專利名稱：基于噴水推進(jìn)的微小球形水下潛器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種水下潛器。具體地說(shuō)是一種以形狀及驅(qū)動(dòng)方式為主要特 征的微小水下潛器。
(二)
背景技術(shù)：
科學(xué)發(fā)展至今，人們對(duì)陸地與太空的探索投入了巨大精力，并取得了長(zhǎng) 足的發(fā)展，而對(duì)和我們密切相關(guān)的海洋的理解與研究是相對(duì)薄弱的。
在廣闊的海洋空間里，蘊(yùn)藏著豐富的海洋生物資源、海洋礦產(chǎn)資源和海洋能 源，我們可以合理地開發(fā)利用；同時(shí)，地球生態(tài)環(huán)境日益惡化，我們也必須更好 地保護(hù)占地球面積巨大的海洋環(huán)境免受污染，高效地利用它們?cè)旄Ｈ祟悺?br> 人們對(duì)豐富的海洋資源探索與海洋環(huán)境保護(hù)的需要與渴望，必須借助強(qiáng)有力 的海洋探索工具，這樣就要發(fā)展海洋技術(shù)。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)就屬于正在蓬勃發(fā) 展中的海洋高技術(shù)領(lǐng)域。沿海國(guó)家都在積極發(fā)展現(xiàn)代海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)高技術(shù)，從空 中、水面、水下對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行立體監(jiān)測(cè)。進(jìn)入二十一世紀(jì)，世界很多發(fā)達(dá)國(guó)家 更是不斷強(qiáng)化或更新本國(guó)管轄海域的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及世界共有海域的海洋 環(huán)境和資源的調(diào)査監(jiān)測(cè)手段，而且不斷推出海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)高技術(shù)產(chǎn)品。發(fā)展海洋 環(huán)境監(jiān)測(cè)高技術(shù)對(duì)于保護(hù)海洋環(huán)境、開發(fā)海洋資源、維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益和主權(quán)利 益、增強(qiáng)國(guó)家海洋科學(xué)研究實(shí)力和發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)等諸多方面具有重大的意義。
伴隨著人類認(rèn)識(shí)海洋、開發(fā)海洋、利用海洋資源和保護(hù)海洋資源的進(jìn)程，水 下潛器的研究和發(fā)展將日趨活躍，自治水下潛器具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、活動(dòng)范圍大、 使用方便等諸多優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)今研究的熱門領(lǐng)域。
水下潛器是一種可在水下移動(dòng)、具有視覺和感知系統(tǒng)、通過遙控或自主操作 方式、使用機(jī)械或其他工具代替或輔助人去完成水下作業(yè)任務(wù)的裝置。它作為一 種高技術(shù)手段，在海洋開發(fā)和利用中扮演重要角色，其重要性不亞于宇宙火箭在 探索宇宙空間的作用。
水下潛器的構(gòu)造、動(dòng)作原理、使用目的多種多樣，原因是海洋調(diào)査的課題非 常多，而水下實(shí)施的作業(yè)也極富多樣性。水下潛器有很多不同的分類方法，按照在水下潛器和母船之間有無(wú)電纜可分為有纜水下潛器(Remote Operated Vehicle,簡(jiǎn)稱ROV)和無(wú)纜水下潛器(Autonomous Underwater Vehicle,簡(jiǎn)稱 AUV)。
有纜水下潛器是通過電纜由母船向水下潛器提供動(dòng)力和實(shí)施遙控，無(wú)纜水下 潛器則是自帶動(dòng)力，依靠自身的動(dòng)力航行。無(wú)纜水下潛器又稱自主水下潛器 (AUV)，它與有纜水下潛器相比具有安全(無(wú)人)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、 造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，而且AUV比ROV在水下的活動(dòng)范圍要大很多，能夠潛入更深的海 域，對(duì)復(fù)雜的海底地形有更強(qiáng)的適應(yīng)性，小體積的AUV可以較為自由的進(jìn)入復(fù)雜 的結(jié)構(gòu)物或小尺度的空間中，這是其他類型的機(jī)器人難以做到的。因此，世界各 國(guó)都在積極的進(jìn)行的水下潛器的研究。
未來(lái)的水下潛器將向著小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間的方向發(fā)展。 同時(shí)要提高水下潛器的自主能力、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力以及多個(gè)水下潛器之間的協(xié) 作能力，完成單個(gè)水下潛器很難或者不能完成的復(fù)雜任務(wù)。
