CN113968326A - 一种矢量框架式水下机器人 - Google Patents
一种矢量框架式水下机器人 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113968326A CN113968326A CN202111131656.3A CN202111131656A CN113968326A CN 113968326 A CN113968326 A CN 113968326A CN 202111131656 A CN202111131656 A CN 202111131656A CN 113968326 A CN113968326 A CN 113968326A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- underwater robot
- vector
- propeller
- frame type
- center
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 49
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 44
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 26
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 13
- 230000036544 posture Effects 0.000 claims description 12
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 10
- 230000009189 diving Effects 0.000 claims description 9
- 238000007667 floating Methods 0.000 claims description 9
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 8
- 229920001903 high density polyethylene Polymers 0.000 claims description 6
- 239000004700 high-density polyethylene Substances 0.000 claims description 6
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000013519 translation Methods 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 10
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 7
- 240000007651 Rubus glaucus Species 0.000 description 6
- 235000011034 Rubus glaucus Nutrition 0.000 description 6
- 235000009122 Rubus idaeus Nutrition 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 2
- 229920001684 low density polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004702 low-density polyethylene Substances 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000026058 directional locomotion Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
- B63C—LAUNCHING, HAULING-OUT, OR DRY-DOCKING OF VESSELS; LIFE-SAVING IN WATER; EQUIPMENT FOR DWELLING OR WORKING UNDER WATER; MEANS FOR SALVAGING OR SEARCHING FOR UNDERWATER OBJECTS
- B63C11/00—Equipment for dwelling or working underwater; Means for searching for underwater objects
