CN114313168A - 一种链式多体自主水下机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水下机器人技术领域，特别涉及一种链式多体自主水下机器人。包括多个依次首尾铰接的单体AUV；单体AUV包括依次连接的艏部扩展舱段、舯部采样舱段、舯部垂推舱段、舯部控制舱段及艉部扩展舱段，其中舯部采样舱段用于采样；舯部垂推舱段用于提供沿竖直方向运动的推力；艉部扩展舱段用于提供前后运动及俯仰运动的动力。本发明具备动力分布式的特点,具有高效率、高机动航行的优势，能满足水下复杂环境任务需求，能够为执行深远海任务以及水下考古、管道运维等复杂环境作业提供潜在解决方案。
Description
技术领域
本发明属于水下机器人技术领域，特别涉及一种链式多体自主水下机器人。
背景技术
海洋占地球面积70.8％，蕴藏着丰富的海洋生物资源、矿产资源和能源。为了开发、利用和保护海洋，能够代替或部分代替人类去了解、观测和考察海洋的水下机器人应运而生。水下机器人通常可分为：自主水下机器人(AUV)、有缆遥控水下机器人(ROV)和自主/遥控水下机器人(ARV)。其中，AUV利用自身携带的能源，借助所搭载的传感器和执行机构，可自主地进行分析、决策和协作，具有智能化程度高、航行速度快，探测范围广等诸多优点，因而被广泛应用于水下探测任务中。
由于单体水下机器人作业能力有限，集群智能化的新型作业方式涌现出来。然而，水下机器人携带能源有限，各单体AUV独立航行时克服所受阻力将消耗大量能源。此外，各单体AUV使用传感器感知环境信息，从而进行群体间信息交互同样会对能源造成大量的消耗。能源的大量消耗限制了各单体AUV的作业时间，对其执行深远海任务造成困难。不仅如此，单体AUV在面对管道、沉船等复杂水下结构环境时操纵性不足，机动性难以满足任务需求。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种链式多体自主水下机器人，该链式多体自主水下机器人具备动力分布式的特点,具有高效率、高机动航行的优势，能满足水下复杂环境任务需求，能够为执行深远海任务以及水下考古、管道运维等复杂环境作业提供潜在解决方案。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种链式多体自主水下机器人，包括多个依次首尾铰接的单体AUV；单体AUV包括依次连接的艏部扩展舱段、舯部采样舱段、舯部垂推舱段、舯部控制舱段及艉部扩展舱段，其中舯部采样舱段用于采样；舯部垂推舱段用于提供沿竖直方向运动的推力；艉部扩展舱段用于提供前后运动及俯仰运动的动力。
所述单体AUV的相邻两个舱段之间均通过连接法兰连接，各连接法兰上均设有穿线螺钉，穿线螺钉用于信号线缆的走线。
所述舯部垂推舱段的前端与所述艏部扩展舱段的后端之间及所述舯部垂推舱段的后端与所述艉部扩展舱段的前端之间均连接有连接拉杆。
所述艏部扩展舱段包括艏部导流罩和艏部端盖，其中艏部端盖的一侧通过连接环与所述舯部采样舱段的一端的所述连接法兰连接，艏部导流罩罩设于艏部端盖的外侧且通过艏部连接螺柱与艏部端盖连接。
所述舯部采样舱段包括舯部采样舱壳体及设置于舯部采样舱壳体内的蠕动泵和储水水囊，其中舯部采样舱壳体内设有蠕动泵支撑板，蠕动泵设置于蠕动泵支撑板上，蠕动泵通过单向采样管路与储水水囊连接。
所述舯部垂推舱段包括垂推固定舱体、垂向驱动电机支架、垂向驱动电机及垂推螺旋桨，其中垂向驱动电机支架设置于垂推固定舱体内，垂向驱动电机设置于垂向驱动电机支架上，且输出轴与垂推螺旋桨连接，垂向驱动电机驱动垂推螺旋桨绕竖直轴转动。
所述舯部控制舱段包括舯部控制舱壳体及设置于舯部控制舱壳体内的电控元件固定板、GPS无线电蓝牙集成模块、电源支撑板和电源，其中电控元件固定板设置于电源支撑板上，且位于舯部控制舱壳体的前端；电源设置于电源支撑板上。
所述艉部扩展舱段包括艉部导流罩、水平推进机构及水平桨后舵机构，其中艉部导流罩设置于所述舯部控制舱段的后端，艉部导流罩的顶部设有集成天线；艉部导流罩的前端左右两侧设有水平推进机构，艉部导流罩的后端设有水平桨后舵机构。
