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CN111874195A - 一种全海深近海底自主水下机器人结构 - Google Patents

一种全海深近海底自主水下机器人结构 Download PDF

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CN111874195A CN202010799938.XA CN202010799938A CN111874195A CN 111874195 A CN111874195 A CN 111874195A CN 202010799938 A CN202010799938 A CN 202010799938A CN 111874195 A CN111874195 A CN 111874195A
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Abstract

本发明属于水下机器人技术领域，特别涉及一种全海深近海底自主水下机器人结构。包括机器人本体、主推进器、水平槽道推进器及垂直槽道推进器，其中机器人本体具有扁平鱼型形体结构，并且艉部设有舵板和稳定翼；主推进器设置于机器人本体的艉部，用于实现机器人沿X轴方向的移动及绕Z轴旋转的自由度；水平槽道推进器沿水平方向设置于机器人本体上，用于实现机器人沿Y轴方向的移动及绕Z轴的旋转自由度；垂直槽道推进器，沿竖直方向设置于机器人本体上，用于实现机器人沿Z轴方向的移动及绕X、Y轴转动的自由度。本发明可用于全海深复杂地形海域，具备复杂环境感知与高机动自主避碰能力，实现全海深高机动自主水下机器人的近海底光学探测。

Description

一种全海深近海底自主水下机器人结构
技术领域
本发明属于水下机器人技术领域，特别涉及一种全海深近海底自主水下机器人结构。
背景技术
在建设海洋强国的战略背景下，自主水下机器人在面向大洋科考和深海资源勘查领域起着不可替代的重要的作用。近海底复杂海洋环境对自主水下机器人的复杂环境感知与高机动自主避碰能力提出了更高的要求，如何稳定的实现全海深高机动自主水下机器人的近海底声光学探测成为了难点。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种全海深近海底自主水下机器人结构，该结构可用于全海深复杂地形海域，具备复杂环境感知与高机动自主避碰能力，以实现全海深高机动自主水下机器人的近海底声光学探测。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种全海深近海底自主水下机器人结构，包括：
机器人本体，具有扁平鱼型形体结构，并且艉部设有舵板和稳定翼；
主推进器，设置于机器人本体的艉部，用于实现机器人沿X轴方向的移动及绕Z轴旋转的自由度；
水平槽道推进器，沿水平方向设置于机器人本体上，用于实现机器人沿Y轴方向的移动及绕Z轴的旋转自由度；
垂直槽道推进器，沿竖直方向设置于机器人本体上，用于实现机器人沿Z轴方向的移动及绕X、Y轴转动的自由度。
所述主推进器包括设置于所述机器人本体两侧的左主推进器和右主推进器，左主推进器和右主推进器的轴线与所述机器人本体的轴线呈20-30°的夹角；
当左主推进器和右主推进器同向推进，实现机器人沿X方向移动的自由度；
当左主推进器和右主推进器异向推进，实现机器人绕Z轴转动的自由度。
所述水平槽道推进器包括前水平槽道推进器和后水平槽道推进器，前水平槽道推进器设置于所述机器人本体的艏部，后水平槽道推进器设置于所述机器人本体的艉部；
当前水平槽道推进器和后水平槽道推进器同向推进，实现机器人沿Y轴方向移动的自由度；
当前水平槽道推进器和后水平槽道推进器异向推进，实现机器人绕Z轴转动的自由度。
