基于浮力驱动与无轴矢量推进的变形潜水器及其工作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于浮力驱动与无轴矢量推进的变形潜水器及其工作方法，属于海洋工程技术领域，变形潜水器包括主舱、浮力舱、电池舱、变形机构、无轴矢量推进器。本发明专利技术通过变形机构将浮力舱和电池舱与主舱连接，通过变形潜水器浮心和重心的位置变换，可实现潜水器的垂向运动形态和水平运动形态，配合浮力舱的浮力调整功能，可实现潜水器在垂向运动形态时具备上浮运动模式和下潜运动模式，通过变形机构调整浮力舱和电池舱分别处于主舱的正后方和正前方，可减少潜水器运动时的水阻，通过控制浮力舱中浮力的大小，可实现潜水器水中悬浮巡航和海底着陆功能，配合无轴矢量推进器的小幅度推动，可实现变形潜水器的高效巡航。

【技术实现步骤摘要】
基于浮力驱动与无轴矢量推进的变形潜水器及其工作方法
本专利技术属于海洋工程
，具体涉及一种基于浮力驱动与无轴矢量推进的变形潜水器及其工作方法。
技术介绍
海洋中众多的矿产资源和生物资源，显示出巨大的商业利益和科学价值。近年来，随着我国“海洋强国”战略的推动和实施，海洋勘测无论在范围还是技术能力方面，都有了很大程度的提升。由于海洋环境的复杂性，潜水器是海洋探索中重要的观测和作业设备，可在高度危险环境、被污染环境以及零可见度的水域代替人工在水下长时间作业。其应用领域很广，主要包括：水产养殖，内陆河流、湖泊的打捞工作，水下下工程的施工，跨海大桥桥墩、海底隧道、内陆河湖桥梁的桥墩年检和海事安全、水下搜寻及海上救援工作以及海洋水文环境的观测等。水下机器人主要分为两大类：一类是有缆水下机器人，称为遥控潜水器(英文名为RemoteOperatedVehicle，简称ROV)；另一类是无缆水下机器人，称为自主式水下潜水器(英文名为AutonomousUnderwaterVehicle，简称AUV)。当然随着技术的进步，还出现了第三类水下潜水器称为水下滑翔机(英文名为AutonomousUnderwaterGlider，简称AUG)。第一类潜水器ROV，由于潜水器与岸站系统始终连接有线缆为其供电并实现数据回传和指令发送，因此续航能力可以得到保证；但是受电缆长度等影响，其工作深度大部分在百米水深内；并且由于线缆多方面因素的限制，ROV并不适合水下情况复杂的环境。第二类潜水器AUV，是新一代水下机器人，具有活动范围大、机动性好、安全、智能化等优点，成为完成各种水下任务的重要工具。无缆水下机器人具有活动范围不受电缆限制，隐蔽性好等优点。但是AUV体积较小，内部空间有限，其所能携带的电源等能源设备非常有限，并且其动力驱动来源主要靠螺旋桨产生推力，耗能较高。因此能源问题一直是制约水下自治潜水器发展的一个关键问题。第三类潜水器AUG，利用净浮力和姿态角调整获得推进力，能源消耗极小，只在调整净浮力和姿态角时消耗少量能源，并且具有效率高、续航力大(可达上千公里)的特点。但是水下滑翔机的航行速度较慢，运动剖面轨迹为锯齿形，航向改变和俯仰姿态改变较为缓慢，不能进行精确作业，只适合长时间、大范围海洋探索的需要。在深海和复杂水域探测主要依靠AUV和AUG设备。但是AUV的续航能力不强，AUG机动性能低。因此，如何使潜水器既具备较强的机动性，又能保证较长的续航能力，是当前和以后水下潜器发展亟待解决的问题。为了使有限的能源发挥最大作用，延长水下机器人的作业时间，提高水下机器人高速航行时的推进效率，是目前的研究热点。但是目前的研究主要局限于以下两点：Ⅰ.在当前AUV潜水器基础上，通过算法优化或降低推进器能耗等实现工作周期的延长。Ⅱ.在当前AUG的基础上增添推进器设备，实现关键时刻或关键工作点的机动性能。但是上述两个研究方向均不能解决水下潜器存在的最本质问题。