CN1709766A - 浮力和推进器双驱动方式远程自治水下机器人 - Google Patents

Abstract

一种浮力和推进器双驱动方式远程自治水下机器人，用于海洋水下工程技术领域。本发明包括：机器人主体，一对主翼，一对推进器和垂直尾翼，机器人主体的外部是整流用的透水壳，主翼和垂直尾翼具有低流体阻力翼型，主翼设置于透水壳后部，对称分布于透水壳左右两侧，垂直尾翼设置于透水壳尾部，在透水壳的垂直对称面内。推进器设置在主翼的外侧。本发明具有推进器驱动和浮力驱动两种驱动方式，在浮力驱动模式下依靠浮力和重心的调节产生推力和控制运动方向，具有高的续航能力，在推进器驱动模式下依靠推进器产生推力，依靠左右推进器的推力差和重心调节控制运动方向，具有高机动能力。

Description

浮力和推进器双驱动方式远程自治水下机器人

技术领域

本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的水下机器人，特别是一种浮力和推进器双驱动方式远程自治水下机器人。

背景技术

海洋水下勘探和作业中大量使用各类水下机器人，其中远距遥控机器人(简称ROV)和自治水下机器人(简称AUV)是最常见的两类。远距遥控机器人具有连接水面和水下的脐带缆，用于输送能量和通讯，因此可以长时间工作于水下，但需要复杂的水面支持系统和水面母船相配合，使用成本高，隐蔽性差。自治水下机器人没有联接水面水下的脐带缆，省去了复杂的水面支持设备和母船，使用和维护成本低，隐蔽性好。但自治系统只能自己携带有限的能量，因此，提高能量利用效率以延长其水下持续工作时间和航程，是自治水下机器人领域重要的课题之一。常规的自治水下机器人是推进器驱动的，也即运动是靠推进器提供推进力的。通常，自治水下机器人由安装位置和方向都不同的多个推进器驱动，可以获得水体空间良好的机动性。对于较高速情况，也有通过推进器和操纵舵面联合实现机器人水体空间机动的。在水下运载工具中，还存在另一类称作水下滑翔器的潜水器。这种潜水器采用浮力驱动方式。和推进器驱动不同，浮力驱动没有外置的推进器，而是通过调节潜水器的重心以改变姿态，并配合浮力调节产生运动的推进力。这种驱动方式可以在保证高的推进效率的同时实现很低的航行速度，因此获得高的续航时间和航程。这种驱动噪音低，对外部环境的干扰小，不足之处是航速很低，机动能力差。

经对现有技术的文献检索发现，美国USPTO专利号为5995882的专利提供一种预编程的用于海洋数据采集的自治水下机器人，机器人具有长约6英尺，直径13英寸的主体，主体上有一个集成的频闪和天线塔。控制面按照非常规方式布置，升沉控制面布置在机器人前部、紧接头锥后面，方向舵在推进器的前面。自治水下机器人采用推进器驱动方式的特点是机动性好、航速较高，但这种推进方式航程和续航时间较短，并且噪音较高，对环境有一定的干扰。在实际的海洋水下勘探作业中，高续航能力、低噪音、良好机动性和快速性都是重要的需求指标，理想的自治水下机器人需要在这些方面都具有满意的性能，现有的技术不能满足这种要求。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中存在的不足，提供一种浮力和推进器双驱动方式远程自治水下机器人，使其简单可靠并且成本低廉，既具有高的续航能力，又可在短时间内实现高的航速和机动性。

本发明通过以下技术方案实现，本发明包括：机器人主体，一对主翼，一对推进器和垂直尾翼，机器人主体的外部是整流用的透水壳，透水壳内部是侧向重心调节装置、浮力调节装置和耐压舱，耐压舱内有电池组和纵向重心调节装置。透水壳是长径比在6至9之间的回转体，具有低流体阻力外形，透水壳尾部向后引出天线。主翼和垂直尾翼具有低流体阻力翼型。主翼设置于透水壳后部，对称分布于透水壳左右两侧。垂直尾翼设置于透水壳尾部，在透水壳的垂直对称面内。主推进器设置在主翼的外侧。