- B63C11/52—Tools specially adapted for working underwater, not otherwise provided for
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
- B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
- B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
- B63G8/14—Control of attitude or depth
- B63G8/16—Control of attitude or depth by direct use of propellers or jets
Abstract
本发明公开了一种矢量框架式水下机器人，通过权衡现有的推进布局方案，如固定框架式推进器和矢量机构推进器，探索处一种适合水下机器人作业的矢量框架式布局方案。矢量框架式水下机器人可以根据工作情况的变化灵活改变推进器的布局以及推力分布，适应复杂多变的水下作业环境。提高了水下机器人推进器的利用效率，增强了我水下机器人在浅滩、暗礁、浑水、急流等复杂水域环境中的姿态稳定以及水下运动能力，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及一种矢量框架式水下机器人。
背景技术
地球上海洋面积辽阔，占地球表面积的71％,其资源丰富，战略意义重大。然而，由于深水环境的复杂性以及不确定性，使得人们不得不寻求一种特殊的机器人来代替人类去探索未知的海洋世界。
水下机器人作为一种高效的水下工作平台和水下作业工具越来越受到重视。水下机器人的工作环境具有高度的非线性，海流、波浪等随时间、位置不同而不断变化，并对水下机器人的运动施加干扰作用，这就对水下机器人的推力分配系统提出了更高要求。同时，由于搭载了各种作业工具，重量和功耗增加，不能单纯依靠增加推进器数量来提高水下机器人这个移动平台的稳定性。因此亟需一种灵活多变的推力布局方案。
现有的水下机器人推进器布局主要有两种，一种是固定框架式推进布局，如美国Blue Robotics公司设计的Blue ROV2，另一种是矢量机构式推进器布局，如国防科技大学研制的基于球齿轮的主动矢量推进装置。矢量机构式推进器布局虽然看似可以通过改变推进器的方向来达到多个自由度方向运动的效果，但在任一时刻推进器只能作用于单一方向。对于携带双臂的开放框架式水下机器人来说，矢量机构式推进器布局不能同时兼顾姿态稳定与直线运动的作业需求。且矢量机构式推进器布局结构过于复杂，这增加了水下机器人水下作业整体系统的不稳定性。固定框架式推进器布局至少使用8个推进器来实现三轴姿态稳定与直线运动。这种推进器布局需要更多的推进器，增加了研制成本。且位于水平面的四个推进器在水下机器人快速航行对姿态稳定要求不高时一直处于闲置状态，这大大降低了推进器的使用效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种矢量框架式水下机器人，能够根据工作情况的变化灵活改变推进器的布局以及推力分布，适应复杂多变的水下作业环境，提高了水下机器人推进器的利用效率，增强了水下机器人在浅滩、暗礁、浑水、急流等复杂水域环境中的姿态稳定以及水下运动能力。
本发明采用以下技术方案：
一种矢量框架式水下机器人，包括：
控制中心，矢量框架式水下机器人运动指令的下达以及运动状态数据记录；
探测模块，采集视频信息；
通讯模块，将视频信息发送给控制中心，并向执行模块发送运动指令；
执行模块，包括矢量偏转机构，矢量偏转机构具有6自由度，包括水平矢量机构和竖直矢量机构，水平矢量机构用于控制水下机器人的浮潜运动与俯仰、翻滚姿态，竖直矢量机构用于控制水下机器人的直航、平移运动以及偏航姿态；
供电模块，分别与控制中心、探测模块、通讯模块和执行模块连接，用于提供电能。
具体的，水平矢量机构包括一对水平矢量推进器和一个水平面固定推进器，一对水平矢量推进器对称设置在水下机器人本体头部的两侧，水平面固定推进器设置在水下机器人本体的尾部。
进一步的，两个水平矢量推进器和一个水平面固定推进器的推力F3,F4,F5满足条件如下：
其中，L3＝L4，L1为3号和4号推进器与水下机器人重心在x轴方向上的距离，L2为5号推进器与水下机器人重心在x轴方向上的距离，L3为3号推进器与水下机器人重心在y轴方向上的距离，L4为4号推进器与水下机器人重心在y轴方向上的距离，α1为1.165。
具体的，竖直矢量机构包括一对竖直矢量推进器和一个竖直面固定推进器，一对竖直矢量推进器对称设置在水下机器人本体尾部的两侧，竖直面固定推进器设置在水下机器人本体的头部。
进一步的，两个竖直矢量推进器和一个竖直面固定推进器的推力F1,F2,F6满足条件如下：
