CN212099301U - 一种用于水下检测的水下机器人 - Google Patents

Abstract

一种用于水下检测的水下机器人,解决了现有水下机器人下潜时耐压控制舱耐压能力不足的问题,属于水下设备领域。所述机器人的壳体前进方向的垂直面方向薄于水平面，水下通信系统固定在壳体顶部，能源系统、耐压检测系统和耐压控制舱设置在壳体内部；可收放式稳定翼固定在壳体尾部的外表面；四个矢量推进器布置在壳体的两侧；耐压控制舱内装有水下机器人的控制系统；耐压控制舱的外壳包括柱壳和多个肋骨，肋骨分布在柱壳外表面，柱壳包括上壳板、下壳板和减压层；上壳板外侧壁与下壳板内侧壁为平行的斜面，上壳板外侧壁与下壳板内侧壁之间形成空隙，该空隙内减压层；减压层的材料为浮力材料、阻尼材料或吸声材料。

Description

一种用于水下检测的水下机器人

技术领域

本实用新型涉及一种水下机器人，属于水下设备领域。

背景技术

烟波浩森的海洋约占地球总面积的71％，平均深度达到3795米，堪称地球上最大的宝库。随着陆地上不可再生资源的日益减少，海洋在人类生存发展中的地位愈加突出，海洋开发需要先进的技术和装备。水下机器人是目前唯一能够在深海环境工作的装备，随着海洋开发进程的加快，对水下机器人技术提出了更高和更迫切的要求。

水下机器人等各类水下装备在设计时均要考虑仪器仪表、电子电路等零部件的安装问题，现有一些检测传感器具有耐压功能，但是一般控制部件无耐压功能，则需要放在耐水压的密封防护舱中。

水下机器人的下潜深度受到耐压控制舱的强度影响，常用的水下耐压控制舱为圆柱型，耐压控制舱材料多选择高强度钛合金，并对耐压控制舱的结构和强度进行设计，使水下机器人解决了下潜一定深度下外部受压力的问题，受水下检测任务影响，有时水下机器人的下潜深度并不能满足检测任务需求。

发明内容

针对现有水下机器人下潜时耐压控制舱耐压能力不足的问题，本发明提供一种耐压的用于水下检测的水下机器人。

本实用新型的一种用于水下检测的水下机器人，所述机器人包括壳体1、水下通信系统、能源系统、四个矢量推进器2、可收放式稳定翼5、耐压检测系统和耐压控制舱19；

壳体1前进方向的垂直面方向薄于水平面，水下通信系统固定在壳体1顶部，能源系统、耐压检测系统和耐压控制舱设置在壳体1内部，耐压检测系统的探头伸出壳体1 外部；

可收放式稳定翼5固定在壳体1尾部的外表面；

四个矢量推进器2分为两组，两组平行布置在壳体1的两侧，当机器人下潜，四个矢量推进器2全部旋转至垂直面方向；

耐压控制舱内装有水下机器人的控制系统；

所述耐压控制舱的外壳包括柱壳210和多个肋骨220，肋骨220分布在柱壳210外表面，柱壳210包括上壳板211、下壳板212和减压层213；

上壳板211外侧壁与下壳板212内侧壁为平行的斜面，上壳板211外侧壁与下壳板212内侧壁之间形成空隙，该空隙内减压层213；

减压层213的材料为浮力材料、阻尼材料或吸声材料。

作为优选，所述上壳板211和下壳板212采用高强度钛合金材料制成，弹性模量为115000Mpa，泊松系数为0.350，材料密度为4540.8kg/m3。

作为优选，柱壳210长为1200mm，柱壳210半径为235mm，肋骨220的数目为7，肋骨220高度为45mm，肋骨220宽度为35mm。

作为优选，所述耐压检测系统包括前视声呐15、摄像机16、探照灯17、高度计、硝酸盐探测器14、溶解氧探测传感器13、荧光剂探测传感器12、温盐深探测仪8、侧扫声呐6、多普勒测速仪7和超短基线定位系统20。