主推进器采用导管螺旋桨推进器，螺旋桨的外部有导管，导管的入水口有可以打开和关闭的整流罩。整流罩由活动支架、填充支架、整形骨架和可折叠的高强度薄膜组成。活动支架、填充支架都是半环形的，其截面的一端为半圆，整形骨架是半环形的，其截面积很小，高强度薄膜在折叠起来时是半环形的，张开时为半球形。导管由内管和外管组成，内管和外管之间是中空的空腔，空腔在入水口方向的端面是环形的。填充支架由弹簧压紧在空腔入水口方向端面的下半部，活动支架通过两个转动副安装在导管的入水口端面处，其上极限位置覆盖空腔入水口方向端面的上半部，下极限位置覆盖空腔入水口方向端面的下半部，与填充支架重叠。整形骨架具有和活动支架相同的旋转轴，高强度薄膜一端固定在活动支架上，另一端固定在内管和外管之间空腔内的上半部，中间由整形骨架支撑。外管的外壁膨胀出双耳形的密封腔，用来支撑活动支架和设置第一电机，第一电机的转轴与活动支架相连。当第一电机调节活动支架于上极限位置时，整流罩打开，整形骨架和高强度薄膜陷入内管和外管之间的空腔中，活动支架和填充支架遮盖内管和外管之间空腔的入水口端，并为其整形。当第一电机调节活动支架于下极限位置时，活动支架和填充支架均陷入内管和外管之间的空腔中，整流罩关闭，整形骨架和高强度薄膜遮盖住导管的入水口并为其整形。

纵向重心调节装置包括第二电机，滑块和丝杆，第二电机的输出轴连接丝杆，丝杆连接滑块，滑块和电池组固连。

侧向重心调节装置包括第三电机、齿轮、齿条和重块。第三电机的输出轴连接齿轮，齿轮连接齿条，齿条再连接重块。

浮力调节装置包括常压液舱、高压液囊、泵、阀和液位测量传感器，常压液舱具有固定浮容积，高压液囊具有可变浮容积，常压液舱、泵、阀和高压液囊连通，液位传感器设置于常压液舱内部，常压液舱和高压液囊对称于机器人外形垂直对称面。

耐压舱内还设置有中央控制计算机组、深度传感器、姿态传感器、罗盘、GPS接收机和无线通讯控制器。GPS接收机和无线通讯控制器均与透水壳尾部的天线连接，中央控制计算机组连接推进器、浮力调节装置、侧向重心调节装置、纵向重心调节装置、深度传感器、姿态传感器、罗盘、GPS接收机和无线通讯控制器，实现全系统的综合控制。

纵向重心调节装置可以沿机器人纵轴方向移动机器人重心，侧向重心调节装置可以沿机器人侧轴方向移动机器人重心。重心的纵向调节范围覆盖并宽于浮力调节时浮心的纵向变化范围，并且在重心和浮力的各种调节状态下，始终保持机器人系统具有一定的稳性高。

浮力调节装置通过改变机器人的浮容积，调节潜水器的浮力。当浮容积最小时，机器人系统具有最小负浮力，当浮容积最大时，机器人系统具有最大正浮力，当潜水器具有某适当的中间浮容积时，机器人系统具有零浮力。浮力调节装置对称于机器人外形垂直对称面，浮力调节过程中机器人的浮心始终在此垂直对称面内。

机器人外形的升力焦点位于浮心和重心的后部，提供足够的纵倾静稳定性。同样，机器人外形的侧向水动力焦点位于重心和浮心的后部，提供足够的航向静稳定性。

中央控制计算机组对自治水下机器人的控制策略是这样的：在由出发点至作业点，以及作业点至回收点的航行过程中，本发明以浮力驱动方式航行，在作业点作业过程中，本发明以推进器驱动方式航行。

当本发明以浮力驱动方式航行时，主推进器导管入水口的整流罩关闭，整个机器人外形上完全固定。在水面时，浮力调节装置减少机器人的浮容积，使其处于负浮力状态，同时纵向重心调节装置调节机器人重心，使机器人产生负的纵倾角(抬头为正)，机器人在负浮力和升力的联合作用下，建立起前进和下潜速度，并达到稳定的航行状态。当机器人到达设定深度时，浮力调节装置增加机器人的浮容积，使其处于正浮力状态，同时纵向重心调节装置调节机器人重心，使机器人产生正的纵倾角(抬头为正)，机器人在正浮力和升力的联合作用下，建立起前进和上升速度，并达到稳定的航行状态。通过下潜和上升过程的不断重复，机器人实现远程航行和长的续航时间。航行过程中侧向重心调节机构也可以侧向调节机器人重心，使机器人产生一定的横倾角，机器人在浮力和升力的联合作用下，建立起偏航角速度。