其中，L5为1号和2号推进器与水下机器人重心在x轴方向上的距离，L6为 6号推进器与水下机器人重心在x轴方向上的距离，L7为1号推进器与水下机器人重心在y轴方向上的距离，L8＝L7，L8为2号推进器与水下机器人重心在y轴方向上的距离，β为45°，α2为0.441。
具体的，矢量偏转机构包括防水舵机，防水舵机的舵盘依次通过舵盘连接件、回转轴承和推进器连接件与推进器连接。
进一步的，回转轴承通过轴承固定件固定在水下机器人本体上。
进一步的，防水舵机通过舵机固定件固定在水下机器人本体上。
具体的，水下机器人本体采用高密度聚乙烯制备而成。
具体的，供电模块采用锂电池。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种矢量框架式水下机器人，通过权衡现有的推进布局方案，如固定框架式推进器和矢量机构推进器，探索处一种适合水下机器人作业的矢量框架式布局方案，矢量框架式的分布式动力布局在确保稳定性的同时具备更强功能性和智能性，使水下机器人具备更强的机动性和灵活性，提高复杂环境下的勘探能力。
进一步的，矢量框架式的推进器布局可以提高推进器的利用效率。而在需要快速移动时，位于竖直面的一对矢量推进器可以完全偏转向前，作为前进方向的推力来源。此时水平面的三个推进器保持推力方向不变，仍用来维持翻滚与俯仰姿态稳定以及浮潜运动。
进一步的，竖直方向上的推力得到平衡，在水下机器人在竖直方向上运动时不会产生额外的干扰扭矩，这样水下机器人在竖直方向上运动时姿态才能稳定。
进一步的，对于完全不需要姿态维持，只需要最快速移动时，位于竖直面的一对矢量推进器和位于水平面的一对矢量推进器可以完全偏转向前，都作为前进方向的推力来源，这种灵活多变的推进器布局大大提高了推进器的利用效率，增加了水下机器人在不同工况下作业的适应能力。
进一步的，两个竖直矢量推进器和一个竖直面固定推进器的推力F1,F2,F6满足权利5要求所述条件后，横移方向上的推力得到平衡，在水下机器人在横移方向上运动时不会产生额外的干扰扭矩，这样水下机器人在横移方向上运动时姿态才能稳定。
进一步的，矢量偏转机构结构简单，各零件装配紧凑，结构装配合理，在固定推进器的同时不会对舵机输出轴造成扭矩，提高了舵机的工作寿命。
进一步的，回转轴承通过轴承固定件固定在水下机器人本体上可以增加矢量框架的整体性，回转轴承的存在大大减轻了舵机输出轴所受到的弯矩。
进一步的，防水舵机通过舵机固定件固定在水下机器人本体上可以提高矢量偏转机构与矢量框架连接的紧密性。
进一步的，选择高密度聚乙烯作为矢量框架的材料。高密度聚乙烯耐酸碱，耐有机溶剂，电绝缘性优良，低温时，仍能保持一定的韧性。表面硬度，拉伸强度，刚性等机械强度都高于LDPE。
进一步的，供电模块采用锂电池可以提高水下机器人工作的自主性，锂电池能量密度高，安全性好。
综上所述，本发明采用矢量框架式的推进器分布式动力布局，提高了水下机器人推进器的利用效率，增强了水下机器人在浅滩、暗礁、浑水、急流等复杂水域环境中的姿态稳定以及水下运动能力，具有广阔的应用前景。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明矢量框架式的水下机器人控制系统软硬件设计图；
图2为本发明矢量框架式的水下机器人系统硬件组成图；
图3为本发明矢量框架式的水下机器人的矢量偏转机构组成图；
图4为本发明矢量框架式的水下机器人的矢量框架式推进器布局图；
图5为本发明矢量框架式的水下机器人的矢量框架式推进器常态布局图，其中，(a)为矢量框架式推进布局常态布局，(b)为矢量框架常态布局俯视示意；
图6为本发明矢量框架式的水下机器人的矢量框架式推进器半矢量布局图，其中，(a)为矢量框架式推进布局半矢量框架布局，(b)为矢量框架布局半矢量框架布局俯视示意；
图7为本发明矢量框架式的水下机器人的矢量框架式推进器全矢量布局图，其中，(a)为矢量框架式推进布局全矢量框架布局，(b)为矢量框架布局全矢量框架布局俯视示意；
图8为本发明矢量框架式的水下机器人的水平面推进器位置分布示意图；
图9为本发明矢量框架式的水下机器人的竖直面推进器位置分布示意图。
其中：1.控制中心；2.探测模块；3.通讯模块；4.供电模块；5.执行模块； 6.竖直面固定推进器；7.水平矢量推进器；8.竖直矢量推进器；9.水平面固定推进器；10.舵机固定件；11.防水舵机；12.舵盘；13.舵盘连接件；14.轴承固定件；15. 回转轴承；16.推进器连接件；17.推进器。
具体实施方式
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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种矢量框架式水下机器人，通过权衡现有的推进布局方案，如固定框架式推进器和矢量机构推进器，探索处一种适合水下机器人作业的矢量框架式布局方案。提高了水下机器人推进器的利用效率，增强了我水下机器人在浅滩、暗礁、浑水、急流等复杂水域环境中的姿态稳定以及水下运动能力。