前视声呐15、摄像机16和探照灯17设置壳体1的前部；

高度计、硝酸盐探测器14、溶解氧探测传感器13、荧光剂探测传感器12、温盐深探测仪8、侧扫声呐6、多普勒测速仪7和超短基线定位系统20分布固定在壳体1的四周。

本实用新型需要保证推力及减小运动过程阻力，使水下机器人能够下潜至需要的深度，具体将水下机器人艇型设计成在垂直面方向较薄以便减少在水平面和垂直面运动时的阻力。同时在艇体尾部水平方向配有可收放式稳定翼，当水下机器人在水平面运动时，稳定翼打开以维持水下机器人运动的稳定性，当水下机器人在垂直面运动时，稳定翼收起以减小水下机器人下潜时的阻力。水下机器人配备四个矢量推进器，可以提供AUV的6个自由度方向的推力。当水下机器人下潜时四个推进器全部旋转至垂直面方向，全速推进水下机器人下潜。在耐压方面，本实用新型将耐压控制舱外壳表面设计成多个肋骨，减小冲击压力，同时柱壳中设置有倾斜的减压层，切向压力由减压层通过上壳板和下壳板的剪切变形达到大量耗散压力能量的目的，减压层将所受压力分解为水平方向和竖直方向，进一步实现耐压。

附图说明

图1为本实用新型水下机器人的外部结构示意图；

图2为图1的右视图；

图3为图1的俯视图；

图4为图1的内部结构示意图；

图5为可收放式稳定翼在收时的结构示意图；

图6为可收放式稳定翼在放时的结构示意图；

图7为耐压控制舱的结构示意图；

图8为柱壳的剖面示意图。

具体实施方式

结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种用于水下检测的水下机器人，包括壳体1、水下通信系统、能源系统、四个矢量推进器2、可收放式稳定翼5、耐压检测系统和耐压控制舱19；

壳体1前进方向的垂直面方向薄于水平面，本实用新型的艇型在垂直面方向较薄以便减少AUV在水平面和垂直面运动时的阻力。水下通信系统固定在壳体1顶部，能源系统、耐压检测系统和耐压控制舱19设置在壳体1内部，耐压检测系统的探头伸出壳体1 外部；

可收放式稳定翼5固定在壳体1尾部的外表面，当AUV在水平面运动时，可收放式稳定翼5打开以维持AUV运动的稳定性；当AUV在垂直面运动时，可收放式稳定翼5 收起以减小AUV下潜时的阻力。

四个矢量推进器2分为两组，两组平行布置在壳体1的两侧，可以提供AUV的6个自由度方向的推力。当机器人下潜，四个矢量推进器2全部旋转至垂直面方向，全速推进 AUV下潜。

耐压控制舱19内装有水下机器人的控制系统；本实施方式的控制系统的硬件采用体积小、重量轻、可靠性高的嵌入式PC104计算机；软件采用可靠性高、实时性好的VxWorks操作系统；

所述耐压控制舱19的外壳包括柱壳210和多个肋骨220，肋骨220分布在柱壳210外表面，柱壳210包括上壳板211、下壳板212和减压层213；

上壳板211外侧壁与下壳板212内侧壁为平行的斜面，上壳板211外侧壁与下壳板212内侧壁之间形成空隙，该空隙内减压层213；

减压层213的材料为浮力材料、阻尼材料或吸声材料。

本实施方式的减压层材料的密度低于0.9×103kg/m3，弹性模量＞50MPa，压缩强度不低于10MPa，剪切强度不低于2MPa。

在采用浮力材料或吸声材料时，采用浇铸成型或分块拼接成型工艺，采用分块拼接成型工艺时，各块用环氧树脂进行粘接，各间粘接面采用斜搭接方式通过环氧胶连接。

阻尼材料可选择共混型阻尼材料，具有粘弹性，例如ZN-9型阻尼材料。

本实施方式通过在上壳板211外侧壁与下壳板212内侧壁之间的空隙填充减压层，将压力分解为水平方向和竖直方向的压力，实现耐压。

本实施方式的水下机器人主要需要承压的结构有耐压控制舱19以及各种外置的检测系统，其中耐压控制舱19需要进行强度校核。本实施方式的耐压控制舱19选用的圆柱形耐压控制舱，材料为高强度钛合金，本实施方式的上壳板211和下壳板212采用高强度钛合金材料制成，材料选择详细说明如表1所示：

表1耐压控制舱材料

材料	钛合金
		弹性模量	115000Mpa
泊松系数	0.350
		材料密度	4540.8kg/m3

利用潜器耐压壳体强度设计公式编写程序，并利用已知数据估算出耐压控制舱壳体的详细设计参数如表2所示。经校核，该耐压控制舱壳体满足强度要求。

表2耐压控制舱结构参数

柱壳长	1200mm
		柱壳半径	235mm
壳板厚度	55mm
		肋骨数目	7
肋骨高度	45mm
		肋骨宽度	35mm

本实施方式的水下机器人壳体1包括耐压壳体、非耐压轻外壳以及连接框架等。非耐压轻壳体选择重量轻强度高的碳纤维材料，耐压壳体选择高强度的钛合金，连接框架依旧选择钛合金材料，并通过车、铣、钻、焊、线切割等工艺加工。考虑水体腐蚀影响，钛合金材质构件表面必须进行防海水氧化处理。

