一种水翼调控和供能的海洋机器人及其工作方法技术

本发明专利技术涉及一种水翼调控和供能的海洋机器人及其工作方法，属于海洋探测装备领域，包括耐压外壳、传感器、通讯天线、浮力油囊、液压浮力及液压缸调节装置、控制模块、电池组、蓄能器、储油油囊和四个水力翼板。本发明专利技术为集成水力翼板的Argo浮标，在上浮或下潜过程中，通过调节水力翼板的开合角度，改变海洋机器人的运动方向，能够在海洋垂直剖面内进行跳跃运动，实现主动水平移位，扩大信息采集的区域。同时，在海洋机器人下潜至海底前，利用水力翼板减缓下潜速度，并在触底后水力翼板辅助支撑海洋机器人，防止倾覆。此外，在浮标上浮至海面时，利用水力翼板吸收海面的波浪能，将波浪能转化为蓄能器内液压油的压力能，用于翼板驱动。用于翼板驱动。用于翼板驱动。

【技术实现步骤摘要】
一种水翼调控和供能的海洋机器人及其工作方法


[0001]本专利技术涉及一种水翼调控和供能的海洋机器人及其工作方法，属于海洋探测装备


技术介绍

[0002]地球约有71％的面积被海洋覆盖，海洋中蕴藏着丰富的能源与资源，这对人类文明的发展具有重要意义。近年来，人类对海洋的探索不断深入，各种海洋观测工具也得到了迅速发展，如自制潜水器、水下直升机、Argo浮标、水下无人运载器等。其中，Argo浮标是一种可以自主实现上浮下潜、同时完成数据监测与传输的海洋观测机器人。Argo浮标利用自身携带电池为设备提供能量，通过调节油囊体积改变设备的净浮力，从而实现上浮、下潜或悬浮，并通过传感器获取海洋中的各种环境参数，当浮标上浮到海面后，通过天线将采集到的数据经卫星系统传输回岸基系统，此后便重复上述运动，直至能量消耗完毕。
[0003]Argo浮标因其成本低，自动化程度高、原理简单等优势，在海洋探索过程中发挥了重要作用。但在上浮下潜过程中，Argo浮标无法自主调节运动轨迹，设备能源完全依靠自身携带的电池，不利于Argo浮标进行复杂、长时间的信息采集工作。而且Argo浮标容易受水流影响，无法在近海底悬停，无法实现海底原位观测及取样，限制了Argo浮标的应用范围。
[0004]目前，已有的Argo浮标在水下工作时仅能够在海洋洋流作用下进行自由漂移，利用自身净浮力的变化实现上浮下潜运动，不能够主动调节运动方向，无法完成水平方向可控运动。在海洋定点垂直剖面测量系统中，科研人员已经提出了利用波浪能为剖面观测平台提供能量方案。如申请号为CN202010767655.7的专利技术专利，提出了一种波浪能发电观测浮标，利用半潜式主平台上布置的若干波浪能直线运动转换机构与气动式波浪能发电单元产生电能，并通过吊缆来为观测设备提供能量。又如申请号为CN202120426005.6的技术专利，提出了一种基于水下无线充电的波浪能剖面观测浮标，利用无线充电原理，能够及时为水下剖面观测平台提供电能，满足剖面浮标全天候、实时监测过程的数据交互和电能传输要求。但传统的Argo浮标均由自身携带的电池提供能量，续航能力有限。
[0005]由此可见，利用现有的技术方案，Argo浮标无法实现自主调节运动方向或在海底原位观测，无法实现海洋参数超长期连续观测。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种水翼调控和供能的海洋机器人及其工作方法，该海洋机器人为集成水力翼板的Argo浮标，在上浮或下潜过程中，通过调节水力翼板的开合角度，改变海洋机器人的运动方向，能够在海洋垂直剖面内进行跳跃运动，实现主动水平移位，扩大信息采集的区域。同时，在海洋机器人下潜至海底前，利用水力翼板减缓下潜速度，并在触底后利用水力翼板辅助支撑海洋机器人，防止倾覆。此外，在浮标上浮至海面时，利用水力翼板吸收海面的波浪能，将波浪能转化为蓄能器内液压油的压力能，用于翼板驱动。
