CN109387352A

CN109387352A - 一种用于波浪驱动无人水面机器人的实验平台

Info

Publication number: CN109387352A
Application number: CN201811337270.6A
Authority: CN
Inventors: 田宝强; 宋云波
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology; Marine Equipment and Technology Institute Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology; Marine Equipment and Technology Institute Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2019-02-26

Abstract

本发明涉及一种用于波浪驱动无人水面机器人的实验平台，该平台包括浮体和水下载体两个主要部分，二者通过系缆连接；浮体上装有伺服电机，减速器和卷筒；水下载体部分装有蹼翼和蹼翼旋转轴的固定机构；浮体上的伺服电机通电后驱动减速器和卷筒发生旋转，而绕在卷筒上的系缆与水下载体连接，就可以通过调节浮体上的电机的正反转和运动周期来模拟波浪运动的幅值和周期；该平台克服了海面波浪运动的随机性和海试的复杂条件，而且它能在实验室的水池进行，可以通过PLC控制器在线修改电机运动参数，模拟不同海况下的波浪运动情况，进行定量分析，提供了极大的便利；因而本发明具有操作简单，安全可靠，可调节，使用方便，效率高，成本低等优点。

Description

一种用于波浪驱动无人水面机器人的实验平台

技术领域

本发明涉及水下机器人工程领域，尤其涉及一种用于波浪驱动无人水面机器人的实验平台。

背景技术

水下机器人作为一种重要的海洋作业，观测平台，已经在海洋科学研究，海洋资源开发，海洋大气物理，海洋生态等方面得到广泛应用。然而海洋是个广阔的水域，要想进行以上的任务并不容易，主要问题是由于水下机器人自身体积的制约，决定了其所带的能源很有限，其续航能力受到能源的极大限制，所以各国都在水下机器人能源问题方面力求突破。

一方面各国在优化改进系统的能源利用率，另一方面在研究开发一些新式能源，如温差能，波浪能等，有些新能源已经在水下机器人领域得到一定的应用。其中海洋的波浪能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，现在的波浪能主要用于发电，有各种各样波浪能发电装置，有振荡浮子式、振荡水柱式、聚波式、摆式等。但是这些波浪能转化装置在水下机器人领域应用有一定的困难，一方面是转化装置的体积很大，不容易装配，另一方面是即使能装配，水下机器人的惯性会使得波浪能转化装置的效率很低，因为波浪首先要激励水下机器人的壳体，让水下机器人运动，水下机器人再把运动传给内部的波浪能转化装置。该实验平台就是用于波浪驱动的无人水面机器人的基础研究，为波浪能在水下机器人工程领域中的应用奠定基础。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有操作简单，安全可靠，可调节，使用方便，效率高，成本低的用于波浪驱动无人水面机器人的实验平台。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种用于波浪驱动无人水面机器人的实验平台，其创新点在于：包括浮体和水下载体，浮体和水下载体通过系缆连接；浮体上装有伺服电机、减速器和卷筒，电机的驱动器和PLC控制器都设置在岸上，伺服电机通电后驱动减速器和卷筒发生旋转，绕在卷筒上的系缆通过圆筒与水下载体连接；

所述水下载体包括蹼翼、蹼翼旋转轴、蹼翼旋转轴的固定机构，所述蹼翼通过螺钉固定在蹼翼旋转轴上，所述蹼翼旋转轴位于蹼翼旋转轴的固定机构的两侧；所述蹼翼旋转轴的固定机构底部与蹼翼旋转轴之间通过挡板和挡块配合并以调节螺栓旋紧固定。

进一步的，所述伺服电机通过螺栓与减速器连接在一起，减速器与卷筒通过圆头平键连接，卷筒两端各装有一个卷筒支架，伺服电机和减速器一端也各装有一支架，作为对上述伺服电机和减速器的固定和支撑。

进一步的，所述卷筒是一个中部开有一个小孔的部件，系缆可以通过小孔固定于卷筒上，卷筒在卷筒支架上通过两个深沟球轴承支撑，卷筒轴向通过卷筒轴肩定位。

进一步的，所述卷筒的系缆通过浮体上设置的一圆筒与水下载体相连接，圆筒在浮体上是完全贯通的，圆筒两端均加工有大圆角以减少系缆上下运动与圆筒之间的摩擦。

进一步的，所述浮体上部为支撑板，且支撑板上开有通孔，用于固定电机，减速器，卷筒的支撑架，该支撑板与浮体通过螺钉连接，便于拆卸。

进一步的，所述蹼翼会在水下载体运动中受到水动力作用而自身发生弹性变形，而且在静止不受水动力时的弹性恢复力下，处于水平状态。

进一步的，所述水下载体上设置有拉架，且拉架通过螺栓与水下载体连接，拉架与系缆之间通过吊环连接。

本发明的优点在于：

1）操作简单；本发明在电机的驱动下工作，在给电机通电后，平台就会运动，没有推进器，而且电机的驱动器和控制器全部都在岸上，易于操作；

2）安全可靠；本发明采用机械式的机构，机构两侧对称，无论强度还是稳定性都很有保证；

3）可调节；本发明可设置不同海况条件，只要在工控机上对PLC进行程序修改就行，来调节波浪不同的幅值和周期等参数信息，而且其上有很大空间可以根据不同需求搭载不同的传感设备；

