CN106828838A - 一种便携式流线型遥控水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种便携式流线型遥控水下机器人的结构，解决了现有框架式水下探测机器人结构复杂及抗流性能力差的问题。本发明具有流线型外壳，能够通过两个主推推进器、两个垂推推进器和两个垂直舵翼的配合实现机器人在水中遥控抗流探测，本发明具有结构简单、易于控制，较强的环境适应性和一定的可扩展性等一系列优点，本发明主要用于完成海洋环境探测任务。

Description

一种便携式流线型遥控水下机器人

技术领域

本发明涉及一种便携式流线型遥控水下机器人，属于抗流航行和水下探测领域。

背景技术

由于潜水员的作业的成本高、危险性大、水温低，所以水下机器人是水下勘探和开发的重要工具。目前，大多数水下目标的检测、环境探测主要由遥控水下机器人ROV完成。但ROV多采用开架式结构，尤其中小型开架式ROV的抗流性不强，难以满足实际环境下的探坝、观测目标、水下勘探等工作需求。现有的多模块框架式水下探测机器人，其主要特点是结构简单、可以通过主框架和副框架分别搭载前视声纳和多波束前视声纳。但为了提高框架式ROV的抗流性，其水平面方向推进的螺旋桨应采用矢量推进的布置方式，主要通过推进器的X型布置，提高侧向推力和抗流能力，但由于螺旋桨之间的流场会产生相互干扰，X型布置方式将增加ROV的尺寸和重量，使其多模块框架式水下探测机器人抗流性能力差。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有框架式水下探测机器人回转性能差、体积大及抗流性能力差的问题而提供一种便携式流线型遥控水下机器人。

本发明的目的是这样实现的：包括载体主框架、设置在载体主框架外的流线型外壳、设置在载体主框架内的控制舱、设置在控制舱内的航行控制单元和多通道电机控制板、水下环境感知与探测分系统、水下运动感知分系统、推进与操纵分系统和步进电机驱动器，所述流线型外壳由艏部、平行中体和艉部组成，推进与操纵分系统包括位于流线型外壳艉部两侧的两个主推推进器、分别固定在控制舱前、后对应的载体主框架上的两个垂推推进器、竖直安装在流线型外壳艉部上方和下方的两个垂推推进器，水下环境感知与探测分系统包括设置在流线型外壳前端的水下广角摄像机、设置在流线型外壳艏部内的前视声纳，且前视声纳固定在艏部所对应的载体主框架上，步进电机驱动器固定在流线型外壳艉部对应的载体主框架上，航行控制单元通过线缆与水面控制台进行通信。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.还包括两个水平稳定翼，且两个水平稳定翼对称设置在流线型外壳的左、右两侧，并两个水平稳定翼均固定在艉部所对应的载体主框架上。

2.水下运动感知分系统包括用于采集涌流信息的洋流传感器、用于采集方位信息的磁罗经、用于采集深度信息的深度计。

3.航行控制单元通过多通道电机控制板控制两个主推推进器和两个垂推推进器，航行控制单元通过步进电机驱动器对两个垂直舵翼进行驱动，洋流传感器、磁罗经、深度计、前视声纳、内置云台的水下广角摄像机所采集的信息均传给航行控制单元。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过水面操控平台的遥控下，能够在洋流扰动下实现抗流航行和水下探测作业，并把探测到的相关信息传输给水面操控平台的显示器上。本发明流线型外壳通过艏部、艉部不同弧度的半椭球体和中间段的平滑过渡实现流线型设计；并通过艉部的主推推进器，垂直舵翼实现转艏，从而保证水下机器人抗流航行和探测。本发明所述的流线型外壳较大地减小了航行阻力，尤其减小了迎流航行的阻力，并提高了航行器的回转性能、从而提高了航行器的环境适应性和操控性。在迎流航行探测的过程中，本发明一方面通过航行控制系统控制推进器与舵翼使水下机器人迎流航行，另一方面可通过云台控制调整水下摄像机的转角，自动转向和对正探测目标，实现流场条件下的高效作业。

