CN1644451A - 温差能驱动的滑翔运动水下机器人 - Google Patents
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Abstract
温差能驱动的滑翔运动水下机器人,主要具有外皮囊、控制电路板、热机工作腔、内皮囊、电磁阀、单向阀、蓄能器等。水下机器人外整体由密封底盘、热机工作腔、密封圆柱壳体以及前密封球体构成,热机工作腔设计为带有夹层的圆柱型密封体,工作腔内设有控制电路板。本发明装有可更换的水平翼,机器人可按照预定的航向滑翔,同时利用海水的温度变化使石蜡类工质产生相变作为驱动能量,通过皮囊体积的变化而控制机器人的下潜与浮升。利用水动力和GPS定位实现水下定位,通过控制系统实现水下机器人在指定水域完成水下的观测与探测等任务,本发明搭载不同的传感器,还可以实现对水域的监测。
Description
技术领域
本发明属于机电一体化,具体涉及一种依靠温差能驱动的滑翔运动水下机器人。
技术背景
水下机器人可作为监测平台用于对海洋和其他水域环境进行监测,因此,又称为水下监测平台。通过携带不同的测量传感器,水下机器人可以用作不同用途。一般水下机器人使用的驱动能源为电能,通过自身携带的锂电池或其它碱性电池提供能源。例如美国研制的自持式拉格郎日探测器ALACE以及Webb research公司生产的电能驱动Slocum水下滑翔机等,均采用电能驱动。它们的主要缺点是,因受能源的制约,作业时间有限,难以长时间在特定海域作业。此温差能驱动的水下机器人与电能驱动的水下机器人不同,它的驱动能源来自于温差能,只使用小部分的电能为控制电路和通讯提供能源。在南北纬30度范围内,海洋表面与一定深度的水域存在约10度以上的温差,此水下机器人正是利用这些天然存在的丰富的温差能源作为驱动能源。现在已见报道的利用温差能作为驱动能源的水下机器人是由美国Webb research公司生产的Slocum水下滑翔机。本设计与Slocum水下机器人比较,具有适应海域范围广,结构简单,滑翔翼更换方便的特点。滑翔运动水下机器人可以实现可控的水平方向与垂直方向运动,并可实现水下动力定位。
发明内容
本发明的目的是提出一种利用温差能作为驱动能源控制滑翔运动的水下自航行机器人(AUV),水下机器人在沉浮运动过程中通过自身携带水平滑翔翼的水动力作用,使机器人实现滑翔运动。
本发明通过以下技术方案予以实现。参照附图,温差能驱动的滑翔运动水下机器人主要具有:外皮囊保护壳体1、外皮囊2、密封底盘3、O形环密封圈4、二通管接头5、电池支架6、控制电路板7、热机工作腔8、橡胶管9、皮囊支架10、内皮囊11、内皮囊支架上盖12、阀支架13、二通电磁阀14、丝堵15、水平滑翔翼16、三通管接头17、密封圆柱壳体18、单向阀19、蓄能器支架20、蓄能器21、蓄能器支架上盖22、前密封球体23、天线24、伺服电机25、丝杠26、姿态控制重物27、流量控制器28及配重29。水下机器人外整体由密封底盘3、热机工作腔8、密封圆柱壳体18以及前密封球体23构成。热机工作腔8设计为带有夹层的圆柱型密封体,工作介质灌装于热机工作腔8的夹层内,并用丝堵15封死。在热机工作腔8内设有控制电路板7,锂电池与控制电路板7组装在一起。由控制电路板7和位于整体顶部的天线24来完成机器人的控制与通讯定位。热机工作腔8通过二通管接头5、橡胶管9以及三通管接头17分别接于正向导通的单向阀19-1的输入端和反向导通的单向阀19-2的输出端。单向阀19-1的输出端分为两路:一路与蓄能器21相通;另一路经二通电磁阀14-2连于外皮囊2。反向导通的单向阀19-2的输入端亦分为两路:一路直接接于内皮囊11;另有一路经过二通电磁阀14-1连接于外皮囊2。