本實用新型涉及一種雙體探測水下機器人裝置，屬于探測水下機器人技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

由于河流海洋資源開發(fā)的需求以及對水文環(huán)境監(jiān)測的迫切需要，世界上很多國家正不斷發(fā)展更新水文監(jiān)測系統(tǒng)，越來越多高效經(jīng)濟的監(jiān)測方法和裝置逐漸被采用，水下機器人作為海洋環(huán)境探測和資源調(diào)查監(jiān)測的重要手段之一越來越受各國的重視。水下機器人是一種便攜且自身能作為水下測量傳感器的搭載平臺。使用水下機器人進(jìn)行監(jiān)測相對于其他傳統(tǒng)平臺優(yōu)勢明顯。水下機器人具有全天候、便攜、可在復(fù)雜水域中執(zhí)行任務(wù)的特點。正是這些特點決定了水下機器人是水文環(huán)境監(jiān)測的良好平臺之一。作為良好的水下測量傳感器的搭載平臺，需要水下機器人在復(fù)雜環(huán)境中，兼顧靈活性和穩(wěn)定性，以保證探測任務(wù)數(shù)據(jù)的真實性。

采用舵槳聯(lián)合操控的機器人在速度較高的情況下，能較迅速調(diào)整潛深，并且由于非螺旋槳調(diào)整潛深，相對采用垂向推進(jìn)器控制姿態(tài)的機器人效率更高、能耗更少，在高速時能保證姿態(tài)穩(wěn)定；采用多槳操控的機器人，在速度較低時，能夠迅速有效地調(diào)整姿態(tài)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)懸停、定速巡航等功能。相關(guān)實際經(jīng)驗表明，單獨采用這兩種布置方式的機器人在應(yīng)用中有著明顯的不足：采用舵槳聯(lián)合操控的水下機器人在低速時很難實現(xiàn)姿態(tài)精確控制，實現(xiàn)機動響應(yīng)時間較長，對于探測數(shù)據(jù)的影響很大；采用多槳操控的水下機器人，在機器人相對水流速度逐漸增大時，垂向推進(jìn)器的效率迅速降低，對于姿態(tài)控制作用微小，在流速較大的情況下很難迅速的實現(xiàn)機動和保持深度航行，甚至不能完成下潛上浮等動作。現(xiàn)有的機器人艙內(nèi)空間有限，搭載的設(shè)備和電池數(shù)量受限，難以滿足不同的任務(wù)需要，同時續(xù)航力也因電池數(shù)量少不能得到提升。

結(jié)合現(xiàn)有方案的優(yōu)點并針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提出一種雙體探測水下機器人，能夠在水下復(fù)雜環(huán)境下，保持姿態(tài)和機動靈活性的能力，具備搭載不同探測設(shè)備的能力，同時滿足長距離，長時間的探測任務(wù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是為了河流勘察，監(jiān)測提供一個便攜、可靠、智能、模塊化的平臺而提供一種雙體探測水下機器人裝置。

本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的：一種雙體探測水下機器人裝置，機器人主體是由中間翼形體和對稱設(shè)置在中間翼形體兩側(cè)的兩個流線型艇體組成雙體結(jié)構(gòu)，在中間翼形體的尾端設(shè)置有升降舵，中間翼形體內(nèi)設(shè)置有核心控制艙和前后布置的兩個垂向推進(jìn)器艙，每個垂向推進(jìn)器艙內(nèi)設(shè)置有垂向推進(jìn)器，每個流線型艇體尾部的側(cè)面設(shè)置有穩(wěn)定翼，每個流線型艇體尾部上均設(shè)置有翼型垂直翼，每個流線型艇體的尾端設(shè)置有主推推進(jìn)器，兩個流線型艇體內(nèi)還設(shè)置有電池艙和探測設(shè)備艙，核心控制艙內(nèi)設(shè)置有控制計算機、任務(wù)規(guī)劃計算機、姿態(tài)傳感器、應(yīng)急拋載控制板，所述機器人主體上還設(shè)置有壁碰聲吶。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是：本實用新型由于艇體采用雙主推雙垂推加升降舵設(shè)計，推進(jìn)控制方式靈活，具有自出決策采取不同推進(jìn)控制方式的能力，適應(yīng)性強，與槳舵控制的機器人相比，具有能夠迅速調(diào)整姿態(tài)，具有快速上浮下潛的能力。通過四個推進(jìn)器的正反轉(zhuǎn)，能在復(fù)雜水流下保持姿態(tài)穩(wěn)定，實現(xiàn)定速續(xù)航，姿態(tài)保持，懸停監(jiān)測等功能，保證了整個機器人使用的穩(wěn)定性和靈活性。整個機器人模塊化設(shè)計，設(shè)備搭載艙預(yù)留統(tǒng)一接口，可根據(jù)任務(wù)不同的需求搭載不同的設(shè)備，例如ADCP，多波束聲吶等，同時也便于更換和維修設(shè)備，具有擴展性高，性能可靠，維修改裝成本小的特點。本實用新型由于采用雙體設(shè)計，擁有寬大的艇身和充裕的內(nèi)部空間，相比同長度的水下機器人，可以搭載更多的設(shè)備和電池，具有較好的擴展性和持久的續(xù)航性。兩組推進(jìn)器橫向距離得到提升，推進(jìn)器以差速運轉(zhuǎn)時，能夠產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)艏力矩。機動性更強，寬大的艇身能保持在水中的穩(wěn)定性，給搭載的探測設(shè)備提供一個穩(wěn)定的平臺。

