CN112025725B - 一种一次性无缆遥控水下排爆机器人及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一次性无缆遥控水下排爆机器人及其设计方法，机器人包括机器人主体和通信浮标，机器人主体包括探测头段、电子电池舱段、尾段，各舱段之间的壳体采用法兰盘连接，电子电池舱段壳体两端完全密封，除电子电池舱段，其余舱段为可进水结构，尾段与通信浮标可拆卸连接，通信浮标与母船之间采用无线电通信；设计方法包括：S1.设计机器人的总体外形和布置推进装置；S2.设计功能性传感器；S3.计算机器人相关参数；S4.设计通信浮标；通过实验证明了本方法所设计机器人，证明了本发明所设计的机器人与传统水下排爆工具相比，具有操纵距离远、体积小重量轻、数据传输结果准确、通信浮标与机器人主体之间的拖拽力小的特点。

Description

一种一次性无缆遥控水下排爆机器人及其设计方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种一次性无缆遥控水下排爆机器人及其设计方法。

背景技术

水下排爆机器人是一种利用搭载的声光传感器对水雷、炸弹等水下爆炸物进行识别和确认，进而直接销毁爆炸物的特种水下机器人，主要消灭普通水雷的水下排爆机器人称为灭雷具。

现有的水下排爆机器人主要为线控灭雷具，即通过光缆、电缆或脐带电缆传输遥控遥测信息(及电力)进行控制的机器人，这种机器人与水面控制母舰(猎雷舰)之间通过一条光缆、电缆或脐带电缆相连接，遥控指令和水下声呐、电视目标图像及其他遥测信息都经过该缆传输；若只传遥控遥测信息，不传输电力，则只需直径较细的同轴电缆或光纤即可

长度可达2000m；若需同时向机器人馈送电力，则需采用直径稍粗的

的脐带电缆；采用脐带电缆的机器人，其水下续航力几乎不受限制，机器人携带电缆航行一般有两种方式；对一次性使用、直径较小

的同轴电缆或光缆，机器人采取布缆航行方式；电缆或光缆绕在一线轴上，线轴由机器人携带，机器人航行时自动从尾部放出电缆或光缆；机器人在水中航行时，无需承受大的电缆拉力，当机器人完成任务需返回时，一般自动解脱电缆，机器人从水面返航；对直径稍粗

的重复使用的缆，机器人采取拖缆航行方式；母舰上必须配备张力自动控制电缆绞车，电缆卷绕在绞车上，当机器人入水航行时，拖曳电缆航行，当电缆张力超过一设定值时，绞车自动放出电缆，此种方式电缆要承受很大的拉力，尤其在强海流及深水航行时，线控机器人的所施用的电缆承受压力较大，而且海峡礁石较多，容易造成电缆的断裂等问题，目前，世界各国的现役水下排爆机器人几乎全是缆控机器人；

因此，如何设计一种一次性无缆遥控水下排爆机器人成为了科研人员研究的译者主要方向，目前还未出现关于一次性无缆遥控水下排爆机器人的相关报道。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种一次性无缆遥控水下排爆机器人及其设计方法，通过以水下无人航行器做参考，设计了一种一次性无缆遥控水下排爆机器人，并通过通信浮标的相关试验证明了机器人无缆化的可实施性，为机器人的制造和设计立功了理论和设计依据，具有机器人结构设计合理、实验结果准确的特点。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种一次性无缆遥控水下排爆机器人，包括流线形的机器人主体和通信浮标，机器人主体包括探测头段、电子电池舱段、尾段，各舱段之间的壳体采用法兰盘连接，所述电子电池舱段的壳体两端完全密封，其余两个舱段为可进水结构，尾段通过光缆锁定机构与通信浮标可拆卸连接；

探测头段主要用于搭载探测设备和作战单元，在探测头段上布置有水下摄像头、声纳、LED水下照明灯、聚能装药战斗部、一个垂直辅助推进器和一个横移辅助推进器；

电子电池舱段为水密舱段，且为单壳体结构，内侧电子器件托板，用于搭载控制系统、导航系统和能源系统，所述控制系统与线缆的一端连接，电子电池舱段外挂两个主推进器；

尾段为近似锥形，线缆穿过尾段内腔，通过设置在尾段尾端的线缆出口将线缆从尾段内穿出，尾段外挂有一个垂直辅助推进器和一个横移辅助推进器，在尾段的尾端安装有锁定机构；通信浮标通过通信线缆与电子电池舱段内部控制系统连接，并在尾段的尾端安装有锁定机构；

通信浮标为双体船结构，通过锁定机构与机器人主体的尾段连接。

优选的，所述的锁定机构包括安装板、舵机、转动臂、转轴插销轴，安装板安装在尾段上，在安装板上设置有U形卡槽，U形卡槽上端口的左右两端设置有销接孔与U形卡槽配合使用，舵机安装在安装板的内侧，且其控制端与通信线缆连接，动力输出端与转动臂的一端连接，转动臂的另一端与转轴连接，转轴的另一端上安装有插销轴。

优选的，所述的通信浮标包括立式线盘、浮标船体、线盘安装架、连接梁，浮标底座包括两个结构相同的浮标船体，浮标底座设置在连接梁的前后两端，且与连接梁通过螺栓连接，前端的连接梁上设置有连接孔，连接孔与U形卡槽的外侧槽壁配合使用，线盘安装架固定安装在两个浮标船体之间，且通过螺栓与立式线盘转动连接，在立式线盘的下侧设置有设备安装盒，设备安装盒内安装无线数传模块、无线图传模块以及供电电源，在线盘安装架的顶部还设置有打捞横梁。

优选的，所述的设备安装盒包括盒体和空腔，盒体的上端开设有信号传输口，信号传输口上设置有活动盖板，活动盖板通过活动组件盖合在信号传输口上，且在盒体的侧壁上设置有水压测量组件与活动组件连接，通过活动组件控制活动盖板盖合；活动组件包括导向滑轨、驱动电机和驱动齿轮，导向滑轨对称设置在信号传输口下侧面板的前后两端，活动盖板卡合在导向滑轨的导向槽中，沿着导向滑轨左右滑动，且在导向滑轨右侧后端的下侧设置有卡合凸起，卡合凸起上设置有卡齿与驱动齿轮相互啮合，驱动齿轮安装在驱动电机的动力输出端；所述水压测量组件包括设置在盒体外侧壁上的压力管，活动压片和固定压片，压力管为下端进水上端封闭的管状结构，活动压片活动安装在压力管内，沿着滑槽在压力管上下滑动，且活动压片的顶侧板为导电板，与电源连接，固定压片固定安装在压力管的顶端，且固定压片的底侧板为导电板，与驱动电机的电压输入端连接。

优选的，所述的声纳为micron声纳，水下摄像头为像素≥200万的深水摄像头、陀螺仪为MPU9250九轴电子陀螺仪、测深传感器为 MS5837型测深传感器；且所述的LED水下照明灯的工作电压为24V，能够通过改变PWM信号进行亮度调节，最大亮度为2200lumens，最大功率为20W；所述控制系统的控制芯片为STM32f103ZET6单片机。