在热机工作腔8和密封圆柱壳体18衔接处装有可更换的水平滑翔翼16。控制伺服电机25与丝杠26轴连接进而带动姿态控制重物27运动。密封底盘3、热机工作腔8、密封圆柱壳体18以及前密封球体23各部件之间通过O形环密封圈4与螺栓连接。在密封底盘3的下部装有配重29。内皮囊11由内皮囊支架10支撑并用内皮囊支架上盖12固定。蓄能器21由蓄能器支架20支撑用蓄能器支架上盖22固定。选用具有温度敏感性的工作介质石蜡类作为工作介质灌装在所述热机工作腔8内部。内皮囊11、外皮囊2以及其余的液压循环系统内灌装乙二醇或纯水作为传递介质。工作介质在常温下能够发生固态和液态的相变。高温时液化体积膨胀,低温时固化体积收缩。
开始工作时蓄能器21内预充一定的压力,该压力稍大于工作深度的压力。密封壳体内部保持部分真空。石蜡类工作介质完全融化到液态,体积膨胀到最大。打开二通电磁阀14-1,外皮囊2内的传递介质(乙二醇或纯水)进入内皮囊11,此时机体浮力减小,水下机器人下沉。在下沉过程中随着海水深度的增加机器人外环境温度也在不断降低,当海水小于工作介质的相变温度时,石蜡类工作介质相变为固态,体积收缩,此时作为内皮囊11中的传递介质乙二醇或纯水经过单向阀19-2流入热机工作腔8。水下机器人上升与下降的过程中,通过可更换的水平翼16的水动力作用,实现滑翔运动。水下机器人在下沉的同时,伺服电机25实时调整姿态控制重物27相对于滑翔机器人的重心的位置。机器人在做滑翔运动时,伺服电机25不断微调重物姿态控制重物27的位置,以控制滑翔机器人的姿态稳定。当机器人下沉到预定深度时,二通电磁阀14-2打开,蓄能器21中的传递介质流入外皮囊2,外皮囊体积增大,水下机器人上升。在上升过程中,海水温度逐渐升高,当大于工作介质相变温度时,发生相变融化体积膨胀,传递介质从热机工作腔8经过单向阀19-1流入蓄能器21,以储备能量。当机器人上浮至水表面便完成一个工作循环。
附图说明
附图为本发明的各部件连接组装结构图。图中:外皮囊保护壳体-1;外皮囊-2;密封底盘-3;O形环密封圈-4;二通管接头-5;电池支架-6;控制电路板-7;热机工作腔-8;橡胶管-9;皮囊支架-10;内皮囊-11;内皮囊支架上盖-12;阀支架-13;二通电磁阀-14;丝堵-15;水平滑翔翼-16;三通管接头-17;密封圆柱壳体-18;单向阀-19;蓄能器支架-20;蓄能器-21;蓄能器支架上盖-22;前密封球体-23;天线-24;伺服电机-25;丝杠-26;姿态控制重物-27;流量控制器-28;配重-29。
本发明具有的特点及有益效果在于,利用水域深度的温度差作为驱动能量,通过系统外部皮囊体积的变化而改变系统浮力,利用水动力和GPS定位实现水下定位,通过控制系统实现水下机器人在指定水域完成水下的观测与探测等任务,本发明搭载不同的传感器,还可以实现对水域的监测。
具体实施方式
以下通过实施例并参照附图对本发明的结构原理做进一步的说明。水下机器人外整体耐压部分由外皮囊保护壳体1、密封底盘3、热机工作腔8、密封圆柱壳体18构成,各部件之间通过O形环密封圈密封。水平滑翔翼16的安装方法为:在热机工作腔8和密封圆柱壳体18衔接处将水平滑翔翼插入U形槽内,通过销钉固定(如附图A-A剖面图所示)。对本实施例而言,蓄能器21采用工作容积为2L工作压力10Mpa的隔膜蓄能器。电磁阀14、单向阀19的工作压力为1.5Mpa。水下机器人的热机工作腔8作为耐压壳体的一部分主要起密封作用。水平翼长度为1m,宽20cm。本实施例温差驱动滑翔运动水下机器人设计工作水深100米,水表层温度20℃,100米水深处温度10℃左右。工作介质为C16H34(16烷),固液相变温度16℃,工作介质灌装于热机8的工作腔内部。传递介质采用纯水灌装于内皮囊11、外皮囊2以及液压循环系统内。