池包20组成平移组件，平移组件可移动的安装在轴向平行设置的调节丝杠18和平移导轨22上，构成俯仰角调节装置。调节丝杠18与调节电机17的转轴连接，调节丝杠18上设有调节螺母，支架19与调节螺母固定连接，由调节螺母带动平移组件移动；电池包20可沿着平移导轨22移动地安装于平移导轨22上。通过调节电机17带动调节丝杠18转动，转换为平移组件的纵向移动来实现冰下探测机器人重心的移动，从而实现俯仰角的调节。整个横滚角调节装置作为平移组件的一部分参与了重心的移动，增加了重心移动的灵敏度。
电子控制舱4内安装有深度计15、主控电路板12、导航与通信组件14和电子罗盘16；深度计15用于测量外部水压进而换算得到冰下探测机器人所在的深度，主控电路板12实现冰下探测机器人的信号采集及控制，导航与通信组件14实现冰下探测机器人的GPS导航、无线通信和铱卫星通信，电子罗盘16实现航行器航向角、俯仰角和横滚角3个姿态角的测量。
冰下探测机器人还包括对称设置的机翼5，机翼5是由复合材料拼装而成，内部由骨架支撑。机翼5沿着机身从前往后扩展平铺设置，形成翼身融合的结构，机翼5是非水密的，在机翼5的尾部左右边缘安装有可沿冰层下表面转动的防滑轮8，当冰下探测机器人从下方贴着冰面运动时，天线罩子贴着冰面滑动，这样正好可以借助冰作为电磁波的通信信道，实现水下数据的实时高速传输，机翼5的主体形状是一梯型结构，其斜边是一倾斜的斜面结构，可以减小水流阻力。在主舱3和电子控制舱4的连接处和电子控制舱4与艉舱6的连接处安装有机翼固定件30，机翼固定件30一边是平面与机翼连接，一边是圆弧面与主体相切连接。在艏舱1和主舱3的连接处也有螺纹孔，通过机翼固定件30以及螺纹孔与螺钉配合固定机翼5和机身。
艉舱6上固定有螺旋桨推进系统和防滑轮驱动系统，防滑轮8与驱动其运动的防滑轮驱动系统连接。螺旋桨推进系统包括螺旋桨7和螺旋桨驱动装置13，螺旋桨驱动装置13安装在艉舱6的内部，螺旋桨7安装在艉舱6的后侧方，螺旋桨驱动装置13采用单独的腔体密封，电源和控制信号通过水密缆连接到电子控制腔4，螺旋桨驱动装置13的螺旋桨电机的输出转矩通过磁耦合联轴器传递给螺旋桨7。防滑轮驱动系统包括密封腔25、轴承26、端盖27，电机以及电机减速器28，电机驱动器29，电机和电机减速器28、轴承26都安装在端盖27上，电机驱动器29安装在另一个端盖上。动力从电机通过动密封传递出来，电机的密封输出轴连接着防滑轮，输出轴与端盖的连接处加了密封圈，端盖27产生驱动力来驱动防滑轮，端盖27与防滑轮8相连接，以此产生动力来驱动防滑轮8。
本发明的工作过程如下：
当机器人在冰层下表面移动时，机器人通过调整浮力来紧贴冰面，通过防滑轮驱动装置产生动力移动，通过防滑轮8的差速运转进行拐弯，主舱3安装的天线罩子2与冰面接触可以进行实时通信和数据传输。
冰下探测机器人工作在滑翔器模式时，冰下探测机器人通过调整浮力来驱动航行。当冰下探测机器人处于水下时，通过调整平移组件的位置，使机器人的整体重心在浮心的前方，同时，浮力调节系统23工作，使机器人处于负浮力状态，机器人开始下潜，由于负浮力和攻角的存在，机翼5上产生向前的力分量，使机器人沿前下方运动；当机器人到达一定深度时，浮力调节系统23工作，将活塞缸内的水排出，使机器人处于正浮力状态，并通过移动平移组件的位置，使机器人的整体重心在浮心的后方，类似的，由于正浮力和攻角的存在，机翼5上产生向前的力分量，机器人沿前上方运动。机器人不断重复这样的下潜和上浮的运动，实现锯齿形的运动轨迹。
当冰下探测机器人工作在AUV模式时，机器人通过螺旋桨7来驱动航行。此时通过浮力调节系统23使航行器处于零浮力状态，螺旋桨7旋转则可以推动机器人前进，调整俯仰角调节装置，可以实现机器人以不同的俯仰角航行。
冰下探测机器人前面安装的密封网络摄像头可以拍照、录视频，安装在摄像头周围的八颗LED灯可以进行照明，照片或视频会传入视频采集压缩板进行压缩，然后再通过铱卫星或者无线通信模块进行回传。