附圖說明

圖1是本實用新型的具體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實用新型的俯視圖；

圖4是本實用新型的側(cè)視圖；

圖5是本實用新型的正視圖；

圖6是本實用新型的水下機器人靜止?fàn)顟B(tài)浮態(tài)示意圖；

圖7是本實用新型的水下機器人操舵運動示意圖；

圖8是本實用新型的水下機器人低速下姿態(tài)調(diào)整(含懸停)示意圖；

圖9是本實用新型的水下機器人下潛示意圖；

圖10是本實用新型的水下機器人轉(zhuǎn)首示意圖；

圖11是本實用新型的水下機器人操控系統(tǒng)轉(zhuǎn)換決策圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與具體實施方式對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如附圖1所示，本實用新型由探測設(shè)備艙1、主體2、避碰聲吶3、電池艙4、穩(wěn)定翼5、翼型垂直翼6、主推7、升降舵8、核心控制艙9、垂向推進(jìn)器10組成。所述的探測設(shè)備艙1 采用模塊化設(shè)計，可以滿足不同的探測設(shè)備的安裝，且艙內(nèi)留有統(tǒng)一尺寸的水密插頭，設(shè)備可以快速的與機器人連接，具有模塊化和通用性的特點，也即所述的探測設(shè)備艙1可根據(jù)不同的任務(wù)需要安裝所需的探測設(shè)備，具有模塊化和通用性。本實用新型的水下機器人采用雙體設(shè)計，前后兩個垂推、左右兩個主推的推進(jìn)器布置方式，兩個雙體之間通過翼形艙段連接；采用保形天線，將北斗通訊定位，無線電，WiFi等模塊集成在翼形天線中，以減少艇體附體數(shù)量，從而減小因附體產(chǎn)生的阻力。

本實用新型的機器人的主體2采用左右雙體流線型艇體設(shè)計以減少水下的阻力，主體內(nèi)設(shè)置有電池艙4和探測設(shè)備艙1；中間為翼型體，體內(nèi)設(shè)置有控制艙9、探測設(shè)備艙1及兩個垂向推進(jìn)器艙10，后部設(shè)置有一個升降舵8；所述的主體艙通過焊接固聯(lián)為一體。

本實用新型的保形天線將無線電、GPS/北斗、WiFi等天線集成在翼型垂直翼6中。該設(shè)計能在保證機器人正常通訊的同時有效的減少水下機器人附體數(shù)量，并保持艇體流線型完整性，減少由于附體產(chǎn)生的阻力的影響。

本實用新型的升降舵8在翼型中體后部中央，控制機器人在相對流速較高的情況下上浮下潛和調(diào)整機器人姿態(tài)。艇體采用雙主推雙垂向推進(jìn)器(以下簡稱垂推)加升降舵的設(shè)計，可以保證機器人在復(fù)雜水流下良好的機動性，在相對流速較小時，使用雙垂推進(jìn)行姿態(tài)控制，在相對流速較大的情況下，使用升降舵進(jìn)行深度調(diào)節(jié)和姿態(tài)控制。

本實用新型的核心控制艙9內(nèi)安裝有基礎(chǔ)控制計算機、任務(wù)規(guī)劃計算機、姿態(tài)傳感器、應(yīng)急拋載控制板等控制設(shè)備和關(guān)鍵傳感器。姿態(tài)傳感器能夠?qū)崟r獲取當(dāng)前機器人的首向角，橫搖角、縱傾角及加速度，控制計算機根據(jù)姿態(tài)傳感器測得的數(shù)據(jù)，推算出當(dāng)前姿態(tài)和速度，與任務(wù)所需的目標(biāo)狀態(tài)對比，做出相應(yīng)決策。

本實用新型的兩個前后方向布置的垂向推進(jìn)器10，可控制機器人在相對流速較低時上浮下潛和調(diào)整機器人姿態(tài)。在相對流速較小時，兩個垂推工作。需要下潛時，控制計算機根據(jù)姿態(tài)傳感器得到的數(shù)據(jù)，結(jié)合任務(wù)需要，采用相應(yīng)策略，給兩個垂推分配對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生需要的縱傾(亦可保持零縱傾)，如圖8所示；調(diào)整姿態(tài)并產(chǎn)生向下的力，使其合力向下，進(jìn)行下潛，如附圖9所示。

