專利名稱：一種仿海龜四鰭拍動式自主水下機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種仿海龜四鰭拍動式自主水下機器人，屬于水下機器人技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著陸地上資源的日益枯竭，海洋將成為了人類獲取礦產(chǎn)、能源、食物等資源的來源。然而海洋資源的開發(fā)需要一系列技術(shù)和設(shè)備的支撐，水下機器人作為人類探索海洋的有力工具，能夠在人類所無法到達(dá)的水下深度和廣度上進(jìn)行探測、識別和作業(yè)，因此水下機器人在海洋石油開發(fā)、礦藏調(diào)查、水下故障檢測、打撈作業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。水下機器人的推進(jìn)方式通常為螺旋槳式和仿生鰭式兩種。螺旋槳推進(jìn)是一項成熟的傳統(tǒng)水下推進(jìn)技術(shù)，因而應(yīng)用最為普遍，但其推進(jìn)效能的提高已經(jīng)難以取得突破性進(jìn)展，具有結(jié)構(gòu)尺寸和重量大，對環(huán)境擾動大，噪音大，可靠性差，起動、加速性能差以及運動靈活性能差等缺點。螺旋槳推進(jìn)器能源利用率低，而水下機器人由于受體積和承載能力的限制不可能承載太多的能源，只能短時間在水下停留，而且作業(yè)范圍小，這就限制了它們的應(yīng)用。這就使得科研工作者不得不尋找其它的驅(qū)動方式，以適應(yīng)未來水下機器人技術(shù)發(fā)展要求。水下生物經(jīng)過億萬年的自然選擇進(jìn)化出了非凡的水中運動能力，為了攝取食餌、逃避敵害、生殖繁衍和集群活動等生存需要，通過漫長的自然選擇，它們逐漸具備了高效率、低能耗、低噪音和高機動的水中游動能力。水下生物游動能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人類現(xiàn)在的航?？萍妓?。可以說，為了適應(yīng)環(huán)境和生存的需要水下生物已充分發(fā)展和完善了在水中運動的各種相應(yīng)能力，其運動學(xué)參數(shù)已達(dá)到或接近最優(yōu)組合。與傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)器相比仿生拍動鰭水下推進(jìn)器具有如下特點:(1)能源利用率高。初步試驗表明采用仿生拍動鰭新型水下推進(jìn)器比常規(guī)推進(jìn)的效率提高30-100%。從長遠(yuǎn)角度看，仿生水下推進(jìn)器可以大大節(jié)省能量，提高能源利用率，從而延長水下作業(yè)時間。(2)使流體性能更加完善。水下生物拍動鰭擺動產(chǎn)生的尾流具有推進(jìn)作用，可使其產(chǎn)生更加理想的流體動力學(xué)性能。(3)提高水下運動裝置的機動性能。采用仿生式水下推進(jìn)器可提高水下運動裝置的起動、加速和轉(zhuǎn)向性能。
(4)可降低噪音和保護(hù)環(huán)境。采用仿生式推進(jìn)器運行期間的噪音比螺旋槳運行期間的噪音要低得多，不易被聲納發(fā)現(xiàn)或識別，有利于突防，具有重要的軍事價值。(5)實現(xiàn)了推進(jìn)裝置與方向舵的統(tǒng)一，既能產(chǎn)生推力又能同時控制和改變推力方向及大小，可以使用較少的驅(qū)動單元產(chǎn)生更具多樣性的推力。(6)可采用多種驅(qū)動方式。對于應(yīng)用于船舶、游艇等方面的仿魚鰭推進(jìn)器可采用機械驅(qū)動，也可采用液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動，以及混合驅(qū)動方式；對于微小型水下運動裝置，可采用形狀記憶合金、人造合成肌肉以及壓電陶瓷等多種驅(qū)動元件。綜上所述，仿生鰭式推進(jìn)具有眾多螺旋槳式推進(jìn)沒有的優(yōu)點。