CN117302482A - 一种用于深海小型水下航行器的自主定高模块 - Google Patents

Abstract

一种用于深海小型水下航行器的自主定高模块，它涉及水下航行器领域。本发明为了解决现有小型水下机器由于深海极端压力，导致无法进行深海探索，给深海探测的研究带来了不便。本发明包括硅胶体(1)、激光测距传感器(2)、电路板(3)、减摇鳍(4)、磁线圈柔性执行器(5)和电源，电路板(3)和电源密封内嵌在硅胶体(1)内，激光测距传感器(2)安装在硅胶体(1)的前端面上，减摇鳍(4)安装在硅胶体(1)的上端面左右两侧，磁线圈柔性执行器(5)安装在硅胶体(1)的上端面上，磁线圈柔性执行器(5)驱动背鳍叶片(5‑1)提供航行器下潜的驱动动力。本发明用于深海探测。

Description

一种用于深海小型水下航行器的自主定高模块

技术领域

本发明涉及一种航行器，具体涉及一种用于深海小型水下航行器的自主定高模块，属于深海探测领域。

背景技术

随着海洋强国战略的提出以及陆地和近海资源的高度开发，深海资源的探索已然成为当前的研究热点。由于深海有着极端的静水压力，传统刚性机器人需要压力容器和压力补偿系统，导致机器人本体通常体积较大且笨重，外形与海底环境难以很好地融入，并且造价昂贵，整体设计较为复杂，可扩展性较差。

此外，该类机器人推进系统大多采用螺旋桨或者喷气来实现，很可能会惊扰海底鱼群，不利于深海观测。同时，新型水下机器人低成本、小尺寸、易制造、可扩展等优势对于未来深海探索具有重要的战略意义。

现阶段小型水下机器的深度控制主要分为浮力控制和动态控制方法。其中，浮力控制主要通过改变水下机器人的体积变化来调节，可以使用活塞或泵来压缩气体或液体，或者通过电解水产生气体从而实现体积变化。动态控制主要通过调节机器人至中性浮力，改变机器鱼胸鳍的俯仰角来实现上浮下潜动作，该控制方式对机器人的游动速度有一定要求。此外，还可以利用背鳍与传感器结合的控制方法，驱动背鳍产生向下的推力从而实现深度控制。但以上这些控制方式均只能在近海实验，因为这些设计都无法抵抗深海的极端压力。

综上所述，现有小型水下机器大多数无法承受深海的极端载荷，导致无法进行深海探索，给深海探测的研究带来了不便。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有小型水下机器无法承受深海的极端载荷，导致无法进行深海探索，给深海探测的研究带来了不便。进而提供一种用于深海小型水下航行器的自主定高模块。

本发明的技术方案是：一种用于深海小型水下航行器的自主定高模块，它包括硅胶体、激光测距传感器、电路板、减摇鳍、磁线圈柔性执行器和电源，电路板和电源密封内嵌在硅胶体内，激光测距传感器安装在硅胶体的前端面上，减摇鳍安装在硅胶体的上端面左右两侧，磁线圈柔性执行器安装在硅胶体的上端面上，磁线圈柔性执行器驱动背鳍叶片提供航行器下潜的驱动动力。

进一步地，硅胶体为长方体硅胶块或仿生鱼形状。

进一步地，激光测距传感器的主体内嵌在硅胶体内，激光测距传感器的激光窗口漏出硅胶体，且激光窗口竖直向下。

更进一步地，减摇鳍包括硅胶薄膜和骨架，骨架安装在硅胶体长度方向的两侧，硅胶薄膜安装在骨架内。

优选地，骨架的形状为鱼鳍状。

更进一步地，磁线圈柔性执行器包括背鳍叶片、树脂底座、磁铁和线圈，树脂底座上设有“V”形槽，线圈内嵌在“V”形槽的斜面内，线圈的线头与电路板电性连接，背鳍叶片竖直插装在“V”形槽内，磁铁位于“V”形槽内并左右对称贴附在背鳍叶片的端面上。