一种一次性无缆遥控水下排爆机器人的设计方法，包括：

S1.设计机器人的总体外形和推进装置的布置

通过分析不同形状的物体在水中的形状阻力系数，来确定机器人的外形为流线形，然后分析水下航行体在水中的自由度，确定推进装置的布置方式；

S2.设计功能性传感器

在S1确定了推进装置的布置之后，无缆一次性机器人在水中的运动得到了保证，为了实现机器人探测识别、姿态稳定的功能，对机器人上要搭载的主要的传感器进行相应的设计；

S3.计算机器人的相关参数

S301.计算主推电机有效功率；

S302.计算总体阻力；

S303.计算电池电量；

S304.计算耐压舱厚度；

S4.设计通信浮标

设计与机器人主体分离的通信浮标，并在通信浮标上装载无线图像传输设备、无线数据传输设备以及供电电池，无线图传、无线数传与母船上的接收设备形成通信链；

其中：所述的推进装置包括两个垂直辅助推进器、两个横移辅助推进器和两个主推进器，主推进器负责机器人的直航、偏航运动；横移辅助推进器负责机器人的横移运动，并辅助主推进器的偏航运动；垂直辅助推进器负责机器人的浮潜、俯仰运动。

优选的，步骤S301所述的主推电机有效功率的计算过程包括：

S3011.使用海军部系数经验公式计算:

其中：在式(1)中，△为排水量，V为体积，P_s为主机功率，C 为海军部系数；

S3012.选择与一次性无缆遥控水下排爆机器人形状、尺寸、速度相近的水下无人航行器REMUS100作为其计算的母型，设在水保持静止时，处于悬停状态，所以其所受到的浮力等于总体的重力，且机器人的排水体积等于机器人的体积，经计算得航行器REMUS100的体积修正系数为：

ρ_海水gV_排＝F_浮＝mg (2)

其中：g取9.8kg/N，δ为体积修正系数；

S3013.设机器人长度L₂＝1.66m，直径R₂＝0.2m，将其外形看作一个圆柱体，利用圆柱体的求解方程进行体积的求解，得到机器人的体积为V₃＝0.052m³，引入式(3)的修正系数，可以得到V₄＝0.044m³；

S3014.将V₄带入式(2)的排水量和机器人体积的关系，可以算出机器人的排水量为Δ_d＝45.1kg；

S3015.根据机器人主体与母型的关系，有：

C_m＝C_d (4)

S3016.所以机器人的主机有效功率为：

S3017.将求得的数据Δ_d、V₄、Δ_m、V₂、(P_S)_m带入公式(5)中，最终算得机器人的主机有效功率为(P_s)_d＝600W；

由于无缆一次性机器人的主推电机有两个，所以单个主推电机的功率要达到300W，因此选用最大工作电压24V，功率300W，推力约为58.8N的电机作为本机器人的主推电机；同时由于辅助电机只是负责机器人水下姿态的调节，所以其功率不需要和主推电机一样大，因此选用最大工作电压24V，功率200W，推力约为39.2N的小型无刷电机作为本机器人的辅助电机。

优选的，步骤S302所述的机器人的总体阻力的计算过程包括：

S3021.机器人在水下受到的总体阻力包括摩擦阻力、形状阻力和附体阻力，总阻力的计算公式为：

其中：在式(6)中，R_T为总阻力，R_f为摩擦阻力，R_PV为形状阻力，R_AP为附体阻力，C_f为摩擦阻力系数，ΔC_f为粗糙度补贴系数，C_PV为形状阻力系数，C_AP为附体阻力系数，ρ为海水密度，V为机器人体积，S为机器人总体横截面面积；

S3022.计算机器人的摩擦阻力系数C_f

(1)摩擦阻力与等长度、等沾湿面积的平板十分接近，为了方便计算，采用如下平板的公式来计算机器人总体的摩擦阻力系数：

在式(7)中：Ω表示沾湿表面积，当Ω等于机器人总体表面积时，则C_f为总体的摩擦阻力系数。S为机器人总体横截面面积，Re为总体对应的雷诺数，其求解公式为：

在式(8)中：v为航速，L为总体长度，υ为水的运动粘性系数，一般取15℃时的值，为1.1907×10^-3；

(2)为验证机器人总体是否能达到战技指标中所设定的最大航速5.5kn，取机器人航速为5.5kn，长度为1.66m，将各数据带入公式(7)、(8)中，可以计算出摩擦阻力系数C_f＝0.21；

S3023.计算机器人的粗糙度补贴系数ΔC_f

机器人的实际总体表面是相对粗糙的，影响摩擦阻力系数，这种影响通常用摩擦阻力系数的修正值来计算，称为粗糙度补贴(ΔC_f)，一般取ΔC_f＝0.4×10^-2；

S3024.计算机器人的形状阻力系数C_PV

由式(2)可知，机器人总体选择贴近鱼雷型，所以总体的形状阻力系数C_PV取0.01；

S3025.计算机器人的附体阻力系数C_AP

附体阻力系数与摩擦阻力系数有关，附体阻力系数C_AP，等于机器人总体的摩擦阻力系数的0.10～0.15倍，在本次设计中，取0.10倍，所以附体阻力系数C_AP约为0.021；

S3026.计算机器人的总阻力R_T

(1)确定各系数的数值后，将各结果带入式(6)中，可以得到机器人总体阻力R_T约为7.29×10^-3N；

(2)通过总阻力R_T的确定，可以将其与推进电机有效功率P、推力F以及机器人最大速度v之间建立数学联系：

P＝(F-R_T)·v (9)

优选的，步骤S303所述的机器人电池电量的计算过程包括：

S3031.设机器人在水下工作时，主推电机以2/3的功率工作，辅助电机以1/3的功率工作，其他的用电器全程工作，则根据主推电机、辅助电机、LED灯、声纳的工作功率可以得到消耗的电池电量约为 33611mA·h；

S3032.已知18650电池单体的输出电压为3.7V，单体电量按2500 mA·h计算，则一共需要大约14组电压为24V的18650电池，其中6 个单体电池串联构成一组24V的电池，计算后可知，一共需要84个单体18650电池才能达到机器人的用电要求。

优选的，步骤S304所述的机器人耐压舱厚度的计算过程包括：

S3041.将机器人总体分为探测头段、电子电池舱段、尾段，其中只有电子电池舱段为密封结构，机器人外壳材料选择铝合金材料，机器人水下最大工作深度为500米，铝合金材料的特点以及海洋温度，在15℃时，2A12型铝合金的耐压强度为420MPa，是铝合金材料中耐压能力最好的，选择2A12型铝合金材料作为机器人电子电池舱段的耐压外壳材料；

S3042.根据管状物体受压公式，有：

在式(10)中：P为外界压强，S为安全系数，当P小于7MPa， S＝8；P小于17.5MPa，S＝6；P大于17.5MPa，S＝4，R为管状物壁厚，D为管状物外径；

S3043.500米水深的压强，根据压强公式，有：

P＝ρgh (11)

ρ_海水＝1.025×10³kg/m³，g＝9.8N/kg，h＝500m，计算后得到500米水深压强约为5.02Mpa，因为P小于7MPa，所以S＝8；根据之前的假设，已知机器人外径D＝0.2m，将数据带入公式式(10)中，可以得到所需耐压壳厚度R＝0.063m。

本发明的有益效果是：本发明公开了一种一次性无缆遥控水下排爆机器人的设计方法，与现有技术相比，本发明的改进之处在于：

(1)本发明设计了一种一次性无缆遥控水下排爆机器人，通过设计无线传输控制指令替代传统机器人的线缆控制，能够显著增大机器人的作战半径、减少线缆对机器人运动的影响，具有操纵距离远、水下运动灵活的特点；同时通过总体设计优化控制了一次性机器人的体积重量，将有利于舰艇的大量装载；