所述垂直槽道推进器包括左垂直槽道推进器、右垂直槽道推进器及艉槽道推进器，其中左垂直槽道推进器、右垂直槽道推进器设置于所述机器人本体的艏部，艉槽道推进器设置于机器人本体的艉部；
当左垂直槽道推进器、右垂直槽道推进器及艉槽道推进器同向推进，实现机器人沿Z轴方向移动的自由度；
当左垂直槽道推进器、右垂直槽道推进器及艉槽道推进器异向推进，实现机器人绕Y轴转动的自由度；
当左垂直槽道推进器、右垂直槽道推进器异向推进，实现机器人绕X轴转动的自由度。
所述舵板包括分别设置于所述机器人本体两侧的左舵板和右舵板，左舵板和右舵板的转动角度均为正负45°。
所述稳定翼包括左上翼板、左下翼板、右上翼板及右下翼板，其中左上翼板和左下翼板设置于所述机器人本体的左侧，且位于一竖直平面内；右上翼板和右下翼板设置于所述机器人本体的右侧，且位于另一竖直平面内。
所述机器人本体的前端设有前视声呐和声通讯定位一体机，所述前视声呐的两侧设有光学导航传感器Ⅰ和光学导航传感器Ⅱ。
所述机器人本体的顶部设有组合天线、艏牵引环、艉止荡环及起吊钩，其中艏牵引环和艉止荡环分别设置于所述机器人本体的艏部和艉部，起吊钩设置于所述机器人本体的中间位置。
所述机器人本体的底部设有多波束声呐系统、应急抛载、DVL惯导与深高度组合设备、无线充电与无线传输设备、深海照相机及深海闪光灯；
所述机器人本体的艏部设有充油集成控制舱；充油集成控制舱内设有保压采水器。
所述机器人本体采用铝合金龙骨框架结构搭载全海深充油耐压设备，铝合金龙骨框架结构的外部包裹扁平鱼型形体浮力材料，浮力材料外侧包裹蒙皮。
本发明的优点与积极效果为：
1、本发明采用仿生深海扁平鱼型形体设计，充分利用海洋生物进化的流体外形形体结构，获得水下低速航行的高机动避碰能力。
2、本发明采用无线充电与无线传输设备为机器人在深渊及深海底执行长期驻留与探测作业提供免上浮能源支撑与数据传输保障。
3、所述机器人采用五个槽道推进器配合两个矢量布置的主推进器实现空间六自由度可控的操纵性布局。
4、本发明采用深海保压采水器对深海水样进行保压采样，实现了自主水下机器人对深海水环境的自主取样探测。
5、本发明采用前视避碰声呐实现对复杂海洋环境的深度感知与避碰处理。
6、本发明采用多波束声呐系统可以智能在线实时测绘海底精细地形地貌图。
附图说明
图1为本发明全海深近海底自主水下机器人结构的主视图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1的左视图；
图4为图1的仰视图；
图5为本发明全海深近海底自主水下机器人结构的轴测图；
图6为本发明的工作原理示意图。
图中：1为机器人本体，2为前视声呐，3为声通讯定位一体机，4为艏牵引环，5为前水平槽道推进器，6为左蒙皮，7为起吊钩，8为后水平槽道推进器，9为组合天线，10为艉止荡环，11为左上翼板，12为左舵板，13为左主推进器，14为左下翼板，15为左垂直槽道推进器，16为保压采水器，17为右垂直槽道推进器，18为充油集成控制舱，19为右蒙皮，20为多波束声呐系统，21为右翼板，22为右舵板，23为右上翼板，24为右主推进器，25为艉槽道推进器，26为左翼板，27为光学导航传感器Ⅰ，28为光学导航传感器Ⅱ，29为应急抛载，30为DVL惯导与深高度组合设备，31为无线充电与无线传输设备，32为深海照相机，33为右下翼板，34为深海闪光灯，A为全海深机器人，B为对接坞站。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1-5所示，本发明提供的一种全海深近海底自主水下机器人结构，包括：机器人本体1、主推进器、水平槽道推进器及垂直槽道推进器，其中机器人本体1具有扁平鱼型形体结构，并且艉部设有舵板和稳定翼；主推进器设置于机器人本体1的艉部，用于实现机器人沿X轴方向的移动及绕Z轴旋转的自由度；水平槽道推进器沿水平方向设置于机器人本体1上，用于实现机器人沿Y轴方向的移动及绕Z轴的旋转自由度；垂直槽道推进器，沿竖直方向设置于机器人本体1上，用于实现机器人沿Z轴方向的移动及绕X、Y轴转动的自由度。