本发明的螺旋桨驱动装置和防滑轮驱动装置独立于主腔体外单独密封，即使动密封失效，不会导致主腔体进水，也不会危及到关键的主控系统，从而增加了冰下探测机器人的工作可靠性。冰下探测机器人可以适应三种探测环境，在需要远航程或者隐蔽性的场合采用滑翔模式运行，在需要精确定位或者需要克服海流影响时采用水下自主航行器(AUV)模式运行，在极地浮冰环境中又能够在冰层下方进行移动或探测，并且能够与水下接驳平台对接，进行非接触式充电和数据传输。该发明具有可靠性高、结构紧凑的技术效果。冰下探测机器人可以贴着冰运动，借助冰作为电磁波的通信信道，这样可以解决常规水下机器人在水下不能实时远距离通信的困难。在冰层下方运动时，冰下探测机器人的运动可以近似为二维的运动，相比于在水下三维空间的运动，自主回收充电更加便利。冰下探测机器人采用了翼身融合的设计，通过形成合理的压力梯度，使得总长中大部分是层流段，这种设计有效减小了传统布局中机翼与机身间的水流干扰，降低了水流阻力，并且扁平的机体和机翼一样能产生升力，提高了主体的升阻比。
Claims (10)
1.冰下探测机器人，包括同轴线依次相连的艏舱、主舱、电子控制舱和艉舱，主舱、电子控制舱和艉舱组成机身，其特征在于：艏舱和艉舱与外部水域相通，主舱和电子控制舱为密封舱；艏舱内装有声纳高度计和声学收发器；主舱外套装有非接触式电能及信号传输组件，非接触式电能及信号传输组件内装有电磁耦合线圈，主舱内安装有姿态调整系统和浮力调节系统；电子控制舱内安装有深度计、主控电路板、导航与通信组件和电子罗盘；还包括对称设置的机翼，机翼沿着机身从前往后扩展平铺设置，机翼与外界相通，在机翼的尾部左右边缘安装有可沿冰层下表面移动的防滑轮，主舱上的信号传输组件的天线外安装有可在冰面上滑行以实现运动的同时进行通信的滚动防护罩；艉舱上固定有螺旋桨推进系统和防滑轮驱动系统，防滑轮与驱动其运动的防滑轮驱动系统连接。
2.根据权利要求1所述的冰下探测机器人，其特征在于：姿态调整系统包括横滚角调节装置和俯仰角调节装置，横滚角调节装置由偏心旋转电机和随着偏心旋转电机转动而转动的偏心旋转重物组成，偏心旋转电机安装在支架上，支架上还固定有电池包，横滚角调节装置和支架以及电池包组成平移组件，平移组件可移动的安装在轴向平行设置的调节丝杠和平移导轨上，构成俯仰角调节装置。
3.根据权利要求2所述的冰下探测机器人，其特征在于：调节丝杠与调节电机的转轴连接，调节丝杠上设有调节螺母，支架与调节螺母固定连接；电池包可沿着平移导轨移动地安装于平移导轨上。
4.根据权利要求2所述的冰下探测机器人，其特征在于：偏心旋转电机上设有蜗轮蜗杆减速器，起到锁定偏心旋转重物偏心角的作用。
5.根据权利要求1所述的冰下探测机器人，其特征在于：浮力调节系统安装在主舱内的前部，其包括紧固在固定架上的电机、由前活塞缸和后活塞缸对接组成的活塞缸，在前、后活塞缸的对接处固定有滚动膜片，滚动膜片与活塞固连，活塞与活塞杆固连，活塞杆具有内螺纹，该内螺纹与活塞丝杠拧接组成丝杠螺纹副，活塞丝杠与电机转轴相连。
6.根据权利要求5所述的冰下探测机器人，其特征在于：，活塞杆上有限位槽，活塞缸端盖上设有嵌入到活塞杆的限位槽中的突起，前活塞缸的端部有孔，前活塞缸端部的孔与主舱上的和外界相连通的孔相对应，在前活塞缸与主舱的接触面上有密封圈。
7.根据权利要求1所述的冰下探测机器人，其特征在于：机翼的主体是一梯型结构，其斜边是一倾斜的斜面结构。
8.根据权利要求7所述的冰下探测机器人，其特征在于：在主舱和电子控制舱的连接处和电子控制舱与艉舱的连接处安装有机翼固定件，在艏舱和主舱的连接处也有螺纹孔，通过机翼固定件以及螺纹孔与螺钉配合固定机翼和机身。
9.根据权利要求1～8之一所述的冰下探测机器人，其特征在于：螺旋桨推进系统包括螺旋桨和螺旋桨驱动装置，螺旋桨驱动装置密封安装在艉舱的内部，螺旋桨安装在艉舱的后侧方，螺旋桨驱动装置的螺旋桨电机通过磁耦合联轴器与螺旋桨连接。
10.根据权利要求9所述的冰下探测机器人，其特征在于：防滑轮驱动系统包括密封腔、轴承、端盖、电机以及电机减速器、电机驱动器，电机和电机减速器、轴承都安装在端盖上，电机驱动器安装在另一个端盖上，电机的密封输出轴连接着防滑轮，输出轴与端盖的连接处加了密封圈，端盖与防滑轮相连接。
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