所述水平推进机构包括纵向驱动电机支架、纵向驱动电机及驱动螺旋桨，其中纵向驱动电机支架设置于所述艉部导流罩的外侧，纵向驱动电机设置于纵向驱动电机支架上，且输出轴与驱动螺旋桨连接；纵向驱动电机带动驱动螺旋桨转动，驱动螺旋桨的转动轴线与所述单体AUV的中轴线平行。
所述水平桨后舵机构包括桨后舵、单轴舵机支架及单轴舵机，其中单轴舵机支架通过艉部连接螺柱与所述艉部导流罩连接；单轴舵机设置于单轴舵机支架上，且输出端与桨后舵连接，单轴舵机驱动桨后舵翻转，为机器人的俯仰运动提供动力。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明通过分布于每个单体两侧的纵向推进器、单体舯部的垂向驱动电机、单体艉部的水平桨后舵的联合操纵，具有动力分布式的特点，可实现高机动作业。
2.本发明由三个同构的单体AUV组成，单体AUV之间通过平面铰链连接，该连接形式结构简单可靠，拆卸方便，对集群链式作业和分散单独作业极为友好。
3.本发明中的单体AUV采用了水平桨后舵的俯仰驱动结构，该结构形式与传统桨前舵相比具有更高的舵效，有利于实现高机动作业。
4.本发明中的单体AUV采用了模块化设计，可根据任务需求合理配置功能模块。
5.本发明结构紧凑,重量小，对海上、湖上的布放回收等作业极为便利。
附图说明
图1为本发明一种链式多体自主水下机器人的轴测图；
图2为本发明中单体AUV的轴测图；
图3为本发明中单体AUV的俯视图；
图4为本发明中单体AUV的内部结构示意图；
其中：100为前部单体AUV，200为中部单体AUV，300为后部单体AUV，以上三个单体AUV为同构平台，以前部单体AUV100为例，101-140为该单体AUV的零部件，具体为：101为艏部扩展舱段，102为舯部采样舱段，103为舯部垂推舱段，104为舯部控制舱段，105为艉部扩展舱段，106为铰接支架，107为艏部导流罩，108为艏部端盖，109为连接环，110为连接拉杆，111为舯部采样舱壳体，112为垂推固定舱体，113为垂向驱动支架，114为垂向驱动电机，115为垂推螺旋桨，116为舯部控制舱壳体，117为纵向驱动电机支架，118为纵向驱动电机，119为艉部导流罩，120为桨后舵，121为带座轴承，122为艏部连接螺柱，123为穿线螺母，124为穿线螺钉，125为连接法兰，126为蠕动泵支撑板，127为蠕动泵，128为储水水囊，129为配重铅块，130为电控元件固定板，131为GPS无线电蓝牙集成模块，132为电源支撑板，133为电源，134为电源紧固螺柱，135为驱动螺旋桨，136为艉部连接螺柱，137为集成天线，138为单轴舵机支架，139为单轴舵机，140为单轴舵机转接件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1-2所示，本发明提供的一种链式多体自主水下机器人，包括多个依次首尾铰接的单体AUV；单体AUV包括依次连接的艏部扩展舱段101、舯部采样舱段102、舯部垂推舱段103、舯部控制舱段104及艉部扩展舱段105，其中舯部采样舱段102用于采样；舯部垂推舱段103用于提供沿竖直方向运动的推力；艉部扩展舱段105用于提供前后运动及俯仰运动的动力。
如图2所示，本发明的实施例中，单体AUV的前端设有铰接支架106，后端设有带座轴承121，相邻两个单体AUV上的铰接支架106和带座轴承121通过螺柱相连，实现多AUV链式连接。如图4所示，单体AUV的相邻两个舱段之间均通过连接法兰125连接，各连接法兰125上均设有穿线螺钉124，穿线螺钉124通过穿线螺母123锁紧，穿线螺钉124用于信号线缆的走线。穿线螺钉124既能够保证舱段之间的密封效果，又可以保证舱段之间的信号传输。连接法兰125与各舱段壳体之间以及连接法兰125与穿线螺母123之间均通过O型圈密封，构成内部密闭空间。
进一步地，如图2所示，舯部垂推舱段103的前端与艏部扩展舱段101的后端之间及舯部垂推舱段103的后端与艉部扩展舱段105的前端之间均连接有连接拉杆110。
