CN110615083A - 一种基于二元矢量推进器的水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于二元矢量推进器的水下机器人，包括：抗压舱体，所述抗压舱体前端设置有摄像舱、内部设置有电子舱和电池组件舱；对称设置于所述抗压舱体两侧的机翼，所述机翼尾部设置有一字型舵，所述一字型舵后通过液压旋转机构连接有完全封装的二元矢量推进器；设置于所述抗压舱体尾部的十字型尾舵，所述十字型尾舵后连接有主推进器。本发明主要利用水平推进器与旋转机构配合，满足了水下机器人灵活动作及转向的需求。

Description

一种基于二元矢量推进器的水下机器人

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于二元矢量推进器的水下机器人。

背景技术

传统的水下全矢量推进器往往在具备尾部推进器的同时，在周身布置多个小型推进器，导致耗能大、机械结构复杂的问题，影响了机器人内部空间布置，造成了空间和能量上的双重浪费。

发明内容

根据上述提出现有的水下全矢量推进器机械结构复杂且布置多个水下推进器造成能量和空间浪费的技术问题，而提供基于二元矢量推进器的水下机器人。本发明主要利用水平推进器与旋转机构配合，满足了水下机器人灵活动作及转向的需求。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于二元矢量推进器的水下机器人，包括：

抗压舱体，所述抗压舱体前端设置有摄像舱、内部设置有电子舱和电池组件舱；

对称设置于所述抗压舱体两侧的机翼，所述机翼尾部通过液压旋转机构连接转向部，所述转向部的一端设置有一字型舵，另一端连接完全封装的二元矢量推进器，所述液压旋转机构在设定的旋转区间旋转；

设置于所述抗压舱体尾部的十字型尾舵，所述十字型尾舵后连接有主推进器。

进一步地，所述电子舱包括：

控制所述二元矢量推进器及主推进器推进状态的游动推进模块；

控制所述一字型舵及十字舵摆动状态的俯仰控制模块；

配合所述俯仰控制模块改变所述二元矢量推进器出力大小的纵向旋转机构控制模块；

回传航向检测数据的航向检测模块；

回传电源参数的电源管理模块；

实时调整拍摄角度并回传现场状况的摄像控制模块；

无线传输模块；以及

与上位机实时通信、并将上位机指令发送至上述各模块的主控模块。

进一步地，所述液压旋转机构包括步进电机、联轴器，第一齿轮和第二齿轮；所述第一齿轮与设置于二元矢量推进器中的第二齿轮啮合；所述步进电机通过改变输入脉冲通过所述第一齿轮及第二齿轮联动进而带动联轴器旋转获得所需行程。

进一步地，所述液压旋转机构还包括减速器。

进一步地，所述摄像舱包括耐压罩、摄像头云台以及摄像头。

进一步地，所述电池组件舱包括锂电池组。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明利用二元矢量推进器与旋转机构配合，辅以尾部主推进器作用，解决了传统水下推进器转向困难的技术问题，赋予水下机器人更强灵活性。

2、本发明减少了传统水下机器人布置的推进器数量，实现了空间和能量上的节约。

基于上述理由本发明可在水下机器人领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明机器人前进时运动方式变化示意图Ⅰ。

图3为本发明机器人前进时运动方式变化示意图Ⅱ。

图4为本发明机器人左移时运动方式变化示意图Ⅰ。

图5为本发明机器人左移时运动方式变化示意图Ⅱ。

图6为本发明机器人右移时运动方式变化示意图Ⅰ。

图7为本发明机器人右移时运动方式变化示意图Ⅱ。

图8为本发明机器人上浮时运动方式变化示意图Ⅰ。

图9为本发明机器人上浮时运动方式变化示意图Ⅱ。

图10为本发明液压旋转机构结构图。

图11为本发明电子舱结构功能框图。

图中：1、抗压舱体，2、机翼，3、摄像仓，4、电子舱，5、电池组件舱，6、矢量螺旋桨，7、主螺旋桨，8、液压旋转机构，9、尾舵，10、动力整合舱，11、第二齿轮，12、第一齿轮，13、联轴器，14、步进电机。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1-11所示，本发明公开了一种基于二元矢量推进器的水下机器人，包括：抗压舱体，所述抗压舱体前端设置有摄像舱、内部设置有电子舱和电池组件舱；所述抗压舱体两侧对称设置有机翼，所述机翼尾部通过液压旋转机构连接转向部，所述转向部的一端设置有一字型舵，另一端连接完全封装的二元矢量推进器，所述液压旋转机构在设定的旋转区间旋转；设置于所述抗压舱体尾部的十字型尾舵，所述十字型尾舵后连接有主推进器。