当本发明以推进器驱动方式航行时，主推进器导管入水口的整流罩打开，整个机器人外形只有推进器是活动部件，并且浮力调节装置调节机器人使之处于零浮力状态。此时，机器人通过两个推进器推力的配合，共同产生沿纵轴方向的推力，以及在机器人主翼平面内的偏航力矩，通过对重心的调节，改变机器人主翼平面的空间姿态。通过对主翼平面空间姿态以及主翼平面内推力和偏航力矩的联合控制，实现水下机器人的空间机动。

本发明具有实质性特点和显著进步。本发明增加了主翼和纵向、侧向重心调节装置，删除了活动舵面，可以通过浮力驱动实现高的航程和续航时间，通过推进驱动实现高的机动性，在浮力驱动方式下系统外形没有活动部件，在推进器驱动方式下其外形也只有两个推进器是活动部件，设计结构紧凑，阻力小，简单可靠并且成本低廉。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是本发明侧视图

图3是对图2中的侧向重心调节机构局部放大图

图4是右推进器正视图

图5是右推进器的左视图

图6是右图5的AA视图

其中，机器人主体1，主翼2，推进器3，垂直尾翼4，透水壳5，侧向重心调节装置6，浮力调节装置7，耐压舱8，导管9，整流罩10，活动支架11，填充支架12，整形骨架13，高强度薄膜14，内管15，外管16，第一电机17，电池组18，纵向重心调节装置19，第二电机20，滑块21，丝杆22，第三电机23，齿轮24，齿条25，重块26，常压液舱27，高压液囊28，泵29，阀30，液位测量传感器31，天线32，姿态传感器33，罗盘34，GPS接收机35，无线通讯控制器36，中央控制计算机组37，深度传感器38。

具体实施方式

如图1-6所示，本发明包括：机器人主体1，一对主翼2，一对推进器3和一对垂直尾翼4，机器人主体1的外部是整流用的透水壳5，透水壳5内部是侧向重心调节装置6、浮力调节装置7和耐压舱8。透水壳5是长径比在6至9之间的回转体，具有低流体阻力外形。主翼2和垂直尾翼4具有低流体阻力翼型。主翼2设置于透水壳5后部，对称分布于透水壳5左右两侧。垂直尾翼4设置于透水壳5尾部，对称分布于透水壳5上下两侧，在透水壳5的垂直对称面内。主推进器3设置在主翼2的外侧。

主推进器3采用导管螺旋桨推进器，螺旋桨的外部有导管9，导管9的入水口有可以开启和关闭的整流罩10。整流罩10由活动支架11、填充支架12、整形骨架13和可折叠的高强度薄膜14组成。活动支架11、填充支架12都是半环形的，其截面的一端为半圆，整形骨架13是半环形的，其截面积很小，高强度薄膜14在折叠起来时是半环形的，张开时为半球形。导管9由内管15和外管16组成，内管15和外管16之间是中空的空腔，空腔在入水口方向的端面是环形的。填充支架12由弹簧压紧在空腔入水口方向端面的下半部，活动支架11通过两个转动副安装在导管9的入水口端面处，其上极限位置覆盖空腔入水口方向端面的上半部，下极限位置覆盖空腔入水口方向端面的下半部，与填充支架12重叠。整形骨架具有和活动支架相同的旋转轴，高强度薄膜14一端固定在活动支架11上，另一端固定在内管15和外管16之间空腔内的上半部，中间由整形骨架支撑。外管16的外壁膨胀出双耳形的密封腔，用来支撑活动支架11和设置第一电机17，第一电机17的转轴与活动支架11相连。当第一电机17调节活动支架于上极限位置时，整流罩10打开，整形骨架13和高强度薄膜14陷入内管15和外管16之间的空腔中，活动支架11和填充支架12遮盖内管15和外管16之间空腔的入水口端，并为其整形。当第一电机17调节活动支架于下极限位置时，活动支架11和填充支架12均陷入内管15和外管16之间的空腔中，整流罩10关闭，整形骨架13和高强度薄膜14遮盖住导管9的入水口并为其整形。