请参阅图1和图2，本发明一种矢量框架式水下机器人，包括电池仓、电子仓和矢量框架三部分。电子仓的功能包括矢量框架式水下机器人运动指令的下达、运动状态数据记录以及探测任务模块信息如视频信息的采集与传输，包括控制中心1，探测模块2和通讯模块3；矢量框架是矢量框架式水下机器人的执行机构。矢量框架包含执行模块5，是矢量框架式水下机器人运动控制的载体，用于对水下机器人进行运动控制和执行勘探工作；电池仓的作用是矢量框架式水下机器人整体系统的能力来源，包括供电模块4，供电模块4分别与电子仓以及矢量框架连接，用于供电以及供电管理。
请参阅图2，矢量框架式水下机器人控制系统采用一个中心和四个模块的构建方式。
控制中心1作为系统中枢，通过处理水下机器人当前的状态数据，进而输出控制指令，驱动水下机器人完成三维运动和执行勘探工作。
探测模块2作为矢量推进水下机器人的任务载荷，利用双目摄像来拍摄水中观测的视频，利用深度传感器测量位置深度。
通讯模块3，将上位机的控制命令传达给水下机器人，并进行通讯协议的转换，保证水下机器人各模块之间的信息实时传递。
通讯模块3还要把水下机器人机器人上各传感器采集的探测数据和水下机器人自身的运动状态信息传回上位机，以便实时数据处理和运动状态控制。
供电模块4采用锂电池供电，容量为45600mAH，电压为16.8V，放电能力为60A，设有短路保护，电池外形长方体外观，包装用绝缘板外套PVC蓝膜，为其他部件提供电能来源。
执行模块5为经过防水处理的50kg大扭矩舵机和30N推力无刷水下推进器，推进器工作电压为12～25.2V，满载电流6A，最大工作深度100m。
执行模块5包括推进器偏转机构、推进器和框架板，是矢量框架式水下机器人运动控制的载体。
推进器偏转机构是矢量框架式推进器布局的核心，是控制与之相配合的推进器方向的机构。推进器的偏转机构既要考虑到结构的精简，不平添设计的难度；同时也要契合矢量框架式推进器布局方案的工作需求。本发明的推进器偏转机构的动力机构为一个大扭矩防水舵机，通过设计的一系列零件成为矢量框架本身和推进器之间的连接桥梁。
请参阅图3，矢量偏转机构包含防水舵机11、回转轴承15、推进器17以及其他连接零件。防水舵机11通过舵机固定件10与矢量框架相连，防水舵机11的舵盘12依次通过舵盘连接件13、回转轴承15和推进器连接件16与推进器17连接，回转轴承15通过轴承固定件14与矢量框架相连，通过控制舵机的偏转角度间接控制推进器17的推力方向。
请参阅图4，基于携带水下双臂作业的场景需求，兼顾矢量机构式推进器布局与固定框架式推进器布局的优点，本发明提出了一种新型矢量框架式推进器布局。矢量框架式推进器布局方案包含一对水平矢量推进器7、一对竖直矢量推进器8、位于头部的一个竖直面固定推进器6以及一个尾部的水平面固定推进器9，一共使用6个推进器。矢量框架式水下机器人基于机械加工三点定位的原理，将固定框架式推进器布局的8个推进器精简为6个。使用水平面3个推进器来控制浮潜运动与俯仰、翻滚姿态稳定，使用竖直面3个推进器来控制直航、平移运动以及偏航姿态稳定。
矢量偏转机构包含水平矢量机构和竖直矢量机构，分别用于控制水平面与竖直面的推进器。同一套矢量偏转机构均可用于这两种方向，只需更换舵机连接件。这种矢量偏转机构的设计具有轻量化、模块化等优点。水平矢量机构包括位于水下机器人头部两侧的两个水平矢量推进器7和位于水下机器人尾部的一个水平面固定推进器9；竖直矢量机构包括位于水下机器人尾部两侧的两个竖直矢量推进器8和位于水下机器人头部的一个竖直面固定推进器6。
本发明基于机械加工三点定位的原理，将固定框架式推进器布局的8个推进器精简为6个。使用一个水平面固定推进器9和两个水平矢量推进器7实现水平面3个推进器来控制浮潜运动与俯仰、翻滚姿态稳定，使用一个竖直面固定推进器6和两个竖直矢量推进器8实现竖直面3个推进器来控制直航、平移运动以及偏航姿态稳定。
矢量框架的结构设计建立在推进器偏转机构的基础上；矢量框架是水下机器人这个移动平台的核心节点。它是连接电子仓，电池仓，矢量偏转机构，以及水下机械臂，水下双目摄像头的桥梁。在综合考虑矢量框架的强度与密度等因素后，本发明选择高密度聚乙烯作为矢量框架的材料。高密度聚乙烯耐酸碱，耐有机溶剂，电绝缘性优良，低温时，仍能保持一定的韧性。表面硬度，拉伸强度，刚性等机械强度都高于LDPE。
请参阅图1，矢量框架式水下机器人的组成模块繁多，复杂，包括各种电气部件、处理单元、动力器件等，需要一个总体的框架来连接各个组成模块。需要综合考虑各个组模块之间的电气接口，供电关系，通信协议等到。
矢量框架式水下机器人的控制中心1的软件部分主要涵盖三大组成：主控板 (微处理器)，树莓派(单板机)，以及上位机软件(运行在计算机系统)。