目前螺旋槳推進(jìn)器與電機驅(qū)動系統(tǒng)難以分開，致使推進(jìn)器功能單一，結(jié)構(gòu)龐大，機構(gòu)復(fù)雜。仿生鰭式推進(jìn)器實現(xiàn)了推進(jìn)裝置與方向舵功能合二為一，可精簡結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，簡化制造工藝，并降低成本和造價，具有重大的現(xiàn)實意義和實用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)螺旋槳效率低、噪聲大、推力方向單一和機動性差等問題，提出一種高效推進(jìn)、靈活機動和低噪聲的仿海龜四鰭拍動推進(jìn)式自主水下機器人。包括身部、頭部、尾部、配重機構(gòu)、鰭肢、拍動鰭、傳感和掛載設(shè)備與控制系統(tǒng)；身部為筒狀結(jié)構(gòu)，前端與后端分別通過頭部連接件與尾部連接件密封；頭部連接件前端連接有頭部；尾部連接件后端安裝有尾部；傳感和掛載設(shè)備包括全景魚眼鏡頭A、全景魚眼鏡頭B、測高聲納、光源與壓力傳感器；控制系統(tǒng)包括主控部分、導(dǎo)航部分以及電源，安裝在身部內(nèi)部。所述頭部具有四個腔體，由前之后依次為第一腔、第二腔、第三腔與第四腔；第一腔、第二腔和第四腔均為密閉腔；而第三腔側(cè)壁上開口 ；其中，第一腔前端面上安裝有全景魚眼鏡頭A，鏡頭朝向水下機器人前方；第二腔內(nèi)安裝有測高聲納，測高聲納的探測端伸出第二腔，朝向水下機器人下方；第四腔安裝有壓力傳感器，壓力傳感器的探測端伸出第四腔，位于第三腔內(nèi)；身部前方還安裝有一個全景魚眼鏡頭B，鏡頭方向向上；所述尾部內(nèi)部設(shè)置GPS天線。上述身部兩側(cè)各安裝有一套配重機構(gòu)；所述配重機構(gòu)由配重筒、配重塊、絲杠軸承、絲杠、伺服電機A與電機罩構(gòu)成；其中，配重筒前后兩端分別通過電機罩與端蓋密封；配重筒內(nèi)部前端與后端均通過軸承座安裝有絲杠軸承；配重筒內(nèi)同軸設(shè)置有絲杠，絲杠上螺紋安裝有配重塊；絲杠的兩端分別與配重筒內(nèi)部兩端的絲杠軸承軸接；絲杠前端與伺服電機A的輸出軸固連,伺服電機A固定在電機罩內(nèi)部,伺服電機A上具有一體化的配重驅(qū)動器。所述身部前端的頭部連接件兩側(cè)，以及身部后端的尾部連接件兩側(cè)還分別安裝有一個鰭肢，共四個；四個鰭肢結(jié)構(gòu)相同，包括第一密封法蘭段、第二密封法蘭段、第三密封法蘭段、伺服電機B、行星減速器與傳動軸；第一密封法蘭段、第二密封法蘭段、第三密封法蘭段同軸設(shè)置；第一密封法蘭段內(nèi)部用來安裝伺服電機B，第一密封法蘭段的固定端用于鰭肢與身部間的固定，連接端與第二密封法蘭段的固定端相連；第二密封法蘭段用來安裝行星減速器，第二密封法蘭段的連接端與第三密封法蘭段的固定端相連；第三密封法蘭段內(nèi)部用于設(shè)置傳動軸；上述伺服電機B的輸出軸與行星減速器固連，行星減速器的輸出軸與傳動軸連接端相連，傳動軸的自由端位于第三密封法蘭段的自由端外部；上述各個鰭肢內(nèi)部密封，各個鰭肢的傳動軸的自由端上均安裝有一個拍動鰭。所述控制系統(tǒng)均安裝在身部內(nèi)部，其中，主控部分包括控制板與四個鰭肢驅(qū)動器；控制板用來實現(xiàn)下述功能:控制板通過接受地面站發(fā)送的控制指令，控制傳感和掛載設(shè)備中全景魚眼鏡頭A、全景魚眼鏡頭B工作，實現(xiàn)水下圖像信息的獲取，并由控制板對圖像信息進(jìn)行采集；控制板控制兩個配重驅(qū)動器調(diào)節(jié)配重塊在絲杠上位置，實現(xiàn)水下機器人的重心調(diào)節(jié)；控制板控制四個鰭肢驅(qū)動器分別驅(qū)動各個鰭肢內(nèi)部伺服電機B工作，實現(xiàn)水下機器人拍動鰭的運動控制；控制板還對傳感和掛載設(shè)備中的測高聲納獲取的水下機器人距離海底的高度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。所述導(dǎo)航部分用來測量水下機器人在X、1、Z三軸上的角速率、運動加速度與水下機器人在相對于地理坐標(biāo)系中的運動航向；同時獲取壓力傳感器測得的水壓數(shù)據(jù)以及GPS天線接收到的GPS衛(wèi)星信號，從而獲取水下機器人的姿態(tài)、速度和位置信息，發(fā)送到控制板；