其中电子舱包括：根据控制指令控制所述二元矢量推进器及主推进器推进状态的游动推进模块；根据控制指令控制所述一字型舵及十字舵摆动状态的俯仰控制模块；根据控制指令配合所述俯仰控制模块改变所述二元矢量推进器出力大小的纵向旋转机构控制模块；根据控制指令回传航向检测数据的航向检测模块；根据控制指令回传电源参数的电源管理模块；实时调整拍摄角度并回传现场状况的摄像控制模块；无线传输模块；以及与上位机实时通信、并将上位机指令发送至上述各模块的主控模块。

所述液压旋转机构包括步进电机、联轴器，第一齿轮和第二齿轮；所述第一齿轮与设置于二元矢量推进器中的第二齿轮啮合；所述步进电机通过改变输入脉冲通过所述第一齿轮及第二齿轮联动进而带动联轴器旋转获得所需回转行程。所述液压旋转机构还包括减速器。

下面通过一个具体的实施方式，对本发明的技术方案做进一步说明：

如图1所示，一种基于矢量推进的水下机器人，其包括抗压舱体1，机翼2，摄像仓3，电子舱4，电池组件舱5，矢量螺旋桨6，主螺旋桨7，液压旋转机构8，尾舵9，动力整合舱10，上述各部件目前均有相应的成品可供选择。其中抗压舱体1内部设置电子舱4，电池组件舱5，舱体1的前部设置有摄像舱3，在机器人尾部设置有十字型尾舵9，同时在左右两侧的机翼2上装有完全封装的二元矢量螺旋桨6，来为水下机器人提供前进，后退，上浮，下沉的动力，液压旋转机构8布置在机翼2与矢量螺旋桨6之间。

如图11所示，电子舱包括有主控模块、游动推进模块、无线传输模块，摄像控制模块，纵向旋转机构控制模块，俯仰控制模块，航向检测模块和电源管理模块，其中纵向旋转机构控制模块为本机器人独有的模块，可以控制水下机器人在需要上浮与下沉时改变螺旋桨的角度，使其可以提供上浮以及下沉的动力。所述无线通讯模块使用蓝牙模块，可远程接受环境感知模块所收集的实时数据，发送指令控制中央处理模块操控液压旋转机构改变矢量螺旋桨的角度，以实现机体的上浮与下沉。所述摄像舱包括耐压罩、摄像头云台以及摄像头，摄像舱由电子舱控制。所述电池组件舱包括锂电池组。

如图2-3所示，当机器人需要前进时，机翼左右两端的矢量螺旋桨相对于舱体保持水平，且同时保持正转，为机体提供向前的动力，同时尾部十字舵根据舱内水平仪的反应实时调整姿态，保持机体在水中的水平运动。后退运动：当机器人需要后退时，左右两端的矢量螺旋桨相对于舱体保持水平，且同时保持反转，为机体提供向后的动力，同时尾部十字舵根据舱内水平仪的反应实时调整姿态，保持机体在水中的水平运动。其中，动力整合舱10包括旋转模块和推进模块。水下推进器上的推进器主要由矢量螺旋桨，轴承，推进电机，密封装置构成。矢量螺旋桨位于推进模块尾部；轴承负责传输动力；推进电机位于推进装置内部，因此占用的空间大大减小。密封装置保证推进模块的安全性。安装动力整合舱的水下机器人可以在各种气候和紧急情况下快速完成转向、停航、后退，相对于常规推进器大约可减少20％的反应时间；另外使用动力整合舱的水下机器人在航行时的最小转弯半径可大大减小；在合适的回转角度下或者同侧向推进器配合使用时，还可使水下机器人实现零半径回转、平行移动、精确定位等功能。

如图4-5所示当机器人在水中需要左移时，如果需要只需要微调机体前进角度，相应的调大右侧矢量螺旋桨的出力，同时使左侧螺旋桨反转，来达到使舱体左移的目的，同时，当需要原地左移时，可以将左侧的矢量螺旋桨旋转180度并正转，来达到使机体在极狭小的空间中转向的目的。

如图6-7所示当机器人在水中需要右移时，如果需要只需要微调机体前进角度，相应的调大左侧矢量螺旋桨的出力，同时使右侧螺旋桨反转，来达到使舱体右移的目的，同时，当需要原地右转时，可以将右侧的矢量螺旋桨旋转180度并正转，来达到使机体在极狭小的空间中转向的目的。

如图8-9所示当水下机器人需要上浮时，左右两侧的矢量螺旋桨相对于舱体顺时针同时转动45度左右并正转，同时舱体尾部十字舵摆动一定角度，提供一定的浮力使舱体保持相对稳定，当舱体上升到一定深度时，螺旋桨恢复水平方向提供动力。