优选地，树脂底座的“V”形槽底端面上开设有凹槽。

进一步地，磁铁的外侧插在线圈内。

进一步地，背鳍叶片为柔性叶片。

进一步地，磁线圈柔性执行器的数量为至少一个。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本发明是一种低成本、小体积、易制作的深海自主定高模块，用于深海水下3000米探索。与大多数小型水下机器人只能近海探索不同，本发明采用激光测距传感器代替压力传感器，通过磁线圈柔性执行器5提供下潜力，配合模块自身的轻微正浮力，控制航行器高度位置。该模块利用硅胶基质保护电路板，抵抗深海高压，能在35MPa的高压下工作，定高误差范围在±5厘米，成功实现了小型柔性机器人模块深海操纵的定高功能。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。图2是图1的主视图。图3是图1的俯视图。图4是磁线圈柔性执行器的主视图。图5是图4的俯视图。图6是图5沿B-B处的剖视图。图7是磁线圈柔性执行器的侧视图。图8是图7的轴侧示意图。图9是本发明的定高原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式包括硅胶体1、激光测距传感器2、电路板3、减摇鳍4、磁线圈柔性执行器5和电源，电路板3和电源密封内嵌在硅胶体1内，激光测距传感器2安装在硅胶体1的前端面上，减摇鳍4安装在硅胶体1的上端面左右两侧，磁线圈柔性执行器5安装在硅胶体1的上端面上，磁线圈柔性执行器5驱动背鳍叶片5-1提供航行器下潜的驱动动力。

本发明的自主定高模块用于深海小型水下航行器，其由电磁线圈驱动背鳍翅片，提供下潜的驱动力，集成后的水下航行器需要有轻微的正浮力，传感器需正对海底以便接受高度反馈信息，达到设定高度，背鳍停止驱动，航行器受正浮力影响上浮，上浮超过设定高度，背鳍重新驱动，以此来控制航行器在水下固定高度工作。本发明为小型化深海机器人提供了新的水下控制思路，具有一定的战略意义，该模块具有很强的扩展性，可以很方便的集成到小型水下机器人上，而且还具有成本低、易制作、体积小、质量轻等特点。

具体实施方式二：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的硅胶体1为长方体硅胶块或仿生鱼形状。如此设置，便于提供载体，实现对激光测距传感器2、电路板3、减摇鳍4、磁线圈柔性执行器5和电源的搭载。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的激光测距传感器2的主体内嵌在硅胶体1内，激光测距传感器2的激光窗口漏出硅胶体1，且激光窗口竖直向下。如此设置，便于精确的检测到高度信息。其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的减摇鳍4包括硅胶薄膜4-1和骨架4-2，骨架4-2安装在硅胶体1长度方向的两侧，硅胶薄膜4-1安装在骨架4-2内。如此设置，便于起到减摇的作用，便于减少模块的横摇角度。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的骨架4-2的形状为鱼鳍状。如此设置，。其它组成和连接关系与具体实施方式一至四中任意一项相同。

具体实施方式六：结合图4至图8说明本实施方式，本实施方式的磁线圈柔性执行器5包括背鳍叶片5-1、树脂底座5-2、磁铁5-3和线圈5-4，树脂底座5-2上设有“V”形槽5-5，线圈5-4内嵌在“V”形槽5-5的斜面内，线圈5-4的线头与电路板3电性连接，背鳍叶片5-1竖直插装在“V”形槽5-5内，磁铁5-3位于“V”形槽5-5内并左右对称贴附在背鳍叶片5-1的端面上。如此设置，磁线圈柔性执行器5为驱动装置,其采用的是仿生背鳍的方式，通过磁线圈驱动背鳍叶片产生向下的推进力。集成后的水下航行器需要有轻微的正浮力(集成后水下航行器整体需要有轻微正浮力，数值可以根据不同深度调节，以下是参考数值，近海可以设置为2g，深海浮力根据不同航行器重新调节，可依据小型航行器约为4g浮力进行调节)，激光测距传感器需正对海底以便接受高度反馈，达到设定高度，背鳍叶片停止驱动，航行器受正浮力影响上浮，上浮超过(具体参数由传感器决定，传感器的工作范围决定可调的高度，该高度是可以任意设置的)设定高度，背鳍重新驱动，以此来控制航行器在水下固定高度工作。其它组成和连接关系与具体实施方式一至五中任意一项相同。