所述控制板將接收到的圖像信以及水下機器人的姿態(tài)、加速度、速度和位置信息連同測高聲納測得的高度信息、伺服電機A與伺服電機B的狀態(tài)信息以及電源的電量信息，發(fā)送到地面控制站。所述電源用來為水下機器人的工作供電；電源的電量信息由控制板采集。本發(fā)明的優(yōu)點在于:(I)本發(fā)明一種仿海龜四鰭拍動式自主水下機器人采用仿海龜四鰭拍動推進(jìn)的驅(qū)動方式，可以靈活地控制推力方向，完成前進(jìn)、后退、橫滾、翻滾、偏航、原地轉(zhuǎn)彎和換向、上浮、下潛、急停、定深懸停等運動模式，實現(xiàn)5個自由度的運動；機動性好，噪聲低，結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)容易；(2)本發(fā)明一種仿海龜四鰭拍動式自主水下機器人具有AHRS姿態(tài)航向參考系統(tǒng)，能夠自主感知自身的航向角、橫滾角和側(cè)翻角等姿態(tài)信息，并可通過控制系統(tǒng)對自身姿態(tài)進(jìn)行自主糾正；(3)本發(fā)明一種仿海龜四鰭拍動式自主水下機器人搭載有高清晰度的全景魚眼鏡頭，可對前方和上方180度視角進(jìn)行全方位觀測，同時機器人頭部下方安裝有測高聲納，可實時測量距離水底高度并對水底障礙進(jìn)行偵測；(4)本發(fā)明一種仿海龜四鰭拍動式自主水下機器人具有地面站實時監(jiān)測系統(tǒng)，可通過CAN總線通訊實時反饋圖像信息、深度信息、經(jīng)緯度信息、姿態(tài)信息、電源電量等數(shù)據(jù)，同時又可通過地面站發(fā)送指 令控制其運動速度和姿態(tài)以及潛深等，通過控制配重塊在絲杠上的位置控制整個水下機器人質(zhì)心的位置。


圖1為本發(fā)明水下機器人整體結(jié)構(gòu)立體示意圖；圖2為本發(fā)明水下機器人整體結(jié)構(gòu)俯視示意圖；圖3為本發(fā)明水下機器人整體結(jié)構(gòu)側(cè)視剖視圖；圖4為本發(fā)明水下機器人中配重機構(gòu)結(jié)構(gòu)側(cè)視剖視圖；圖5為本發(fā)明水下機器人中鰭肢結(jié)構(gòu)剖視圖；圖6為本發(fā)明水下機器人中控制系統(tǒng)的控制方式框圖。圖中:1-身部2-頭部3-尾部4-配重機構(gòu)5-鰭肢6-拍動鰭7-傳感和掛載設(shè)備 8-控制系統(tǒng)101-頭部連接件 102-尾部連接件 201-第一腔202-第二腔203-第三腔204-第四腔301~GPS天線40卜配重筒402-配重塊403-絲杠軸承404-絲杠405-伺服電機A價帷罩501-第一密規(guī)攔段吧第二密規(guī)攔段503-第三密規(guī)攔段504-伺服電機B505-行星.器 506—傳動軸507—霍爾傳.
508-永磁體701-全景魚眼鏡頭A 702-全景魚眼鏡頭B 703-測高聲納704-光源705-壓力傳感器 80卜主控部分802-導(dǎo)航部分803-電源
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明?！N仿海龜四鰭拍動式自主水下機器人，如圖1、圖2、圖3所示，包括身部1、頭部
