CN107817086A - 一种水下机器人运行阻力测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水下机器人运行阻力测试系统，该测试系统包括有：运动控制模块、拉力采集模块、控制台；运动控制模块通过拉力采集模块与水下机器人连接，用于控制水下机器人在竖直方向进行匀速运动；拉力采集模块，与控制台通讯连接，用于采集水下机器人所受的拉力值，并将拉力值发送至控制台；控制台用于输送控制指令至运动控制模块，以控制运动控制模块带动水下机器人按照预设的速率做匀速运动，还根据拉力值计算水下机器人的运行阻力值。本发明提供的水下机器人运行阻力测试系统，能够可靠地测量水下机器人在运行时所受的运行阻力，即流体阻力。

Description

一种水下机器人运行阻力测试系统

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种水下机器人运行阻力测试系统。

背景技术

在我国建设海洋强国和大力发展智能机器人的背景下，国内水下机器人产业得到了迅速发展，目前针对不同任务需求和应用背景的水下机器人产品已初步形成谱系化和系列化，这就促使对于水下机器人的设计与研究更加精细，包括在机器人设计阶段就要充分了解其作业状态的各种性能参数。

水下机器人运行时的流体阻力(也即是运行阻力)是机器人设计和作业时的重要参数。不准确的流体阻力计算将直接影响机器人外形设计和动力系统设计及功率选型，导致机器人实际阻力过大而推力不足或功率过大造成能量浪费，不利于水下机器人的精细化设计和性能优化。在以往的水下机器人设计中，对于机器人流体阻力的确定大多采用理论估算的方法或流体动力学仿真计算方法，而对于外形结构复杂的水下机器人，阻力估算难度较大且存在较大误差，仿真分析结果受机器人模型精度和边界条件定义变化敏感，可靠性有待验证。相对比下，模拟实际工况下的试验分析数据更有利于指导水下机器人结构设计分析。因此寻求一种简单可靠的水下机器人流体阻力试验方法具有重要的意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种水下机器人运行阻力测试系统，可以可靠地测量水下机器人在运行时所受的运行阻力，即流体阻力。

本发明提供的一种水下机器人运行阻力测试系统，包括有：运动控制模块、拉力采集模块、控制台；

所述运动控制模块，通过所述拉力采集模块与水下机器人连接，用于控制所述水下机器人在竖直方向做匀速运动；

所述拉力采集模块，与所述控制台通讯连接，用于检测所述水下机器人所受的拉力，并将检测到的拉力值发送至所述控制台；

所述控制台，用于输送控制指令至所述运动控制模块，以控制所述运动控制模块带动所述水下机器人按照预设的速率做匀速运动，还根据所述拉力值计算所述水下机器人的运行阻力值。

优选地，所述拉力采集模块包括有：拉力传感器、拉力数据接收处理模块、无线信号收发模块；

所述拉力传感器，其两端分别与所述水下机器人和所述运动控制模块连接，还与所述拉力数据接收处理模块通讯连接，用于检测所述水下机器人所受的拉力，并将所述拉力值发送至所述拉力数据接收处理模块；

所述拉力数据接收处理模块，与所述无线信号收发模块通讯连接，用于将所述拉力值转发至所述无线信号收发模块；

所述无线信号收发模块，与所述控制台通讯连接，用于将所述拉力值以无线信号形式发送至所述控制台。

优选地，所述运动控制模块包括有：电动绞车、滑轮、支架、系缆；

所述滑轮固定在所述支架上，所述支架和所述电动绞车固定在地面上，所述系缆的一端与所述电动绞车连接，另一端绕过所述滑轮且通过所述拉力传感器与所述水下机器人连接。

优选地，所述拉力传感器为应变式水密拉力传感器。

优选地，所述拉力传感器与所述拉力数据接收处理模块之间通过水密电缆通讯连接。

优选地，还包括转速测量传感器；

所述转速测量传感器，与所述控制台通讯连接，用于测量所述电动绞车的转动速率，并将所述电动绞车的转动速率值输送至所述控制台。

优选地，所述控制台包括有：电机转速控制模块、数据采集处理模块、显示器；

所述电机转速控制模块，与所述电动绞车通讯连接，用于输送所述控制指令至所述电动绞车，控制所述电动绞车按照预设的转动速率转动，以带动所述水下机器人按照预设的速率匀速上升；

所述数据采集处理模块，与所述转速测量传感器、所述无线信号收发模块和所述显示器通讯连接，用于接收所述转动速率值和所述拉力值，并根据预设的算法将所述转动速率值转化为所述水下机器人的运行速率值，且根据所述拉力值计算所述水下机器人的所述运行阻力值，还将所述运行速率值和所述运行阻力值输送至所述显示器进行显示。