主控板包含两个部分：FMU处理器和IO处理器。FMU处理器负责计算算法数据，处理中断响应，处理传感器数据，故障检测等等。而IO处理器负责将 FMU处理器计算的驱动单元输出通过PWM波输送带各个驱动单元终端。主控板与上位机的通信由树莓派来负责。树莓派软件程序主要负责处理双目摄像头的数据并传输至上位机，并推送水下机械臂舵机的PWM波信息。同时树莓派还充当路由器的作用，将主控板的通信中转至上位机。树莓派通过与上位机建立 TCP/IP连接来进行UDP通信，通过建立不同的端口连接来实现各个模块的信息传输。上位机软件是操作者与矢量框架式水下机器人各个功能模块之间的交互媒介。上位机软件主要负责处理树莓派传输过来的信息，并进行处理显示在交互界面上。
本发明一种矢量框架式水下机器人的工作过程如下：
在需要快速移动时，位于竖直面的一对矢量推进器可以完全偏转向前，作为前进方向的推力来源。此时水平面的三个推进器保持推力方向不变，仍用来维持翻滚与俯仰姿态稳定以及浮潜运动。对于完全不需要姿态维持，只需要最快速移动时，位于竖直面的一对矢量推进器和位于水平面的一对矢量推进器可以完全偏转向前，都作为前进方向的推力来源，这种灵活多变的推进器布局大大提高了推进器的利用效率，增加了水下机器人在不同工况下作业的适应能力
请参阅图5，在精简了固定框架式推进器布局的基础上，本发明引入矢量偏转机构来提高水平面以及竖直面推进器的利用效率。在需要同时保持姿态稳定以及三维直线运动时，该矢量框架式水下机器人保持固定框架布局。
请参阅图6，而在需要快速移动时，位于竖直面的一对矢量推进器可以完全偏转向前，作为前进方向的推力来源。此时水平面的三个推进器保持推力方向不变，仍用来维持翻滚与俯仰姿态稳定以及浮潜运动。
请参阅图7，对于完全不需要姿态维持，只需要最快速移动时，位于竖直面的一对竖直矢量推进器8和位于水平面的一对水平矢量推进器7完全偏转向前，都作为前进方向的推力来源。
请参阅图8，对于分布在水平面的两个水平矢量推进器7和一个水平面固定推进器9，主要负责水下机器人的浮潜运动以及俯仰和翻滚姿态平衡。对于上层的控制输入直接控制水下机器人的6自由度运动，而6个自由度的运动需要根据推进器的排布来设定不同的输出功率。为了实现浮潜运动以及俯仰和翻滚姿态平衡，需要根据这三个水平推进器距离重心的距离调节推进器的输出功率之比：
在图8中，两个水平矢量推进器7(图8中的编号3和编号4)和一个水平面固定推进器9(图8中的编号5)的推力依次为F3,F4,F5(方向垂直与纸面向外)，而且L3＝L4，为了满足力矩平衡，实现：
F3＝F4
F3·L3＝F4·L4
2F3·L1＝F5·L2
由此得出：
其中，L3＝L4，L1为3号和4号推进器与水下机器人重心在x轴方向上的距离，L2为5号推进器与水下机器人重心在x轴方向上的距离，L3为3号推进器与水下机器人重心在y轴方向上的距离，L4为4号推进器与水下机器人重心在y 轴方向上的距离。
本申请中，L1为139mm，L2为324mm，L3为248mm，L4为248mm，α1为 1.165。
请参阅图9，对于分布在竖直面的两个竖直矢量推进器8和一个竖直面固定推进器6，主要负责水下机器人的直航、平移运动以及偏航姿态平衡。为了实现直航、平移运动以及偏航姿态平衡，需要根据这三个竖直推进器距离重心的距离调节推进器的输出功率之比。
在图9中，两个竖直矢量推进器8(图9中的编号1和编号2)和一个竖直面固定推进器6(图9中的编号6)的推力依次为F1,F2,F6，而且L8＝L7，为了满足力矩平衡，实现：
F1＝F2
F6·L6＝2F1·cosβ·L5+2F1·sinβ·L7
由此得出：
其中，L8＝L7，L5为1号和2号推进器与水下机器人重心在x轴方向上的距离，L6为6号推进器与水下机器人重心在x轴方向上的距离，L7为1号推进器与水下机器人重心在y轴方向上的距离，L8为2号推进器与水下机器人重心在y轴方向上的距离。
本申请中，L5为198mm，L6为204mm，L7为129mm，β为45°，α2为0.441。
综合以上计算得出矢量框架式水下机器人在常态模式下的推力分配表为：
在半矢量框架布局的情况下，位于竖直面的1号和2号竖直矢量推进器的偏转角度为0，1号和2号竖直矢量推进器保持常态模式的推力方向；此时的推力分配表为：
而对于完全不需要姿态维持，只需要最快速移动时，位于竖直面的一对竖直矢量推进器8和位于水平面的一对水平矢量推进器7完全偏转向前，都作为前进方向的推力来源。该矢量框架式水下机器人推力分配如表所示：
综上所述，本发明一种矢量框架式水下机器人，通过权衡现有的推进布局方案，如固定框架式推进器和矢量机构推进器，探索处一种适合水下机器人作业的矢量框架式布局方案，矢量框架式的分布式动力布局在确保稳定性的同时具备更强功能性和智能性，使水下机器人具备更强的机动性和灵活性，提高复杂环境下的勘探能力。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种矢量框架式水下机器人，其特征在于，包括：