2、尾部3、配重機構(gòu)4、鰭肢5、拍動鰭6、傳感和掛載設(shè)備7與控制系統(tǒng)8。身部I為筒狀結(jié)構(gòu)，前端與后端分別通過頭部連接件101與尾部連接件102密封；頭部連接件101前端連接有機械頭部；尾部連接件102后端安裝有尾部3。傳感和掛載設(shè)備7包括全景魚眼鏡頭A701、全景魚眼鏡頭B702、測高聲納703、光源704與壓力傳感器705，用于輔助水下機器人的運動以及探測。水下機器人通過控制系統(tǒng)8進(jìn)行控制與供電，控制系統(tǒng)包括主控部分801、導(dǎo)航部分802以及電源803。所述頭部2具有四個腔體，由前之后依次為第一腔201、第二腔202、第三腔203與第四腔204，如圖3所示，第一腔201、第二腔202和第四腔204均為密閉腔；而第三腔203側(cè)壁上開口，不密閉，可進(jìn)水。其中，第一腔201前端面上安裝有全景魚眼鏡頭A701，采用180度的廣角攝像機，鏡頭朝向水下機器人前方，用于觀察水下機器人前部的水體狀況。第二腔202內(nèi)安裝有測高聲納703，測高聲納703通過聲納支架固定在第二腔202內(nèi)部，測高聲納703的探測端伸出第二腔202，朝向水下機器人下方，通過測高聲納703可實時獲取水下機器人距離海底的高度數(shù)據(jù)，防止因水下機器人與海底距離過小發(fā)生觸底事故。第四腔204安裝有壓力傳感器705，壓力傳感器705的探測端伸出第四腔204，位于第三腔203內(nèi)，由于第三腔203可進(jìn)水，因此壓力傳感器705測量端通過測量水壓數(shù)據(jù)，從而得到水下機器人所在位置與海平面間的距離。身部I前方通過光源704支架安裝有兩個防水耐壓強光光源704，采用高功率的LED泛光燈，光照方向朝向水下機器人前方，用于在深海較暗的光線下為全景魚眼鏡頭A701照明。身部I前方還通過鏡頭支架安裝有一個全景魚眼鏡頭B702，同樣采用180度的廣角攝像機，鏡頭方向向上，用于實時獲取水下機器人上方的水體環(huán)境信息。所述尾部3為塑料材質(zhì)的殼體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置有外形尺寸為39.5mm*49.5mm*16mm的板狀GPS天線301 ；GPS天線301通過3M雙面膠貼粘附固定在尾部3內(nèi)設(shè)置的與橫斷面平行的擋板上。GPS天線301用來接收GPS衛(wèi)星信號，實現(xiàn)水下機器人在海洋環(huán)境中的自主定位。上述身部I兩側(cè)各安裝有一套配重機構(gòu)4，兩套配重機構(gòu)4相互對稱設(shè)置，通過配重機構(gòu)4輔助水下機器人重心的調(diào)節(jié)。所述配重機構(gòu)4由配重筒401、配重塊402、絲杠軸承403、絲杠404、伺服電機A405與電機罩406構(gòu)成。如圖4所示，其中，配重筒401前后兩端分別通過電機罩與端蓋密封；配重筒401內(nèi)部前端與后端均通過軸承座安裝有絲杠軸承403 ;配重筒401內(nèi)同軸設(shè)置有絲杠404，絲杠404上螺紋安裝有配重塊402 ;絲杠404的兩端分別通過過盈配合與配重筒401內(nèi)部兩端的絲杠軸承403軸接。絲杠404前端與伺服電機A405的輸出軸固連,伺服電機A405通過電機支架固定在電機罩406內(nèi)部,伺服電機A405上具有一體化的配重驅(qū)動器；通過伺服電機A405輸出軸的轉(zhuǎn)動帶動絲杠404轉(zhuǎn)動，由此使配重塊402在絲杠404上前后移動，實現(xiàn)配重塊402的在絲杠上的位置調(diào)節(jié)，從而達(dá)到改變水下機器人的配平狀態(tài)的目的。上述配重機構(gòu)4通過在身部I兩端頭部連接件101與尾部連接件102上安裝的夾持件固定在身部I兩側(cè)。所述身部I前端的頭部連接件101兩側(cè)，以及身部I后端的尾部連接件102兩側(cè)還分別安裝有一個鰭肢5，共四個。四個鰭肢5結(jié)構(gòu)相同，包括第一密封法蘭段501、第二密封法蘭段502、第三密封法蘭段503、伺服電機B504、行星減速器505與傳動軸506，如圖5所示，第一密封法蘭段501、第二密封法蘭段502、第三密封法蘭段503同軸設(shè)置；第一密封法蘭段501內(nèi)部用來安裝伺服電機B504，第一密封法蘭段501的固定端用于鰭肢5與身部I間的固定，連接端與第二密封法蘭段502的固定端相連；第二密封法蘭段502用來安裝行星減速器505，第二密封法蘭段502的連接端與第三密封法蘭段503的固定端相連；第三密封法蘭段503內(nèi)部用于設(shè)置傳動軸506 ;上述伺服電機B504為空心杯直流有刷伺服電機，伺服電機B504的輸出軸與行星減速器505固連，行星減速器505的輸出軸與傳動軸506連接端相連,傳動軸506的自由端位于第三密封法蘭段503的自由端外部，用于連接拍動鰭6 ；由此通過40:1減速比的行星減速器505可將伺服電機B504的運動傳遞到傳動軸506上。