所述的探測設(shè)備艙1、避碰聲吶3、電池艙4、核心控制艙9艙內(nèi)均有標(biāo)準(zhǔn)的水密接頭。該水密接頭內(nèi)含電源線和信號線，(網(wǎng)線、串口線等)，可以根據(jù)設(shè)備的不同選擇不同的水密接頭，快速地安裝和拆卸設(shè)備，可選RS232串口信號、CAN總線、RJ45網(wǎng)線等信號口。

本實用新型的水下機器人能在復(fù)雜水流下根據(jù)相對流速，做出智能決策，切換不同的操縱方式，從而保持姿態(tài)穩(wěn)定，實現(xiàn)定速續(xù)航，姿態(tài)保持，懸停監(jiān)測等功能。給搭載的探測設(shè)備提供一個可靠的平臺。

在使用時，將此機器人放置水中，此機器人浮力稍大于重力，靜止?fàn)顟B(tài)下是略浮于水面，如附圖6所示；

水下機器人需要前進(jìn)或者后退直線運動時，兩個主推同時正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，機器人內(nèi)部的姿態(tài)傳感器感知此時機器人的位姿，判斷是否按照直線運動，如果首向角與漂角不一致時，控制計算機采用相應(yīng)策略和算法，輸出給兩個主推不同的信號，輸出不同的轉(zhuǎn)速，實時修正姿態(tài)，以保證機器人的直線運動。

在進(jìn)行巡航時，由于水流相對艇體流速較大，垂直推進(jìn)器效率較差，通過操升降舵可以使機器人快速下潛。根據(jù)搭載的探測設(shè)備測得艇體相對流速后，按照一定算法，判斷出該流速下使用舵控制艇體姿態(tài)比使用垂推效率高后，關(guān)閉垂推，使用升降舵進(jìn)行姿態(tài)控制。如需改變機器人的潛深，如附圖7所示，操控升降舵，使機器人產(chǎn)生不同的縱傾，進(jìn)行下潛。到達(dá)下潛深度后，操一定舵角，以保持一定的姿態(tài)進(jìn)行工作。在巡航模式下，機器人采用升降舵調(diào)整潛深，在控制深度上消耗的能量很小，具有良好的續(xù)航力。

在進(jìn)行懸停監(jiān)測時，姿態(tài)傳感器獲取當(dāng)前機器人位姿數(shù)據(jù)，控制計算機解算出當(dāng)前狀態(tài)，與任務(wù)需要的姿態(tài)進(jìn)行對比，采用相應(yīng)策略，給四個推進(jìn)器分配不同的轉(zhuǎn)速，兩個主推控制機器人在縱向方向的位置和首向角，兩個垂推控制機器人在深度方向的位置和縱傾，產(chǎn)生不同的力，調(diào)整當(dāng)前姿態(tài)，如附圖8所示。在該模式下，能夠保證在復(fù)雜水流下探測設(shè)備測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和對某一區(qū)域的精確探測。

當(dāng)需要進(jìn)行機動動作時，控制計算機通過機器人自帶傳感器測得的數(shù)據(jù)，判斷出自身狀態(tài)，采用相應(yīng)策略，給兩個主推分配不同轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生差速以實現(xiàn)機動(此機器人在理想情況年可以實現(xiàn)原地180°轉(zhuǎn)向)，如附圖10所示。

當(dāng)垂推保持正常工作轉(zhuǎn)速工作，艇體相對流速V_r逐漸增大，機器人垂向方向推力F_v逐漸減小，當(dāng)減小到相對靜止?fàn)顟B(tài)下垂向推力F₀的20％，即F_v＝20％F₀,此時的相對流速則為臨界速度V_C。

在進(jìn)行定速定深航行時，由深度計和姿態(tài)傳感器獲得當(dāng)前的位姿和加速度信息，根據(jù)相應(yīng)算法，推算出當(dāng)前狀態(tài)和速度。如果機器人當(dāng)前深度和位姿需要調(diào)整，則計算機對當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行決策，若根據(jù)搭載設(shè)備信息判斷出當(dāng)前速度小于臨界速度V_C，則使用兩個垂推10進(jìn)行深度和姿態(tài)調(diào)整；若判斷出當(dāng)前速度大于臨界速度V_C，則通過改變升降舵8的角度進(jìn)行深度調(diào)整。決策流程如附圖11所示。

兩個雙體前部可搭載雙目識別設(shè)備或者兩個水聲測距設(shè)備，提高識別避障速度和成功率。兩個雙體和翼身具有較充裕的空間，可以搭載更多的電池和設(shè)備，具備良好的續(xù)航性和擴展性。獨特的雙體設(shè)計，擁有良好的穩(wěn)定性，在翼身中部可以搭載高精度傳感器，亦可減少由于艇身曲度變化產(chǎn)生水流變化而引起的數(shù)據(jù)失真的影響。