附图说明

图1是本发明的结构示意图一；

图2是本发明的结构示意图二；

图3是本发明的结构示意图三；

图4是本发明的控制原理图；

图5是本发明的洋流下的变深度探测航行的原理示意图；

图6是本发明的直航阻力表。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例一：参见图1至图5本发明是一种流线型便携式遥控水下机器人，它包括流线型外壳1、载体主框架2、控制舱3、航行控制单元4、水下环境感知与探测分系统5、水下运动感知分系统6、推进与操纵分系统7、多通道电机控制板8和步进电机驱动器9；所述的流线型外壳1包裹在载体主框架2外部，控制舱3固定在载体主框架2的内部，航行控制单元4和多通道电机控制板8位于控制舱3内，步进电机驱动器9位于流线型外壳1内，并固定在载体主框架2上，流线型外壳1分为三部分，从前至后依次为艏部、平行中体和艉部，艏部和艉部为曲率不同的半椭球体形外壳，平行中体为圆柱形外壳，推进与操纵分系统7包括两个主推推进器7-1、两个垂推推进器7-2和两个垂直舵翼7-3；两个主推推进器7-1分别位于流线型外壳1的艉部两侧，并固定在该艉部两侧所对应的载体主框架2上，两个垂推推进器7-2位于流线型外壳1内，并分别固定在控制舱3的前、后所对应的载体主框架2上，两个垂直舵翼7-3对称设置在流线型外壳1的上方和下方，并且两个垂直舵翼7-3通过连接件安装在艉部所对应的流线型外壳1上；水下环境感知与探测分系统5包括内置云台的水下广角摄像机5-1和前视声纳5-2，内置云台的水下广角摄像机5-1设置在流线型外壳1的前端，用于采集水下图像，并将采集的水下图像传送至航行控制单元4，航行控制单元4还用于控制内置云台的水下广角摄像机5-1的转向；前视声纳5-2位于流线型外壳1内，并固定在艏部所对应的载体主框架2上，前视声纳5-2用于采集水下声纳，并将采集的水下声纳传送至航行控制单元4；水下运动感知分系统6位于流线型外壳1内，并固定在载体主框架2上，水下运动感知分系统6用于采集涌流信息、方位信息和深度信息，并将采集的采集涌流信息、方位信息和深度信息上传至航行控制单元4；航行控制单元4通过线缆与水面控制台进行通信，航行控制单元4还通过多通道电机控制板8控制两个主推推进器7-1和两个垂推推进器7-2，航行控制单元4还通过步进电机驱动器9对两个垂直舵翼7-3进行驱动。

本发明设计具有流线型外壳结构的ROV遥控水下机器人，较大地减小了航行阻力，尤其减小了迎流航行的阻力，并提高了航行器的回转性能、从而提高了航行器的环境适应性和操控性。在迎流航行探测的过程中，针对传统框架式结构侧向抗流航行能力弱的缺点，本发明一方面通过航行控制单元控制推进器与舵翼使ROV迎流航行，另一方面通过云台控制调整水下摄像机的转角，自动转向和对正探测目标，实现流场条件下的高效作业。

流线型外壳1的内部载体主框架2不仅对载体有支撑作用，还可以固定设备并搭载具备流线型外壳的副框架，副框架可携带多波束前视声纳、机械手等探测作业设备。

本发明所述的一种流线型便携式遥控水下机器人包括推进与操纵分系统、水下环境感知与探测分系统、水下运动感知分系统，且流线型便携式遥控水下机器人与水面控制台配合使用。其中水下环境感知与探测分系统通过嵌入式处理单元和脐带缆将采集到的图像信息传递到水面；水下运动感知分系统所采集到的洋流、艏向和深度信息通过网络和脐带缆传递到水面控制台；水面控制台的定深定向抗流航行控制指令将通过网络和脐带缆向嵌入式处理单元发送控制指令从而实现水下控制和探测作业。

两个主推推进器7-1、两个垂推推进器7-2和两个垂直舵翼7-3构成推进与操纵分系统。其中，4个推进器由舱内的航行控制单元通过网络连接向多通道电机控制板8发送控制指令，多通道电机控制板8向相应的推进器电机发送PWM控制信号，通过水密线缆完成推进器控制信号的传送。两个垂直舵翼7-3主要由航行控制单元4通过串口连接向步进电机驱动器9发送控制指令，步进电机驱动器9通过水密线缆完成对垂直舵翼控制信号的传送。

水下环境感知与探测分系统5和水下运动感知分系统6构成定深定向抗流航行控制系统，水下运动感知分系统6将采集机器人当前的深度和艏向信息，洋流传感器采集机器人航行所面临的海流信息通过网络传到水面，操作人员根据当前的海流信息和探测任务设定航行探测任务，向ROV发送探测路径，控制器将根据操作人员的路径指令、洋流的方向和强度给出ROV在艏向控制量，根据控制量分配主推推力和垂直舵舵角，通过主推推力和舵角的联合推力分配实现流场中的迎流航行，通过控制两个垂推推进器7-2调整机器人下潜或上浮航行，配合主推实现洋流下的变深度探测航行，具体参见图4。

水下环境感知与探测分系统5包括内置云台的水下广角摄像机5-1和前视声纳5-2，其中前视声纳5-2布置在流线型外壳的前端上方，向水面发送声纳探测数据。内置云台的水下广角摄像机5-1布置在流线型外壳的前端，水面控制台通过包含视频线、485串口线的水密线缆将信号传递到航行控制单元4，针对当前艏向和探测目标，自动控制调整内置云台转角，使摄像机始终面向探测目标。从而完成水下航行中的探测和感知，并和流线型外壳相适应，较小地影响航行。