傳動軸506上套接有深溝球軸承，深溝球軸承與第三密封法蘭段503固連，通過深溝球軸承可保證第一密封法蘭段501、第二密封法蘭段502、第三密封法蘭段503軸線與傳動軸506的截面的同心度；且第三密封法蘭段503內(nèi)部的自由端與連接端處分別設(shè)置有機械密封動環(huán)與機械密封靜環(huán)，實現(xiàn)對整個鰭肢5的機械密封；第三密封法蘭段503中部外壁上安裝有油脂噴嘴，通過黃油噴嘴向第三密封法蘭段503內(nèi)部注入油液，進(jìn)一步加強了鰭肢5的密封效果。上述各個鰭肢5的傳動軸506的自由端上均安裝有拍打鰭6，拍打鰭6均采用模塊化的結(jié)構(gòu)，即每個拍打鰭6由所在鰭肢5上的伺服電機B504獨立驅(qū)動和控制。拍打鰭6的剖面采用NACA0012對稱翼型，弦長為150mm，翼面與弦的距離可通過NACA0012翼型數(shù)據(jù)計算獲得。每個鰭肢5均通過所連接的傳動軸506驅(qū)動，以傳動軸506為軸進(jìn)行圓周運動，由此通過四個鰭肢5的圓周運動，可靈活地控制水下機器人推力方向。為了便于實現(xiàn)整個水下機器人的轉(zhuǎn)彎運動，與頭部連接件101相連的兩個鰭肢5向前傾斜安裝，與尾部連接件102相連的兩個鰭肢5向后傾斜安裝，且四個鰭肢5軸線與身部I的軸線夾角α相等，α為80° 85° ;本發(fā)明中α優(yōu)選為82.5°。如圖6所示，所述控制系統(tǒng)8中，主控部分801包括控制板801a與四個鰭肢驅(qū)動器801b ;控制板801a安裝在尾部3內(nèi)，通過臍帶纜與地面站相連；控制板801a還與傳感和掛載設(shè)備7、導(dǎo)航部分802、四個鰭肢驅(qū)動器801b以及配重機構(gòu)4中兩個配重驅(qū)動器通過連接線相連。其中，四個鰭肢驅(qū)動器801b兩兩為一組，分別安裝在身部I內(nèi)前方與后方的設(shè)備艙中；位于身部I內(nèi)前方的兩個鰭肢驅(qū)動器801b分別與頭部連接件101上安裝的兩個鰭肢5內(nèi)部伺服電機B504相連；位于身部I內(nèi)后方的兩個鰭肢驅(qū)動器801b分別與尾部連接件102上安裝的兩個鰭肢5內(nèi)部伺服電機B504相連。通過上述連接，控制板801a實現(xiàn)下述功能:控制板801a通過接受地面站發(fā)送的控制指令，控制傳感和掛載設(shè)備7中全景魚眼鏡頭A701、全景魚眼鏡頭B702工作，實現(xiàn)水下圖像信息的獲取，并由控制板801a對圖像信息進(jìn)行采集；控制板801a控制兩個配重驅(qū)動器調(diào)節(jié)配重塊402在絲杠404上位置，實現(xiàn)水下機器人的重心調(diào)節(jié)；控制板801a控制四個鰭肢驅(qū)動器801b分別驅(qū)動各個鰭肢5內(nèi)部伺服電機B504工作，實現(xiàn)水下機器人拍動鰭6的運動控制?？刂瓢?01a還對傳感和掛載設(shè)備7中的測高聲納703獲取的距離數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。所述導(dǎo)航部分802安裝在尾部3內(nèi)，為AHRS姿態(tài)航向參考系統(tǒng)，是一個多傳感器的集成體，包括三軸陀螺儀、三軸加速度傳感器、磁強計及嵌入式的姿態(tài)數(shù)據(jù)解算單元。