例如申请号为201010003887.1的专利技术专利提出了水下涡旋推进器，其主要特征是动力作用使涡施涡旋推进器内部的“叶片与叶片筒架”发生旋转，对水体持续地进行长距离、长时间地三维涢旋加速、加压，制造集速涡施水流，籍助水体反作用力成为新型、强力旳推进器。“叶片与叶片筒架”中包括叶片，叶片筒架，推进器外筒壳体，主轴，及支承，其中涡旋叶片设置成长条、流线型、连续的螺旋型式。与现有传统的螺旋桨比较，将叶片的旋转作用力(包括单轴七叶高弯角螺旋桨推进器，还有发展改进的空间)改革为完全立体的三维涡旋作用力，极大地提高了水体的反作用力。在机械装置中，有各组的多级变速齿轮箱、伞形齿轮箱、万向节实现安装多组涡旋推进器，使船体提高船速、操纵自如、快速进退、快速转弯，具有高效(动力转化率高)，低噪(声)，(结构)安全、灵活(行驶)。适应于各种不同类型船体(商船、舰船、潜艇、航母以及可遥控水下鱼雷、侦察艇等推进器，……)规模的需求。但是如专利所述，即使是低功耗的推进器，因为AUV工作时必须依靠推进器才能运动，整体运动功耗也比较高。当然，有专家学者从水动力优化方面着手降低水下潜器的运动水阻力。例如专利申请号为201010212492.2的专利技术专利提出了水下机器人用变形机构，包括呈圆环状的伸缩构件，伸缩构件由多个平行四边形机构连接而成，处于伸缩构件外侧的连动杆与前端圆环之间连接有前支杆组件，处于伸缩构件内侧的连动杆与后端圆环之间连接有后支杆组件，前端圆环与后端圆环相对应设置，前后端圆环之间密封连接有滑动构件，滑动构件呈圆筒导管状，滑动构件穿过伸缩构件中间的中空部分，滑动构件的内腔为一个独立空间且通过前、后端圆环与外部相连通，滑动构件连接有一个驱动构件，驱动构件与中央控制器连接。水下机器人的外部形体可通过该变形机构而在球体与梭体间变换，梭体结构可减小潜水器行进中所受水阻力，极大节省了有限的能源。但是该专利技术专利只是通过专利技术水下潜水器的变形结构而减低水下潜水器的运行阻力，并不能减低因使用推进器而使用的能量消耗。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述技术问题，本专利技术提出了一种基于浮力驱动与无轴矢量推进的变形潜水器及其工作方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：基于浮力驱动和无轴矢量推进的变形潜水器，包括主舱、浮力舱、电池舱、变形机构和无轴矢量推进器；其中，主舱，包括控制机构；被配置为用于实现驱动作用；控制机构和驱动浮力舱中的从控制器、电池舱中的锂电池以及变性机构中的左变形旋转机构和右变形旋转机构通过线路连接；浮力舱，共两套，分为左右两个浮力舱，机械机构完全一致，包括前滚动膜片、后滚动膜片、浮力舱舱体、前浮力驱动机构、后浮力驱动机构和从控制器；前滚动膜片和浮力舱舱体的前端内壁连接并固定，后滚动膜片和浮力舱舱体的后端内壁连接并固定；前浮力驱动机构，共两套，分别安装固定在左右两个浮力舱的前端，被配置为用于对前滚动膜片进行推拉；后浮力驱动机构，共两套，分别安装固定在左右两个浮力舱的后端，被配置为用于对后滚动膜片进行推拉；从控制器，是浮力舱的控制核心和通讯枢纽，被配置为用于控制和驱动前浮力驱动机构和后浮力驱动机构从而控制前滚动膜片和后滚动膜片的位置，从而实现对变形潜水器浮力的调整；接收来自主舱中控制机构的控制指令，并向其发送包括自身指令执行结果或自身工作状态在内的信息；电池舱，包括两套对称的左电池舱和右电池舱，被配置为用于为主舱、浮力舱、变形机构和无轴矢量推进器提供电能；变形机构，包括左变形机构、右变形机构、左固定支臂、右固定支臂、左旋转支臂、右旋转支臂、左变形旋转机构和右变形旋转机构；左变形机构和右变形机构，被配置为用于实现浮力舱和电池舱的位置变换；左固定支臂和右固定支臂，对称安装设置在主舱的两侧，与主舱平行，呈水平固定横臂状，被配置为用于连接主舱体与左旋转支臂、右旋转支臂、左变形旋转机构和右变形旋转机构；