4）使用方便；本发明在线调节功能使得在对平台进行参数修改时，不需要将平台回收，直接修改，这样会带来很大的便利；

5）效率高；本发明前进的动力是通过蹼翼发生弹性变形获得的，各个旋转轴与水下载体的上下壳体间没有摩擦力，使得其效率增高；

6）成本低；本发明都是由一些焊接件和标准件组成，没有复杂的零件，节约成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的一种用于波浪驱动无人水面机器人的实验平台的主视图。

图2为本发明的一种用于波浪驱动无人水面机器人的实验平台的浮体俯视图。

图3为本发明的一种用于波浪驱动无人水面机器人的实验平台的水下载体俯视图。

图4为本发明的一种用于波浪驱动无人水面机器人的实验平台的蹼翼俯视图。

图5为本发明的一种用于波浪驱动无人水面机器人的实验平台的卷筒主视图。

其中，1、浮体，2、伺服电机，3、减速器，4、减速器支架，5、卷筒，6、卷筒支架，7、浮体舵，8、上壳体，9、尾部，10、下壳体，11、舵机叶片，12、稳心高保持架，13、调节螺栓，14、蹼翼，15、头部，16、拉架，17、吊环，18、系缆，19、支撑板，20、圆筒，21、固定螺钉，22、挡板，23、挡块，24、开口销，25、蹼翼旋转轴。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图1所示，本发明的一种用于波浪驱动无人水面机器人的实验平台，包括浮体和水下载体两个主要部分，二者通过系缆18连接；浮体上装有伺服电机2，减速器3，卷筒5，水下载体部分装有蹼翼14和蹼翼旋转轴25的固定机构；具体连接方式为：伺服电机2通过四个螺栓与减速器3连接在一起，减速器3与卷筒5通过圆头平键连接，它们又通过四个支架与浮体的支撑板19通过螺栓连接；水下载体部分有上壳体8和下壳体10组成，上壳体8和下壳体10由螺钉固联为一体，蹼翼14的旋转轴25开有凹槽，在上下壳体中间，进行轴向定位，拉架4和稳心高保持架12在上下壳体的上下两侧，拉架16通过螺栓与上壳体8连接，其上开有长槽，用于和水面测量平台连接时，可以调节首尾两部分质量分布不均，水动力不平衡等问题。稳心高保持架12与下壳体10连接的部位也开有长槽，便于前后移动调节波浪能转化机构质量分布不平衡，它也可以使波浪能转化机构重心下移，有利于稳定，中部有两个螺纹孔可以用于在上面搭载一些传感器。尾部舵机叶片11通过预先设置好的角度，然后通过其旋转轴上部螺母固定。

如图2所示，浮体上部的支撑板上开有通孔，用于固定电机2，减速器3，卷筒5的支撑架19，该支撑板19与浮体通过螺钉连接，这样设计是为了拆卸的方便。其中部的圆筒20用于卷筒5上的系缆18与水下载体连接的通道，完全贯通于浮体。

如图3至4所示，水下载体的调节螺栓13与在下壳体10内部的长条状挡板22用开口销24连接，二者之间可以相对旋转运动，挡板22上是与蹼翼旋转轴25固连的挡块，当调节螺栓12向上旋紧，使得挡板22和挡块23紧紧压在一起，这样蹼翼旋转轴25就不能相对于水下载体发生旋转运动。蹼翼14通过螺钉紧紧的固定在旋转轴25上，蹼翼14会在水下载体上下运动中受到水动力作用而自身发生弹性变形，而且在静止不受水动力时的弹性恢复力下，处于水平状态。

如图5所示，卷筒5是一个中部开有一个小孔的部件，系缆18的一端可以通过小孔固定于卷筒5上，卷筒在卷筒支架6上通过两个深沟球轴承支撑，轴向通过卷筒轴肩定位。卷筒12的系缆18通过浮体的圆筒20与水下载体相连接，圆筒20在浮体上是完全贯通的，为了减少系缆18上下运动与圆筒20之间的摩擦，圆筒两端均加工有大圆角。