本实施方式的水下通信系统包括GPS 4和北斗天线3；

本实施方式的能源系统采用可以承压的锂离子电池，包括控制电电池18和动力电电池9。动力电电池9主要用来为推进系统提供能量，控制电电池18为除推进系统的其他设备供电。

弹性模量为115000Mpa，泊松系数为0.350，材料密度为4540.8kg/m3。

本实施方式的耐压检测系统包括前视声呐15、摄像机16、探照灯17、高度计14、硝酸盐探测器13、溶解氧探测传感器12、荧光剂探测传感器11、温盐深探测仪8、侧扫声呐6、多普勒测速仪7和超短基线定位系统20。

前视声呐15、摄像机16和探照灯17设置壳体1的前部；

高度计14、硝酸盐探测器13、溶解氧探测传感器12、荧光剂探测传感器11、温盐深探测仪8、侧扫声呐6、多普勒测速仪7和超短基线定位系统20分布固定在壳体1的四周。

前视声呐15：选择双频探测声呐，其探测频率分别为0.6MHz和1.1MHz。当探测远距离时使用低频，探测近距离时使用高频。

摄像机16：选择可承受11000m水深的水下微光摄像机，即使在深水光线暗的情况下也能比较清晰的成像。

高度计14：需定制一个可以承受11000m水深的高度计。

温盐深探测仪8：选用直读式温盐深剖面仪，该设备装有感应式电导率传感器、铂电阻温度传感器、高精度硅片压力传感器，可以提供0-7s/m、-2-+32度、500-7000m的测量范围。

侧扫声呐6：主要用于对11000m海底地形的探测记录，可以选择侧扫声呐。

各种化学传感器：主要用于探测11000m水深处的各种化学数据。

多普勒测速仪7：可选择大潜深耐压的多普勒测速仪，以测量AUV的运动速度。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (4)

1.一种用于水下检测的水下机器人，其特征在于，所述机器人包括壳体(1)、水下通信系统、能源系统、四个矢量推进器(2)、可收放式稳定翼(5)、耐压检测系统和耐压控制舱(19)；

壳体(1)前进方向的垂直面方向薄于水平面，水下通信系统固定在壳体(1)顶部，能源系统、耐压检测系统和耐压控制舱(19)设置在壳体(1)内部，耐压检测系统的探头伸出壳体(1)外部；

可收放式稳定翼(5)固定在壳体(1)尾部的外表面；

四个矢量推进器(2)分为两组，两组平行布置在壳体(1)的两侧，当机器人下潜，四个矢量推进器(2)全部旋转至垂直面方向；

耐压控制舱(19)内装有水下机器人的控制系统；

所述耐压控制舱(19)的外壳包括柱壳(210)和多个肋骨(220)，肋骨(220)分布在柱壳(210)外表面，柱壳(210)包括上壳板(211)、下壳板(212)和减压层(213)；

上壳板(211)外侧壁与下壳板(212)内侧壁为平行的斜面，上壳板(211)外侧壁与下壳板(212)内侧壁之间形成空隙，该空隙内减压层(213)；

减压层(213)的材料为浮力材料、阻尼材料或吸声材料。

2.根据权利要求1所述的一种用于水下检测的水下机器人，其特征在于，所述上壳板(211)和下壳板(212)采用高强度钛合金材料制成，弹性模量为115000Mpa，泊松系数为0.350，材料密度为4540.8kg/m3。

3.根据权利要求2所述的一种用于水下检测的水下机器人，其特征在于，柱壳(210)长为1200mm，柱壳(210)半径为235mm，肋骨(220)的数目为7，肋骨(220)高度为45mm，肋骨(220)宽度为35mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于水下检测的水下机器人，其特征在于，所述耐压检测系统包括前视声呐(15)、摄像机(16)、探照灯(17)、高度计(14)、硝酸盐探测器(13)、溶解氧探测传感器(12)、荧光剂探测传感器(11)、温盐深探测仪(8)、侧扫声呐(6)、多普勒测速仪(7)和超短基线定位系统(20)；

前视声呐(15)、摄像机(16)和探照灯(17)设置壳体(1)的前部；

高度计(14)、硝酸盐探测器(13)、溶解氧探测传感器(12)、荧光剂探测传感器(11)、温盐深探测仪(8)、侧扫声呐(6)、多普勒测速仪(7)和超短基线定位系统(20)分布固定在壳体(1)的四周。

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