一种仿海龟四鳍拍动式自主水下机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种仿海龟四鳍拍动式自主水下机器人，包括身部、头部与尾部；其中，身部前后两侧通过鳍肢连接有动鳍；每个拍动鳍独立驱动和控制；身部前后分别安装头部与尾部；头部内以及身部上分别安装有前方与上方图像获取用全景鱼眼镜头，头部内还安装有高度获取用测高声纳以及深度获取用压力传感器；尾部内部设置有定位用GPS天线，由此可实时监测前方和上方的水域状况，实时测量自身距离海底的高度数据，以及前方障碍物情况等。本发明专利技术水下机器人还具有AHRS姿态航向参考系统，可实时感知自身姿态并实现姿态和航向的主动控制；本发明专利技术的优点为：采用仿海龟四鳍拍动推进的驱动方式，机动性好，噪声低，结构简单，实现容易。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种仿海龟四鳍拍动式自主水下机器人，属于水下机器人

技术介绍
随着陆地上资源的日益枯竭，海洋将成为了人类获取矿产、能源、食物等资源的来源。然而海洋资源的开发需要一系列技术和设备的支撑，水下机器人作为人类探索海洋的有力工具，能够在人类所无法到达的水下深度和广度上进行探测、识别和作业，因此水下机器人在海洋石油开发、矿藏调查、水下故障检测、打捞作业等领域具有广阔的应用前景。水下机器人的推进方式通常为螺旋桨式和仿生鳍式两种。螺旋桨推进是一项成熟的传统水下推进技术，因而应用最为普遍，但其推进效能的提高已经难以取得突破性进展，具有结构尺寸和重量大，对环境扰动大，噪音大，可靠性差，起动、加速性能差以及运动灵活性能差等缺点。螺旋桨推进器能源利用率低，而水下机器人由于受体积和承载能力的限制不可能承载太多的能源，只能短时间在水下停留，而且作业范围小，这就限制了它们的应用。这就使得科研工作者不得不寻找其它的驱动方式，以适应未来水下机器人技术发展要求。水下生物经过亿万年的自然选择进化出了非凡的水中运动能力，为了摄取食饵、逃避敌害、生殖繁衍和集群活动等生存需要，通过漫长的自然选择，它们逐渐具备了高效率、低能耗、低噪音和高机动的水中游动能力。水下生物游动能力远远高于人类现在的航海科技水平。可以说，为了适应环境和生存的需要水下生物已充分发展和完善了在水中运动的各种相应能力，其运动学参数已达到或接近最优组合。与传统螺旋桨推进器相比仿生拍动鳍水下推进器具有如下特点:(1)能源利用率高。初步试验表明采用仿生拍动鳍新型水下推进器比常规推进的效率提高30-100%。从长远角度看，仿生水下推进器可以大大节省能量，提高能源利用率，从而延长水下作业时间。(2)使流体性能更加完善。水下生物拍动鳍摆动产生的尾流具有推进作用，可使其产生更加理想的流体动力学性能。(3)提高水下运动装置的机动性能。采用仿生式水下推进器可提高水下运动装置的起动、加速和转向性能。(4)可降低噪音和保护环境。采用仿生式推进器运行期间的噪音比螺旋桨运行期间的噪音要低得多，不易被声纳发现或识别，有利于突防，具有重要的军事价值。(5)实现了推进装置与方向舵的统一，既能产生推力又能同时控制和改变推力方向及大小，可以使用较少的驱动单元产生更具多样性的推力。(6)可采用多种驱动方式。对于应用于船舶、游艇等方面的仿鱼鳍推进器可采用机械驱动，也可采用液压驱动和气压驱动，以及混合驱动方式；对于微小型水下运动装置，可采用形状记忆合金、人造合成肌肉以及压电陶瓷等多种驱动元件。综上所述，仿生鳍式推进具有众多螺旋桨式推进没有的优点。目前螺旋桨推进器与电机驱动系统难以分开，致使推进器功能单一，结构庞大，机构复杂。仿生鳍式推进器实现了推进装置与方向舵功能合二为一，可精简结构和系统，简化制造工艺，并降低成本和造价，具有重大的现实意义和实用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决传统螺旋桨效率低、噪声大、推力方向单一和机动性差等问题，提出一种高效推进、灵活机动和低噪声的仿海龟四鳍拍动推进式自主水下机器人。