CN108116641A - 一种气控滑翔式水下机器人 - Google Patents

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Abstract

一种气控滑翔式水下机器人，主要部件包括前、后姿态舱，弹性皮囊，高、低压舱，浮力舱，机电舱，鱼鳍，摆尾，水下摄像头，水下照明灯，螺旋桨等。该机器人结构简单、控制易于实现，机动性好，它以压缩空气作为动力源，通过高压气体排挤设备自带液体改变机器人在水下重力与浮力的占比以及质心与浮心的占比来实现上浮、下潜、定位和姿态调整等水下滑翔动作功能，具有很大的民用推广价值。

Description

一种气控滑翔式水下机器人
技术领域
本发明涉及一种气控滑翔式水下机器人，适用于机械领域。
背景技术
21世纪被称为海洋世纪，随着陆地资源愈发匮乏，人们越来越重视对海洋资源的开发与利用。由于海洋资源不利于人类直接去开采，因此近年来水下机器人技术迅速发展。目前，已有一些可以投人使用的水下机器人产品。但是，现有水下机器人大多采用外挂电涡轮机驱动，由于机器人工作环境在水下，要求水下电机的密封性要足够好，因此这种驱动方式使产品结构复杂、价格昂贵，很少用于一般民用水下生产领域，如百米至数百米浅深的海水养殖领域。
发明内容
本发明提出了一种气控滑翔式水下机器人，主要部件包括前、后姿态舱，弹性皮囊，高、低压舱，浮力舱，机电舱，鱼鳍，摆尾，水下摄像头，水下照明灯，螺旋桨等。
本发明所采用的技术方案是：
所述机器人主要部件包括前、后姿态舱，弹性皮囊，高、低压舱，浮力舱，机电舱，鱼鳍，摆尾，水下摄像头，水下照明灯，螺旋桨等，其中前、后姿态舱和浮力舱内配备有弹性皮囊，皮囊外部充入一定量的环境液体，机电舱内配备PLC、各种电磁阀、压力传感器等。各舱室之间采用螺栓连接，增减和拆装设备仪器都比较方便。
所述水下机器人控制系统包括下潜、巡游、姿态调整、上浮控制回路。
所述气控滑翔式水下机器人的控制系统主要包括姿态调整控制系统，上浮、下潜、定位、巡游控制系统。
本发明的有益效果是：该机器人结构简单、控制易于实现，机动性好，它以压缩空气作为动力源，通过高压气体排挤设备自带液体改变机器人在水下重力与浮力的占比以及质心与浮心的占比来实现上浮、下潜、定位和姿态调整等水下滑翔动作功能，具有很大的民用推广价值。
附图说明
图1是本发明的水下机器人外形结构简图。
图2是本发明的水下机器人气动系统原理图。
图3是本发明的姿态调整闭环控制系统原理图。
图4是本发明的气压控制系统的方框图。
图中：a.螺旋桨；b.水下摄像头；c.前姿态舱；d.高压舱；e.浮力舱；f.机电舱；g.低压舱；h.后姿态舱；i.摆尾；j.水下照明灯；k.鱼鳍；l.摆动缸；1.低压气瓶；2.补气泵；3.高压气瓶；4.过滤器；5、6、20电控开关阀；7、8.电控换向阀；9.摆动缸；10、11.电控排气开关阀；12.电控充排液开关阀；13、14.节流阀；15.浮力舱；16、19电控充液开关阀；17.前姿态舱；18.后姿态舱；21.高压气瓶；22.低压气瓶；23.比例方向阀；24.前姿态隔膜缸；25.后姿态隔膜缸；26.开关阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1，水下机器人由于在水下运动，因此，其运动的阻力包括摩擦阻力和粘性压差阻力，由于摩擦阻力是雷诺数的函数，与湿表面积有关，粘性压差阻力与型体外形有关，所以水下机器人外形型体的设计，对减小摩擦阻力和粘性压差阻力及其重要。