目前的潛器設(shè)計(jì)基本都是以魚雷式的流線型為主，沒有檢索到關(guān)于球形設(shè)計(jì) 的水下潛器。從潛器的推進(jìn)方式來(lái)看，現(xiàn)在幾乎所有的水下潛器都是以螺旋槳推 進(jìn)作為主要?jiǎng)恿?，在北京理工大學(xué)申請(qǐng)的一項(xiàng)名稱為《一種水下機(jī)器人排水推進(jìn) 裝置》的專利文件中，涉及到了噴水推進(jìn)方式，但其排水推進(jìn)裝置是利用的類似 活塞排水的方式，因此其推進(jìn)效率較低。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種體積小、重量輕、功耗小，能夠在水下進(jìn)行上浮、 下潛、旋轉(zhuǎn)、前進(jìn)以及后退等運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，模塊化的設(shè)計(jì)利于安裝和調(diào)試的 基于噴水推進(jìn)的微小球形水下潛器。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
它包括外殼，設(shè)置與外殼中的驅(qū)動(dòng)與調(diào)節(jié)裝置；所述的外殼是球形密封外殼; 所述的驅(qū)動(dòng)與調(diào)節(jié)裝置的組成包括兩端通過固定支桿安裝在球形密封外殼內(nèi)的 密封艙，在密封艙內(nèi)安裝兩個(gè)噴水電機(jī)，噴水電機(jī)的進(jìn)水管、出水管穿過密封艙 和球形密封外殼，并且噴水電機(jī)的進(jìn)水管的直徑小于出水管的直徑，密封艙的兩 個(gè)對(duì)稱的側(cè)面安裝有電路板、另外兩個(gè)對(duì)稱的側(cè)面安裝有電池艙，密封艙每一端 的固定支桿上安裝有電機(jī)支架，電機(jī)支架上安裝有電機(jī)艙，電機(jī)艙內(nèi)安裝飛輪電機(jī)，飛輪安裝在飛輪電機(jī)軸上。 本發(fā)明還可以包括
1、 兩個(gè)電機(jī)的進(jìn)水口和出水口排列在相互垂直的兩條直徑方向上。
2、 噴水電機(jī)的進(jìn)水管與出水管的直徑比為1: 7-8。
3、 所述的球形密封外殼，由兩個(gè)半球形可組成，兩個(gè)半球形之間有密封結(jié)構(gòu)。
4、 電路板、電池艙的外面以及他們與密封艙之間均有密封防水結(jié)構(gòu)。 本發(fā)明具有這樣一些技術(shù)特點(diǎn)
1、 外殼采用球形設(shè)計(jì)，具有較高的靈活性和自由度，能夠自由的在水中運(yùn)動(dòng)。
2、 利用飛輪穩(wěn)定系統(tǒng)來(lái)保持球體的姿態(tài)；同時(shí)利用其慣性扭矩的差動(dòng)使球 體發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而調(diào)整球體的姿態(tài)，改變水下潛器的運(yùn)動(dòng)方向。
3、 采用電池組供電，具有低功耗的特點(diǎn)。
4、 噪聲小，具有更好的隱蔽性。
5、 各部件均采用模塊化的設(shè)計(jì)，利用螺紋進(jìn)行連接，利用橡膠密封圈和密 封環(huán)進(jìn)行防水處理。
本發(fā)明的球形密封外殼采用的不銹鋼材料，這樣可以防止水對(duì)球體的腐蝕， 延長(zhǎng)球殼的使用時(shí)間同時(shí)具有很好的強(qiáng)度。球殼分為上下兩個(gè)半球，采用電弧切 割的方式將一個(gè)完整的球殼切割成上下兩個(gè)半球。主要起到密封防水和作為內(nèi)部 部件安裝的支架作用。密封艙采用有機(jī)玻璃作為材料，能夠有效的防水，重量輕。 噴水電機(jī)為Honda直流噴水電機(jī)，利用PWM信號(hào)進(jìn)行調(diào)速來(lái)控制噴水的推力從而 控制水下潛器的運(yùn)動(dòng)速度和加速度。飛輪電機(jī)采用直流電機(jī)。每一個(gè)飛輪高速旋 轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的慣性能夠保持水下潛器的穩(wěn)定，同時(shí)利用兩個(gè)飛輪的轉(zhuǎn)速差形成的扭 矩差動(dòng)輸出可以使球體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)從而調(diào)整水下潛器在水中的姿態(tài)。通過改變球體 的姿態(tài)再配合噴水電機(jī)的工作，可以使水下潛器在水中做浮沉運(yùn)動(dòng)以及前進(jìn)后退 的運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明的有益效果有
1、本發(fā)明采用球形設(shè)計(jì)，相對(duì)于其他專利中的流線型設(shè)計(jì)，本潛器具有球 形所特有的高度的對(duì)稱性，因此使其在水中的運(yùn)動(dòng)具有較高的靈活性，適合與復(fù)雜的水下環(huán)境的作業(yè)。
2、 本發(fā)明采用全內(nèi)置的設(shè)計(jì)，相對(duì)于其他專利中的外置推進(jìn)器的設(shè)計(jì)，我 們的水下潛器的所有電路和部件均置于球形密封殼內(nèi)部，這樣不僅保證了球體外 形的完整性，同時(shí)能夠更加有效的保護(hù)各電路和部件，防止因進(jìn)水或碰撞而導(dǎo)致 的損壞，同時(shí)能夠最大可能的減小工作噪聲。