控制中心(1)，矢量框架式水下机器人运动指令的下达以及运动状态数据记录；
探测模块(2)，采集视频信息；
通讯模块(3)，将视频信息发送给控制中心(1)，并向执行模块(5)发送运动指令；
执行模块(5)，包括矢量偏转机构，矢量偏转机构具有6自由度，包括水平矢量机构和竖直矢量机构，水平矢量机构用于控制水下机器人的浮潜运动与俯仰、翻滚姿态，竖直矢量机构用于控制水下机器人的直航、平移运动以及偏航姿态；
供电模块(4)，分别与控制中心(1)、探测模块(2)、通讯模块(3)和执行模块(5)连接，用于提供电能。
2.根据权利要求1所述的矢量框架式水下机器人，其特征在于，水平矢量机构包括一对水平矢量推进器(7)和一个水平面固定推进器(9)，一对水平矢量推进器(7)对称设置在水下机器人本体头部的两侧，水平面固定推进器(9)设置在水下机器人本体的尾部。
3.根据权利要求2所述的矢量框架式水下机器人，其特征在于，两个水平矢量推进器(7)和一个水平面固定推进器(9)的推力F3,F4,F5满足条件如下：
其中，L3＝L4，L1为3号和4号推进器与水下机器人重心在x轴方向上的距离，L2为5号推进器与水下机器人重心在x轴方向上的距离，L3为3号推进器与水下机器人重心在y轴方向上的距离，L4为4号推进器与水下机器人重心在y轴方向上的距离，α1为1.165。
4.根据权利要求1所述的矢量框架式水下机器人，其特征在于，竖直矢量机构包括一对竖直矢量推进器(8)和一个竖直面固定推进器(6)，一对竖直矢量推进器(8)对称设置在水下机器人本体尾部的两侧，竖直面固定推进器(6)设置在水下机器人本体的头部。
5.根据权利要求4所述的矢量框架式水下机器人，其特征在于，两个竖直矢量推进器(8)和一个竖直面固定推进器(6)的推力F1,F2,F6满足条件如下：
其中，L5为1号和2号推进器与水下机器人重心在x轴方向上的距离，L6为6号推进器与水下机器人重心在x轴方向上的距离，L7为1号推进器与水下机器人重心在y轴方向上的距离，L8＝L7，L8为2号推进器与水下机器人重心在y轴方向上的距离，β为45°，α2为0.441。
6.根据权利要求1或2或4所述的矢量框架式水下机器人，其特征在于，矢量偏转机构包括防水舵机(11)，防水舵机(11)的舵盘(12)依次通过舵盘连接件(13)、回转轴承(15)和推进器连接件(16)与推进器(17)连接。
7.根据权利要求6所述的矢量框架式水下机器人，其特征在于，回转轴承(15)通过轴承固定件(14)固定在水下机器人本体上。
8.根据权利要求6所述的矢量框架式水下机器人，其特征在于，防水舵机(11)通过舵机固定件(10)固定在水下机器人本体上。
9.根据权利要求1所述的矢量框架式水下机器人，其特征在于，水下机器人本体采用高密度聚乙烯制备而成。
10.根据权利要求1所述的矢量框架式水下机器人，其特征在于，供电模块(4)采用锂电池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111131656.3A CN113968326A (zh) | 2021-09-26 | 2021-09-26 | 一种矢量框架式水下机器人 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111131656.3A CN113968326A (zh) | 2021-09-26 | 2021-09-26 | 一种矢量框架式水下机器人 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113968326A true CN113968326A (zh) | 2022-01-25 |
Family
ID=79586875
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111131656.3A Pending CN113968326A (zh) | 2021-09-26 | 2021-09-26 | 一种矢量框架式水下机器人 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113968326A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114516394A (zh) * | 2022-03-23 | 2022-05-20 | 北京天必达科技有限公司 | 一种双动力布局模式的八推进器遥控无人潜水器 |
| CN115214862A (zh) * | 2022-07-19 | 2022-10-21 | 广州大学 | 一种模块化水下机器人及其控制方法 |
Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104477359A (zh) * | 2014-10-27 | 2015-04-01 | 中国船舶重工集团公司第七〇五研究所 | 水下机器人多自由度矢量推进布局方法 |
| CN104960650A (zh) * | 2015-06-16 | 2015-10-07 | 华中科技大学 | 一种六自由度水下机器人 |
| CN205931198U (zh) * | 2016-08-05 | 2017-02-08 | 杭州霆舟无人科技有限公司 | 多矢量推进水下机器人 |
| CN206719504U (zh) * | 2017-04-28 | 2017-12-08 | 上海高邑电子商务有限公司 | 防碰撞智能水下机器人 |
| WO2019028693A1 (zh) * | 2017-08-09 | 2019-02-14 | 深圳微孚智能信息科技有限公司 | 具有多个航行自由度的水下机器人 |
| CN109515651A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-03-26 | 西安交通大学 | 一种基于集成式矢量推进器的模块化水下机器人 |
| CN110745220A (zh) * | 2019-11-07 | 2020-02-04 | 江苏科技大学 | 带有断电保护的微小型水下机器人及断电控制方法 |
| CN210083508U (zh) * | 2019-06-17 | 2020-02-18 | 唐山市智明电子科技有限公司 | 基于集成式矢量推进器的模块化水下机器人 |
| CN110816795A (zh) * | 2019-11-29 | 2020-02-21 | 吉林大学 | 一种多自由度操纵的无人潜水器 |
| CN211391644U (zh) * | 2019-11-28 | 2020-09-01 | 西北农林科技大学 | 一种水下机器人 |
| CN211731773U (zh) * | 2020-01-08 | 2020-10-23 | 深圳潜行创新科技有限公司 | 一种全自由度的水下潜航器 |
| CN111846166A (zh) * | 2020-07-27 | 2020-10-30 | 深圳市吉影科技有限公司 | 水下机器人运动控制系统及水下机器人 |
| CN212047837U (zh) * | 2020-04-15 | 2020-12-01 | 浙江大学 | 新型超机动水下直升机 |
| CN112356041A (zh) * | 2020-10-26 | 2021-02-12 | 广州大学 | 一种八自由度的新型潜水机器人 |
-
2021
- 2021-09-26 CN CN202111131656.3A patent/CN113968326A/zh active Pending
Patent Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104477359A (zh) * | 2014-10-27 | 2015-04-01 | 中国船舶重工集团公司第七〇五研究所 | 水下机器人多自由度矢量推进布局方法 |
| CN104960650A (zh) * | 2015-06-16 | 2015-10-07 | 华中科技大学 | 一种六自由度水下机器人 |
| CN205931198U (zh) * | 2016-08-05 | 2017-02-08 | 杭州霆舟无人科技有限公司 | 多矢量推进水下机器人 |
| CN206719504U (zh) * | 2017-04-28 | 2017-12-08 | 上海高邑电子商务有限公司 | 防碰撞智能水下机器人 |
| WO2019028693A1 (zh) * | 2017-08-09 | 2019-02-14 | 深圳微孚智能信息科技有限公司 | 具有多个航行自由度的水下机器人 |
| CN109515651A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-03-26 | 西安交通大学 | 一种基于集成式矢量推进器的模块化水下机器人 |
| CN210083508U (zh) * | 2019-06-17 | 2020-02-18 | 唐山市智明电子科技有限公司 | 基于集成式矢量推进器的模块化水下机器人 |
| CN110745220A (zh) * | 2019-11-07 | 2020-02-04 | 江苏科技大学 | 带有断电保护的微小型水下机器人及断电控制方法 |
| CN211391644U (zh) * | 2019-11-28 | 2020-09-01 | 西北农林科技大学 | 一种水下机器人 |
| CN110816795A (zh) * | 2019-11-29 | 2020-02-21 | 吉林大学 | 一种多自由度操纵的无人潜水器 |
