本發(fā)明涉及一種便攜式流線型遙控水下機(jī)器人，屬于抗流航行和水下探測(cè)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

由于潛水員的作業(yè)的成本高、危險(xiǎn)性大、水溫低，所以水下機(jī)器人是水下勘探和開(kāi)發(fā)的重要工具。目前，大多數(shù)水下目標(biāo)的檢測(cè)、環(huán)境探測(cè)主要由遙控水下機(jī)器人ROV完成。但ROV多采用開(kāi)架式結(jié)構(gòu)，尤其中小型開(kāi)架式ROV的抗流性不強(qiáng)，難以滿足實(shí)際環(huán)境下的探壩、觀測(cè)目標(biāo)、水下勘探等工作需求?，F(xiàn)有的多模塊框架式水下探測(cè)機(jī)器人，其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可以通過(guò)主框架和副框架分別搭載前視聲納和多波束前視聲納。但為了提高框架式ROV的抗流性，其水平面方向推進(jìn)的螺旋槳應(yīng)采用矢量推進(jìn)的布置方式，主要通過(guò)推進(jìn)器的X型布置，提高側(cè)向推力和抗流能力，但由于螺旋槳之間的流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生相互干擾，X型布置方式將增加ROV的尺寸和重量，使其多模塊框架式水下探測(cè)機(jī)器人抗流性能力差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有框架式水下探測(cè)機(jī)器人回轉(zhuǎn)性能差、體積大及抗流性能力差的問(wèn)題而提供一種便攜式流線型遙控水下機(jī)器人。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：包括載體主框架、設(shè)置在載體主框架外的流線型外殼、設(shè)置在載體主框架內(nèi)的控制艙、設(shè)置在控制艙內(nèi)的航行控制單元和多通道電機(jī)控制板、水下環(huán)境感知與探測(cè)分系統(tǒng)、水下運(yùn)動(dòng)感知分系統(tǒng)、推進(jìn)與操縱分系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，所述流線型外殼由艏部、平行中體和艉部組成，推進(jìn)與操縱分系統(tǒng)包括位于流線型外殼艉部?jī)蓚?cè)的兩個(gè)主推推進(jìn)器、分別固定在控制艙前、后對(duì)應(yīng)的載體主框架上的兩個(gè)垂推推進(jìn)器、豎直安裝在流線型外殼艉部上方和下方的兩個(gè)垂推推進(jìn)器，水下環(huán)境感知與探測(cè)分系統(tǒng)包括設(shè)置在流線型外殼前端的水下廣角攝像機(jī)、設(shè)置在流線型外殼艏部?jī)?nèi)的前視聲納，且前視聲納固定在艏部所對(duì)應(yīng)的載體主框架上，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器固定在流線型外殼艉部對(duì)應(yīng)的載體主框架上，航行控制單元通過(guò)線纜與水面控制臺(tái)進(jìn)行通信。

本發(fā)明還包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征：

1.還包括兩個(gè)水平穩(wěn)定翼，且兩個(gè)水平穩(wěn)定翼對(duì)稱設(shè)置在流線型外殼的左、右兩側(cè)，并兩個(gè)水平穩(wěn)定翼均固定在艉部所對(duì)應(yīng)的載體主框架上。

2.水下運(yùn)動(dòng)感知分系統(tǒng)包括用于采集涌流信息的洋流傳感器、用于采集方位信息的磁羅經(jīng)、用于采集深度信息的深度計(jì)。

3.航行控制單元通過(guò)多通道電機(jī)控制板控制兩個(gè)主推推進(jìn)器和兩個(gè)垂推推進(jìn)器，航行控制單元通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)兩個(gè)垂直舵翼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，洋流傳感器、磁羅經(jīng)、深度計(jì)、前視聲納、內(nèi)置云臺(tái)的水下廣角攝像機(jī)所采集的信息均傳給航行控制單元。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過(guò)水面操控平臺(tái)的遙控下，能夠在洋流擾動(dòng)下實(shí)現(xiàn)抗流航行和水下探測(cè)作業(yè)，并把探測(cè)到的相關(guān)信息傳輸給水面操控平臺(tái)的顯示器上。本發(fā)明流線型外殼通過(guò)艏部、艉部不同弧度的半橢球體和中間段的平滑過(guò)渡實(shí)現(xiàn)流線型設(shè)計(jì)；并通過(guò)艉部的主推推進(jìn)器，垂直舵翼實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)艏，從而保證水下機(jī)器人抗流航行和探測(cè)。本發(fā)明所述的流線型外殼較大地減小了航行阻力，尤其減小了迎流航行的阻力，并提高了航行器的回轉(zhuǎn)性能、從而提高了航行器的環(huán)境適應(yīng)性和操控性。在迎流航行探測(cè)的過(guò)程中，本發(fā)明一方面通過(guò)航行控制系統(tǒng)控制推進(jìn)器與舵翼使水下機(jī)器人迎流航行，另一方面可通過(guò)云臺(tái)控制調(diào)整水下攝像機(jī)的轉(zhuǎn)角，自動(dòng)轉(zhuǎn)向和對(duì)正探測(cè)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)條件下的高效作業(yè)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖一；

圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖二；

圖3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖三；

圖4是本發(fā)明的控制原理圖；

圖5是本發(fā)明的洋流下的變深度探測(cè)航行的原理示意圖；

圖6是本發(fā)明的直航阻力表。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

實(shí)施例一：參見(jiàn)圖1至圖5本發(fā)明是一種流線型便攜式遙控水下機(jī)器人，它包括流線型外殼1、載體主框架2、控制艙3、航行控制單元4、水下環(huán)境感知與探測(cè)分系統(tǒng)5、水下運(yùn)動(dòng)感知分系統(tǒng)6、推進(jìn)與操縱分系統(tǒng)7、多通道電機(jī)控制板8和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器9；所述的流線型外殼1包裹在載體主框架2外部，控制艙3固定在載體主框架2的內(nèi)部，航行控制單元4和多通道電機(jī)控制板8位于控制艙3內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器9位于流線型外殼1內(nèi)，并固定在載體主框架2上，流線型外殼1分為三部分，從前至后依次為艏部、平行中體和艉部，艏部和艉部為曲率不同的半橢球體形外殼，平行中體為圓柱形外殼，推進(jìn)與操縱分系統(tǒng)7包括兩個(gè)主推推進(jìn)器7-1、兩個(gè)垂推推進(jìn)器7-2和兩個(gè)垂直舵翼7-3；兩個(gè)主推推進(jìn)器7-1分別位于流線型外殼1的艉部?jī)蓚?cè)，并固定在該艉部?jī)蓚?cè)所對(duì)應(yīng)的載體主框架2上，兩個(gè)垂推推進(jìn)器7-2位于流線型外殼1內(nèi)，并分別固定在控制艙3的前、后所對(duì)應(yīng)的載體主框架2上，兩個(gè)垂直舵翼7-3對(duì)稱設(shè)置在流線型外殼1的上方和下方，并且兩個(gè)垂直舵翼7-3通過(guò)連接件安裝在艉部所對(duì)應(yīng)的流線型外殼1上；水下環(huán)境感知與探測(cè)分系統(tǒng)5包括內(nèi)置云臺(tái)的水下廣角攝像機(jī)5-1和前視聲納5-2，內(nèi)置云臺(tái)的水下廣角攝像機(jī)5-1設(shè)置在流線型外殼1的前端，用于采集水下圖像，并將采集的水下圖像傳送至航行控制單元4，航行控制單元4還用于控制內(nèi)置云臺(tái)的水下廣角攝像機(jī)5-1的轉(zhuǎn)向；前視聲納5-2位于流線型外殼1內(nèi)，并固定在艏部所對(duì)應(yīng)的載體主框架2上，前視聲納5-2用于采集水下聲納，并將采集的水下聲納傳送至航行控制單元4；水下運(yùn)動(dòng)感知分系統(tǒng)6位于流線型外殼1內(nèi)，并固定在載體主框架2上，水下運(yùn)動(dòng)感知分系統(tǒng)6用于采集涌流信息、方位信息和深度信息，并將采集的采集涌流信息、方位信息和深度信息上傳至航行控制單元4；航行控制單元4通過(guò)線纜與水面控制臺(tái)進(jìn)行通信，航行控制單元4還通過(guò)多通道電機(jī)控制板8控制兩個(gè)主推推進(jìn)器7-1和兩個(gè)垂推推進(jìn)器7-2，航行控制單元4還通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器9對(duì)兩個(gè)垂直舵翼7-3進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