本发明的工作原理：

本发明是通过电机驱动来模拟波浪运动的情况，波浪驱动无人水面机器人的作用原理是浮体受到波浪力作用产生上下振动，该运动拉动水下载体，使得水下载体通过蹼翼弹性变形来获得前进的动力。但是实验室无法获得具有一定参数的波浪或产生波浪的装置比较昂贵，而且海洋中的波浪也会时时变化，和风速具有很大关系，具有很大的随机性。所以基于这个需求发明了该模拟波浪运动功能的实验平台。该平台是通过电机的正反转来不断的拉动水下载体，是和波浪驱动的无人水面机器人的水下载体在受到波浪力作用下的运动情况基本上是一样的，从原理上和实际操作上，都具有很大的可行性，通过实验验证证明该方法是可行的。而且该方法可以在线修改波浪运动参数，使用起来非常方便。具体为：

当电机顺时针旋转时，通过减速器带动卷筒旋转，缠绕在卷筒上的系缆就会拉动水下载体向上运动，在水下载体向上运动中，蹼翼会受到向下水动力作用而向水下载体的下侧方向发生弹性变形，这样就会产生一定的升力，升力在水平方向的分力就是平台前进的动力，在该水平分力的牵引下，水下载体向前运动，而且会带动浮体一起向前运动。

当电机逆时针旋转时，通过减速器带动卷筒旋转，缠绕在卷筒上的系缆就会迅速释放，水下载体在其负浮力作用下，开始下沉，在水下载体向下运动中，蹼翼会受到向上水动力作用而向水下载体的上侧方向发生弹性变形，这样也会产生一定的升力，升力在水平方向的分力就是平台前进的动力，在该水平分力的牵引下，水下载体向前运动，而且会带动浮体一起向前运动。

可见，由于蹼翼弹性变形的存在，无论电机是顺时针还是逆时针，水下载体是上升还是下沉，蹼翼是像上侧还是下侧弯曲，都会产生水平前进的分力，该分力与平台的运动方向相同，一直会牵引着平台运动下去。同时当蹼翼在以上两个状态之间切换时，蹼翼会在弹性恢复力的作用下迅速复位，这对提高效率是很有用的，因为在切换过程中，水平分力会很小，对水平方向运动贡献很微弱，当蹼翼处于向上或向下两个极限位置时，水平分力是最大的。

实验平台根据不同的海况条件，改变波浪的幅值，周期等参数，可使其处于波浪能吸收率最大的位置。另外实验平台可以根据不同需要来搭配传感器，所以该平台是开放的，可调的，这样极大地扩大了其适用范围。所以该转化机构具有操作简单，可调节，安全可靠，效率高，成本低等优点。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种用于波浪驱动无人水面机器人的实验平台，其特征在于：包括浮体和水下载体，浮体和水下载体通过系缆连接；浮体上装有伺服电机、减速器和卷筒，电机的驱动器和PLC控制器都设置在岸上，伺服电机通电后驱动减速器和卷筒发生旋转，绕在卷筒上的系缆通过圆筒与水下载体连接；

2.根据权利要求1所述的一种用于波浪驱动无人水面机器人的实验平台，其特征在于：所述伺服电机通过螺栓与减速器连接在一起，减速器与卷筒通过圆头平键连接，卷筒两端各装有一个卷筒支架，伺服电机和减速器一端也各装有一支架，作为对上述伺服电机和减速器的固定和支撑。

3.根据权利要求1所述的一种用于波浪驱动无人水面机器人的实验平台，其特征在于：所述卷筒是一个中部开有一个小孔的部件，系缆可以通过小孔固定于卷筒上，卷筒在卷筒支架上通过两个深沟球轴承支撑，卷筒轴向通过卷筒轴肩定位。

4.根据权利要求1或3所述的一种用于波浪驱动无人水面机器人的实验平台，其特征在于：所述卷筒的系缆通过浮体上设置的一圆筒与水下载体相连接，圆筒在浮体上是完全贯通的，圆筒两端均加工有大圆角以减少系缆上下运动与圆筒之间的摩擦。

5.根据权利要求1所述的一种用于波浪驱动无人水面机器人的实验平台，其特征在于：所述浮体上部为支撑板，且支撑板上开有通孔，用于固定电机，减速器，卷筒的支撑架，该支撑板与浮体通过螺钉连接，便于拆卸。

6.根据权利要求1所述的一种用于波浪驱动无人水面机器人的实验平台，其特征在于：所述蹼翼会在水下载体运动中受到水动力作用而自身发生弹性变形，而且在静止不受水动力时的弹性恢复力下，处于水平状态。

7.根据权利要求1所述的一种用于波浪驱动无人水面机器人的实验平台，其特征在于：所述水下载体上设置有拉架，且拉架通过螺栓与水下载体连接，拉架与系缆之间通过吊环连接。