优选地，所述电动绞车包括有：电动机和绞车轮；

所述电动机，与所述绞车轮连接，用于接收所述控制指令，带动所述绞车轮按照预设的转动速率转动，以带动所述水下机器人按照预设的速率匀速上升；

其中，所述运动速率值为V，预设的转动速率为n，所述绞车轮的轮径为d，则V＝πdn/60。

优选地，所述拉力值包括有：所述水下机器人在静止时对应的第一拉力值，以及所述水下机器人在匀速运动时对应的第二拉力值，所述运行阻力值为所述第二拉力值与所述第一拉力值的差值。

实施本发明，具有如下有益效果：将水下机器人放置在水下真实环境中，通过运动控制模块拉动水下机器人在竖直方向上做匀速运动，通过拉力采集模块采集水下机器人在运动过程中所受的拉力，将所采集的拉力值发送至控制台，控制台根据水下机器人在静止状态下所对应的拉力值和匀速运动状态下所对应的拉力值，计算水下机器人在相应匀速运动状态下所对应的运行阻力值，即所受的流体阻力值。本发明可以在真实环境下做试验，以试验的方法获得水下机器人在规定速度下航行的流体阻力大小，试验可重复性好，所得的运行阻力值数据更接近于实际工况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的水下机器人运行阻力测试系统的原理框图。

图2是本发明提供的水下机器人运行阻力测试系统的结构示意图。

图3是本发明提供的控制台的原理框图。

图4a是本发明提供的水下机器人在静止状态下的受力示意图。

图4b是本发明提供的水下机器人在匀速运动状态下的受力示意图。

具体实施方式

本发明提供一种水下机器人4运行阻力测试系统，如图1所示，该测试系统包括有：运动控制模块2、拉力采集模块3、控制台1。

运动控制模块2通过拉力采集模块3与水下机器人4连接，用于控制水下机器人4在竖直方向做匀速运动。

拉力采集模块3与控制台1通讯连接，用于检测水下机器人4所受的拉力，并将检测到的拉力值发送至控制台1。

控制台1用于输送控制指令至运动控制模块2，以控制运动控制模块2带动水下机器人4按照预设的速率做匀速运动，还根据拉力值计算水下机器人4的运行阻力值。

进一步地，如图2所示，拉力采集模块3包括有拉力传感器31、拉力数据接收处理模块33、无线信号收发模块32。

拉力传感器31的两端分别与水下机器人4和运动控制模块2连接，还与拉力数据接收处理模块33通讯连接，用于检测水下机器人4所受的拉力，并将检测到的拉力值发送至拉力数据接收处理模块33。

拉力数据接收处理模块33与无线信号收发模块32通讯连接，用于将拉力值转发至无线信号收发模块32。

无线信号收发模块32与控制台1通讯连接，用于将拉力值以无线信号形式发送至控制台1。

进一步地，运动控制模块2包括有：电动绞车21、滑轮23、支架22、系缆24。

滑轮23固定在支架22上，支架22和电动绞车21固定在地面上，系缆24的一端与电动绞车21连接，另一端绕过滑轮23且通过拉力传感器31与水下机器人4连接，系缆24被滑轮23张紧。

进一步地，拉力传感器31为应变式水密拉力传感器。

进一步地，拉力传感器31与拉力数据接收处理模块33之间通过水密电缆34通讯连接。水下机器人4被系缆24拉动并以一定速度匀速运动时，拉力传感器31测量系缆24所提供的拉力值，通过水密电缆34将该拉力值输送至拉力数据接收处理模块33，拉力数据接收处理模块33通过无线信号收发模块32将该拉力值发送至控制台1，控制台1进而经过推算得出水下机器人4以规定速率运动时所受到的水阻力大小。

拉力数据接收处理模块33和无线信号收发模块32都安装于水面上，拉力数据接收处理模块33通过拉力数据传输缆(即水密电缆)与拉力传感器31相连接。

进一步地，水下机器人4运行阻力测试系统还包括转速测量传感器5。

转速测量传感器5与控制台1通讯连接，用于测量电动绞车21的转动速率，并将电动绞车21的转动速率值输送至控制台1，以实现对不同航速的水下机器人4运行速率的监测。

进一步地，如图3所示，控制台1包括有：电机转速控制模块11、数据采集处理模块12、显示器13。

电机转速控制模块11与电动绞车21通讯连接，用于输送控制指令至电动绞车21，控制电动绞车21按照预设的转动速率转动，以带动水下机器人4按照预设的速率匀速上升。电机转速控制模块11可以根据实际需要，给水下机器人4设定不同的运行速率，以便监测不同种类和不同航速的水下机器人4所受的流体阻力。