其中，三軸陀螺儀用來實時測量水下機器人在X、1、Z三軸上的角速率；三軸加速度傳感器用來實時測量水下機器人x、y、z三個方向的運動加速度；磁強計用來測量水下機器人在相對于地理坐標(biāo)系中的運動航向；姿態(tài)數(shù)據(jù)解算單元獲取上述水下機器人在x、y、z三軸上的角速率、運動加速度、運動航向，且同時獲取壓力傳感器705測得的水壓數(shù)據(jù)以及GPS天線301接收到的GPS衛(wèi)星信號,通過擴展卡爾曼濾波算法EKF (Extended Kalman Filter)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合計算，最終得到水下機器人的姿態(tài)、速度和位置信息，發(fā)送到控制板801a。所述電源803為水下機器人重量和體積最大的組成部分，由至少20只電壓為24V、總?cè)萘繛?0Ah的磷酸鐵鋰電池構(gòu)成，與控制板801a相連，用來為水下機器人的工作供電，可保證本發(fā)明水下機器人續(xù)航時間達(dá)到10小時以上，電源803的電量信息由控制板801a米集。所述控制板801a將接收到的圖像信息通過臍帶纜中阻抗75歐姆視頻同軸電纜發(fā)送到地面站，同時還將接收到的姿態(tài)、加速度、速度和位置信息連同測高聲納703測得的距離數(shù)據(jù)、伺服電機A405與伺服電機B504的狀態(tài)信息以及電源803的電量信息，通過臍帶纜中的CAN總線發(fā)送到地面控制站；由此實現(xiàn)機器人拍動步態(tài)，用電狀況，工作狀況的監(jiān)控。由于本發(fā)明水下機器人的工作需要整體結(jié)構(gòu)密封，因此本發(fā)明中各部分間的走線方式為:在頭部連接件101與尾部連接件102內(nèi)分別開有頭部通道與尾部通道；測高聲納703的接線端通過防水接頭A和走線管件與頭部中第四腔204連通；全景魚眼鏡頭A701的接線端通過頭部2側(cè)壁上的走線通道與頭部通道連通；全景魚眼鏡頭B702的接線端通過防水接頭B與身部連通；電機罩406通過防水接頭C頭部連接件101前端的防水接頭D相連通。由此，控制板801a與壓力傳感器705間依次通過尾部通道、身部與頭部通道實現(xiàn)走線；控制板801a與測高聲納703間依次通過尾部通道、身部1、頭部通道、防水接頭A實現(xiàn)走線；控制板801a與全景魚眼鏡頭A701間依次通過尾部通道、身部1、頭部通道、頭部2側(cè)壁上的走線通道實現(xiàn)走線；控制板801a與全景魚眼鏡頭B702間依次通過尾部通道、身部1、防水接頭B實現(xiàn)走線；控制板與四個鰭肢驅(qū)動器801b通過尾部通道實現(xiàn)走線；四個鰭肢驅(qū)動器801b與對應(yīng)的四個鰭肢5中伺服電機B504間的走線由鰭肢5內(nèi)部通道實現(xiàn)；而兩個配重驅(qū)動器與兩個配重機構(gòu)4中的伺服電機A405集成為一體，通過其內(nèi)部走線通道實現(xiàn)，兩個配重驅(qū)動器與控制板801a之間的走線依次通過以上所述電機罩406與頭部連接件101之間的走線通道、頭部通道、身部1、尾部通道實現(xiàn)本發(fā)明水下機器人各個鰭肢5中，在第二密封法蘭段502內(nèi)部連接端處粘接有霍爾傳感器，傳動軸506上吸附有一 5*5*5mm的強磁性永磁體(磁鐵塊)，永磁體可隨傳動軸506 一起轉(zhuǎn)動；當(dāng)各個鰭肢5中的霍爾傳感器探測到永磁體所在位置時，各個拍動鰭6均處于水平狀態(tài)，此時，水下機器人處于初始狀態(tài)；從而實現(xiàn)各個拍動鰭6的初始狀態(tài)定位。當(dāng)整個仿生海龜系統(tǒng)上電時，四個鰭肢5會自動旋轉(zhuǎn)一周，當(dāng)傳動軸506的旋轉(zhuǎn)位置正好使霍爾傳感器與永磁體相對時，霍爾傳感器產(chǎn)生一較大的輸出電流，傳給控制板記錄下來此時傳動軸506的轉(zhuǎn)動位置，隨后控制板801a發(fā)出指令通過伺服電機B504控制將霍爾傳感器和永磁體對齊,此時位置恰好使每個拍打鰭6與身體平面相平行，完成拍打鰭6位置的初始化。所述霍爾傳感器與控制板801a間依次通過所在鰭肢5內(nèi)部、防水接頭D實現(xiàn)走線。本發(fā)明水下機器人在進(jìn)行自主定位時，首先觸發(fā)GPS天線301工作，隨后控制四個拍動鰭6拍動，使整個水下機器人上??