(2)本发明设计了一种新的舱段连接方式，机器人主体和通信浮标采用锁定机构和光缆连接，在释放无缆机器人主体时，通信浮标能够固定在主体的尾段，在机器人航行至目标位置，机器人主体下潜工作时，机器人主体接收到母船通信浮标解脱指令，机器人主体主动释放通信浮标，通信浮标解脱后在水面漂浮传递信息，同时，通信浮标与母船之间采用无线电方式进行通信，无线电通信设备主要是利用高频微波完成通信，可以有效减少数据不完全传输；

(3)本发明将通信浮标的外观设计为双体船形状，能够保证浮标在水面受到风浪干扰时，不会沉没或侧翻，双体船结构能够很好地解决浮标的稳定性问题；同时所述浮标上的线盘为立式线盘，中间装载有通信相关的设备，线盘上的线缆在解脱之后就处于自由状态，能够根据机器人在水中的深度、位置进行自主放线，以此来减小线缆所承受的拉力，具有对上部通信浮标的的拉拽力小的优点。

附图说明

图1为本发明机器人主体的主视图。

图2为本发明机器人主体的俯视图。

图3为本发明机器人主体的前视图。

图4为本发明机器人主体的后视图。

图5为本发明通信浮标的结构示意图。

图6为本发明通信浮标的后视图。

图7为本发明设备安装盒的结构示意图。

图8为本发明设备安装盒纵向剖视图。

图9为本发明设备安装盒A处的布局放大图。

图10为本发明设备安装盒横向剖视图。

图11为本发明设备安装盒B处的布局放大图。

图12为本发明锁定机构的俯视图。

图13为本发明锁定机构的侧视图。

图14为本发明实施例2单片机接线简图。

图15为本发明实施例2单片机控制流程图。

其中：1.机器人主体，11.探测头段，12.电子电池舱段，121.电子器件托板，13.尾段，131.线缆出口，2.水下摄像头，3.声纳，4.LED 水下照明灯，51.垂直辅助推进器，52.横移辅助推进器，53.主推进器， 7.通信浮标，71.立式线盘，72.浮标底座，73.线盘安装架，731.打捞横梁，74.连接梁，741.连接孔,75.设备安装盒，751.盒体，752.导向滑轨，753.信号传输口，754.空腔，755.活动盖板，7551.卡合凸起，756. 压力管，757.活动压片，758.固定压片，759.驱动电机，750.驱动齿轮， 8.安装板，81.转动臂，82.转轴，83.插销轴，84.U形卡槽，85.舵机。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

参照附图1-15所示的一种一次性无缆遥控水下排爆机器人及其设计方法，所述一次性无缆遥控水下排爆机器人包括流线形的机器人主体1和通信浮标7，机器人主体1包括探测头段11、电子电池舱段 12和尾段13，各舱段之间的壳体采用楔环或法兰盘连接，除了电子电池舱段12的壳体两端完全密封，其余两个舱段为可进水结构，尾段13通过光缆和锁定机构与通信浮标7可拆卸连接(通信浮标7和尾段13通过光缆连接在一起，下潜到设计深度时通过锁定机构分离通信浮标7)；

探测头段11主要用于搭载探测设备和作战单元，在探测头段11 上布置有水下摄像头2、声纳3、LED水下照明灯4、聚能装药战斗部、一个垂直辅助推进器51和一个横移辅助推进器52，垂直辅助推进器51负责机器人的浮潜、俯仰运动，横移辅助推进器52负责机器人的横移运动，并辅助主推进器的偏航运动；

电子电池舱段12为水密舱段，且为单壳体结构，内侧设置有电子器件托板121，用于搭载控制系统、导航系统和能源系统6，所述控制系统与线缆的一端连接，电子电池舱段12外挂两个主推进器53，主推进器53负责机器人的直航、偏航运动；

尾段13为近似锥形，线缆穿过尾段13的内腔，并从设置在尾段 13尾端的线缆出口131将线缆从尾段13内穿出，尾段13外挂有一个垂直辅助推进器51和一个横移辅助推进器52，在尾段13的尾端安装有锁定机构；通信浮标7通过通信线缆与电子电池舱段内部控制系统连接，实现机器人主体1与通信浮标7之间的数据传输；

通信浮标7为双体船结构，通过锁定机构与机器人主体1的尾段 13连接。

优选的，所述的锁定机构包括安装板8、舵机、转动臂81、转轴 82和插销轴83，安装板8安装在尾段13上，在安装板上设置有U 形卡槽84，U形卡槽84上端口的左右两端设置有销接孔与U形卡槽84配合使用，舵机安装在安装板8的内侧，且舵机的控制端与通信线缆连接，接收通信线缆传输来的控制信号控制舵机转动，舵机的动力输出端与转动臂81的一端连接，转动臂81的另一端与转轴82 连接，转轴82的另一端上安装有插销轴83，使用时，设置在尾段13 上的凸起卡合在U形卡槽84内，通过舵机的转动控制插销轴83插入销接孔的位置，从而实现U形卡槽84对尾段13上的凸起的限制，实现自动打开，解除机器人主体1与通信浮标7之间的约束；

优选的，所述的通信浮标7包括立式线盘71、浮标底座72、线盘安装架73和连接梁74，浮标底座72包括两个结构相同的浮标船体，浮标船体设置在连接梁74的前后两端，且与连接梁74通过螺栓连接，前端的连接梁74上设置有连接孔741，连接孔741与U 形卡槽84的外侧槽壁配合使用，线盘安装架73固定安装在两个浮标船体之间，且通过螺栓与立式线盘71转动连接，方便立式线盘71转动，在线盘安装架73的顶部还设置有打捞横梁731，便于对通信浮标7进行打捞；同时为了使通信浮标7与机器人主体1之间形成数据传输的通路，进行数据传输，在立式线盘71的中间设置有设备安装盒75，用于安装和放置有无线数传模块、无线图传模块以及通信浮标供电电源，利用无线数传模块、无线图传模块进行通信浮标7与机器人主体1之间的数据传输，利用供电电源给通信浮标7供电。

优选的，所述的设备安装盒75为密封结构，通过螺栓安装在两个浮标船体之间，包括盒体751和空腔754，空腔754用于安装和放置有无线数传模块、无线图传模块以及通信浮标供电电源等设备，为了保证通信浮标7在水面上与母船之间的信号传输的强度(无线信号传输强度容易被挡板减弱)，在盒体751的上端开设有信号传输口753，但为避免通信浮标7在随着机器人主体1下潜时，水进入设备安装盒 75内，对放置在设备安装盒75内的电子设备进行保护，在信号传输口753上设置有活动盖板755，活动盖板755通过活动组件盖合在信号传输口753上，且在盒体751的侧壁上设置有水压测量组件与活动组件连接，通过活动组件控制活动盖板755的盖合和打开；所述活动组件包括导向滑轨752、驱动电机759和驱动齿轮750，导向滑轨752 对称设置在信号传输口753下侧面板的前后两端，活动盖板755卡合在导向滑轨752的导向槽中，并沿着导向滑轨752左右滑动，且在导向滑轨752右侧后端的下侧设置有卡合凸起7551，卡合凸起7551上设置有卡齿与驱动齿轮750相互啮合，驱动齿轮750安装在驱动电机 759的动力输出端，在使用时，驱动电机759带动驱动齿轮750转动，从而利用驱动齿轮750上的齿与卡合凸起7551上的卡齿的啮合力带动活动盖板755左右滑动，对信号传输口753进行盖合和打开；所述水压测量组件包括设置在盒体751外侧壁上的压力管756、活动压片 757和固定压片758，压力管756为下端进水上端封闭的管状结构，活动压片757活动安装在压力管756内，沿着滑槽在压力管756在水压的作用下上下滑动，且活动压片757的顶侧板为导电板，导电板与通信浮标供电电源连接，通信浮标供电电源给导电板供电，固定压片 758固定安装在压力管756的顶端，且固定压片758的底侧板为导电板，该导电板与驱动电机759的电压输入端连接，在使用时，当水进入压力管756下端，活动压片757在水的压力作用下向上运动，当设备安装盒75即将完全浸入(超过4/5)时，活动压片757的顶侧板与固定压片758的底侧板接触，电路连通，电源驱动驱动电机759工作，活动盖板755向右运动，将信号传输口753盖合，防止水进入到空腔 754内；而当设备安装盒75超过1/5的部分漏出水面时，由于压力管 756中的水面下降，活动压片757的顶侧板与固定压片758的底侧板脱离接触，驱动电机759反向转动，使得信号传输口753打开，保证信号传输强度；所述的压力管756上顶面的高度与盒体71侧面高度的4/5处高度相同。