3、 本發(fā)明的采用的材料簡(jiǎn)單，體積小，成本低。部采用的對(duì)稱的模塊化結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)，使得加工和組裝非常方便。而目前其他的水下潛器基本都采用全金屬結(jié) 構(gòu)，不僅增加了加工成本而且增加了潛器的重量。
(四)


圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(不包含球形密封外殼)示意圖3為圖2的立體圖。
(五)
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述
結(jié)合圖1-圖3,在沿Z軸的直徑上、每個(gè)半球球殼上都開有4個(gè)直徑為4ram 的小孔，用于安裝固定支桿，密封艙4通過8根固定支桿5 (圖中只體現(xiàn)出了固 定支桿5-l、 5-2、 5-3、 5-4、 5-5、 5-6、 5-7)以螺紋連接的方式固定在球形密 封外殼l內(nèi)。固定支桿與密封艙4之間同樣是采用的螺紋連接的方式。球形密封 外殼1由兩個(gè)半球形組成，兩個(gè)半球形之間有密封結(jié)構(gòu)，此密封結(jié)構(gòu)與半球殼連 接處采用防水膠進(jìn)行密封。電機(jī)艙7-1和7-2分別用電機(jī)支架6以焊接的方式固 定于密封艙4之上，飛輪電機(jī)12-1和12-2分別被電機(jī)固定螺母8-1， 8-2， 8_3， 8-4等固定于電機(jī)艙內(nèi)且電機(jī)艙底部用硅膠密封。飛輪13-1和13-2通過螺紋分 別連接在飛輪電機(jī)12-1、 12-2的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上。噴水電機(jī)9-1和9-2利用硅膠固 定在密封艙4內(nèi)部，只有進(jìn)水口 11-1、 11-2與出水口 10-1、 10-2伸出到密封艙 4的外部且通過管道以防水膠密封的方式連接到球形密封外殼1表面。電路板 3-1、 3-2、 3-3、 3-4利用硅膠連接的方式對(duì)稱的安裝與密封艙左右兩側(cè)并且用 防水膠進(jìn)行了防水處理。電池艙2-l、 2-2、 2-3、 2-4同樣利用硅膠連接的方式 安裝在密封艙4的前后兩個(gè)側(cè)面并且同樣用防水膠進(jìn)行了防水處理。
在工作狀態(tài)下，四個(gè)進(jìn)出水管道所在的平面是處于垂直面的。兩個(gè)飛輪電機(jī)分別以給定的工作電壓7. 2V工作，由于兩個(gè)飛輪電機(jī)是在同一直徑上相對(duì)的安 裝，所以當(dāng)兩個(gè)飛輪電機(jī)均以順時(shí)針(或者逆時(shí)針)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩相 互抵消，這樣球體處于一種扭矩平衡狀態(tài)，利用飛輪高速選擇產(chǎn)生的慣性能夠使 其保持穩(wěn)定的姿態(tài)不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。在需要改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，首先停止噴水電機(jī)的 工作，然后通過Pmi信號(hào)改變兩個(gè)飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使兩個(gè)飛輪電機(jī)同時(shí)以順時(shí) 針(或逆時(shí)針)但是以不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣會(huì)產(chǎn)生一個(gè)差動(dòng)的扭矩，根據(jù)能量 守恒我們可以知道，整個(gè)球體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與差動(dòng)扭矩相反的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，從而是球 體沿相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是潛器姿態(tài)的調(diào)整。當(dāng)需要向某一方向做水平運(yùn)動(dòng)時(shí)， 讓兩個(gè)飛輪同時(shí)以順時(shí)針(或逆時(shí)針)轉(zhuǎn)動(dòng)，然后控制某一噴水電機(jī)向相反方向 噴水，潛器會(huì)在噴水推力的作用下向既定的方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)需要潛器上浮的時(shí)候， 首先停止噴水電機(jī)工作，再改變某一個(gè)飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩纬刹顒?dòng)扭矩，將某 一個(gè)噴水電機(jī)的出水口調(diào)整到垂直向下的位置，然后再一次讓兩個(gè)飛輪同轉(zhuǎn)速同 時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)以保持這一姿態(tài)，最后開啟出水口垂直向下的噴水電機(jī)，利用推力讓潛 器上浮。同樣的方法可以是潛器達(dá)到下潛的目的。