同时也作为无轴矢量推进器的支撑和固定载体；左旋转支臂和右旋转支臂，对称安装在主舱体的两侧，被配置为用于配合左变形旋转机构和右变形旋转机构实现相对左固定支臂和右固定支臂的转动，从而实现浮力舱和电池舱的位置变换；左变形旋转机构包括第一左变形旋转机构、第二左变形旋转机构和第三本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于浮力驱动和无轴矢量推进的变形潜水器，其特征在于：包括主舱、浮力舱、电池舱、变形机构和无轴矢量推进器；其中，主舱，包括控制机构；被配置为用于实现驱动作用；控制机构和驱动浮力舱中的从控制器、电池舱中的锂电池以及变性机构中的左变形旋转机构和右变形旋转机构通过线路连接；浮力舱，共两套，分为左右两个浮力舱，机械机构完全一致，包括前滚动膜片、后滚动膜片、浮力舱舱体、前浮力驱动机构、后浮力驱动机构和从控制器；前滚动膜片和浮力舱舱体的前端内壁连接并固定，后滚动膜片和浮力舱舱体的后端内壁连接并固定；前浮力驱动机构，共两套，分别安装固定在左右两个浮力舱的前端，被配置为用于对前滚动膜片进行推拉；后浮力驱动机构，共两套，分别安装固定在左右两个浮力舱的后端，被配置为用于对后滚动膜片进行推拉；从控制器，是浮力舱的控制核心和通讯枢纽，被配置为用于控制和驱动前浮力驱动机构和后浮力驱动机构从而控制前滚动膜片和后滚动膜片的位置，从而实现对变形潜水器浮力的调整；接收来自主舱中控制机构的控制指令，并向其发送包括自身指令执行结果或自身工作状态在内的信息；电池舱，包括两套对称的左电池舱和右电池舱，被配置为用于为主舱、浮力舱、变形机构和无轴矢量推进器提供电能；变形机构，包括左变形机构、右变形机构、左固定支臂、右固定支臂、左旋转支臂、右旋转支臂、左变形旋转机构和右变形旋转机构；左变形机构和右变形机构，被配置为用于实现浮力舱和电池舱的位置变换；左固定支臂和右固定支臂，对称安装设置在主舱的两侧，与主舱平行，呈水平固定横臂状，被配置为用于连接主舱体与左旋转支臂、右旋转支臂、左变形旋转机构和右变形旋转机构；同时也作为无轴矢量推进器的支撑和固定载体；左旋转支臂和右旋转支臂，对称安装在主舱体的两侧，被配置为用于配合左变形旋转机构和右变形旋转机构实现相对左固定支臂和右固定支臂的转动，从而实现浮力舱和电池舱的位置变换；左变形旋转机构包括第一左变形旋转机构、第二左变形旋转机构和第三左变形旋转机构；右变形旋转机构包括第一右变形旋转机构、第二右变形旋转机构和第三右变形旋转机构；第一左变形旋转机构、第二左变形旋转机构和第三左变形旋转机构与第一右变形旋转机构、第二右变形旋转机构和第三右变形旋转机构一一对称；第一左变形旋转机构安装固定在左旋转支臂和浮力舱中的左侧的浮力舱舱体之间，被配置为用于实现左侧的浮力舱舱体与左旋转支臂之间的相对角度转动；第一右变形旋转机构安装固定在右旋转支臂和浮力舱中的右侧的浮力舱舱体之间，被配置为用于实现右侧的浮力舱舱体与右旋转支臂之间的相对角度转动；第二左变形旋转机构安装固定在左旋转支臂和左固定支臂之间，被配置为用于实现左旋转支臂与左固定支臂之间的相对角度转动；第二右变形旋转机构安装固定在右旋转支臂和右固定支臂之间，被配置为用于实现右旋转支臂与右固定支臂之间的相对角度转动；第三左变形旋转机构安装固定在左旋转支臂和电池舱中左侧的电池舱舱体之间，被配置为用于实现左侧的浮力舱舱体与左侧的电池舱舱体之间的相对角度转动；第三右变形旋转机构安装固定在右旋转支臂和电池舱中右侧的电池舱舱体之间，被配置为用于实现右侧的浮力舱舱体与右侧的电池舱舱体之间的相对角度转动；无轴矢量推进器，包括无轴推进器和矢量角度驱动机构；无轴矢量推进器，共两套，分别安装固定在变形机构中的左固定支臂和右固定支臂上，被配置为用于通过矢量角度驱动机构控制无轴推进器的工作角度，通过控制主舱中的控制机构驱动无轴推进器运转，实现变形潜水器的全方位运动。...