定高的最高高度取决于传感器工作范围，定高的流程图详见图9,在电路板中提前设置好高度参数，该高度参数不超过传感器最大工作范围即可，不驱动磁线圈执行器模块会上浮，驱动磁线圈执行器会下潜，两者通过传感器的反馈，结合控制电路，使模块确定在某一高度处航行。

具体实施方式七：结合图4至图8说明本实施方式，本实施方式的树脂底座5-2的“V”形槽5-5底端面上开设有凹槽5-6。如此设置，便于背鳍叶片的插装，并通过涂胶的方式实现固定，保证使用过程的安全性和稳定性。其它组成和连接关系与具体实施方式一至六中任意一项相同。

具体实施方式八：结合图6说明本实施方式，本实施方式的磁铁5-3的外侧插在线圈5-4内。如此设置，保证磁铁能在两个线圈中心来回摆动，还能保证整体设计尺寸较为紧凑，增大扭矩，提高磁场的利用率。其它组成和连接关系与具体实施方式一至七中任意一项相同。

具体实施方式九：结合图4至图8说明本实施方式，本实施方式的背鳍叶片5-1为柔性叶片。如此设置，便于快速实现摆动，保证驱动强度。其它组成和连接关系与具体实施方式一至八中任意一项相同。

具体实施方式十：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的磁线圈柔性执行器5的数量为至少一个。如此设置，便于根据实际深度探测需要，数量越多适用于越深的深海探测。其它组成和连接关系与具体实施方式一至九中任意一项相同。

结合图1至图9说明本发明的工作原理：

本发明的用于深海小型水下航行器的自主定高模块主要由以下四个部分组成：磁线圈柔性执行器、定高控制的电路板(通过控制电流的来回变化，来驱动磁线圈执行器，通过接收传感器的反馈，来控制电路的开启关闭，达到或超过设定高度，电路板控制磁线圈工作，未达到设定高度，控制磁线圈不工作)、激光测距传感器和电源。

磁线圈执行器组装时，将线圈外围涂胶，分别放置在树脂底座的凹槽中，线圈线头从凹槽下方的通孔处引出，便于与电路板相连，两个磁铁对称相吸，粘在PET背鳍叶片的两侧，叶片下面方形区域涂胶，插入树脂底座凹槽，此时，需保证磁铁位置正对圆形凹槽中央，即为安装成功。

值得注意的是，两个线圈需串联，在连接电路板时，需确保线圈的电流方向，即线圈的磁场方向，当左侧线圈的磁场表现为吸引磁铁时，右侧线圈产生的磁场需要与磁铁相斥，表现为背鳍叶片向左侧拍动，当电流交换方向时，叶片向相反方向拍动，以此实现背鳍的来回拍动。

磁线圈底座由3D树脂打印制成。底座成对称设计，中间V型夹角用来限制背鳍的摆幅。线圈的选择直接影响执行器的推力，电流大小和线圈匝数是影响线圈通电产生磁场大小的重要因素。选择参数合适得线圈(即线圈的线径，匝数，内径、外径、电阻、高度等)和电源。将两个线圈串联，在空气中线圈工作会发热严重，但由于工作环境在水下，在水中工作时，线圈周围的水可以迅速帮助降温，保证执行器稳定运行。