数据采集处理模块12，与转速测量传感器5、无线信号收发模块32和显示器13通讯连接，用于接收来自转速测量传感器5的转动速率值和来自无线信号收发模块32的拉力值，并根据预设的算法将电动绞车21的转动速率值转化为水下机器人4的运行速率值，且根据拉力值计算水下机器人4的运行阻力值，还将运行速率值和运行阻力值输送至显示器13进行显示。当然，数据采集处理模块12还可以将转动速率值输送至显示器13进行显示。

其中，数据采集处理模块12包括有用于接收转动速率值的转速信号采集单元，以及用于控制接收拉力值的拉力数据接收单元，转速信号采集单元和拉力数据接收单元均将所接收的数据处理后输送至显示器13进行实时显示。

进一步地，电动绞车21包括有：电动机和绞车轮。

电动机与绞车轮连接，用于接收控制指令，带动绞车轮按照预设的转动速率转动，以带动水下机器人4按照预设的速率匀速上升。

其中，水下机器人4的运动速率值为V，绞车轮的预设的转动速率为n，绞车轮的轮径为d，则V＝πdn/60。

进一步地，拉力值包括有：水下机器人4在静止时对应的第一拉力值，以及水下机器人4在匀速运动时对应的第二拉力值，运行阻力值为第二拉力值与第一拉力值之间的差值。

在本发明提供的另一实施例中，继续参考图2，本发明所述测试系统具体连接方式及各部分功能为：被测的水下机器人4按照艏向垂直向上进行布置，水下机器人4上端与拉力传感器31一端相连，拉力传感器31采用应变式水密拉力传感器，拉力传感器31的数据输出端为数据缆，数据缆为水密电缆34；数据缆与拉力数据接收处理模块33相连接，拉力数据接收处理模块33与无线信号收发模块32相连，实现拉力数据的实时监测处理及无线传输；拉力传感器31另一端与系缆24相连；系缆24绕过滑轮23与电动绞车21连接；进而在电动绞车21的带动下，通过系缆24控制被测的水下机器人4的运动；在电动绞车21下方安装有转速测量传感器5，用以实现对电动绞车21转速的测量，进而实现对水下机器人4运动速度的监测和控制。转速测量传感器5采用光电式转速传感器，其输出端与控制台1连接，将所监测转速数据显示出来；控制台1主要包括显示装置和控制器等，用于实现被测机器人运动速度和阻力的实时显示、拉力信号和转速信号的处理以及电动绞车21转速的实时控制等。当需要对不同尺寸、重量的水下机器人4进行测试时，只需按照更换相应量程的拉力传感器31。

本发明具体测试过程如下：

1)对被测水下机器人4进行配重，保证水下机器人4在水中总重力大于浮力，系缆24处于张紧状态。

2)按照图2所示原理连接各试验装置，打开拉力传感器31，测量水下机器人4在静止状态下，对应的系缆24拉力大小F1，机器人受力如图4a中所示，可知F1＝G，其中G为水下机器人4所受浮力与重力的合力。

3)根据被测水下机器人4的提升速度v与电动绞车21的转速n及电动绞车21的绞车轮径d之间函数关系，可确定机器人以预定速度v1运行时绞车所需转速n1，其中被测的水下机器人4提升速度v与电动绞车21的转速n及绞车轮径d之间函数关系为：

4)打开控制台1，通过控制台1控制电动绞车21带动水下机器人4开始运动，由转速测量传感器5测量电动绞车21的转速，并由控制台1调整电动绞车21的转速到预定值n1，以保证水下机器人4以预定速度v1匀速上升，同时实时监测拉力传感器31反馈的拉力值数据F2，被测水下机器人4受力如图4b所示，可以得到水下机器人4以预定速度v1匀速运动时，其所受到的流体阻力为f，f＝F2-F1。

综上所述，本发明提供的测试系统，将水下机器人4放置在水下真实环境中，通过运动控制模块2拉动水下机器人4在竖直方向上做匀速运动，通过拉力采集模块3检测水下机器人4在运动过程中所受的拉力，将检测到的拉力值发送至控制台1，控制台1根据水下机器人4在静止状态下所对应的拉力值和匀速运动状态下所对应的拉力值，计算水下机器人4在相应匀速运动状态下所对应的运行阻力值，运行阻力值也即是水下机器人4运行时的流体阻力值。

本发明可以在真实环境下做试验，以试验的方法获得水下机器人4在规定速度下航行的流体阻力大小，试验可重复性好，所得的运行阻力值数据更接近于实际工况。

其次，试验装置简单可靠，对试验场地等条件要求低，有效降低了试验成本。水下机器人4的流体阻力数据通过拉力采集模块3以无线信号方式传输，可省去拉力采集模块3与控制台1之间的数据传输缆，减小测量误差。