[0007]本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种水翼调控和供能的海洋机器人，包括耐压外壳，耐压外壳外部顶端设置有传感器和通讯天线，传感器用于采集海洋水体的温度、盐度和深度参数信息，通讯天线用于与卫星传输数据，并通过卫星获得定位信息；耐压外壳外部底端设置浮力油囊，浮力油囊直接与海水接触，通过控制浮力油囊内部油量改变油囊体积，从而改变设备净浮力；
[0009]所述耐压外壳内部设置有液压浮力及液压缸调节装置、控制模块、电池组、蓄能器和储油油囊，液压浮力及液压缸调节装置用于调节储油油囊与浮力油囊内的油量，改变设备净浮力，并控制液压缸伸缩；控制模块用于向液压浮力及液压缸调节装置发送控制信号，并处理传感器反馈的监测信息；蓄能器用于储存液压压力能，并将压力能输送至液压缸，驱动液压缸活塞杆的伸出或缩回；
[0010]所述耐压外壳中部周向安装有四个水力翼板，水力翼板顶端通过铰链连接在耐压外壳中部，水力翼板与耐压外壳之间为铰连接，水力翼板能够绕耐压外壳的铰接点转动一定角度；所述耐压外壳与每一水力翼板之间均设置有液压缸。
[0011]优选的，所述液压缸包括缸筒和活塞杆，缸筒与活塞杆为滑动连接，活塞杆顶端安装于水力翼板内侧，活塞杆顶端与水力翼板之间为铰连接，缸筒底端与耐压外壳底部凸缘铰连接，能够绕耐压外壳铰接点转动一定角度。
[0012]优选的，所述水力翼板呈弧面，四个水力翼板闭合后，可形成完整的圆柱体，流体性能较好。而平面水力翼板闭合后，是方形结构，流体性能较差。
[0013]优选的，水翼调控和供能的海洋机器人还包括液压系统，所述液压系统包括四个液压模块、储油油囊、浮力油囊、三位三通电磁阀、蓄能器、电磁开关阀A、电磁开关阀B、溢流阀、单向阀E、过滤器、双向液压泵、电机和液压管路；
[0014]四个液压模块的结构和连接关系相同，分别用于控制四个液压缸；每一液压模块均包括单向阀A、单向阀B、单向阀C、单向阀D、液控单向阀A、液控单向阀B和三位四通伺服阀；
[0015]双向液压泵与电机固定连接；双向液压泵一端与溢流阀连接，并经过滤器与储油油囊连接，双向液压泵另一端与三位三通电磁阀一个油口连接，该三位三通电磁阀第二个油口与浮力油囊连接，三位三通电磁阀第三个油口分别与四个液压模块的三位四通伺服阀连接，并经过电磁开关阀A与蓄能器连接；四个液压模块的三位四通伺服阀的工作油口通过液控单向阀A、液控单向阀B分别与四个液压缸连接，四个液压模块的三位四通伺服阀的回油口均通过单向阀E经过滤器与油箱连接；每个液压缸的两个油口还分别经单向阀B、单向阀C与电磁开关阀A连接，该电磁开关阀A与蓄能器连接；储油油囊经电磁开关阀B后，分别与每个液压缸的两个油口经单向阀A、单向阀D连接。
[0016]优选的，液压系统除浮力油囊外安装于耐压外壳内部，液控单向阀A、液控单向阀B、三位四通伺服阀、三位三通电磁阀、电磁开关阀A、电磁开关阀B、溢流阀、单向阀A、单向阀B、单向阀C、单向阀D、单向阀E、过滤器、双向液压泵、电机和液压管路集成安装于液压浮力及液压缸调节装置内。
[0017]优选的，四个水力翼板收起并紧靠耐压外壳时，水力翼板底部长于耐压壳体底部。
[0018]本专利技术的水翼调控和供能的海洋机器人，可以通过调节设备净浮力，自主实现上浮下潜运动，并借助水力翼板完成水平面内的运动，实现运动方向的自主调节；能够借助水
力翼板配合液压系统捕获海洋波浪能，并将捕获的能量用于驱动水力翼板在水下的运动，减少了对电能的消耗，延长了机器人的工作寿命，能够实现海洋参数超长期连续观测。
[0019]本专利技术中的三位四通伺服阀可替换为三位四通比例阀，避免伺服系统对液压油质量过高的问题，提高液压系统的可靠性；
[0020]蓄能器的数量可根据海洋机器人的工作环境而改变，以提高波浪能的利用效率和设备的适用范围。
