CN114590375A - 一种冰下轮式行走及浮游双模水下机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明属于新概念水下机器人技术领域，具体地说是一种冰下轮式行走及浮游双模水下机器人。包括支撑框架及设置于支撑框架上的轮式行走机构、推进器、控制导航系统、能源系统、观测载荷系统及光学系统，其中支撑框架上设有浮力材料；轮式行走机构设置于支撑框架的左右两侧；观测载荷系统搭载海洋环境数据观测设备；支撑框架的上部设有卫星天线；控制导航系统和能源系统设置于全密封耐压舱内，通过轮式行走机构和推进器实现水下机器人冰下轮式行走和浮游运动。本发明具有行走和浮游运动双模切换功能，能够实现水下机器人的冰底自主行走和水中浮游巡航，能够获取指定海域冰下及近冰底环境的海洋环境多要素信息。

Description

一种冰下轮式行走及浮游双模水下机器人
技术领域
本发明属于新概念水下机器人技术领域，具体地说是一种冰下轮式行走及浮游双模水下机器人。
背景技术
针对冰下海洋环境自主连续观测的科学需求，利用自主水下机器人技术，可以实现自航式及垂直剖面连续观测，获得指定海域冰下的海洋环境多参数连续观测数据。能获得指定海域的海洋环境信息的时空变化情况的连续观测平台主要包括科考船、水下机器人、水下滑翔机、浮标等。科考船搭载或拖曳不同传感器或设备进行观测，可测区域受限且经济性不高；浮标无自主保持位姿能力，且无法按设定路线进行观测，只能随海流漂浮进行移动观测；水下机器人和水下滑翔机有自主机动性，能够完成大部分走航观测任务，但由于冰下的冰形复杂及海流方向和流速未知，易对其安全性造成严重威胁，且无法对冰下及近冰底海洋环境进行长期自主连续探测和观测。
为完成指定海域冰下环境自主观探测任务，获取该海域冰下海洋环境多要素信息的时空变化情况，需研制一种续航时间长、机动性强、具有冰下行走和自由浮游能力，兼具能够进行冰下精细光学探测和近冰底海洋环境多要素观测的功能，并能按照设定的使命任务自主完成该海域冰下连续观探测任务的海洋无人设备。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种冰下轮式行走及浮游双模水下机器人，主要实现既能冰下精细光学探测又能近冰底海洋环境多要素连续观测的功能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种冰下轮式行走及浮游双模水下机器人，包括支撑框架及设置于所述支撑框架上的轮式行走机构、推进器、控制导航系统、能源系统、观测载荷系统及光学系统，其中支撑框架上设有浮力材料；所述轮式行走机构设置于所述支撑框架的左右两侧；所述观测载荷系统搭载海洋环境数据观测设备；所述支撑框架的上部设有通信定位天线；所述控制导航系统和能源系统设置于全密封耐压舱内，通过所述轮式行走机构和推进器实现水下机器人冰下轮式行走和浮游运动。
所述轮式行走机构包括左行走轮、右行走轮、左轮推进器及右轮推进器，其中左行走轮和右行走轮可转动地设置于支撑框架的左右两侧；所述左轮推进器设置于所述支撑框架的左侧且与所述左行走轮连接，用于驱动所述左行走轮转动；所述右轮推进器设置于所述支撑框架的右侧且与所述右行走轮连接，用于驱动所述右行走轮转动。
所述左行走轮和右行走轮的外圆周上均布有多个凸起。
所述推进器包括左推进器、右推进器、前推进器及后推进器，其中左推进器和右推进器分别设置于所述支撑框架的左右两侧且可倾转，所述左推进器和右推进器可以提供水下机器人浮游模式下前向运动、转向运动和垂向运动的驱动力。
所述前推进器和后推进器分别设置于所述支撑框架的前后侧，所述前推进器和后推进器为侧向推进器，可提供浮游模式下侧移运动和转向运动的驱动力。
所述左推进器、右推进器、前推进器及后推进器分别由四部电机独立控制，都采用充油密封方式进行密封。
所述观测载荷系统搭载的海洋环境数据观测设备包括温盐深仪、流速剖面仪、浊度计、溶解氧传感器及叶绿素传感器。
所述光学系统包括光学相机和光源，其中光学相机设置于所述支撑框架的上部前侧；所述光源设置于所述支撑框架的上部后侧。
所述支撑框架的底部前侧设有前视声呐。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明能够对指定海域的冰下精细光学探测且近冰底海洋环境多要素进行长期自主连续观测，获取指定海域冰下及近冰底环境的海洋环境多要素信息，具有重要的科学意义和实用价值。