蓄能器21预充压力为1兆帕,密封圆柱壳体18内部保持0.7个大气压。可更换水平翼16安装于机器人浮心位置。其工作过程是:机器人处在水表层时,其姿态保持水平,温度大于16℃,工作介质完全融化处于液态,体积膨胀最大。打开二通电磁阀14-1,外皮囊2内的纯水进入内皮囊11,水下机器人下沉。在下沉过程中随着海水深度的增加机器人外环境温度也在不断降低,当海水小于16℃时,工作介质C16H34相变为固态,体积收缩,此时作为内皮囊11中的纯水经过单向阀19-2流入热机工作腔8。在下沉的同时,伺服电机25通过调整姿态控制重物27相对于重心的位置,使得滑翔机器人重心与浮心的相对位置发生变化,从而使滑翔机器人的姿态变化。同时由于水平翼的存在,滑翔机器人在向下运动时受到升力作用,按照预定的航向滑翔。在滑翔运动时,伺服电机25不断微调姿态控制重物27的位置,以控制滑翔机器人的姿态稳定。当机器人下沉到预定深度100米,二通电磁阀14-2打开,蓄能器21中的纯水流入外皮囊2使其皮囊体积增大,水下机器人开始上升。在上升过程中,海水温度逐渐升高,当大于16℃时,C16H34发生相变融化体积膨胀,纯水从热机工作腔8经过单向阀19-1流入蓄能器21以储备能量。在上升过程中,通过调整姿态控制重物27的位置,以保证滑翔机器人的姿态稳定。同时上升时由于水平滑翔翼16的作用,滑翔机器人同样受到向前的分力作用,实现向上的滑翔作用。当机器人上浮至水表面时,完成一个工作循环。机器人的上浮与下潜均通过工作腔8内的控制电路板7和位于其顶部的定位与通信天线24保持与地面控制系统的通讯联系。
Claims (5)
1.温差能驱动的滑翔运动水下机器人,主要具有外皮囊保护壳体(1)、外皮囊(2)、密封底盘(3)、O形环密封圈(4)、二通管接头(5)、电池支架(6)、控制电路板(7)、热机工作腔(8)、橡胶管(9)、内皮囊(11)、二通电磁阀(14)、三通管接头(17)、单向阀(19)、蓄能器(21)、天线(24)、伺服电机(25)、丝杠(26),其特征是水下机器人外整体由密封底盘(3)、热机工作腔(8)、密封圆柱壳体(18)以及前密封球体(23)构成,热机工作腔(8)设计为带有夹层的圆柱型密封体,在热机工作腔(8)内设有控制电路板(7),热机工作腔(8)通过二通管接头(5)、橡胶管(9)以及三通管接头(17)分别接于正向导通的单向阀(19-1)的输入端和反向导通的单向阀(19-2)的输出端,单向阀(19-1)的输出端分为两路:一路与蓄能器(21)相通,另一路经二通电磁阀(14-2)连于外皮囊(2),反向导通的单向阀(19-2)的输入端亦分为两路:一路直接接于内皮囊(11),另有一路经过二通电磁阀(14-1)连接于外皮囊(2),在热机工作腔(8)和密封圆柱壳体(18)衔接处装有可更换的水平滑翔翼(16),控制伺服电机(25)与丝杠(26)轴连接进而带动姿态控制重物(27)运动。
2.按照权利要求1所述的温差能驱动的滑翔运动水下机器人,其特征是所述密封底盘(3)、热机工作腔(8)、密封圆柱壳体(18)以及前密封球体(23)各部件之间通过O形环密封圈(4)与螺栓连接,在所述密封底盘(3)的下部装有配重(29)。
3.按照权利要求1或2所述的温差能驱动的滑翔运动水下机器人,其特征是所述内皮囊(11)由内皮囊支架(10)以及内皮囊支架上盖(12)固定支撑。
4.按照权利要求1所述的温差能驱动的滑翔运动水下机器人,其特征是选用石蜡类作为工作介质灌装在所述热机工作腔(8)内部。
5.按照权利要求1~3所述的温差能驱动的滑翔运动水下机器人,其特征是在所述内皮囊(11)、外皮囊(2)以及液压循环系统内灌装乙二醇或纯水作为传递介质。
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