本发明的实施例中，如图2所示，主推进器包括分别设置于机器人本体1两侧的左主推进器13和右主推进器24，左主推进器13和右主推进器24的轴线与机器人本体1的轴线呈20-30°的夹角；当左主推进器13和右主推进器24同向推进，实现机器人沿X方向移动的自由度；当左主推进器13和右主推进器24异向推进，实现机器人绕Z轴转动的自由度。
本发明的实施例中，如图1所示，水平槽道推进器包括前水平槽道推进器5和后水平槽道推进器8，前水平槽道推进器5设置于机器人本体1的艏部，后水平槽道推进器8设置于机器人本体1的艉部；当前水平槽道推进器5和后水平槽道推进器8同向推进，实现机器人沿Y轴方向移动的自由度；当前水平槽道推进器5和后水平槽道推进器8异向推进，实现机器人绕Z轴转动的自由度。
本发明的实施例中，如图2所示，垂直槽道推进器包括左垂直槽道推进器15、右垂直槽道推进器17及艉槽道推进器25，其中左垂直槽道推进器15、右垂直槽道推进器17设置于机器人本体1的艏部，艉槽道推进器25设置于机器人本体1的艉部；当左垂直槽道推进器15、右垂直槽道推进器17及艉槽道推进器25同向推进，实现机器人沿Z轴方向移动的自由度；当左垂直槽道推进器15、右垂直槽道推进器17及艉槽道推进器25异向推进，实现机器人绕Y轴转动的自由度；当左垂直槽道推进器15、右垂直槽道推进器17异向推进，实现机器人绕X轴转动的自由度。
本发明的实施例中，如图2所示，舵板包括分别设置于机器人本体1两侧的左舵板12和右舵板22，左舵板12和右舵板22的转动角度均为正负45°。
本发明的实施例中，如图5所示，稳定翼包括左上翼板11、左下翼板14、右上翼板23及右下翼板33，其中左上翼板11和左下翼板14设置于机器人本体1的左侧，且位于一竖直平面内；右上翼板23和右下翼板33设置于机器人本体1的右侧，且位于另一竖直平面内。艉槽道推进器25设置于左上翼板11和右上翼板23之间。
在上述实施例的基础上，如图3所示，机器人本体1的前端设有前视声呐2和声通讯定位一体机3，通过前视声呐2实现对复杂海洋环境的深度感知与避碰处理，通过声通讯定位一体机3对机器人进行声学信号通讯与定位。前视声呐2的两侧设有光学导航传感器Ⅰ27和光学导航传感器Ⅱ28，进行光学导航。光学导航传感器Ⅰ27与光学导航传感器Ⅱ28组合可以实现仿生双目光学精细导航控制。光学导航传感器Ⅰ27具有大广角，近距离精细环境感知与导航能力；光学导航传感器Ⅱ28具有小广角，远距离精细环境感知与导航能力，双目能力互补，协同工作，共同完成高精度光学精细环境感知与导航控制。
在上述实施例的基础上，如图5所示，机器人本体1的顶部设有组合天线9、艏牵引环4、艉止荡环10及起吊钩7，其中艏牵引环4和艉止荡环10分别设置于机器人本体1的艏部和艉部，起吊钩7设置于机器人本体1的中间位置。
在上述实施例的基础上，如图4所示，机器人本体1的底部设有多波束声呐系统20、应急抛载29、DVL惯导与深高度组合设备30、无线充电与无线传输设备31、深海照相机32及深海闪光灯34；其中多波束声呐系统20可以智能在线实时测绘海底精细地形地貌图。采用无线充电与无线传输设备31为机器人在深渊及深海底执行长期驻留与探测作业提供免上浮能源支撑与数据传输保障；通过深海照相机32和深海闪光灯34进行近无线海底光学探测。
在上述实施例的基础上，如图2所示，机器人本体1的艏部设有充油集成控制舱18，充油集成控制舱18内设有保压采水器16，可以实现深海保压采水。采用充油集成控制舱18对机器人承压组部件进行充油减重设计，解决全海深机器人结构设计剩余浮力不充足的问题。