优选的，所述的声纳3优选使用micron声纳，水下摄像头2优选使用像素≥200万的深水摄像头、陀螺仪优选使用MPU9250九轴电子陀螺仪、测深传感器优选使用MS5837型测深传感器；且所述的 LED水下照明灯4的工作电压为24V，能够通过改变PWM信号进行亮度调节，最大亮度为2200lumens，最大功率为20W，所述控制系统的控制芯片为STM32f103ZET6单片机。

优选的，密封舱出线与外部设备的连接均为高密封性航空插头，在尾段设有电子检查口，方便调整、修改下位机程序和预制下位机程序。

优选的，需要与STM32f103ZET6单片机连接的电子元器件有： 6个电机的电子调速器、陀螺仪、测深传感器、无线数传、LED水下照明灯和舵机，其中电子调速器和舵机传输的都是PWM信号，所以需要八个PWM信号引脚；陀螺仪和测深传感器都是通过串口传输信号，则需要两组RX、TX引脚，无线数传通过485串口与单片机建立通信，则还需要一个485引脚。

实施例1：

一次性无缆遥控水下排爆机器人的设计方法，包括：

S1.设计机器人的总体外形和推进装置的布置

S101.水下运动的物体，若仅从流体动力性能的角度考虑，其理想的外形为流线型的回转体，且其长度直径比为6左右，而实际的水下机器人或机器人外形，除深潜救生艇与上述艇型较为接近外，大多数都相去甚远，其外形流线型较差，对于无缆一次性机器人的外形选择，可以从物体在水中的形状阻力系数入手，根据不同形状的形状阻力系数，我们选择阻力系数最小的鱼雷型形状作为本机器人的总体外形；

S102.在S101确定了机器人的总体外形后，接下来确定推进装置的布置方式，推进装置布置的原则是：尽量用较少的推进器来实现较多的自由度，已知水下航行体有进退、浮潜、横移、偏航、俯仰、横滚六个自由度，因为航行体在水中横滚会极大地影响其功能的稳定性，影响航行姿态的控制，所以需要抑制横滚，其它五个自由度的实现都有利于航行体的水下灵活运动，而根据实际要求我们知道，机器人要具有多自由度来更好地实现所设定的功能，所以在推进器的布置上选择使用六个螺旋桨电机推进器，其作用和布置位置分别是：

(1)两个主推进器53：负责机器人的直航、偏航运动，布置在机器人中部的两侧；

(2)两个侧面辅助推进器52：负责机器人的横移运动，并辅助主推进器的偏航运动，分别布置在机器人的前后部位；

(3)两个垂直辅助推进器51：负责机器人的浮潜、俯仰运动，同样分别布置在机器人的前后部位。

推进装置作为机器人运动的执行机构，也是实现功能的反馈机构，功能的实现需要传感器采集数据，控制系统对数据进行分析，然后使推进装置做出反馈动作，对于设定功能是否能够实现，传感器的选择至关重要。

S2.设计功能性传感器

在S1确定了推进装置的布置之后，无缆一次性机器人在水中的运动得到了保证，为了实现机器人探测识别、姿态稳定的功能，对机器人上要搭载的主要的传感器进行相应的设计：

S201.声纳设计：选择英国的micron声纳作为本机器人的声纳， micron声纳是英国Tritech公司微型、低价数字扫频声纳，其中的 CHIRP技术极大地提高了距离的分辨率，其最大探测距离达到了75 m，超过了战技指标中所设定的参数值，同时micron声纳不仅在价格上、尺寸上符合选择的要求，其中还有很多关键性的功能和技术，比如：数字扫频技术、全软件化功能、即时反转和扇形扫描、目标物尺寸测量、750米耐压、简单操控等均符合本机器人的要求；

S202.电视设备的设计：电视设备的作用是与声纳形成了相互配合，使机器人能够更好地探测、识别目标；考虑机器人的战绩指标要求，选用像素≥200万的水下摄像头作为水下拍摄设备，同时为了配合水下摄像头，水下LED照明灯要具足够的亮度和穿透性，因此设计工作电压24V，能够通过改变PWM信号进行亮度调节，最大亮度 2200lumens，最大功率20W的LED水下照明灯；

S203.设计姿态陀螺仪：陀螺仪是测量和传递机器人本体在水下航行姿态的主要设备，为满足机器人的性能指标要求，选择型号为 MPU9250的九轴电子陀螺仪，其优点在成本低、体积小、同时集成了加速度计和陀螺仪，能够准确测量机器人在水下的姿态，为机器人的姿态控制提供基础的保障；

S204.设计深度传感器：深度传感器是通关感受机器人周围水的压力，通过内部计算转化，进而得到机器人此时航行的深度，让操作人员更好地了解此时机器人的水深位置，同时，还能实现机器人的定深航行功能，使机器人能够保持在一个固定的深度进行工作，增加机器人工作时的稳定性，因此，本机器人深度传感器选用MS5837测深传感器。

S3.计算机器人的相关参数

上述步骤S1和S2对机器人的外形选择、动力推进装置的布置方式和战技指标进行了一定的确定，现对其具体的水下运动情况进行系统的计算，得到主推电机的功率，确定其航行阻力，从多角度验证战技指标的合理性；并根据已选择的各部件用电参数，确定电池用电量，进行电池的设计；又根据战技指标中提出的机器人最大工作深度，对耐压舱壳体厚度进行了确定性计算；

S301.计算主推电机有效功率，具体计算步骤如下：

S3011.机器人主推进电机的功率决定着机器人在水下的航行速度和电机推力，对于电机主机功率求解，可以使用海军部系数经验公式计算，海军部系数法是母型数据估算法中最常用的一种方法，可表示为：

其中：在式(1)中，△为排水量，V为体积，P_s为主机功率，C 为海军部系数；

S3012.在对无缆一次性机器人主推进器有效功率的计算中，选择了与其形状、尺寸、速度相近的美国的鱼雷型水下无人航行器 REMUS100作为其计算的母型，来进行相关的推算，REMUS100水下航行器排水量Δ_m＝38kg，长度L₁＝1.57m，直径R₁＝0.19m，主机有效功率(P_S)_m＝318W，最大速度5kn，巡航速度3kn。将REMUS100 的外形近似成一个圆柱体，根据圆柱体体积公式可以求出， REMUS100的体积为V₁＝0.044m³；

无论是机器人还是水下航行器，其在水中的工作状态都是完全浸没在水中，在水中保持静止时，应处于悬停状态，所以其所受到的浮力等于总体的重力，且机器人的排水体积等于机器人的体积，则有：