耐压舱8内有电池组18和纵向重心调节装置19。纵向重心调节装置19包括第二电机20，滑块21和丝杆22。第二电机20的输出轴连接丝杆22，丝杆22连接滑块21，滑块21和电池组18固连。第二电机20正反转带动电池组18沿机器人纵轴方向运动，最终使机器人重心沿纵轴方向前进和后退。重心的纵向调节范围覆盖并宽于浮力调节时浮心的纵向变化范围。

侧向重心调节装置6包括第三电机23、齿轮24、齿条25和重块26。第三电机23的输出轴连接齿轮24，齿轮24连接齿条25，齿条25再连接重块26。第三电机23正反转带动重块26随齿条25左右运动，最终使潜水器重心沿侧轴方向左右移动。

浮力调节装置7包括常压液舱27、高压液囊28、泵29、阀30和液位测量传感器31，常压液舱27具有固定浮容积，高压液囊28具有可变浮容积，常压液舱27、泵29、阀30和高压液囊28连通，内部是用于浮力调节的高比重液体。液位传感器31设置于常压液舱27内部，间接测量机器人系统的浮容积。浮力调节装置7利用泵29将高比重液体在常压液舱27和高压液囊28之间调拨，当液体充满常压液舱27时，机器人系统具有最小负浮力，当液体充满高压液囊28并使之达到最大浮容积时，机器人系统具有最大正浮力，当液体按适当比例分布于常压液舱27和高压液囊28中时，机器人系统具有零浮力。常压液舱27和高压液囊28对称于机器人外形垂直对称面，浮力调节过程中机器人的浮心始终在此垂直对称面内。

在重心和浮力的各种调节状态下，始终保持机器人系统具有一定的稳性高。机器人外形的升力焦点位于浮心和重心的后部，提供足够的纵倾静稳定性。同样，机器人外形的侧向水动力焦点位于重心的后部，提供足够的航向静稳定性。

透水壳5尾部向后引出天线32。

耐压舱8内还设置有姿态传感器33、罗盘34、GPS接收机35、无线通讯控制器36、中央控制计算机组37、深度传感器38。GPS接收机35和无线通讯控制器36均与透水壳5尾部的天线32连接，当天线32伸出水面时，实现GPS定位和与外部的无线电通讯。中央控制计算机组37连接推进器3、浮力调节装置7、侧向重心调节装置6、纵向重心调节装置19、深度传感器38、姿态传感器33、罗盘34、GPS接收机35和无线通讯控制器36，实现全系统的综合控制。

中央控制计算机组37对自治水下机器人的控制策略是这样的：在由出发点至作业点，以及作业点至回收点的航行过程中，本发明以浮力驱动方式航行，在作业点作业过程中，本发明以推进器驱动方式航行。

当本发明以浮力驱动方式航行时，整流罩10关闭，整个机器人外形上没有活动的部件。在水面时，浮力调节装置7向常压液舱27调拨高比重液体，使机器人系统处于负浮力状态，同时纵向重心调节装置19调节系统重心，使机器人产生负的纵倾角(抬头为正)，机器人在负浮力和升力的联合作用下，建立起前进和下潜速度，并达到稳定的航行状态。当机器人到达设定深度时，浮力调节装置7向高压液囊28调拨高比重液体，使机器人系统处于正浮力状态，同时纵向重心调节装置19纵向调节系统重心，使机器人产生正的纵倾角(抬头为正)，机器人在正浮力和升力的联合作用下，建立起前进和上升速度，并达到稳定的航行状态。通过下潜和上升过程的不断重复，机器人实现远程航行和长的续航时间。航行过程中侧向重心调节装置6也可以侧向调节系统重心，使机器人产生一定的横倾角，机器人在浮力和升力的联合作用下，建立起偏航角速度。

当本发明以推进器驱动方式航行时，导管9入水口的整流罩10打开，整个机器人外形只有推进器3是活动部件，并且浮力调节装置7调节机器人使之处于零浮力状态。通过两个推进器推力的配合，共同产生沿机器人纵轴方向的推力，以及在机器人主翼平面内的偏航力矩。通过对重心的调节，改变机器人主翼平面的空间姿态，通过对主翼平面空间姿态以及主翼平面内推力和偏航力矩的联合控制，实现水下机器人的空间机动。