本发明的实施例中，机器人本体1采用铝合金龙骨框架结构搭载全海深充油耐压设备，铝合金龙骨框架结构的外部包裹扁平鱼型形体浮力材料，浮力材料外侧包裹蒙皮。外包蒙皮的设计方案，解决了深渊浮力材执行长期驻留技术的可靠不足的问题。具体地，蒙皮包括左蒙皮6和右蒙皮19。本发明采用全海深充油耐压设计实现机器人的大幅度优化减重设计，解决了全海深浮力材剩余浮力小、搭载设备重的矛盾，实现更高指标超高机动性的设计目标，。
本发明的工作原理为：
机器人水面备潜阶段，完成潜次前综合检查操作。检查操作过程中需要对组合天线9中的自容式铱星GPS天线等进行水面校准。此时，如图6所示，全海深机器人A与对接坞站B通过锁紧机构实现固定连接锁紧。然后吊放全海深机器人A与深渊基站从作业甲板一同布放入水，待一同下潜到深渊作业区后，对接坞站B稳定坐底，全海深机器人A首先进行自我检测与故障诊断和自修复操作，完成后按照预先设定的使命程序与对接坞站B进行出坞操作。出坞后的全海深机器人A首先进行深度环境感知并开启自主学习模式针对深渊资源进行近底光学探测作业。作业过程采用光学导航传感器Ⅰ27和光学导航传感器Ⅱ28进行光学导航，辅助以DVL惯导与深高度计组合设备30进行近海底高机动光学探测作业。完成探测作业后，返回对接坞站B并与对接坞站B对接后，将探测数据通过无线充电与无线传输设备31进行数据上传，同时进行无线充电操作，待数据传输完成同时电池充满电后，再通过无线传输设备从对接坞站B读取下一潜次的使命任务，然后重复上一过程。整个作业流程中，无需机器人单潜次后抛载返回水面进行布放回收操作，节省了大量的人力、物力和时间，极大的解放了母船、精简了科考保障队伍规模，同时极大的提升了科考作业的工作效率。
本发明的实施例中，机器人的六自由度实现方式，如图5所示，借助左垂直槽道推进器15、右垂直槽道推进器17和艉槽道推进器25同向推进，实现机器人沿Z轴方向移动的自由度；借助左主推进器13和右主推进器24同向推进，实现机器人沿X轴方向移动的自由度；借助前水平槽道推进器5和后水平槽道推进器8同向推进，实现机器人沿Y轴方向移动的自由度；借助左垂直槽道推进器15、右垂直槽道推进器17和艉槽道推进器25异向推进，实现机器人绕Y轴转动的自由度；借助左垂直槽道推进器15和右垂直槽道推进器17异向推进，实现机器人绕X轴转动的自由度；借助前水平槽道推进器5和后水平槽道推进器8异向推进，实现机器人绕Z轴转动的自由度；同时也可以借助左主推进器13和右主推进器24异向推进，实现机器人绕Z轴转动的自由度，绕Z向的冗余旋转自由度的推进能力进一步增强了机器人在水平面内的高机动转向机动能力。
本发明的高效冗余的推进器布局，配合可正负方向旋转45度的左右舵板，辅助高精度光学导航技术，实现全海深复杂海底地形区域的近海底高机动光学探测作业。其中，全海深是指潜深不小于11000米。
本发明提供的一种全海深近海底高机动光学自主水下机器人结构，通过仿生深海扁平鱼型形体设计，获得水下低速航行高机动避碰能力。机器人采用五个槽道推进器配合两个矢量布置的主推进器实现空间六自由度可控的操纵性布局。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种全海深近海底自主水下机器人结构，其特征在于，包括：
机器人本体(1)，具有扁平鱼型形体结构，并且艉部设有舵板和稳定翼；
主推进器，设置于机器人本体(1)的艉部，用于实现机器人沿X轴方向的移动及绕Z轴旋转的自由度；
水平槽道推进器，沿水平方向设置于机器人本体(1)上，用于实现机器人沿Y轴方向的移动及绕Z轴的旋转自由度；
垂直槽道推进器，沿竖直方向设置于机器人本体(1)上，用于实现机器人沿Z轴方向的移动及绕X、Y轴转动的自由度。