[0021]一种上述的水翼调控和供能的海洋机器人的工作方法，工作时，在母船完成对海洋机器人的布放后，能够执行波浪能储存阶段、快速下潜阶段、轨迹调整阶段、水平移位阶段、缓降着陆本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水翼调控和供能的海洋机器人，其特征在于，包括耐压外壳，耐压外壳外部顶端设置有传感器和通讯天线，传感器用于采集海洋水体的温度、盐度和深度参数信息，通讯天线用于与卫星传输数据，并通过卫星获得定位信息；耐压外壳外部底端设置浮力油囊，浮力油囊直接与海水接触；所述耐压外壳内部设置有液压浮力及液压缸调节装置、控制模块、电池组、蓄能器和储油油囊，液压浮力及液压缸调节装置用于调节储油油囊与浮力油囊内的油量，改变设备净浮力，并控制液压缸伸缩；控制模块用于向液压浮力及液压缸调节装置发送控制信号，并处理传感器反馈的监测信息；所述耐压外壳中部周向安装有四个水力翼板，水力翼板顶端通过铰链连接在耐压外壳中部，水力翼板与耐压外壳之间为铰连接，水力翼板能够绕耐压外壳的铰接点转动一定角度；所述耐压外壳与每一水力翼板之间均设置有液压缸。2.根据权利要求1所述的水翼调控和供能的海洋机器人，其特征在于，所述液压缸包括缸筒和活塞杆，缸筒与活塞杆为滑动连接，活塞杆顶端安装于水力翼板内侧，活塞杆顶端与水力翼板之间为铰连接，缸筒底端与耐压外壳底部凸缘铰连接，能够绕耐压外壳铰接点转动一定角度。3.根据权利要求1所述的水翼调控和供能的海洋机器人，其特征在于，所述水力翼板呈弧面，四个水力翼板闭合后，可形成完整的圆柱体。4.根据权利要求1所述的水翼调控和供能的海洋机器人，其特征在于，还包括液压系统，所述液压系统包括四个液压模块、储油油囊、浮力油囊、三位三通电磁阀、蓄能器、电磁开关阀A、电磁开关阀B、溢流阀、单向阀E、过滤器、双向液压泵、电机和液压管路；四个液压模块的结构和连接关系相同，分别用于控制四个液压缸；每一液压模块均包括单向阀A、单向阀B、单向阀C、单向阀D、液控单向阀A、液控单向阀B和三位四通伺服阀；双向液压泵与电机固定连接；双向液压泵一端与溢流阀连接，并经过滤器与储油油囊连接，双向液压泵另一端与三位三通电磁阀一个油口连接，该三位三通电磁阀第二个油口与浮力油囊连接，三位三通电磁阀第三个油口分别与四个液压模块的三位四通伺服阀连接，并经过电磁开关阀A与蓄能器连接；四个液压模块的三位四通伺服阀的工作油口通过液控单向阀A、液控单向阀B分别与四个液压缸连接，四个液压模块的三位四通伺服阀的回油口均通过单向阀E经过滤器与油箱连接；每个液压缸的两个油口还分别经单向阀B、单向阀C与电磁开关阀A连接，该电磁开关阀A与蓄能器连接；储油油囊经电磁开关阀B后，分别与每个液压缸的两个油口经单向阀A、单向阀D连接。5.根据权利要求4所述的水翼调控和供能的海洋机器人，其特征在于，液压系统除浮力油囊外安装于耐压外壳内部，液控单向阀A、液控单向阀B、三位四通伺服阀、三位三通电磁阀、电磁开关阀A、电磁开关阀B、溢流阀、单向阀A、单向阀B、单向阀C、单向阀D、单向阀E、过滤器、双向液压泵、电机和液压管路集成安装于液压浮力及液压缸调节装置内。6.根据权利要求5所述的水翼调控和供能的海洋机器人，其特征在于，四个水力翼板收起并紧靠耐压外壳时，水力翼板底部长于耐压壳体底部。7.一种权利要求6所述的水翼调控和供能的海洋机器人的工作方法，其特征在于，工作时，在母船完成对海洋机器人的布放后，能够执行波浪能储存阶段、快速下潜阶段、轨迹调整阶段、水平移位阶段、缓降着陆阶段、坐底工作阶段和上浮阶段任务，均通过调整设备自
身的体积和水力翼板的开合角度，实现各阶段之间的转换；波浪能储存阶段，当海洋机器人下潜前或浮出水面后，通过调节浮力油囊，到达悬停状态，海洋机器人进入波浪能储存阶段；四个水力翼板完全张开至水平，漂浮在海洋表面；在波浪作用下，四个水力翼板伴随海面波动进行上下摆动，带动液压缸内活塞杆往复运动，将液压缸中的高压油输送至蓄能器中，对海洋波浪能转换成的压力能进行储存；快速下潜阶段，四个水力翼板收起并紧靠耐压外壳，减小海洋机器人在垂直方向受到的流体阻力；液压系...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛钢，任平顺，刘延俊，白发刚，郭磊，黄淑亭，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：