Claims (7)

1、一种浮力和推进器双驱动方式远程自治水下机器人，包括：机器人主体(1)，一对推进器(3)和垂直尾翼(4)，其特征在于，还包括：一对主翼(2)，机器人主体(1)的外部是整流用的透水壳(5)，透水壳(5)内部是侧向重心调节装置(6)、浮力调节装置(7)和耐压舱(8)，耐压舱(8)内部有电池组(18)和纵向重心调节装置(19)，透水壳(5)尾部向后引出天线(32)，主翼(2)和垂直尾翼(4)具有低流体阻力翼型，主翼(2)设置于透水壳(5)后部，对称分布于透水壳(5)左右两侧，垂直尾翼(4)设置于透水壳(5)尾部，在透水壳(5)的垂直对称面内，推进器(3)设置在主翼(2)的外侧，推进器(3)采用导管螺旋桨推进器，螺旋桨的外部有导管(9)，导管(9)的入水口有能开启和关闭的整流罩(10)。

2、根据权利要求1所述的浮力和推进器双驱动方式远程自治水下机器人，其特征是，整流罩(10)由活动支架(11)、填充支架(12)、整形骨架(13)和可折叠的高强度薄膜(14)组成，导管(9)由内管(15)和外管(16)组成，内管(15)和外管(16)之间是中空的空腔，空腔在入水口方向的端面是环形的，填充支架(12)由弹簧压紧在空腔入水口方向端面的下半部，活动支架(11)通过两个转动副设置在导管(9)的入水口端面处，其上极限位置覆盖空腔入水口方向端面的上半部，下极限位置覆盖空腔入水口方向端面的下半部，与填充支架(12)重叠，整形骨架(13)具有和活动支架(11)相同的旋转轴，高强度薄膜(14)一端固定在活动支架(11)上，另一端固定在内管(15)和外管(16)之间空腔内的上半部，中间由整形骨架(13)支撑，外管(16)的外壁膨胀出双耳形的密封腔，用来支撑活动支架(11)和设置第一电机(17)，第一电机(17)的转轴与活动支架(11)相连。

3、根据权利要求2所述的浮力和推进器双驱动方式远程自治水下机器人，其特征是，活动支架(11)、填充支架(12)都是半环形的，其截面的一端为半圆，整形骨架(13)是半环形的，其截面积很小，高强度薄膜(14)在折叠起来时是半环形的，张开时为半球形。

4、根据权利要求1所述的浮力和推进器双驱动方式远程自治水下机器人，其特征是，侧向重心调节装置(6)包括第三电机(23)、齿轮(24)、齿条(25)和重块(26)，第三电机(23)的输出轴连接齿轮(24)，齿轮(24)连接齿条(25)，齿条(25)再连接重块(26)。

5、根据权利要求1所述的浮力和推进器双驱动方式远程自治水下机器人，其特征是，浮力调节装置(7)包括常压液舱(27)、高压液囊(28)、泵(29)、阀(30)和液位测量传感器(31)，常压液舱(27)具有固定浮容积，高压液囊(28)具有可变浮容积，常压液舱(27)、泵(29)、阀(30)和高压液囊(28)连通，液位传感器(31)设置于常压液舱(27)内部，常压液舱(27)和高压液囊(28)对称于机器人外形垂直对称面。

6、根据权利要求1所述的浮力和推进器双驱动方式远程自治水下机器人，其特征是，纵向重心调节装置(19)包括第二电机(20)，滑块(21)和丝杆(22)，第二电机(20)的输出轴连接丝杆(22)，丝杆(22)连接滑块(21)，滑块(21)和电池组(18)固连。

7、根据权利要求1所述的浮力和推进器双驱动方式远程自治水下机器人，其特征是，耐压舱(8)内还设置有姿态传感器(33)、罗盘(34)、GPS接收机(35)和无线通讯控制器(36)，中央控制计算机组(37)、深度传感器(38)，GPS接收机(35)和无线通讯控制器(36)均与天线(32)连接，中央控制计算机组(37)连接推进器(3)、浮力调节装置(7)、侧向重心调节装置(6)、纵向重心调节装置(19)、深度传感器(38)、姿态传感器(33)、罗盘(34)、GPS接收机(35)和无线通讯控制器(36)，实现全系统的综合控制。

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