本發(fā)明設(shè)計(jì)具有流線型外殼結(jié)構(gòu)的ROV遙控水下機(jī)器人，較大地減小了航行阻力，尤其減小了迎流航行的阻力，并提高了航行器的回轉(zhuǎn)性能、從而提高了航行器的環(huán)境適應(yīng)性和操控性。在迎流航行探測(cè)的過(guò)程中，針對(duì)傳統(tǒng)框架式結(jié)構(gòu)側(cè)向抗流航行能力弱的缺點(diǎn)，本發(fā)明一方面通過(guò)航行控制單元控制推進(jìn)器與舵翼使ROV迎流航行，另一方面通過(guò)云臺(tái)控制調(diào)整水下攝像機(jī)的轉(zhuǎn)角，自動(dòng)轉(zhuǎn)向和對(duì)正探測(cè)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)條件下的高效作業(yè)。

流線型外殼1的內(nèi)部載體主框架2不僅對(duì)載體有支撐作用，還可以固定設(shè)備并搭載具備流線型外殼的副框架，副框架可攜帶多波束前視聲納、機(jī)械手等探測(cè)作業(yè)設(shè)備。

本發(fā)明所述的一種流線型便攜式遙控水下機(jī)器人包括推進(jìn)與操縱分系統(tǒng)、水下環(huán)境感知與探測(cè)分系統(tǒng)、水下運(yùn)動(dòng)感知分系統(tǒng)，且流線型便攜式遙控水下機(jī)器人與水面控制臺(tái)配合使用。其中水下環(huán)境感知與探測(cè)分系統(tǒng)通過(guò)嵌入式處理單元和臍帶纜將采集到的圖像信息傳遞到水面；水下運(yùn)動(dòng)感知分系統(tǒng)所采集到的洋流、艏向和深度信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和臍帶纜傳遞到水面控制臺(tái)；水面控制臺(tái)的定深定向抗流航行控制指令將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和臍帶纜向嵌入式處理單元發(fā)送控制指令從而實(shí)現(xiàn)水下控制和探測(cè)作業(yè)。

兩個(gè)主推推進(jìn)器7-1、兩個(gè)垂推推進(jìn)器7-2和兩個(gè)垂直舵翼7-3構(gòu)成推進(jìn)與操縱分系統(tǒng)。其中，4個(gè)推進(jìn)器由艙內(nèi)的航行控制單元通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接向多通道電機(jī)控制板8發(fā)送控制指令，多通道電機(jī)控制板8向相應(yīng)的推進(jìn)器電機(jī)發(fā)送PWM控制信號(hào)，通過(guò)水密線纜完成推進(jìn)器控制信號(hào)的傳送。兩個(gè)垂直舵翼7-3主要由航行控制單元4通過(guò)串口連接向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器9發(fā)送控制指令，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器9通過(guò)水密線纜完成對(duì)垂直舵翼控制信號(hào)的傳送。

水下環(huán)境感知與探測(cè)分系統(tǒng)5和水下運(yùn)動(dòng)感知分系統(tǒng)6構(gòu)成定深定向抗流航行控制系統(tǒng)，水下運(yùn)動(dòng)感知分系統(tǒng)6將采集機(jī)器人當(dāng)前的深度和艏向信息，洋流傳感器采集機(jī)器人航行所面臨的海流信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳到水面，操作人員根據(jù)當(dāng)前的海流信息和探測(cè)任務(wù)設(shè)定航行探測(cè)任務(wù)，向ROV發(fā)送探測(cè)路徑，控制器將根據(jù)操作人員的路徑指令、洋流的方向和強(qiáng)度給出ROV在艏向控制量，根據(jù)控制量分配主推推力和垂直舵舵角，通過(guò)主推推力和舵角的聯(lián)合推力分配實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)中的迎流航行，通過(guò)控制兩個(gè)垂推推進(jìn)器7-2調(diào)整機(jī)器人下潛或上浮航行，配合主推實(shí)現(xiàn)洋流下的變深度探測(cè)航行，具體參見(jiàn)圖4。