ρ_海水gV_排＝F_浮＝mg (2)

其中ρ_海水＝1.025×10³kg/m³，g取9.8kg/N，如果这样计算， REMUS100的体积应为V₂＝0.037m³，其中的误差来源就是因为在 REMUS100体积的求解上进行了简化。为了修正这个计算误差，将两个结果作比，得到一个修正系数，设修正系数为：

S3013.对于本文所设计的无缆一次性机器人，既然选择了 REMUS100作为计算母型，则对机器人尺寸的假设应该与REMUS100 相似，REMUS100的长宽比为8.3，所以假设机器人长度L₂＝1.66m，直径R₂＝0.2m；同样将其外形看作一个圆柱体进行体积的求解，可以得出，机器人的体积大约为V₃＝0.052m³,将式(3)的修正系数引入，可以求得V₄＝0.044m³；

S3014.将V₄带入式(2)的排水量和机器人体积的关系，可以算出机器人的排水量为Δ_d＝45.1kg；

S3015.根据机器人主体与母型的关系，有：

C_m＝C_d (4)

S3016.所以机器人的主机有效功率为：

S3017.将求得的数据Δ_d、V₄、Δ_m、V₂、(P_S)_m带入公式(5)中，最终算得机器人的主机有效功率为(P_s)_d＝600W；

由于无缆一次性机器人的主推电机有两个，所以单个主推电机的功率要达到300W，因此选用最大工作电压24V，功率300W，推力约为58.8N的电机作为本机器人的主推电机；同时由于辅助电机只是负责机器人水下姿态的调节，所以其功率不需要和主推电机一样大，因此选用最大工作电压24V，功率200W，推力约为39.2N的小型无刷电机作为本机器人的辅助电机。

S302.计算总体阻力，具体计算步骤如下：

S3021.无论机器人在静水中还是有水流的水中，机器人在水中运动，就会存在相应的阻力，总体阻力主要由摩擦阻力、形状阻力和附体阻力三部分组成。总阻力的计算公式为：

其中：在式(6)中，R_T为总阻力，R_f为摩擦阻力，R_PV为形状阻力，R_AP为附体阻力，C_f为摩擦阻力系数，ΔC_f为粗糙度补贴系数， C_PV为形状阻力系数，C_AP为附体阻力系数，ρ为海水密度，V为机器人体积，S为机器人总体横截面面积；

S3022.计算机器人的摩擦阻力系数C_f，具体计算步骤如下：

(1)摩擦阻力与等长度、等沾湿面积的平板十分接近，为了方便计算，采用如下平板的公式来计算机器人总体的摩擦阻力系数：

在式(7)中：Ω表示沾湿表面积，当Ω等于机器人总体表面积时，则C_f为总体的摩擦阻力系数。S为机器人总体横截面面积，Re为总体对应的雷诺数，其求解公式为：

在式(8)中：v为航速，L为总体长度，υ为水的运动粘性系数，一般取15℃时的值，为1.1907×10^-3；

(2)为验证机器人总体是否能达到战技指标中所设定的最大航速5.5kn，取机器人航速为5.5kn，长度为1.66m，将各数据带入公式(7)、(8)中，可以计算出摩擦阻力系数C_f＝0.21；

S3023.计算机器人的粗糙度补贴系数ΔC_f，具体计算步骤如下：

机器人的实际总体表面是相对粗糙的，影响摩擦阻力系数，这种影响通常用摩擦阻力系数的修正值来计算，称为粗糙度补贴(ΔC_f)，一般取ΔC_f＝0.4×10^-2；

S3024.计算机器人的形状阻力系数C_PV，具体计算步骤如下：

由式(2)可知，机器人总体选择贴近鱼雷型，所以总体的形状阻力系数C_PV取0.01；

S3025.计算机器人的附体阻力系数C_AP，具体计算步骤如下：

附体阻力系数与摩擦阻力系数有关，附体阻力系数C_AP，等于机器人总体的摩擦阻力系数的0.10～0.15倍，在本次设计中，取0.10倍，所以附体阻力系数C_AP约为0.021；

S3026.计算机器人的总阻力R_T，具体计算步骤如下：

(1)确定各系数的数值后，将各结果带入式(6)中，可以得到机器人总体阻力R_T约为7.29×10^-3N；

(2)通过总阻力R_T的确定，可以将其与推进电机有效功率P、推力F以及机器人最大速度v之间建立数学联系：

P＝(F-R_T)·v (9)

S303.计算电池电量，其计算过程包括：

S3031.供电电池使用锂电池，锂电池的选择有整块的锂聚合物电池和18650电池组，本次无缆一次性机器人的设计选择了18650电池组。18650电池组的优点在于它的可塑性，因为18650电池是由多个单体电池组合而成，相比于锂聚合物电池可以人为地进行电池单体的排列，能够最大程度地节省密封舱内部的空间，电池的电量需要经过计算得到，计划机器人的水下工作时间为一个小时，根据步骤S2 中的传感器选择，统计机器人上的用电器用电情况，为了保守计算，所有用电器参数均统计最大值，可以得到如表1所示：

表1：机器人样机用电器基本用电参数

由于机器人在水下运动时，并不是所有用电器都以全功率工作，所以假设在一个小时的工作时间内，主推电机以2/3的功率工作，辅助电机以1/3的功率工作，其他的用电器全程工作，则消耗的电池电量约为33611mA·h；

S3032.已知18650电池单体的输出电压为3.7V，单体电量按2500 mA·h计算，则一共需要大约14组电压为24V的18650电池，其中 6个单体电池串联构成一组24V的电池，计算后可知，一共需要84 个单体18650电池才能达到机器人的用电要求。

S304.设计机器人耐压舱厚度，计算过程包括：

S3041.将机器人总体分为探测头段、电子电池舱段、尾段，其中只有电子电池舱段为密封结构，机器人外壳材料选择铝合金材料，可以最大程度地减少其铁磁性，机器人水下最大工作深度为500米，铝合金材料的特点以及海洋温度，在15℃时，2A12型铝合金的耐压强度为420MPa，是铝合金材料中耐压能力最好的，选择2A12型铝合金材料作为机器人电子电池舱段的耐压外壳材料；

S3042.根据管状物体受压公式，有：

在式(10)中：P为外界压强，S为安全系数，当P小于7MPa， S＝8；P小于17.5MPa，S＝6；P大于17.5MPa，S＝4，R为管状物壁厚，D为管状物外径；

S3043.500米水深的压强，根据压强公式，有：

P＝ρgh (11)

ρ_海水＝1.025×10³kg/m³，g＝9.8N/kg，h＝500m，计算后得到500米水深压强约为5.02Mpa，因为P小于7MPa，所以S＝8；根据之前的假设，已知机器人外径D＝0.2m，将数据带入公式式(10)中，可以得到所需耐压壳厚度R＝0.063m。

S4.设计通信浮标，具体过程如下：

S401.为了实现母船与水下无缆一次性机器人主体1的无线电通信，在主体的尾部设计了通信浮标7，通信浮标7上装载无线图像传输设备、无线数据传输设备以及供电电池，无线图传、无线数传与母船上的接收设备形成通信链，使机器人采集的信息能够传输给母船，以及能够将母船的控制信号传输给无缆一次性机器人主体，使其能够做出相应的动作；

所述通信浮标7的硬件工作原理为：在释放无缆一次性机器人主体1时，能够固定在主体的尾段13上，锁定机构能够保证母船控制系统不发出释放指令时，通信浮标7、浮标线缆不会自动松脱；在接收到通信浮标解脱指令时，机器人主动释放通信浮标7，通信浮标7上浮，保证机器人与母船通信畅通，通信浮标在使用过程中，首先跟随机器人在水面航行至目标位置，机器人下潜工作，通信浮标解脱，在水面漂浮传递信息。