；當(dāng)?shù)竭_(dá)距海平面2m深度時，控制配重伺服電機驅(qū)動絲杠404使配重塊402向身部I前部移動，使水下機器人重心前移，通過控制四個拍動鰭6間配合拍動，調(diào)整整個水下機器人的姿態(tài)，使尾部朝上倒立豎直浮出水面，且保持豎立狀態(tài)；由于尾部3外殼為塑料材料，因此不會屏蔽GPS天線301接收GPS衛(wèi)星信號，由此通過導(dǎo)航部分802獲取此時水下機器人的經(jīng)緯度信息，實現(xiàn)自身在海洋環(huán)境中的自主定位。定位完成后，通過控制四個拍動鰭6間配合拍動，將水下機器人調(diào)整到游動姿態(tài)下潛到水里繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。
權(quán)利要求
1.一種仿海龜四鰭拍動式自主水下機器人，其特征在于:包括機身、機頭、機尾、配重機構(gòu)、鰭肢、拍動鰭、掛載設(shè)備與控制系統(tǒng)；機身為筒狀結(jié)構(gòu)，前端與后端分別通過頭部連接件與尾部連接件密封；頭部連接件前端連接有機械頭部；尾部連接件后端安裝有機尾；掛載設(shè)備包括全景魚眼鏡頭A、全景魚眼鏡頭B、測高聲納、光源與壓力傳感器；控制系統(tǒng)包括主控部分、導(dǎo)航部分以及電源，安裝在機身內(nèi)部； 所述機頭具有四個腔體，由前之后依次為第一腔、第二腔、第三腔與第四腔；第一腔、第二腔和第四腔均為密閉腔；而第三腔側(cè)壁上開口 ；其中，第一腔前端面上安裝有全景魚眼鏡頭A，鏡頭朝向水下機器人前方；第二腔內(nèi)安裝有測高聲納，測高聲納的探測端伸出第二腔，朝向水下機器人下方；第四腔安裝有壓力傳感器，壓力傳感器的探測端伸出第四腔，位于第三腔內(nèi)；機械身部前方還安裝有一個全景魚眼鏡頭B，鏡頭方向向上；所述機尾內(nèi)部設(shè)置GPS天線； 上述機身兩側(cè)各安裝有一套配重機構(gòu)；所述配重機構(gòu)由配重筒、配重塊、絲杠軸承、絲杠、伺服電機A與電機罩構(gòu)成；其中，配重筒前后兩端分別通過電機罩與端蓋密封；配重筒內(nèi)部前端與后端均通過軸承座安裝有絲杠軸承；配重筒內(nèi)同軸設(shè)置有絲杠，絲杠上螺紋安裝有配重塊；絲杠的兩端分別與配重筒內(nèi)部兩端的絲杠軸承軸接；絲杠前端與伺服電機A的輸出軸固連，伺服電機A固定在電機罩內(nèi)部,伺服電機A上具有一體化的配重驅(qū)動器；所述機身前端的頭部連接件兩側(cè)，以及機身后端的尾部連接件兩側(cè)還分別安裝有一個鰭肢，共四個；四個鰭肢結(jié)構(gòu)相同，包括第一密封法蘭段、第二密封法蘭段、第三密封法蘭段、伺服電機B、行星減速器與傳動軸；第一密封法蘭段、第二密封法蘭段、第三密封法蘭段同軸設(shè)置；第一密封法蘭段內(nèi)部用來安裝伺服電機B，第一密封法蘭段的固定端用于鰭肢與機身間的固定，連接端與第二密封法蘭段的固定端相連；第二密封法蘭段用來安裝行星減速器，第二密封法蘭段的連接端與第三密封法蘭段的固定端相連；第三密封法蘭段內(nèi)部用于設(shè)置傳動軸；上述伺服電機B的輸出軸與行星減速器固連，行星減速器的輸出軸與傳動軸連接端相連，傳動軸的自由端位于第三密封法蘭段的自由端外部；上述各個鰭肢內(nèi)部密封，各個鰭肢的傳動軸的自由端上均安裝有一個拍動鰭； 所述控制系統(tǒng)均安裝在機身內(nèi)部，其中，主控部分包括控制板與四個鰭肢驅(qū)動器；控制板用來實現(xiàn)下述功能:控制板通過接受地面站發(fā)送的控制指令，控制掛載設(shè)備中全景魚眼鏡頭A、全景魚眼鏡頭B工作，實現(xiàn)水下圖像信息的獲取，并由控制板對圖像信息進(jìn)行采集；控制板控制兩個配重驅(qū)動器調(diào)節(jié)配重塊在絲杠上位置，實現(xiàn)水下機器人的重心調(diào)節(jié)；控制板控制四個鰭肢驅(qū)動器分別驅(qū)動各個鰭肢內(nèi)部伺服電機B工作，實現(xiàn)水下機器人拍動鰭的運動控制；控制板還對掛載設(shè)備中的測高聲納獲取的水下機器人距離海底的高度數(shù)據(jù)進(jìn)行米集； 