2.本发明通过推进器及轮式系统实现冰下行走及自由浮游双模运动方式，突破了常规水下机器人只能执行固定深度或高度水下航行观测的限制。
3.本发明将无人车技术、水下机器人技术和海洋冰下科学研究的迫切需求紧密结合，能够提升我国海洋冰下自主探测装备的研制能力和技术水平。
4.本发明采用功能模块化设计理念，不同水下机器人的组部件可通用，便于水下机器人的组部件级和分系统的维护和保障。
5.本发明具有冰下行走和自由浮游双模运动能力，能显著提高水下机器人在不确定复杂冰下环境的适应性和自主执行任务的可靠性。
附图说明
图1为本发明一种冰下轮式行走及浮游双模水下机器人的主视图；
图2为本发明一种冰下轮式行走及浮游双模水下机器人的透视图。
其中：1为轮式行走机构，2为推进器，3为控制导航系统，4为能源系统，5为观测载荷系统，6为光学系统，101为左行走轮，102为右行走轮，103为左轮推进器，104为右轮推进器，201为左推进器，202为右推进器，203为前推进器，204为后推进器，301为航行控制舱，302为前视声呐，601光学相机，602为光源。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明提供的一种冰下轮式行走及浮游双模水下机器人，包括支撑框架及设置于支撑框架上的轮式行走机构1、推进器2、控制导航系统3、能源系统4、观测载荷系统5及光学系统6，其中支撑框架采用开放式框架结构，其外部和内部均设有浮力材料；轮式行走机构1设置于支撑框架的左右两侧；观测载荷系统5搭载海洋环境数据观测设备；支撑框架的上部设有卫星天线；控制导航系统3和能源系统4设置于全密封耐压舱内，通过轮式行走机构1和推进器2实现水下机器人冰下轮式行走和浮游运动。
如图2所示，本发明的实施例中，轮式行走机构1包括左行走轮101、右行走轮102、左轮推进器103及右轮推进器104，其中左行走轮101和右行走轮102可转动地设置于支撑框架的左右两侧，左轮推进器103与左行走轮101连接，用于驱动左行走轮101转动；右轮推进器104与右行走轮102连接，用于驱动右行走轮102转动。
具体地，左轮推进器103和右轮推进器104采用充油密封方式，驱动对应的行走轮转动，控制水下机器人的冰下行走。左行走轮101和右行走轮102的外圆周上均布有多个凸起，各凸起均倾斜设置，以便增加行走摩擦力。
本发明的实施例中，推进器2包括左推进器201、右推进器202、前推进器203及后推进器204，其中左推进器201和右推进器202分别设置于支撑框架的左右两侧且可倾转，左行走轮101和右行走轮102可以提供水下机器人行走模式下前向运动和转向运动的驱动力；左推进器201和右推进器202可以提供水下机器人浮游模式下前向运动、转向运动和垂向运动的驱动力；前推进器203和后推进器204分别设置于支撑框架的前后侧，前推进器203和后推进器204为侧向推进器，可提供水下机器人浮游模式下侧移运动和转向运动的驱动力。具体地，左推进器201、右推进器202、前推进器203及后推进器204分别由四部电机独立控制，都采用充油密封方式密封。
本发明的实施例中，观测载荷系统5搭载的海洋环境数据观测设备包括但不局限于温盐深仪、流速剖面仪、浊度计、溶解氧传感器及叶绿素传感器等，观测载荷系统5还可灵活配置其它观测用传感器。观测载荷系统5上最高处安装有通信天线，通信天线包括GPS、无线电和卫星天线，以及频闪灯等其它实现通信或定位功能的天线，实现水下机器人的水面通信和定位功能。
本发明的实施例中，光学系统6包括光学相机601、光源602及光学控制模块，其中光学相机601设置于支撑框架的上部前侧；光源602设置于支撑框架的上部后侧。光学相机601和光源602用于对冰下进行光学精细探测，光学控制模块装于全密封耐压舱内。
本发明的实施例中，支撑框架的底部前侧设有前视声呐302。控制导航系统3包括控制计算机及其它控制模块，装于全密封耐压舱内，还有位姿传感器包括但不局限于深度计、高度计、电子罗盘、惯性测量单元等，通过水密缆与控制导航耐压舱连接。能源系统4装载电池组和配电模块，电池组和配电模块全密封于耐压舱内部，为水下机器人所有设备供电，可输出电压包括24VDC、48VDC等。电池组全密封于耐压舱内部。能源系统4的前方设有回收环，可通过回收环吊起整个水下机器人，用于布放和回收。水下机器人回收时，靠自身浮力上浮至水面，然后通过卫星天线和无线电天线告知母船其所在的位置，并开启频闪灯示位。