對(duì)兩個(gè)噴水電機(jī)的控制是利用 PWM信號(hào)完成的，根據(jù)噴水電機(jī)的數(shù)學(xué)模型我們可以知道噴水電機(jī)輸出力與輸入 電壓之間的關(guān)系，通過控制噴水電機(jī)的輸入電壓可以改變其噴水的推力，然后再 根據(jù)球形水下潛器的數(shù)學(xué)模型可以控制潛器的運(yùn)動(dòng)速度和加速度。 本發(fā)明的技術(shù)指標(biāo)為球形的外殼采用不銹鋼材料，直徑為22cm;內(nèi)部密封艙 采用有機(jī)玻璃作為材料，其高度為20cm;噴水電機(jī)長(zhǎng)度為6cm，橫截面直接為 3cm，入水口直徑為1.4cm，出水口直徑為2mm，額定工作電壓為13V;飛輪電機(jī) 直徑為2.8cm，長(zhǎng)度為3.2cm，額定工作電壓為7.2V;飛輪的直徑為4cm;進(jìn)出 水管道采用塑料軟管為材料。整個(gè)潛器的重量為5.6kg。潛器的工作電壓范圍為 0 13V。
權(quán)利要求
1、一種基于噴水推進(jìn)的微小球形水下潛器，它包括外殼，設(shè)置與外殼中的驅(qū)動(dòng)與調(diào)節(jié)裝置；其特征是所述的外殼是球形密封外殼；所述的驅(qū)動(dòng)與調(diào)節(jié)裝置的組成包括兩端通過固定支桿安裝在球形密封外殼內(nèi)的密封艙，在密封艙內(nèi)安裝兩個(gè)噴水電機(jī)，噴水電機(jī)的進(jìn)水管、出水管穿過密封艙和球形密封外殼，并且噴水電機(jī)的進(jìn)水管的直徑小于出水管的直徑，密封艙的兩個(gè)對(duì)稱的側(cè)面安裝有電路板、另外兩個(gè)對(duì)稱的側(cè)面安裝有電池艙，密封艙每一端的固定支桿上安裝有電機(jī)支架，電機(jī)支架上安裝有電機(jī)艙，電機(jī)艙內(nèi)安裝飛輪電機(jī)，飛輪安裝在飛輪電機(jī)軸上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于噴水推進(jìn)的微小球形水下潛器，其特征是-兩個(gè)電機(jī)的進(jìn)水口和出水口排列在相互垂直的兩條直徑方向上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于噴水推進(jìn)的微小球形水下潛器，其特征 是噴水電機(jī)的進(jìn)水管與出水管的直徑比為1: 7-8。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于噴水推進(jìn)的微小球形水下潛器，其特征是所述的球形密封外殼，由兩個(gè)半球形可組成，兩個(gè)半球形之間有密封結(jié)構(gòu)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于噴水推進(jìn)的微小球形水下潛器，其特征是所述的球形密封外殼，由兩個(gè)半球形可組成，兩個(gè)半球形之間有密封結(jié)構(gòu)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于噴水推進(jìn)的微小球形水下潛器，其特征是電路板、電池艙的外面以及他們與密封艙之間均有密封防水結(jié)構(gòu)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于噴水推進(jìn)的微小球形水下潛器，其特征是電路板、電池艙的外面以及他們與密封艙之間均有密封防水結(jié)構(gòu)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于噴水推進(jìn)的微小球形水下潛器，其特征是電路板、電池艙的外面以及他們與密封艙之間均有密封防水結(jié)構(gòu)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于噴水推進(jìn)的微小球形水下潛器，其特征是電路板、電池艙的外面以及他們與密封艙之間均有密封防水結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于噴水推進(jìn)的微小球形水下潛器。它包括外殼，設(shè)置與外殼中的驅(qū)動(dòng)與調(diào)節(jié)裝置；所述的外殼是球形密封外殼；所述的驅(qū)動(dòng)與調(diào)節(jié)裝置的組成包括兩端通過固定支桿安裝在球形密封外殼內(nèi)的密封艙，在密封艙內(nèi)安裝兩個(gè)噴水電機(jī)，噴水電機(jī)的進(jìn)水管、出水管穿過密封艙和球形密封外殼，并且噴水電機(jī)的進(jìn)水管的直徑小于出水管的直徑，密封艙的兩個(gè)對(duì)稱的側(cè)面安裝有電路板、另外兩個(gè)對(duì)稱的側(cè)面安裝有電池艙，密封艙每一端的固定支桿上安裝有電機(jī)支架，電機(jī)支架上安裝有電機(jī)艙，電機(jī)艙內(nèi)安裝飛輪電機(jī)，飛輪安裝在飛輪電機(jī)軸上。本發(fā)明具有較高的靈活性，能夠最大可能的減小工作噪聲，材料簡(jiǎn)單，體積小，成本低。
文檔編號(hào)B63H11/02GK101318548SQ200810064849
公開日2008年12月10日 申請(qǐng)日期2008年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月3日
發(fā)明者葉秀芬, 林西川, 郭書祥 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)