包括身部、头部、尾部、配重机构、鳍肢、拍动鳍、传感和挂载设备与控制系统；身部为筒状结构，前端与后端分别通过头部连接件与尾部连接件密封；头部连接件前端连接有头部；尾部连接件后端安装有尾部；传感和挂载设备包括全景鱼眼镜头A、全景鱼眼镜头B、测高声纳、光源与压力传感器；控制系统包括主控部分、导航部分以及电源，安装在身部内部。所述头部具有四个腔体，由前之后依次为第一腔、第二腔、第三腔与第四腔；第一腔、第二腔和第四腔均为密闭腔；而第三腔侧壁上开口 ；其中，第一腔前端面上安装有全景鱼眼镜头A，镜头朝向水下机器人前方；第二腔内安装有测高声纳，测高声纳的探测端伸出第二腔，朝向水下机器人下方；第四腔安装有压力传感器，压力传感器的探测端伸出第四腔，位于第三腔内；身部前方还安装有一个全景鱼眼镜头B，镜头方向向上；所述尾部内部设置GPS天线。上述身部两侧各安装有一套配重机构；所述配重机构由配重筒、配重块、丝杠轴承、丝杠、伺服电机A与电机罩构成；其中，配重筒前后两端分别通过电机罩与端盖密封；配重筒内部前端与后端均通过轴承座安装有丝杠轴承；配重筒内同轴设置有丝杠，丝杠上螺纹安装有配重块；丝杠的两端分别与配重筒内部两端的丝杠轴承轴接；丝杠前端与伺服电机A的输出轴固连,伺服电机A固定在电机罩内部,伺服电机A上具有一体化的配重驱动器。所述身部前端的头部连接件两侧，以及身部后端的尾部连接件两侧还分别安装有一个鳍肢，共四个；四个鳍肢结构相同，包括第一密封法兰段、第二密封法兰段、第三密封法兰段、伺服电机B、行星减速器与传动轴；第一密封法兰段、第二密封法兰段、第三密封法兰段同轴设置；第一密封法兰段内部用来安装伺服电机B，第一密封法兰段的固定端用于鳍肢与身部间的固定，连接端与第二密封法兰段的固定端相连；第二密封法兰段用来安装行星减速器，第二密封法兰段的连接端与第三密封法兰段的固定端相连；第三密封法兰段内部用于设置传动轴；上述伺服电机B的输出轴与行星减速器固连，行星减速器的输出轴与传动轴连接端相连，传动轴的自由端位于第三密封法兰段的自由端外部；上述各个鳍肢内部密封，各个鳍肢的传动轴的自由端上均安装有一个拍动鳍。所述控制系统均安装在身部内部，其中，主控部分包括控制板与四个鳍肢驱动器；控制板用来实现下述功能:控制板通过接受地面站发送的控制指令，控制传感和挂载设备中全景鱼眼镜头A、全景鱼眼镜头B工作，实现水下图像信息的获取，并由控制板对图像信息进行采集；控制板控制两个配重驱动器调节配重块在丝杠上位置，实现水下机器人的重心调节；控制板控制四个鳍肢驱动器分别驱动各个鳍肢内部伺服电机B工作，实现水下机器人拍动鳍的运动控制；控制板还对传感和挂载设备中的测高声纳获取的水下机器人距离海底的高度数据进行采集。所述导航部分用来测量水下机器人在X、1、Z三轴上的角速率、运动加速度与水下机器人在相对于地理坐标系中的运动航向；同时获取压力传感器测得的水压数据以及GPS天线接收到的GPS卫星信号，从而获取水下机器人的姿态、速度和位置信息，发送到控制板；所述控制板将接收到的图像信以及水下机器人的姿态、加速度、速度和位置信息连同测高声纳测得的高度信息、伺服电机A与伺服电机B的状态信息以及电源的电量信息，发送到地面控制站。所述电源用来为水下机器人的工作供电；电源的电量信息由控制板采集。