水下環(huán)境感知與探測(cè)分系統(tǒng)5包括內(nèi)置云臺(tái)的水下廣角攝像機(jī)5-1和前視聲納5-2，其中前視聲納5-2布置在流線型外殼的前端上方，向水面發(fā)送聲納探測(cè)數(shù)據(jù)。內(nèi)置云臺(tái)的水下廣角攝像機(jī)5-1布置在流線型外殼的前端，水面控制臺(tái)通過(guò)包含視頻線、485串口線的水密線纜將信號(hào)傳遞到航行控制單元4，針對(duì)當(dāng)前艏向和探測(cè)目標(biāo)，自動(dòng)控制調(diào)整內(nèi)置云臺(tái)轉(zhuǎn)角，使攝像機(jī)始終面向探測(cè)目標(biāo)。從而完成水下航行中的探測(cè)和感知，并和流線型外殼相適應(yīng)，較小地影響航行。

實(shí)施例二：參見(jiàn)圖1至圖4說(shuō)明本實(shí)施例，還包括兩個(gè)水平穩(wěn)定翼11，且兩個(gè)水平穩(wěn)定翼11對(duì)稱設(shè)置在流線型外殼1的左、右兩側(cè)，并且兩個(gè)水平穩(wěn)定翼11均固定在艉部所對(duì)應(yīng)的載體主框架2上。

本實(shí)施例，艉部的兩個(gè)主推推進(jìn)器7-1固定在艉部?jī)蓚€(gè)水平穩(wěn)定翼11的兩側(cè)，不僅可以降低相互干擾，通過(guò)穩(wěn)定翼提高航行穩(wěn)定性，而且可以和上方的垂直舵翼7-3配合，通過(guò)主推的推力分配和垂直舵的舵角控制，實(shí)現(xiàn)迎流航行的艏向控制。

實(shí)施例三：參見(jiàn)圖1至圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，水下運(yùn)動(dòng)感知分系統(tǒng)6包括洋流傳感器6-1、磁羅經(jīng)6-2、深度計(jì)6-3，洋流傳感器6-1用于采集涌流信息，磁羅經(jīng)6-2用于采集方位信息，深度計(jì)6-3用于將采集深度信息。

本實(shí)施例，流線型便攜式遙控水下機(jī)器人迎流航行與探測(cè)控制方法主要針對(duì)操作人員的探測(cè)指令，洋流傳感器6-1測(cè)得洋流方向和強(qiáng)度計(jì)算迎流航行所需的艏向控制量，根據(jù)控制量進(jìn)行推力分配，分配主推推力并調(diào)整垂直舵舵角，從而保證水下機(jī)器人以一定角度在流場(chǎng)中迎流航行，同時(shí)針對(duì)探測(cè)目標(biāo)和航向角，調(diào)整攝像機(jī)內(nèi)置云臺(tái)轉(zhuǎn)角，控制攝像機(jī)朝向探測(cè)目標(biāo)。同時(shí)根據(jù)水下環(huán)境和探測(cè)需要，通過(guò)推力分配給兩個(gè)垂推推進(jìn)器不同的推力實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的俯仰運(yùn)動(dòng)，下潛和上浮的同時(shí)頂流探測(cè)航行，從而完成實(shí)際的探測(cè)任務(wù)。

實(shí)施例四：參見(jiàn)圖1至圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，還包括漏水傳感器10，用于將采集的漏水信息上傳至航行控制單元4。

圖1所示的流線型外殼1采用類水滴形外形結(jié)構(gòu)，分為艏部、平行中體和艉部三部分。艏部、艉部采用曲率不同的半橢球體形狀外殼，平行中體部分采用圓柱體形外殼，通過(guò)型線設(shè)計(jì)使三部分外殼光滑連接。

載體主框架2依照流線型外殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，載體主框架2的外表面可以覆蓋外殼蒙皮，內(nèi)表面可以固定耐壓控制艙以及固定其他外掛設(shè)備。

對(duì)本發(fā)明所述的一種流線型便攜式遙控水下機(jī)器人進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到一系列的水下機(jī)器人外殼的周圍流體質(zhì)點(diǎn)分布圖以及直航阻力表，具體參見(jiàn)圖6中表。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的對(duì)比分析可以知道流線型外殼的摩擦阻力占比很高達(dá)到75％，而開(kāi)架式外殼的形狀阻力占比相對(duì)較高，大約占60％。并且在同等排水體積下開(kāi)架式外殼的直航阻力通常比流線型外殼阻力大2～5倍，即流線型外殼的設(shè)計(jì)方案顯著的減小了水下機(jī)器人的形狀阻力，相應(yīng)的總阻力也大幅度減小。因此對(duì)流線型外殼進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以顯著提高水下機(jī)器人的航行性能。