| CN211731773U (zh) * | 2020-01-08 | 2020-10-23 | 深圳潜行创新科技有限公司 | 一种全自由度的水下潜航器 |
| CN212047837U (zh) * | 2020-04-15 | 2020-12-01 | 浙江大学 | 新型超机动水下直升机 |
| CN111846166A (zh) * | 2020-07-27 | 2020-10-30 | 深圳市吉影科技有限公司 | 水下机器人运动控制系统及水下机器人 |
| CN112356041A (zh) * | 2020-10-26 | 2021-02-12 | 广州大学 | 一种八自由度的新型潜水机器人 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114516394A (zh) * | 2022-03-23 | 2022-05-20 | 北京天必达科技有限公司 | 一种双动力布局模式的八推进器遥控无人潜水器 |
| CN115214862A (zh) * | 2022-07-19 | 2022-10-21 | 广州大学 | 一种模块化水下机器人及其控制方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106882347B (zh) | 六自由度水下机器人 | |
| CN111232167B (zh) | 一种全自由度的水下潜航器及其控制方法 | |
| US10450040B2 (en) | Re-configurable subsea robot | |
| CN105216999B (zh) | 三自由度并联型矢量推进装置及具有该装置的水下机器人 | |
| CN113968326A (zh) | 一种矢量框架式水下机器人 | |
| CN111687821B (zh) | 转动式并联型飞行机械臂系统及期望转角解算方法 | |
| CN110758689A (zh) | 仿生机器鱼 | |
| CN109515651A (zh) | 一种基于集成式矢量推进器的模块化水下机器人 | |
| Tehrani et al. | Development, depth control and stability analysis of an underwater Remotely Operated Vehicle (ROV) | |
| CN108860527B (zh) | 一种水下机器人-水下机械臂系统 | |
| CN207565812U (zh) | 二元六自由度水下机器人 | |
| CN109676598B (zh) | 自主组装的模块化机器人 | |
| CN211731773U (zh) | 一种全自由度的水下潜航器 | |
| Tan et al. | Design of a morphable multirotor aerial-aquatic vehicle | |
| WO2017085735A1 (en) | A functionality focused hybrid design of an observation class bio-inspired underwater remotely operated vehicle | |
| es Castaño et al. | CONRO: Towards Miniature Self-Suficient Metamorphic Robots | |
| Liu et al. | TJ-FlyingFish: Design and implementation of an aerial-aquatic quadrotor with tiltable propulsion units | |
| CN113002744B (zh) | 一种四旋翼水下航行器 | |
| CN117465641A (zh) | 一种基于矢量喷口控制的三推进器水下机器人 | |
| CN110641660B (zh) | 面向海产品打捞的水下作业机器人 | |
| CN214930610U (zh) | 一种可在水面航行的无人机 | |
| CN211468734U (zh) | 一种机械腿和六足机器人 | |
| An et al. | Underwater Motion Characteristics Evaluation of a Bio-inspired Father-son Robot | |
| CN213502850U (zh) | 一种多功能水下蛇形探测机器人 | |
| CN111003124B (zh) | 一种机械腿、六足机器人及其水下运动方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220125 |