本实施例中，在开放式支撑框架的外侧和内部空隙都填充固体浮力材料，使得水下机器人在水中处于正浮力状态，有助于水下机器人下水后锚附于冰下。
本发明的主要工作流程是：
首先，双模水下机器人从母船吊放入水，在冰下自主行走到预定的作业点，在作业点通过光学系统6进行探测和通过观测载荷系统5进行观测；然后，在推进器2的工作下潜到预定深度，再上浮至冰下。在下潜上浮过程中，观测载荷系统5进行自主连续观测，水下机器人将轮式行走机构1、推进器2、光学系统6、观测载荷系统5等断电，保持以最小功耗的休眠模式靠自身正浮力锚附于冰下。经过设定时间的休眠后，水下机器人重新进入工作模式，给轮式行走机构1、推进器2、光学系统6、观测载荷系统5等上电并恢复工作，水下机器人自主行走至下一设定观测点进行观探测作业。如此往复，直至执行观探测任务完毕。完成整个观探测任务后，水下机器人自主行走或浮游到预定回收点，无动力上浮水面并发送位置信息，等待回收。母船接近水下机器人后，操作人员挂住其回收钩后，将水下机器人吊起至母船完成回收。
本发明提供的一种冰下轮式行走及浮游双模水下机器人，其全部电子舱都全密封于耐压舱内，通过推进器及轮式行走系统，实现水下机器人冰下行走和水中浮游。本发明具有行走和浮游运动双模切换功能，能够实现水下机器人的自主行走和浮游巡航。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种冰下轮式行走及浮游双模水下机器人，其特征在于，包括支撑框架及设置于所述支撑框架上的轮式行走机构(1)、推进器(2)、控制导航系统(3)、能源系统(4)、观测载荷系统(5)及光学系统(6)，其中支撑框架上设有浮力材料；所述轮式行走机构(1)设置于所述支撑框架的左右两侧；所述观测载荷系统(5)搭载海洋环境数据观测设备；所述支撑框架的上部设有通信定位天线；所述控制导航系统(3)和能源系统(4)设置于全密封耐压舱内，通过所述轮式行走机构(1)和推进器(2)实现水下机器人冰下轮式行走和浮游运动。
2.根据权利要求1所述的冰下轮式行走及浮游双模水下机器人，其特征在于，所述轮式行走机构(1)包括左行走轮(101)、右行走轮(102)、左轮推进器(103)及右轮推进器(104)，其中左行走轮(101)和右行走轮(102)可转动地设置于支撑框架的左右两侧；所述左轮推进器(103)设置于所述支撑框架的左侧且与所述左行走轮(101)连接，用于驱动所述左行走轮(101)转动；所述右轮推进器(104)设置于所述支撑框架的右侧且与所述右行走轮(102)连接，用于驱动所述右行走轮(102)转动。
3.根据权利要求2所述的冰下轮式行走及浮游双模水下机器人，其特征在于，所述左行走轮(101)和右行走轮(102)的外圆周上均布有多个凸起。
4.根据权利要求1所述的冰下轮式行走及浮游双模水下机器人，其特征在于，所述推进器(2)包括左推进器(201)、右推进器(202)、前推进器(203)及后推进器(204)，其中左推进器(201)和右推进器(202)分别设置于所述支撑框架的左右两侧且可倾转，所述左推进器(201)和右推进器(202)可以提供水下机器人浮游模式下前向运动、转向运动和垂向运动的驱动力；
所述前推进器(203)和后推进器(204)分别设置于所述支撑框架的前后侧，所述前推进器(203)和后推进器(204)为侧向推进器，可提供浮游模式下侧移运动和转向运动的驱动力。
5.根据权利要求4所述的冰下轮式行走及浮游双模水下机器人，其特征在于，所述左推进器(201)、右推进器(202)、前推进器(203)及后推进器(204)分别由四部电机独立控制，都采用充油密封方式进行密封。
6.根据权利要求1所述的冰下轮式行走及浮游双模水下机器人，其特征在于，所述观测载荷系统(5)搭载的海洋环境数据观测设备包括温盐深仪、流速剖面仪、浊度计、溶解氧传感器及叶绿素传感器。
7.根据权利要求1所述的冰下轮式行走及浮游双模水下机器人，其特征在于，所述光学系统(6)包括光学相机(601)和光源(602)，其中光学相机(601)设置于所述支撑框架的上部前侧；所述光源(602)设置于所述支撑框架的上部后侧。
8.根据权利要求1所述的冰下轮式行走及浮游双模水下机器人，其特征在于，所述支撑框架的底部前侧设有前视声呐(302)。
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