【技术特征摘要】
1.基于浮力驱动和无轴矢量推进的变形潜水器，其特征在于：包括主舱、浮力舱、电池舱、变形机构和无轴矢量推进器；其中，主舱，包括控制机构；被配置为用于实现驱动作用；控制机构和驱动浮力舱中的从控制器、电池舱中的锂电池以及变性机构中的左变形旋转机构和右变形旋转机构通过线路连接；浮力舱，共两套，分为左右两个浮力舱，机械机构完全一致，包括前滚动膜片、后滚动膜片、浮力舱舱体、前浮力驱动机构、后浮力驱动机构和从控制器；前滚动膜片和浮力舱舱体的前端内壁连接并固定，后滚动膜片和浮力舱舱体的后端内壁连接并固定；前浮力驱动机构，共两套，分别安装固定在左右两个浮力舱的前端，被配置为用于对前滚动膜片进行推拉；后浮力驱动机构，共两套，分别安装固定在左右两个浮力舱的后端，被配置为用于对后滚动膜片进行推拉；从控制器，是浮力舱的控制核心和通讯枢纽，被配置为用于控制和驱动前浮力驱动机构和后浮力驱动机构从而控制前滚动膜片和后滚动膜片的位置，从而实现对变形潜水器浮力的调整；接收来自主舱中控制机构的控制指令，并向其发送包括自身指令执行结果或自身工作状态在内的信息；电池舱，包括两套对称的左电池舱和右电池舱，被配置为用于为主舱、浮力舱、变形机构和无轴矢量推进器提供电能；变形机构，包括左变形机构、右变形机构、左固定支臂、右固定支臂、左旋转支臂、右旋转支臂、左变形旋转机构和右变形旋转机构；左变形机构和右变形机构，被配置为用于实现浮力舱和电池舱的位置变换；左固定支臂和右固定支臂，对称安装设置在主舱的两侧，与主舱平行，呈水平固定横臂状，被配置为用于连接主舱体与左旋转支臂、右旋转支臂、左变形旋转机构和右变形旋转机构；同时也作为无轴矢量推进器的支撑和固定载体；左旋转支臂和右旋转支臂，对称安装在主舱体的两侧，被配置为用于配合左变形旋转机构和右变形旋转机构实现相对左固定支臂和右固定支臂的转动，从而实现浮力舱和电池舱的位置变换；左变形旋转机构包括第一左变形旋转机构、第二左变形旋转机构和第三左变形旋转机构；右变形旋转机构包括第一右变形旋转机构、第二右变形旋转机构和第三右变形旋转机构；第一左变形旋转机构、第二左变形旋转机构和第三左变形旋转机构与第一右变形旋转机构、第二右变形旋转机构和第三右变形旋转机构一一对称；第一左变形旋转机构安装固定在左旋转支臂和浮力舱中的左侧的浮力舱舱体之间，被配置为用于实现左侧的浮力舱舱体与左旋转支臂之间的相对角度转动；第一右变形旋转机构安装固定在右旋转支臂和浮力舱中的右侧的浮力舱舱体之间，被配置为用于实现右侧的浮力舱舱体与右旋转支臂之间的相对角度转动；第二左变形旋转机构安装固定在左旋转支臂和左固定支臂之间，被配置为用于实现左旋转支臂与左固定支臂之间的相对角度转动；第二右变形旋转机构安装固定在右旋转支臂和右固定支臂之间，被配置为用于实现右旋转支臂与右固定支臂之间的相对角度转动；第三左变形旋转机构安装固定在左旋转支臂和电池舱中左侧的电池舱舱体之间，被配置为用于实现左侧的浮力舱舱体与左侧的电池舱舱体之间的相对角度转动；第三右变形旋转机构安装固定在右旋转支臂和电池舱中右侧的电池舱舱体之间，被配置为用于实现右侧的浮力舱舱体与右侧的电池舱舱体之间的相对角度转动；无轴矢量推进器，包括无轴推进器和矢量角度驱动机构；无轴矢量推进器，共两套，分别安装固定在变形机构中的左固定支臂和右固定支臂上，被配置为用于通过矢量角度驱动机构控制无轴推进器的工作角度，通过控制主舱中的控制机构驱动无轴推进器运转，实现变形潜水器的全方位运动。2.根据权利要求1所述的基于浮力驱动和无轴矢量推进的变形潜水器，其特征在于：前滚动膜片和后滚动膜片均为半球状结构。3.根据权利要求1所述的基于浮力驱动和无轴矢量推进的变形潜水器，其特征在于：前滚动膜片和浮力舱舱体的前端内壁连接处以及后滚动膜片和浮力舱舱体的后端内壁连接处均设置有密封圈。4.根据权利要求1所述的基于浮力驱动和无轴矢量推进的变形潜水器，其特征在于：主舱，还包括主舱体、前导流罩、后导流罩、通讯天线和摄像机构；主舱体为圆柱形，控制机构和摄像机构均设置在主舱体内；主舱体的前、后方的端盖装置上设置有横向和径向密封圈；前导流罩为半纺锤形，安装固定在主舱体的前端；后导流罩为半纺锤形，安装...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋大雷，郭亭亭，张逸恒，姜迁里，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东,37