如图3-4所示，本发明的实施例中，艏部扩展舱段101包括艏部导流罩107和艏部端盖108，其中艏部端盖108的一侧通过连接环109与舯部采样舱段102的一端的连接法兰125连接，艏部导流罩107罩设于艏部端盖108的外侧且通过艏部连接螺柱122与艏部端盖108连接。
本发明的实施例中，舯部采样舱段102包括舯部采样舱壳体111及设置于舯部采样舱壳体111内的蠕动泵127和储水水囊128，其中舯部采样舱壳体111内设有蠕动泵支撑板126，蠕动泵127设置于蠕动泵支撑板126上，蠕动泵127通过单向采样管路与储水水囊128连接。储水水囊128上设有配重铅块129。
本发明的实施例中，舯部垂推舱段103包括垂推固定舱体112、垂向驱动电机支架113、垂向驱动电机114及垂推螺旋桨115，其中垂向驱动电机支架113设置于垂推固定舱体112内，垂向驱动电机114设置于垂向驱动电机支架113上，且输出轴与垂推螺旋桨115连接，垂向驱动电机114驱动垂推螺旋桨115绕竖直轴转动，用于实现AUV上下快速运动。
本发明的实施例中，舯部控制舱段104包括舯部控制舱壳体116及设置于舯部控制舱壳体116内的电控元件固定板130、GPS无线电蓝牙集成模块131、电源支撑板132和电源133，其中电控元件固定板130设置于电源支撑板132上，且位于舯部控制舱壳体116的前端，电控元件固定板130上安装用于AUV运行控制的电控系统、用于AUV追踪定位的导航系统；电源133设置于电源支撑板132上，电源133用于提升单体AUV水下续航能力。
本发明的实施例中，艉部扩展舱段105包括艉部导流罩119、水平推进机构及水平桨后舵机构，其中艉部导流罩119设置于舯部控制舱段104的后端，艉部导流罩119的顶部设有集成天线137；艉部导流罩119的前端左右两侧设有水平推进机构，艉部导流罩119的后端设有水平桨后舵机构。
本发明的实施例中，水平推进机构包括纵向驱动电机支架117、纵向驱动电机118及驱动螺旋桨135，其中纵向驱动电机支架117设置于艉部导流罩119的外侧，纵向驱动电机118设置于纵向驱动电机支架117上，且输出轴与驱动螺旋桨135连接；纵向驱动电机118带动驱动螺旋桨135转动，驱动螺旋桨135的转动轴线与单体AUV的中轴线平行。因此纵向驱动电机118带驱动螺旋桨135转动，从而提供单体AUV的水下航行动力。
本发明的实施例中，水平桨后舵机构包括桨后舵120、单轴舵机支架138及单轴舵机139，其中单轴舵机支架138通过艉部连接螺柱136与艉部导流罩119连接；单轴舵机139设置于单轴舵机支架138上，且输出端与桨后舵120连接，单轴舵机139驱动桨后舵120上下翻转，使其与机体基平面形成一定夹角，具体为±20°，利用舵面与流体的相互作用为机器人的俯仰运动提供动力，从而对单体AUV进行俯仰控制。
本发明的实施例中，单体AUV为三个，具体为前部单体AUV100、中部单体AUV200及后部单体AUV300，如图1所示。
本发明的工作原理为：
单体AUV的工作主要是通过垂向驱动电机114和纵向驱动电机118实现水下的升沉和前后运动，通过桨后舵120实现俯仰运动，运动路线灵活，蠕动泵127工作采集水样，通过单向管路将水样存储在储水水囊128中；当链式多体自主水下机器人完成单次观测任务后浮出水面，采用GPS定位系统确定链式多体自主水下机器人的当前位置，并通过卫星通信系统与岸基监控中心或母船监控中心连接。接受单次作业的观测数据，同时下达下一次作业任务。模块化组装方案可以为针对不同场景的作业需求合理匹配相应的科学载荷或动力模块提供便利条件。
链式多体自主水下机器人的链式组合工作，主要为各单体AUV之间通过艏部扩展舱段101首端的铰接支架106和艉部扩展舱段105尾端的带座轴承121之间铰接，实现链式连接。此外，各单体AUV自身具有单独驱动力的条件下，通过多个动力操纵装置的合理匹配，实现多体AUV协同工作，能有效提升水下航行机动性。