本研究设计的气控滑翔式水下机器人利用仿生学原理，仿造鱼类的梭形鱼体，将水下机器人加工为旋转体以减小其运行时的阻力，从而减小动力消耗。该机器人主要部件包括前、后姿态舱，弹性皮囊，高、低压舱，浮力舱，机电舱，鱼鳍，摆尾，水下摄像头，水下照明灯，螺旋桨等。其中前、后姿态舱和浮力舱内配备有弹性皮囊，皮囊外部充入一定量的环境液体，机电舱内配备PLC、各种电磁阀、压力传感器等。各舱室之间采用螺栓连接，增减和拆装设备仪器都比较方便。
如图2，根据设计要求，该水下机器人控制系统包括下潜、巡游、姿态调整、上浮控制回路。
准备下潜时，通过PLC控制分别向前、后姿态舱和浮力舱注入规定量的环境液体，充液完成后机器人整体重力大于浮力，然后释放机器人，使其在总重力大于总浮力的状况下滑翔下潜。
在下潜阶段，随着深度的增加，压力传感器感受到海水的压力作用并将其反馈到计算机，当机器人下潜到预定的深度时，阀5、12通过PLC控制被同时通电打开，储存在3内的压缩空气被充人到浮力舱内的皮囊里，通过皮囊膨胀排出浮力舱内的部分液体，当机器人整体重力等于浮力时，机器人悬浮于水中，此时通过PLC控制关闭阀5、12，同时使电机驱动螺旋桨旋转，带动整个机器人前进，并通过PLC控制使阀8通电状态不同，3内的压缩空气被充入到9摆动缸，从而带动摆尾摆动起来，机器人进入巡游状态。
巡游过程结束后，通过PLC控制使阀10、20和阀7的左电磁铁通电，3内的压缩空气被充入到17前姿态舱内的皮囊，通过皮囊膨胀把前姿态舱内的部分液体排入到后姿态舱，使机器人重心逐渐向后偏移，机器人开始逐渐翻转，最终机器人头部铅直朝上，尾部向下，实现整个机器人姿态的调整功能。
姿态调整过程结束后，通过PLC控制关闭阀7、10和20，同时使阀5、12通电打开，再次把3内的压缩空气充入到巧浮力舱内的皮囊，通过皮囊膨胀把巧浮力舱内的液体排出体外，使机器人整体重力小于浮力，机器人开始滑翔上浮，直至浮出水面，实现机器人的上浮功能。
返回水面后的机器人，可通过各阀和补气泵的操作，重新完成3的补气到规定压力，低压气瓶排出瓶内气体，并补充大气，其它各部件完成规定充液量后，机器人再一次下潜水下。
如图3，该气控滑翔式水下机器人的控制系统主要包括姿态调整控制系统，上浮、下潜、定位、巡游控制系统，其中，姿态调整控制系统是整个系统的重中之重，图中把弹性皮囊等效成弹性隔膜，机器人要进行姿态调整时，高压气体被通入其中一个隔膜缸，隔膜膨胀把隔膜另一侧的液体排入另一个隔膜缸，机器人重心前移或后移，从而实现翻转即姿态调整动作。高压气体的排量及流动方向由比例方向阀控制。
如图4，闭环控制系统的核心元件是角速度传感器、A/D转换器、单片机、比例放大器。此闭环系统的控制过程是：角速度传感器实时采集机器人姿态调整时的翻转速度，并经A/D转换器将信号传输给单片机，与理想翻转速度进行比较得到偏差信号，偏差信号通过比例放大器控制比例方向阀动作，从而控制机器人的翻转速度。其中开关阀6仅由比例放大器控制其开、关。

Claims (3)

1.一种气控滑翔式水下机器人，其特征是：所述机器人主要部件包括前、后姿态舱，弹性皮囊，高、低压舱，浮力舱，机电舱，鱼鳍，摆尾，水下摄像头，水下照明灯，螺旋桨等，其中前、后姿态舱和浮力舱内配备有弹性皮囊，皮囊外部充入一定量的环境液体，机电舱内配备PLC、各种电磁阀、压力传感器等，各舱室之间采用螺栓连接，增减和拆装设备仪器都比较方便。
2.根据权利要求1所述的一种气控滑翔式水下机器人，其特征是：所述水下机器人控制系统包括下潜、巡游、姿态调整、上浮控制回路。
3.根据权利要求1所述的一种气控滑翔式水下机器人，其特征是：所述气控滑翔式水下机器人的控制系统主要包括姿态调整控制系统，上浮、下潜、定位、巡游控制系统。
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