2.根据权利要求1所述的全海深近海底自主水下机器人结构，其特征在于，所述主推进器包括设置于所述机器人本体(1)两侧的左主推进器(13)和右主推进器(24)，左主推进器(13)和右主推进器(24)的轴线与所述机器人本体(1)的轴线呈20-30°的夹角；
当左主推进器(13)和右主推进器(24)同向推进，实现机器人沿X方向移动的自由度；
当左主推进器(13)和右主推进器(24)异向推进，实现机器人绕Z轴转动的自由度。
3.根据权利要求1所述的全海深近海底自主水下机器人结构，其特征在于，所述水平槽道推进器包括前水平槽道推进器(5)和后水平槽道推进器(8)，前水平槽道推进器(5)设置于所述机器人本体(1)的艏部，后水平槽道推进器(8)设置于所述机器人本体(1)的艉部；
当前水平槽道推进器(5)和后水平槽道推进器(8)同向推进，实现机器人沿Y轴方向移动的自由度；
当前水平槽道推进器(5)和后水平槽道推进器(8)异向推进，实现机器人绕Z轴转动的自由度。
4.根据权利要求1所述的全海深近海底自主水下机器人结构，其特征在于，所述垂直槽道推进器包括左垂直槽道推进器(15)、右垂直槽道推进器(17)及艉槽道推进器(25)，其中左垂直槽道推进器(15)、右垂直槽道推进器(17)设置于所述机器人本体(1)的艏部，艉槽道推进器(25)设置于机器人本体(1)的艉部；
当左垂直槽道推进器(15)、右垂直槽道推进器(17)及艉槽道推进器(25)同向推进，实现机器人沿Z轴方向移动的自由度；
当左垂直槽道推进器(15)、右垂直槽道推进器(17)及艉槽道推进器(25)异向推进，实现机器人绕Y轴转动的自由度；
当左垂直槽道推进器(15)、右垂直槽道推进器(17)异向推进，实现机器人绕X轴转动的自由度。
5.根据权利要求1所述的全海深近海底自主水下机器人结构，其特征在于，所述舵板包括分别设置于所述机器人本体(1)两侧的左舵板(12)和右舵板(22)，左舵板(12)和右舵板(22)的转动角度均为正负45°。
6.根据权利要求1所述的全海深近海底自主水下机器人结构，其特征在于，所述稳定翼包括左上翼板(11)、左下翼板(14)、右上翼板(23)及右下翼板(33)，其中左上翼板(11)和左下翼板(14)设置于所述机器人本体(1)的左侧，且位于一竖直平面内；右上翼板(23)和右下翼板(33)设置于所述机器人本体(1)的右侧，且位于另一竖直平面内。
7.根据权利要求1所述的全海深近海底自主水下机器人结构，其特征在于，所述机器人本体(1)的前端设有前视声呐(2)和声通讯定位一体机(3)，所述前视声呐(2)的两侧设有光学导航传感器Ⅰ(27)和光学导航传感器Ⅱ(28)。
8.根据权利要求1所述的全海深近海底自主水下机器人结构，其特征在于，所述机器人本体(1)的顶部设有组合天线(9)、艏牵引环(4)、艉止荡环(10)及起吊钩(7)，其中艏牵引环(4)和艉止荡环(10)分别设置于所述机器人本体(1)的艏部和艉部，起吊钩(7)设置于所述机器人本体(1)的中间位置。
9.根据权利要求1所述的全海深近海底自主水下机器人结构，其特征在于，所述机器人本体(1)的底部设有多波束声呐系统(20)、应急抛载(29)、DVL惯导与深高度组合设备(30)、无线充电与无线传输设备(31)、深海照相机(32)及深海闪光灯(34)；
所述机器人本体(1)的艏部设有充油集成控制舱(18)；充油集成控制舱(18)内设有保压采水器(16)。
10.根据权利要求1所述的全海深近海底自主水下机器人结构，其特征在于，所述机器人本体(1)采用铝合金龙骨框架结构搭载全海深充油耐压设备，铝合金龙骨框架结构的外部包裹扁平鱼型形体浮力材料，浮力材料外侧包裹蒙皮。
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