所述導(dǎo)航部分用來測量水下機器人在X、y， z三軸上的角速率、運動加速度與水下機器人在相對于地理坐標(biāo)系中的運動航向；同時獲取壓力傳感器測得的水壓數(shù)據(jù)以及GPS天線接收到的GPS衛(wèi)星信號，從而獲取水下機器人的姿態(tài)、速度和位置信息，發(fā)送到控制板；所述控制板將接收到的圖像信以及水下機器人的姿態(tài)、加速度、速度和位置信息連同測高聲納測得的高度信息、伺服電機A與伺服電機B的狀態(tài)信息以及電源的電量信息，發(fā)送到地面控制站； 所述電源用來為水下機器人的工作供電；電源的電量信息由控制板采集。
2.權(quán)利要求1所述一種仿海龜四鰭拍動式自主水下機器人，其特征在于:所述四個鰭肢中，在第二密封法蘭段內(nèi)部連接端處粘接有霍爾傳感器，傳動軸上吸附有永磁體；當(dāng)各個鰭肢中的霍爾傳感器探測到永磁體所在位置時，向控制板發(fā)送電流信號，此時各個拍動鰭均處于水平狀態(tài)。
3.按權(quán)利要求1所述一種仿海龜四鰭拍動式自主水下機器人，其特征在于:所述拍動鰭的剖面采用NACA0012對稱翼型，弦長為150mm，翼面與弦的距離通過NACA0012翼型數(shù)據(jù)計算獲得。
4.按權(quán)利要求1所述一種仿海龜四鰭拍動式自主水下機器人，其特征在于:所述四個鰭肢中，與頭部連接件相連的兩個鰭肢向前傾斜安裝，與尾部連接件相連的兩個鰭肢向后傾斜安裝，且四個鰭肢軸線與機身的軸線夾角α相等，α為80° 15°。
5.按權(quán)利要求4所述一種仿海龜四鰭拍動式自主水下機器人，其特征在于:所述α優(yōu)選為82.5°。
6.按權(quán)利要求1所述一種仿海龜四鰭拍動式自主水下機器人，其特征在于:所述四個鰭肢中的傳動軸上均套接有深溝球軸承，深溝球軸承與第三密封法蘭段固連。
7.按權(quán)利要求1所述一種仿海龜四鰭拍動式自主水下機器人，其特征在于:四個鰭肢中，第三密封法蘭段內(nèi)部的自由端與連接端處分別設(shè)置有機械密封動環(huán)與機械密封靜環(huán)，實現(xiàn)鰭肢內(nèi)部的密封。
8.按權(quán)利要求1所述一種仿海龜四鰭拍動式自主水下機器人，其特征在于:所述電源由至少20只電壓為24V、電量為20Ah的磷酸鐵鋰電池構(gòu)成。
9.按權(quán)利要求1所述一種仿海龜四鰭拍動式自主水下機器人，其特征在于:所述機身兩側(cè)的配重機構(gòu)相互對稱設(shè)置。
10.按權(quán)利要求1所述一種仿海龜四鰭拍動式自主水下機器人，其特征在于:所述機身前方安裝有兩個防水耐壓強光光源，光照方向朝向水下機器人前方。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種仿海龜四鰭拍動式自主水下機器人，包括身部、頭部與尾部；其中，身部前后兩側(cè)通過鰭肢連接有動鰭；每個拍動鰭獨立驅(qū)動和控制；身部前后分別安裝頭部與尾部；頭部內(nèi)以及身部上分別安裝有前方與上方圖像獲取用全景魚眼鏡頭，頭部內(nèi)還安裝有高度獲取用測高聲納以及深度獲取用壓力傳感器；尾部內(nèi)部設(shè)置有定位用GPS天線，由此可實時監(jiān)測前方和上方的水域狀況，實時測量自身距離海底的高度數(shù)據(jù)，以及前方障礙物情況等。本發(fā)明水下機器人還具有AHRS姿態(tài)航向參考系統(tǒng)，可實時感知自身姿態(tài)并實現(xiàn)姿態(tài)和航向的主動控制；本發(fā)明的優(yōu)點為采用仿海龜四鰭拍動推進(jìn)的驅(qū)動方式，機動性好，噪聲低，結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)容易。
文檔編號B63H1/36GK103085955SQ201310020130
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月18日
發(fā)明者吳海亮, 梁建宏, 楊興幫, 田偉程, 王田苗, 王中俁 申請人:北京航空航天大學(xué)