本专利技术的优点在于:(I)本专利技术一种仿海龟四鳍拍动式自主水下机器人采用仿海龟四鳍拍动推进的驱动方式，可以灵活地控制推力方向，完成前进、后退、横滚、翻滚、偏航、原地转弯和换向、上浮、下潜、急停、定深悬停等运动模式，实现5个自由度的运动；机动性好，噪声低，结构简单，实现容易；(2)本专利技术一种仿海龟四鳍拍动式自主水下机器人具有AHRS姿态航向参考系统，能够自主感知自身的航向角、横滚角和侧翻角等姿态信息，并可通过控制系统对自身姿态进行自主纠正；(3)本专利技术一种仿海龟四鳍拍动式自主水下机器人搭载有高清晰度的全景鱼眼镜头，可对前方和上方180度视角进行全方位观测，同时机器人头部下方安装有测高声纳，可实时测量距离水底高度并对水底障碍进行侦测；(4)本专利技术一种仿海龟四鳍拍动式自主水下机器人具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿海龟四鳍拍动式自主水下机器人，其特征在于：包括机身、机头、机尾、配重机构、鳍肢、拍动鳍、挂载设备与控制系统；机身为筒状结构，前端与后端分别通过头部连接件与尾部连接件密封；头部连接件前端连接有机械头部；尾部连接件后端安装有机尾；挂载设备包括全景鱼眼镜头A、全景鱼眼镜头B、测高声纳、光源与压力传感器；控制系统包括主控部分、导航部分以及电源，安装在机身内部；所述机头具有四个腔体，由前之后依次为第一腔、第二腔、第三腔与第四腔；第一腔、第二腔和第四腔均为密闭腔；而第三腔侧壁上开口；其中，第一腔前端面上安装有全景鱼眼镜头A，镜头朝向水下机器人前方；第二腔内安装有测高声纳，测高声纳的探测端伸出第二腔，朝向水下机器人下方；第四腔安装有压力传感器，压力传感器的探测端伸出第四腔，位于第三腔内；机械身部前方还安装有一个全景鱼眼镜头B，镜头方向向上；所述机尾内部设置GPS天线；上述机身两侧各安装有一套配重机构；所述配重机构由配重筒、配重块、丝杠轴承、丝杠、伺服电机A与电机罩构成；其中，配重筒前后两端分别通过电机罩与端盖密封；配重筒内部前端与后端均通过轴承座安装有丝杠轴承；配重筒内同轴设置有丝杠，丝杠上螺纹安装有配重块；丝杠的两端分别与配重筒内部两端的丝杠轴承轴接；丝杠前端与伺服电机A的输出轴固连，伺服电机A固定在电机罩内部，伺服电机A上具有一体化的配重驱动器；所述机身前端的头部连接件两侧，以及机身后端的尾部连接件两侧还分别安装有一个鳍肢，共四个；四个鳍肢结构相同，包括第一密封法兰段、第二密封法兰段、第三密封法兰段、伺服电机B、行星减速器与传动轴；第一密封法兰段、第二密封法兰段、第三密封法兰段同轴设置；第一密封法兰段内部用来安装伺服电机B，第一密封法兰段的固定端用于鳍肢与机身间的固定，连接端与第二密封法兰段的固定端相连；第二密封法兰段用来安装行星减速器，第二密封法兰段的连接端与第三密封法兰段的固定端相连；第三密封法兰段内部用于设置传动轴；上述伺服电机B的输出轴与行星减速器固连，行星减速器的输出轴与传动轴连接端相连，传动轴的自由端位于第三密封法兰段的自由端外部；上述各个鳍肢内部密封，各个鳍肢的传动轴的自由端上均安装有一个拍动鳍；所述控制系统均安装在机身内部，其中，主控部分包括控制板与四个鳍肢驱动器；控制板用来实现下述功能：控制板通过接受地面站发送的控制指令，控制挂载设备中全景鱼眼镜 头A、全景鱼眼镜头B工作，实现水下图像信息的获取，并由控制板对图像信息进行采集；控制板控制两个配重驱动器调节配重块在丝杠上位置，实现水下机器人的重心调节；控制板控制四个鳍肢驱动器分别驱动各个鳍肢内部伺服电机B工作，实现水下机器人拍动鳍的运动控制；控制板还对挂载设备中的测高声纳获取的水下机器人距离海底的高度数据进行采集；所述导航部分用来测量水下机器人在x、y、z三轴上的角速率、运动加速度与水下机器人在相对于地理坐标系中的运动航向；同时获取压力传感器测得的水压数据以及GPS天线接收到的GPS卫星信号，从而获取水下机器人的姿态、速度和位置信息，发送到控制板；所述控制板将接收到的图像信以及水下机器人的姿态、加速度、速度和位置信息连同测高声纳测得的高度信息、伺服电机A与伺服电机B的状态信息以及电源的电量信息，发送到地面控制站；所述电源用来为水下机器人的工作供电；电源的电量信息由控制板采集。...