当水下机器人需要下潜时，类似于上浮运动，左右两侧的矢量螺旋桨相对于舱体顺时针同时转动45度左右并反转，同时舱体尾部的十字舵摆动一定角度，提供一定的浮力使舱体保持相对稳定，当舱体下降到一定深度时，螺旋桨恢复水平方向提供动力。

如图10所示，液压旋转机构主要由步进电机，联轴器，第一齿轮12，第二齿轮11构成，第一齿轮12与螺旋桨中的第二齿轮11相互啮合，同时步进电机可以通过电子舱中的单片机改变输入脉冲改变来获得所需要的距离，同时，可以加装减速器来满足旋转机构的需要。

本发明中水下机器人采用CAN总线协议来控制，含有上位机和下位机两个不同部分。上位机含有PC端，无线传输模块。下位机包含主控模块，摄像控制模块，游动推进模块，无线传输模块，俯仰控制模块，旋转机构控制模块，航向检测模块和电源管理模块，如图11所示。

下位机中的主控模块可以实时接收由上位机发出的控制命令，而上位机也可以随时接受由下位机传输来的各项与机体有关的各项数据，诸如深度，游速等并对于上传的数据进行反映，保存和处理。

主控模块可以接受由上位机发出的各项指令信号，同时分解，处理命令并将其以CAN总线传输的形式传输给下位机中的各种相关模块，以及接收由各个控制模块上传的游动数据。

俯仰控制模块可以依据从主控模块接收到的指令操控尾部十字舵，两侧一字型舵，从而提供水下机器人在水中游动过程中所需的浮力和角度。

摄像控制模块可以控制摄像舱内的摄像器材实时调整拍摄角度，并传输实时现场状况。

纵向旋转机构控制模块的功能是在接受上位机的信号后与俯仰控制模块共同作用使机器人两侧的二元矢量推进器改变旋转角度，转动快慢，同时根据上位机的信号改变矢量螺旋桨的出力大小，使其达到前进，后退，左移，右移，上浮，下沉的目的。

电源管理模块可以接收从主控模块的指令，并返回电源的实时参数，并实时检测机器人电源的实时状况，为其余模块提供足够的工作电压。

航向检测模块可以接收主控模块传输来的指令，并将水下机器人的航向定时检测数据发送回上位机。

游动推进模块由左右一字型舵控制驱动部分和尾部十字舵控制部分组成，其可以接受指令调整一字型舵，十字舵的摆动频率，摆动方向，并根据主控模块，及旋转结构控制模块改变改变相应的倾角。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于二元矢量推进器的水下机器人，其特征在于，包括：

抗压舱体，所述抗压舱体前端设置有摄像舱、内部设置有电子舱和电池组件舱；

对称设置于所述抗压舱体两侧的机翼，所述机翼尾部通过液压旋转机构连接转向部，所述转向部的一端设置有一字型舵，另一端连接完全封装的二元矢量推进器，所述液压旋转机构在设定的旋转区间旋转；

设置于所述抗压舱体尾部的十字型尾舵，所述十字型尾舵后连接有主推进器。

2.根据权利要求1所述的基于二元矢量推进器的水下机器人，其特征在于，所述电子舱包括：

控制所述二元矢量推进器及主推进器推进状态的游动推进模块；

控制所述一字型舵及十字舵摆动状态的俯仰控制模块；

配合所述俯仰控制模块改变所述二元矢量推进器出力大小的纵向旋转机构控制模块；

回传航向检测数据的航向检测模块；

回传电源参数的电源管理模块；

实时调整拍摄角度并回传现场状况的摄像控制模块；

无线传输模块；以及

与上位机实时通信、并将上位机指令发送至上述各模块的主控模块。

3.根据权利要求1或2所述的基于二元矢量推进器的水下机器人，其特征在于，所述液压旋转机构包括步进电机、联轴器，第一齿轮和第二齿轮；所述第一齿轮与设置于二元矢量推进器中的第二齿轮啮合；所述步进电机通过改变输入脉冲通过所述第一齿轮及第二齿轮联动进而带动联轴器旋转获得所需行程。

4.根据权利要求3所述的基于二元矢量推进器的水下机器人，其特征在于，所述液压旋转机构还包括减速器。

5.根据权利要求4所述的基于二元矢量推进器的水下机器人，其特征在于，所述摄像舱包括耐压罩、摄像头云台以及摄像头。

6.根据权利要求4所述的基于二元矢量推进器的水下机器人，其特征在于，所述电池组件舱包括锂电池组。