实施例二：参见图1至图4说明本实施例，还包括两个水平稳定翼11，且两个水平稳定翼11对称设置在流线型外壳1的左、右两侧，并且两个水平稳定翼11均固定在艉部所对应的载体主框架2上。

本实施例，艉部的两个主推推进器7-1固定在艉部两个水平稳定翼11的两侧，不仅可以降低相互干扰，通过稳定翼提高航行稳定性，而且可以和上方的垂直舵翼7-3配合，通过主推的推力分配和垂直舵的舵角控制，实现迎流航行的艏向控制。

实施例三：参见图1至图5说明本实施方式，水下运动感知分系统6包括洋流传感器6-1、磁罗经6-2、深度计6-3，洋流传感器6-1用于采集涌流信息，磁罗经6-2用于采集方位信息，深度计6-3用于将采集深度信息。

本实施例，流线型便携式遥控水下机器人迎流航行与探测控制方法主要针对操作人员的探测指令，洋流传感器6-1测得洋流方向和强度计算迎流航行所需的艏向控制量，根据控制量进行推力分配，分配主推推力并调整垂直舵舵角，从而保证水下机器人以一定角度在流场中迎流航行，同时针对探测目标和航向角，调整摄像机内置云台转角，控制摄像机朝向探测目标。同时根据水下环境和探测需要，通过推力分配给两个垂推推进器不同的推力实现水下机器人的俯仰运动，下潜和上浮的同时顶流探测航行，从而完成实际的探测任务。

实施例四：参见图1至图4说明本实施方式，还包括漏水传感器10，用于将采集的漏水信息上传至航行控制单元4。

图1所示的流线型外壳1采用类水滴形外形结构，分为艏部、平行中体和艉部三部分。艏部、艉部采用曲率不同的半椭球体形状外壳，平行中体部分采用圆柱体形外壳，通过型线设计使三部分外壳光滑连接。

载体主框架2依照流线型外壳进行结构设计，载体主框架2的外表面可以覆盖外壳蒙皮，内表面可以固定耐压控制舱以及固定其他外挂设备。

对本发明所述的一种流线型便携式遥控水下机器人进行仿真实验，得到一系列的水下机器人外壳的周围流体质点分布图以及直航阻力表，具体参见图6中表。

通过实验的结果的对比分析可以知道流线型外壳的摩擦阻力占比很高达到75％，而开架式外壳的形状阻力占比相对较高，大约占60％。并且在同等排水体积下开架式外壳的直航阻力通常比流线型外壳阻力大2～5倍，即流线型外壳的设计方案显著的减小了水下机器人的形状阻力，相应的总阻力也大幅度减小。因此对流线型外壳进行优化设计可以显著提高水下机器人的航行性能。

Claims (4)

1.一种便携式流线型遥控水下机器人，其特征在于：包括载体主框架、设置在载体主框架外的流线型外壳、设置在载体主框架内的控制舱、设置在控制舱内的航行控制单元和多通道电机控制板、水下环境感知与探测分系统、水下运动感知分系统、推进与操纵分系统和步进电机驱动器，所述流线型外壳由艏部、平行中体和艉部组成，推进与操纵分系统包括位于流线型外壳艉部两侧的两个主推推进器、分别固定在控制舱前、后对应的载体主框架上的两个垂推推进器、竖直安装在流线型外壳艉部上方和下方的两个垂推推进器，水下环境感知与探测分系统包括设置在流线型外壳前端的水下广角摄像机、设置在流线型外壳艏部内的前视声纳，且前视声纳固定在艏部所对应的载体主框架上，步进电机驱动器固定在流线型外壳艉部对应的载体主框架上，航行控制单元通过线缆与水面控制台进行通信。

2.根据权利要求1所述的一种便携式流线型遥控水下机器人，其特征在于：还包括两个水平稳定翼，且两个水平稳定翼对称设置在流线型外壳的左、右两侧，并两个水平稳定翼均固定在艉部所对应的载体主框架上。

3.根据权利要求1或2所述的一种便携式流线型遥控水下机器人，其特征在于：水下运动感知分系统包括用于采集涌流信息的洋流传感器、用于采集方位信息的磁罗经、用于采集深度信息的深度计。

4.根据权利要求3所述的一种便携式流线型遥控水下机器人，其特征在于：航行控制单元通过多通道电机控制板控制两个主推推进器和两个垂推推进器，航行控制单元通过步进电机驱动器对两个垂直舵翼进行驱动，洋流传感器、磁罗经、深度计、前视声纳、内置云台的水下广角摄像机所采集的信息均传给航行控制单元。