【技术特征摘要】
1.一种仿海龟四鳍拍动式自主水下机器人，其特征在于:包括机身、机头、机尾、配重机构、鳍肢、拍动鳍、挂载设备与控制系统；机身为筒状结构，前端与后端分别通过头部连接件与尾部连接件密封；头部连接件前端连接有机械头部；尾部连接件后端安装有机尾；挂载设备包括全景鱼眼镜头A、全景鱼眼镜头B、测高声纳、光源与压力传感器；控制系统包括主控部分、导航部分以及电源，安装在机身内部； 所述机头具有四个腔体，由前之后依次为第一腔、第二腔、第三腔与第四腔；第一腔、第二腔和第四腔均为密闭腔；而第三腔侧壁上开口 ；其中，第一腔前端面上安装有全景鱼眼镜头A，镜头朝向水下机器人前方；第二腔内安装有测高声纳，测高声纳的探测端伸出第二腔，朝向水下机器人下方；第四腔安装有压力传感器，压力传感器的探测端伸出第四腔，位于第三腔内；机械身部前方还安装有一个全景鱼眼镜头B，镜头方向向上；所述机尾内部设置GPS天线； 上述机身两侧各安装有一套配重机构；所述配重机构由配重筒、配重块、丝杠轴承、丝杠、伺服电机A与电机罩构成；其中，配重筒前后两端分别通过电机罩与端盖密封；配重筒内部前端与后端均通过轴承座安装有丝杠轴承；配重筒内同轴设置有丝杠，丝杠上螺纹安装有配重块；丝杠的两端分别与配重筒内部两端的丝杠轴承轴接；丝杠前端与伺服电机A的输出轴固连，伺服电机A固定在电机罩内部,伺服电机A上具有一体化的配重驱动器；所述机身前端的头部连接件两侧，以及机身后端的尾部连接件两侧还分别安装有一个鳍肢，共四个；四个鳍肢结构相同，包括第一密封法兰段、第二密封法兰段、第三密封法兰段、伺服电机B、行星减速器与传动轴；第一密封法兰段、第二密封法兰段、第三密封法兰段同轴设置；第一密封法兰段内部用来安装伺服电机B，第一密封法兰段的固定端用于鳍肢与机身间的固定，连接端与第二密封法兰段的固定端相连；第二密封法兰段用来安装行星减速器，第二密封法兰段的连接端与第三密封法兰段的固定端相连；第三密封法兰段内部用于设置传动轴；上述伺服电机B的输出轴与行星减速器固连，行星减速器的输出轴与传动轴连接端相连，传动轴的自由端位于第三密封法兰段的自由端外部；上述各个鳍肢内部密封，各个鳍肢的传动轴的自由端上均安装有一个拍动鳍； 所述控制系统均安装在机身内部，其中，主控部分包括控制板与四个鳍肢驱动器；控制板用来实现下述功能:控制板通过接受地面站发送的控制指令，控制挂载设备中全景鱼眼镜头A、全景鱼眼镜头B工作，实现水下图像信息的获取，并由控制板对图像信息进行采集；控制板控制两个配重驱动器调节配重块...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴海亮，梁建宏，杨兴帮，田伟程，王田苗，王中俣，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：