按照本发明所述上述方法设计得到的无缆一次性机器人主要特性和参数如表2所示：

表2：无缆一次性机器人主要特性和参数

实施例二：

参见附图8-13所示：为了说明实施例一所依据的理论计算和推理假设设计得到的机器人的可行性，本实施例设计样机来验证本方法来进行验证：

S1:样机配件选择，样机选择的具体要求如下：

(1)对于总体外形，由于无缆一次性机器人本身的尺寸并不是很大，所以直接采用1：1的比例制作样机；

(2)整个机器人样机按照无缆一次性机器人实体的设计，采用单壳体结构，中间的密封电子电池舱以及舱两端的法兰盖使用铝合金材料；

(3)为了节约成本、方便加工，头段、后段计划使用3D打印材料；

(4)为了操作和拆卸方便，段与段之间的连接方式采用螺丝、螺母连接；

(5)样机制作时传感器的选择和实体传感器相同；

(6)在样机的头段，除了声纳、摄像头和辅助推进器，还装备了之前所选择的LED水下照明灯；

(7)样机的铝合金电子电池舱中，主要的电子、电器设备为主控制板、陀螺仪、电机的电子调速器以及供电电池；法兰盖上主要用于线缆的连接并装有测深传感器，密封舱外部的主推电机外罩采用 3D打印的形式制作；

(8)控制板使用的是STM32f103ZET6单片机，能够实现对推进电机、LED水下照明灯的PWM信号控制，以及采集陀螺仪、测深传感器所测量的数据，通过程序进行数据处理，使电机做出反馈动作；

(9)电子调速器的选择要根据电机的最大工作电流来确定，由于主推电机和辅助电机的最大工作电流不同，所以电子调速器选择 30A、40A两种；线缆的选择要根据用电器工作电压、工作电流的大小来确定，避免造成线路烧毁，影响机器人样机的使用；

(10)通信线缆根据要连接元器件的个数、接口个数，选择了六芯的PVC线缆，直径较小，具有较强的抗拉性，且不影响各个元器件信号的传输；

S2.样机的实际制作：分为两个部分，控制系统的设计与制作和总体结构的设计与制作，二者相辅相成，基本同时进行，具体步骤如下：

S201.控制系统的设计与制作

控制系统设计与制作的内容主要是对机器人样机搭载的单片机控制板进行下位机编程，以及对以电脑为载体的上位机进行编程设计，软件编程的依据就是在第二章中介绍的机器人所要实现的功能，进而控制机器人样机上的各个电子、电器元件进行与指令相对应的动作，整个样机的控制核心就是STM32f103ZET6单片机，为了使功能更加健全，接插线方便，使用protel软件重新绘制了单片机的PCB控制板；

在重新设计PCB板之前，先对机器人样机各部件接口以及单片机芯片引脚进行分析。整理归纳后，需要同单片机相连的部件和电子元器件有：6个电机的电子调速器、陀螺仪、测深传感器、无线数传、 LED水下照明灯和舵机，其中电子调速器和舵机传输的都是PWM信号，所以需要八个PWM信号引脚；陀螺仪和测深传感器都是通过串口传输信号，则需要两组RX、TX引脚，无线数传通过485串口与单片机建立通信，则还需要一个485引脚，确定了引脚之后，进行 PCB板的绘制和打印；

打印好PCB板，将各电子元件按设计接线，之后就要进行程序上的编辑，利用C语言编写各部件遥控驱动程序，单片机对机器人样机的控制过程；完成初步的控制程序编写，还要在上位机制作完成之后，进行不断地调试，最后完成对所有功能的实现；上位机的制作，要根据机器人样机的功能来进行相关编程，使用的是C-SHARP语言；为上位机的控制界面，其具体功能在面板上有着详细的展示，如规划路径、自主巡航、遥控控制等。除了功能选项，机器人样机的水中姿态也能完整地进行反馈，使操作人员能够时刻了解样机的水中情况；

S202.总体结构的设计与制作

总体结构设计与制作的工作主要是将之前选择、确定的样机元器件进行布置与连接，使其形成一个机器人样机的整体，能够具有较高的可用度和可靠度来实现本文所设计的无缆一次性机器人想要验证的功能；在总体设计时，无缆一次性机器人的内部也进行了一定的规划。电子电池舱的内部采用分层式设计，中间托板的上层放置电子元器件，下层放置电池，在样机制作时也采用了这种方法；电池的结构为上下两层、每层七组，放置于密封舱下层托板上，充分利用了密封舱内的空间，并且能够稳定供电；托板上层的电子元器件布置的原则是：合理利用空间，使其不互相干扰；电池舱的硬件设备如表3所示：

表3：机器人样机电子电池硬件列表

其中：密封舱两端的法兰盖不只是起密封作用，还用于穿舱电缆的水密连接。样机的制作成本相对实体来说比较低廉，但在性能上要能够保证和实体基本相似，法兰盖和密封舱之间的密封方式为O型橡胶圈密封；法兰盖和穿舱电缆之间的连接考虑到空间大小的问题，采用线缆直接穿舱，用环氧树脂密封胶灌死，这样的处理方式不仅能够保证电子电池舱的密封性，而且造价成本低，便于短时间内制作完成；在完成所有零件的固定之后，将机器人样机的探测头段、电子电池舱段以及尾段进行螺丝连接，尾段增加了样机上电开关、程序调试口、电池充电口，使样机在不需要拆解的情况下，进行相应的调试；最终，得到完整的机器人样机；

通信浮标的整体外形也是由3D打印件构成，线盘的中间放置无线数传模块和无限图传模块以及供电电源，线缆缠绕在线盘上，并装好锁定机构；将通信浮标和机器人总体样机进行组合，得到完整的机器人总体样机，最后，还要对样机进行水下配重，使其拥有轻微的正浮力至此，样机的所有制作工作完成，接下来就要进行最后的无缆一次性机器人总体论证试验。

S3.通信传输试验

无缆一次性机器人的通信是通过无线电进行的，信号的载体是无线数传模块和无限图传模块,通信传输试验就是要验证无线通信的可行性，是否能够通过无线电对机器人进行控制；

(1)试验目的：在陆上和水中分别用操作手柄和上位机对机器人进行控制，验证其传输的可靠性，并根据实际条件，验证远距离传输的可行性，进而验证战技指标的合理性；

(2)试验步骤：首先在陆地上进行通信联通试验，用手柄和上位机控制机器人，观察其是否能根据相应的指令做出动作反馈；注意：陆上试验的时间不能过长，无刷电机在空气中长时间空转，会影响电机的使用寿命；在陆地上测试通过后，进行水下通信试验，水下的通信传输试验应和浮标解脱试验想配合，同时进行，验证机器人在水中接收信号的能力，以及在机器人下潜后，是否还具有接收指令的能力；

(3)试验现象及结论：试验现象及结论：在海军工程大学组织的陆上试验结果显示，在长度1000米的校内道路上，机器人样机能够准确接收相应指令，并做出相应的动作反馈，为水下试验打下了良好的基础；水中试验在武汉市木兰湖水域进行，机器人样机在下水之后，距母船800米半径范围内，能够按指令进行相应的动作，且运动平稳，当机器人样机下潜后，在接近水底的深度依旧能准确接收指令进行动作反馈；