单个圆柱形磁铁(NdFeB)参数需要略小于线圈内径参数，这样既可以保证磁铁能在两个线圈中心来回摆动，还能保证整体设计尺寸较为紧凑，增大扭矩，提高磁场的利用率。

选用PET薄片作为驱动背鳍叶片。背鳍叶片的设计采用悬臂梁结构，选用柔性叶片而非硬质叶片来提高推力，且PET本身的刚度又能保证在不驱动线圈情况下，背鳍可以保持竖直状态，更符合仿生学设计。采用单片机控制电流变换方向，传感器采用激光测距传感器，但是需要做耐压保护，即内部如果有空腔，用硅油填入空腔。

采用软硅胶将需要保护的电路板等密封，为了验证模可行性，同时更便于试验，采用简单的长方体硅胶块进行封装。需要注意的是，传感器的激光窗口需露出硅胶，且方向竖直向下，以便检测高度信息。同时为了保证激光窗口周围在高压下的可靠性，我们添加硫化胶粘贴传感器周围，因为硫化胶固化后质地比硅胶更硬，粘合力强。具体做法即剖开传感器窗口周围硅胶，再涂上一圈硫化胶。

此外，该模块在实际工作过程中可能会出现横摇现象，此时，可添加PET为骨架，中间镂空处粘贴硅胶薄膜得设计，作为模块得减摇鳍。磁线圈执行器可以多个并联，以提高驱动力。

Claims (10)

1.一种用于深海小型水下航行器的自主定高模块，其特征在于：它包括硅胶体(1)、激光测距传感器(2)、电路板(3)、减摇鳍(4)、磁线圈柔性执行器(5)和电源，电路板(3)和电源密封内嵌在硅胶体(1)内，激光测距传感器(2)安装在硅胶体(1)的前端面上，减摇鳍(4)安装在硅胶体(1)的上端面左右两侧，磁线圈柔性执行器(5)安装在硅胶体(1)的上端面上，磁线圈柔性执行器(5)驱动背鳍叶片(5-1)提供航行器下潜的驱动动力。

2.根据权利要求1所述的一种用于深海小型水下航行器的自主定高模块，其特征在于：硅胶体(1)为长方体硅胶块或仿生鱼形状。

3.根据权利要求2所述的一种用于深海小型水下航行器的自主定高模块，其特征在于：激光测距传感器(2)的主体内嵌在硅胶体(1)内，激光测距传感器(2)的激光窗口漏出硅胶体(1)，且激光窗口竖直向下。

4.根据权利要求3所述的一种用于深海小型水下航行器的自主定高模块，其特征在于：减摇鳍(4)包括硅胶薄膜(4-1)和骨架(4-2)，骨架(4-2)安装在硅胶体(1)长度方向的两侧，硅胶薄膜(4-1)安装在骨架(4-2)内。

5.根据权利要求4所述的一种用于深海小型水下航行器的自主定高模块，其特征在于：骨架(4-2)的形状为鱼鳍状。

6.根据权利要求1或5所述的一种用于深海小型水下航行器的自主定高模块，其特征在于：磁线圈柔性执行器(5)包括背鳍叶片(5-1)、树脂底座(5-2)、磁铁(5-3)和线圈(5-4)，树脂底座(5-2)上设有“V”形槽(5-5)，线圈(5-4)内嵌在“V”形槽(5-5)的斜面内，线圈(5-4)的线头与电路板(3)电性连接，背鳍叶片(5-1)竖直插装在“V”形槽(5-5)内，磁铁(5-3)位于“V”形槽(5-5)内并左右对称贴附在背鳍叶片(5-1)的端面上。

7.根据权利要求6所述的一种用于深海小型水下航行器的自主定高模块，其特征在于：树脂底座(5-2)的“V”形槽(5-5)底端面上开设有凹槽(5-6)。

8.根据权利要求7所述的一种用于深海小型水下航行器的自主定高模块，其特征在于：磁铁(5-3)的外侧插在线圈(5-4)内。

9.根据权利要求8所述的一种用于深海小型水下航行器的自主定高模块，其特征在于：背鳍叶片(5-1)为柔性叶片。

10.根据权利要求1或9所述的一种用于深海小型水下航行器的自主定高模块，其特征在于：磁线圈柔性执行器(5)的数量为至少一个。