本发明具备动力分布式的特点,具有高效率、高机动航行的优势，能满足水下复杂环境任务需求，能够为执行深远海任务以及水下考古、管道运维等复杂环境作业提供潜在解决方案。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种链式多体自主水下机器人，其特征在于，包括多个依次首尾铰接的单体AUV；单体AUV包括依次连接的艏部扩展舱段(101)、舯部采样舱段(102)、舯部垂推舱段(103)、舯部控制舱段(104)及艉部扩展舱段(105)，其中舯部采样舱段(102)用于采样；舯部垂推舱段(103)用于提供沿竖直方向运动的推力；艉部扩展舱段(105)用于提供前后运动及俯仰运动的动力。
2.根据权利要求1所述的链式多体自主水下机器人，其特征在于，所述单体AUV的相邻两个舱段之间均通过连接法兰(125)连接，各连接法兰(125)上均设有穿线螺钉(124)，穿线螺钉(124)用于信号线缆的走线。
3.根据权利要求2所述的链式多体自主水下机器人，其特征在于，所述舯部垂推舱段(103)的前端与所述艏部扩展舱段(101)的后端之间及所述舯部垂推舱段(103)的后端与所述艉部扩展舱段(105)的前端之间均连接有连接拉杆(110)。
4.根据权利要求2所述的链式多体自主水下机器人，其特征在于，所述艏部扩展舱段(101)包括艏部导流罩(107)和艏部端盖(108)，其中艏部端盖(108)的一侧通过连接环(109)与所述舯部采样舱段(102)的一端的所述连接法兰(125)连接，艏部导流罩(107)罩设于艏部端盖(108)的外侧且通过艏部连接螺柱(122)与艏部端盖(108)连接。
5.根据权利要求1所述的链式多体自主水下机器人，其特征在于，所述舯部采样舱段(102)包括舯部采样舱壳体(111)及设置于舯部采样舱壳体(111)内的蠕动泵(127)和储水水囊(128)，其中舯部采样舱壳体(111)内设有蠕动泵支撑板(126)，蠕动泵(127)设置于蠕动泵支撑板(126)上，蠕动泵(127)通过单向采样管路与储水水囊(128)连接。
6.根据权利要求1所述的链式多体自主水下机器人，其特征在于，所述舯部垂推舱段(103)包括垂推固定舱体(112)、垂向驱动电机支架(113)、垂向驱动电机(114)及垂推螺旋桨(115)，其中垂向驱动电机支架(113)设置于垂推固定舱体(112)内，垂向驱动电机(114)设置于垂向驱动电机支架(113)上，且输出轴与垂推螺旋桨(115)连接，垂向驱动电机(114)驱动垂推螺旋桨(115)绕竖直轴转动。
7.根据权利要求1所述的链式多体自主水下机器人，其特征在于，所述舯部控制舱段(104)包括舯部控制舱壳体(116)及设置于舯部控制舱壳体(116)内的电控元件固定板(130)、GPS无线电蓝牙集成模块(131)、电源支撑板(132)和电源(133)，其中电控元件固定板(130)设置于电源支撑板(132)上，且位于舯部控制舱壳体(116)的前端；电源(133)设置于电源支撑板(132)上。
8.根据权利要求1所述的链式多体自主水下机器人，其特征在于，所述艉部扩展舱段(105)包括艉部导流罩(119)、水平推进机构及水平桨后舵机构，其中艉部导流罩(119)设置于所述舯部控制舱段(104)的后端，艉部导流罩(119)的顶部设有集成天线(137)；艉部导流罩(119)的前端左右两侧设有水平推进机构，艉部导流罩(119)的后端设有水平桨后舵机构。
9.根据权利要求8所述的链式多体自主水下机器人，其特征在于，所述水平推进机构包括纵向驱动电机支架(117)、纵向驱动电机(118)及驱动螺旋桨(135)，其中纵向驱动电机支架(117)设置于所述艉部导流罩(119)的外侧，纵向驱动电机(118)设置于纵向驱动电机支架(117)上，且输出轴与驱动螺旋桨(135)连接；纵向驱动电机(118)带动驱动螺旋桨(135)转动，驱动螺旋桨(135)的转动轴线与所述单体AUV的中轴线平行。
10.根据权利要求8所述的链式多体自主水下机器人，其特征在于，所述水平桨后舵机构包括桨后舵(120)、单轴舵机支架(138)及单轴舵机(139)，其中单轴舵机支架(138)通过艉部连接螺柱(136)与所述艉部导流罩(119)连接；单轴舵机(139)设置于单轴舵机支架(138)上，且输出端与桨后舵(120)连接，单轴舵机(139)驱动桨后舵(120)翻转，为机器人的俯仰运动提供动力。
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