通过通信传输试验，可以验证，无线电信号传输在机器人上使用的可行性，一次性机器人的无缆化可以实现，且通信距离也能够满足战技指标的要求。

S4.浮标解脱试验

浮标解脱试验是与通信传输试验同时进行的，通信浮标上的解脱装置是一个舵机结构的改进型，通过控制舵机，进而控制通信浮标的解脱：

(1)试验目的：通过通信浮标解脱试验，验证机器人总体上解脱装置在水中的可操作性；

(2)试验步骤：在通信传输试验中，需要将机器人样机下潜测试，这时就要使通信浮标解脱，观察发出浮标解脱指令之后，样机下潜时，通信浮标是否已经与总体成功分离，并漂浮在水面，未与总体一起下潜；

(3)试验现象及结论：在下达浮标解脱指令后，机器人样机上的舵机动作，通信浮标与总体成功解脱，随着样机下潜，通信浮标依旧漂浮在水面，线盘上的线缆随着样机的下潜受到拉力开始放线，浮标解脱成功；

通过浮标解脱试验，成功验证了解脱装置的可用性，以及通信浮标放线的可行性。

S5.总体性能试验

(1)试验目的：总体性能试验主要验证机器人的基本水中运动战技指标，对其速度、动作时的稳定性进行检验，总体性能试验也可以和通信传输试验一同完成；

(2)试验步骤：对机器人样机的实际尺寸、重量进行测量，观察机器人样机在不同指令下的动作姿态，判断其是否能够平稳运动，利用秒表以及刻度尺，让机器人样机在水池中进行定时的航行，航行停止后，观察样机所走过的路程，计算样机的航行速度，对于样机的浮潜速度以及偏航角速度同理测量；

(3)试验现象及结论：通过对接收各种指令的机器人样机进行动作姿态观察，可以看出，机器人样机在运动过程中没有产生横滚姿态，在样机上浮过程中，出现了轻微的头部上仰，经过分析，这与样机的总体重心有关，需要进一步调整重心位置。

通过计时、计航程的水中直航运动，可以计算出其最大速度可以达到所设计的战技指标值，对机器人样机的一些基础指标进行了实际测量后，结果如表4-表7所示：

表4：机器人样机最大速度测量

表5：机器人样机巡航速度测量

表6：机器人样机浮潜速度测量

表7：机器人样机偏航角速度测量

对所测量的数据进行总结：机器人样机实际长度：1650mm；机器人样机实际直径：210mm(不包括两个外挂主推电机)；总重量： 34kg；最大航速：5.88kn；巡航时速度：2.8kn；样机浮潜速度：1m/s；样机偏航速度：1.2rad/s；

满足设计要求。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。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 (8)

1.一种一次性无缆遥控水下排爆机器人，其特征在于：包括流线形的机器人主体(1)和通信浮标(7)，机器人主体(1)包括探测头段(11)、电子电池舱段(12)、尾段(13)，各舱段之间的壳体采用法兰盘连接，所述电子电池舱段(12)的壳体两端完全密封，其余两个舱段为可进水结构，尾段(13)通过光缆锁定机构与通信浮标(7)可拆卸连接；

探测头段(11)主要用于搭载探测设备和作战单元，在探测头段(11)上布置有水下摄像头(2)、声纳(3)、LED水下照明灯(4)、聚能装药战斗部、一个垂直辅助推进器(51)和一个横移辅助推进器(52)；

电子电池舱段(12)为水密舱段，且为单壳体结构，内侧设置有电子器件托板(121)，用于搭载控制系统、导航系统和能源系统，所述控制系统与线缆的一端连接，电子电池舱段12外挂两个主推进器(53)；

尾段(13)为近似锥形，线缆穿过尾段(13)的内腔，并从设置在尾段(13)上的线缆出口(131)将线缆从尾段(13)内穿出，尾段(13)外挂有一个垂直辅助推进器(51)和一个横移辅助推进器(52)，在尾段(13)的尾端安装有锁定机构；通信浮标(7)通过通信线缆与控制系统连接；

通信浮标(7)为双体船结构，通过锁定机构与机器人主体(1)的尾段(13)连接；

所述的锁定机构包括安装板(8)、舵机(85)、转动臂(81)、转轴(82)插销轴(83)，安装板(8)安装在尾段(13)上，在安装板(8)上设置有U形卡槽(84)，U形卡槽(84)上端口的左右两端设置有销接孔与U形卡槽(84)配合使用，舵机(85)安装在安装板(8)的内侧，且其控制端与通信线缆连接，动力输出端与转动臂(81)的一端连接，转动臂(81)的另一端与转轴(82)连接，转轴(82)的另一端上安装有插销轴(83)；

所述的通信浮标(7)包括立式线盘(71)、浮标船体、线盘安装架(73)、连接梁(74)，浮标底座(72)包括两个结构相同的浮标船体，浮标底座(72)设置在连接梁(74)的前后两端，且与连接梁(74)通过螺栓连接，前端的连接梁(74)上设置有连接孔(741)，连接孔(741)与U形卡槽(84)的外侧槽壁配合使用，线盘安装架(73)固定安装在两个浮标船体之间，且通过螺栓与立式线盘(71)转动连接，在立式线盘(71)的下侧设置有设备安装盒(75)，设备安装盒(75)内安装无线数传模块、无线图传模块以及供电电源，在线盘安装架(73)的顶部还设置有打捞横梁(731)。

2.根据权利要求1所述的一种一次性无缆遥控水下排爆机器人，其特征在于：所述的设备安装盒(75)包括盒体(751)和空腔(754)，盒体(751)的上端开设有信号传输口(753)，信号传输口(753)上设置有活动盖板(755)，活动盖板(755)通过活动组件盖合在信号传输口(753)上，且在盒体(751)的侧壁上设置有水压测量组件与活动组件连接，通过活动组件控制活动盖板(755)盖合；活动组件包括导向滑轨(752)、驱动电机(759)和驱动齿轮(750)，导向滑轨(752)对称设置在信号传输口(753)下侧面板的前后两端，活动盖板(755)卡合在导向滑轨(752)的导向槽中，沿着导向滑轨(752)左右滑动，且在导向滑轨(752)右侧后端的下侧设置有卡合凸起(7551)，卡合凸起(7551)上设置有卡齿与驱动齿轮(750)相互啮合，驱动齿轮(750)安装在驱动电机(759)的动力输出端；所述水压测量组件包括设置在盒体(751)外侧壁上的压力管(756)，活动压片(757)和固定压片(758)，压力管(756)为下端进水上端封闭的管状结构，活动压片(757)活动安装在压力管(756)内，沿着滑槽在压力管(756)上下滑动，且活动压片(757)的顶侧板为导电板，与电源连接，固定压片(758)固定安装在压力管(756)的顶端，且固定压片(758)的底侧板为导电板，与驱动电机(759)的电压输入端连接。

3.根据权利要求1所述的一种一次性无缆遥控水下排爆机器人，其特征在于：所述的声纳(3)为micron声纳，水下摄像头(2)为像素≥200万的深水摄像头、陀螺仪为MPU9250九轴电子陀螺仪、测深传感器为MS5837型测深传感器；且所述的LED水下照明灯(4)的工作电压为24V，能够通过改变PWM信号进行亮度调节，最大亮度为2200lumens，最大功率为20W；所述控制系统的控制芯片为STM32f103ZET6单片机。