还有，针对不同结构尺寸及重量的水下机器人4进行运行阻力测量，只需要更换相应量程的拉力传感器31，其他装置均可保持不变，试验装置适用范围广。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种水下机器人运行阻力测试系统，其特征在于，包括有：运动控制模块(2)、拉力采集模块(3)、控制台(1)；

所述运动控制模块(2)，通过所述拉力采集模块(3)与水下机器人(4)连接，用于控制所述水下机器人(4)在竖直方向做匀速运动；

所述拉力采集模块(3)，与所述控制台(1)通讯连接，用于检测所述水下机器人(4)所受的拉力，并将检测到的拉力值发送至所述控制台(1)；

所述控制台(1)，用于输送控制指令至所述运动控制模块(2)，以控制所述运动控制模块(2)带动所述水下机器人(4)按照预设的速率做匀速运动，还根据所述拉力值计算所述水下机器人(4)的运行阻力值。

2.根据权利要求1所述的水下机器人运行阻力测试系统，其特征在于，所述拉力采集模块(3)包括有：拉力传感器(31)、拉力数据接收处理模块(33)、无线信号收发模块(32)；

所述拉力传感器(31)，其两端分别与所述水下机器人(4)和所述运动控制模块(2)连接，还与所述拉力数据接收处理模块(33)通讯连接，用于检测所述水下机器人(4)所受的拉力，并将所述拉力值发送至所述拉力数据接收处理模块(33)；

所述拉力数据接收处理模块(33)，与所述无线信号收发模块(32)通讯连接，用于将所述拉力值转发至所述无线信号收发模块(32)；

所述无线信号收发模块(32)，与所述控制台(1)通讯连接，用于将所述拉力值以无线信号形式发送至所述控制台(1)。

3.根据权利要求2所述的水下机器人运行阻力测试系统，其特征在于，所述运动控制模块(2)包括有：电动绞车(21)、滑轮(23)、支架(22)、系缆(24)；

所述滑轮(23)固定在所述支架(22)上，所述支架(22)和所述电动绞车(21)固定在地面上，所述系缆(24)的一端与所述电动绞车(21)连接，另一端绕过所述滑轮(23)且通过所述拉力传感器(31)与所述水下机器人(4)连接。

4.根据权利要求2所述的水下机器人运行阻力测试系统，其特征在于，所述拉力传感器(31)为应变式水密拉力传感器。

5.根据权利要求2所述的水下机器人运行阻力测试系统，其特征在于，所述拉力传感器(31)与所述拉力数据接收处理模块(33)之间通过水密电缆(34)通讯连接。

6.根据权利要求3所述的水下机器人运行阻力测试系统，其特征在于，还包括转速测量传感器(5)；

所述转速测量传感器(5)，与所述控制台(1)通讯连接，用于测量所述电动绞车(21)的转动速率，并将所述电动绞车(21)的转动速率值输送至所述控制台(1)。

7.根据权利要求6所述的水下机器人运行阻力测试系统，其特征在于，所述控制台(1)包括有：电机转速控制模块(11)、数据采集处理模块(12)、显示器(13)；

所述电机转速控制模块(11)，与所述电动绞车(21)通讯连接，用于输送所述控制指令至所述电动绞车(21)，控制所述电动绞车(21)按照预设的转动速率转动，以带动所述水下机器人(4)按照预设的速率匀速上升；

所述数据采集处理模块(12)，与所述转速测量传感器(5)、所述无线信号收发模块(32)和所述显示器(13)通讯连接，用于接收所述转动速率值和所述拉力值，并根据预设的算法将所述转动速率值转化为所述水下机器人(4)的运行速率值，且根据所述拉力值计算所述水下机器人(4)的所述运行阻力值，还将所述运行速率值和所述运行阻力值输送至所述显示器(13)进行显示。

8.根据权利要求7所述的水下机器人运行阻力测试系统，其特征在于，所述电动绞车(21)包括有：电动机和绞车轮；

所述电动机，与所述绞车轮连接，用于接收所述控制指令，带动所述绞车轮按照预设的转动速率转动，以带动所述水下机器人(4)按照预设的速率匀速上升；

其中，所述运动速率值为V，预设的转动速率为n，所述绞车轮的轮径为d，则V=πdn/60。

9.根据权利要求7所述的水下机器人运行阻力测试系统，其特征在于，所述拉力值包括有：所述水下机器人(4)在静止时对应的第一拉力值，以及所述水下机器人(4)在匀速运动时对应的第二拉力值，所述运行阻力值为所述第二拉力值与所述第一拉力值之间的差值。