4.根据权利要求1所述的一种一次性无缆遥控水下排爆机器人的设计方法，其特征在于：包括：

S1.设计机器人的总体外形和推进装置的布置

通过分析不同形状的物体在水中的形状阻力系数，来确定机器人的外形为流线形，然后分析水下航行体在水中的自由度，确定推进装置的布置方式；

S2.设计功能性传感器

在S1确定了推进装置的布置之后，无缆一次性机器人在水中的运动得到了保证，为了实现机器人探测识别、姿态稳定的功能，对机器人上要搭载的主要的传感器进行相应的设计；

S3.计算机器人的相关参数

S301.计算主推电机有效功率；

S302.计算总体阻力；

S303.计算电池电量；

S304.计算耐压舱厚度；

S4.设计通信浮标

设计与机器人主体分离的通信浮标，并在通信浮标上装载无线图像传输设备、无线数据传输设备以及供电电池，无线图传、无线数传与母船上的接收设备形成通信链；

其中：所述的推进装置包括两个垂直辅助推进器(51)、两个横移辅助推进器(52)和两个主推进器(53)，主推进器负责机器人的直航、偏航运动；横移辅助推进器负责机器人的横移运动，并辅助主推进器的偏航运动；垂直辅助推进器负责机器人的浮潜、俯仰运动。

5.根据权利要求4所述的一种一次性无缆遥控水下排爆机器人的设计方法，其特征在于：步骤S301所述的主推电机有效功率的计算过程包括：

S3011.使用海军部系数经验公式计算:

其中：在式(1)中，△为排水量，V为体积，P_s为主机功率，C为海军部系数；

S3012.选择与一次性无缆遥控水下排爆机器人形状、尺寸、速度相近的水下无人航行器REMUS100作为其计算的母型，设在水保持静止时，处于悬停状态，所以其所受到的浮力等于总体的重力，且机器人的排水体积等于机器人的体积，经计算得航行器REMUS100的体积修正系数为：

ρ_海水gV_排＝F_浮＝mg (2)

其中：g取9.8kg/N，δ为体积修正系数；

S3013.设机器人长度L₂＝1.66m，直径R₂＝0.2m，将其外形看作一个圆柱体，利用圆柱体的求解方程进行体积的求解，得到机器人的体积为V₃＝0.052m³，引入式(3)的修正系数，可以得到V₄＝0.044m³；

S3014.将V₄带入式(2)的排水量和机器人体积的关系，可以算出机器人的排水量为Δ_d＝45.1kg；

S3015.根据机器人主体与母型的关系，有：

C_m＝C_d (4)

S3016.所以机器人的主机有效功率为：

S3017.将求得的数据Δ_d、V₄、Δ_m、V₂、(P_S)_m带入公式(5)中，最终算得机器人的主机有效功率为(P_s)_d＝600W；

由于无缆一次性机器人的主推电机有两个，所以单个主推电机的功率要达到300W，因此选用最大工作电压24V，功率300W，推力约为58.8N的电机作为本机器人的主推电机；同时由于辅助电机只是负责机器人水下姿态的调节，所以其功率不需要和主推电机一样大，因此选用最大工作电压24V，功率200W，推力约为39.2N的小型无刷电机作为本机器人的辅助电机。

6.根据权利要求4所述的一种一次性无缆遥控水下排爆机器人的设计方法，其特征在于：步骤S302所述的机器人的总体阻力的计算过程包括：

S3021.机器人在水下受到的总体阻力包括摩擦阻力、形状阻力和附体阻力，总阻力的计算公式为：

其中：在式(6)中，R_T为总阻力，R_f为摩擦阻力，R_PV为形状阻力，R_AP为附体阻力，C_f为摩擦阻力系数，ΔC_f为粗糙度补贴系数，C_PV为形状阻力系数，C_AP为附体阻力系数，ρ为海水密度，V为机器人体积，S为机器人总体横截面面积；

S3022.计算机器人的摩擦阻力系数C_f

(1)摩擦阻力与等长度、等沾湿面积的平板十分接近，为了方便计算，采用如下平板的公式来计算机器人总体的摩擦阻力系数：

在式(7)中：Ω表示沾湿表面积，当Ω等于机器人总体表面积时，则C_f为总体的摩擦阻力系数，S为机器人总体横截面面积，Re为总体对应的雷诺数，其求解公式为：

在式(8)中：v为航速，L为总体长度，υ为水的运动粘性系数，一般取15℃时的值，为1.1907×10^-3；

(2)为验证机器人总体是否能达到战技指标中所设定的最大航速5.5kn，取机器人航速为5.5kn，长度为1.66m，将各数据带入公式(7)、(8)中，可以计算出摩擦阻力系数C_f＝0.21；

S3023.计算机器人的粗糙度补贴系数ΔC_f

机器人的实际总体表面是相对粗糙的，影响摩擦阻力系数，这种影响通常用摩擦阻力系数的修正值来计算，称为粗糙度补贴(ΔC_f)，一般取ΔC_f＝0.4×10^-2；

S3024.计算机器人的形状阻力系数C_PV

由式(2)可知，机器人总体选择贴近鱼雷型，所以总体的形状阻力系数C_PV取0.01；

S3025.计算机器人的附体阻力系数C_AP

附体阻力系数与摩擦阻力系数有关，附体阻力系数C_AP，等于机器人总体的摩擦阻力系数的0.10～0.15倍，在本次设计中，取0.10倍，所以附体阻力系数C_AP约为0.021；

S3026.计算机器人的总阻力R_T

(1)确定各系数的数值后，将各结果带入式(6)中，可以得到机器人总体阻力R_T约为7.29×10^-3N；

(2)通过总阻力R_T的确定，可以将其与推进电机有效功率P、推力F以及机器人最大速度v之间建立数学联系：

P＝(F-R_T)·v (9)。

7.根据权利要求4所述的一种一次性无缆遥控水下排爆机器人的设计方法，其特征在于：步骤S303所述的机器人电池电量的计算过程包括：

S3031.设机器人在水下工作时，主推电机以2/3的功率工作，辅助电机以1/3的功率工作，其他的用电器全程工作，则根据主推电机、辅助电机、LED灯、声纳的工作功率可以得到消耗的电池电量约为33611mA·h；

S3032.已知18650电池单体的输出电压为3.7V，单体电量按2500mA·h计算，则一共需要大约14组电压为24V的18650电池，其中6个单体电池串联构成一组24V的电池，计算后可知，一共需要84个单体18650电池才能达到机器人的用电要求。

8.根据权利要求4所述的一种一次性无缆遥控水下排爆机器人的设计方法，其特征在于：步骤S304所述的机器人耐压舱厚度的计算过程包括：

S3041.将机器人总体分为探测头段、电子电池舱段、尾段，其中只有电子电池舱段为密封结构，机器人外壳材料选择铝合金材料，机器人水下最大工作深度为500米，铝合金材料的特点以及海洋温度，在15℃时，2A12型铝合金的耐压强度为420MPa，是铝合金材料中耐压能力最好的，选择2A12型铝合金材料作为机器人电子电池舱段的耐压外壳材料；

S3042.根据管状物体受压公式，有：

在式(10)中：P为外界压强，S为安全系数，当P小于7MPa，S＝8；P小于17.5MPa，S＝6；P大于17.5MPa，S＝4，R为管状物壁厚，D为管状物外径；

S3043.500米水深的压强，根据压强公式，有：

P＝ρgh (11)

ρ_海水＝1.025×10³kg/m³，g＝9.8N/kg，h＝500m，计算后得到500米水深压强约为5.02Mpa，因为P小于7MPa，所以S＝8；根据之前的假设，已知机器人外径D＝0.2m，将数据带入公式(10)中，可以得到所需耐压壳厚度R＝0.063m。

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