一种仿海龟四鳍拍动式自主水下机器人

摘要

本发明公开了一种仿海龟四鳍拍动式自主水下机器人，包括身部、头部与尾部；其中，身部前后两侧通过鳍肢连接有动鳍；每个拍动鳍独立驱动和控制；身部前后分别安装头部与尾部；头部内以及身部上分别安装有前方与上方图像获取用全景鱼眼镜头，头部内还安装有高度获取用测高声纳以及深度获取用压力传感器；尾部内部设置有定位用GPS天线，由此可实时监测前方和上方的水域状况，实时测量自身距离海底的高度数据，以及前方障碍物情况等。本发明水下机器人还具有AHRS姿态航向参考系统，可实时感知自身姿态并实现姿态和航向的主动控制；本发明的优点为：采用仿海龟四鳍拍动推进的驱动方式，机动性好，噪声低，结构简单，实现容易。

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿海龟四鳍拍动式自主水下机器人，属于水下机器人技术领域。

背景技术

随着陆地上资源的日益枯竭，海洋将成为了人类获取矿产、能源、食物等资源的来源。 然而海洋资源的开发需要一系列技术和设备的支撑，水下机器人作为人类探索海洋的有力工 具，能够在人类所无法到达的水下深度和广度上进行探测、识别和作业，因此水下机器人在 海洋石油开发、矿藏调查、水下故障检测、打捞作业等领域具有广阔的应用前景。

水下机器人的推进方式通常为螺旋桨式和仿生鳍式两种。螺旋桨推进是一项成熟的传统 水下推进技术，因而应用最为普遍，但其推进效能的提高已经难以取得突破性进展，具有结 构尺寸和重量大，对环境扰动大，噪音大，可靠性差，起动、加速性能差以及运动灵活性能 差等缺点。螺旋桨推进器能源利用率低，而水下机器人由于受体积和承载能力的限制不可能 承载太多的能源，只能短时间在水下停留，而且作业范围小，这就限制了它们的应用。这就 使得科研工作者不得不寻找其它的驱动方式，以适应未来水下机器人技术发展要求。

水下生物经过亿万年的自然选择进化出了非凡的水中运动能力，为了摄取食饵、逃避敌 害、生殖繁衍和集群活动等生存需要，通过漫长的自然选择，它们逐渐具备了高效率、低能 耗、低噪音和高机动的水中游动能力。水下生物游动能力远远高于人类现在的航海科技水平。 可以说，为了适应环境和生存的需要水下生物已充分发展和完善了在水中运动的各种相应能 力，其运动学参数已达到或接近最优组合。与传统螺旋桨推进器相比仿生拍动鳍水下推进器 具有如下特点：（1）能源利用率高。初步试验表明采用仿生拍动鳍新型水下推进器比常规推 进的效率提高30-100％。从长远角度看，仿生水下推进器可以大大节省能量，提高能源利 用率，从而延长水下作业时间。（2）使流体性能更加完善。水下生物拍动鳍摆动产生的尾流 具有推进作用，可使其产生更加理想的流体动力学性能。（3）提高水下运动装置的机动性能。 采用仿生式水下推进器可提高水下运动装置的起动、加速和转向性能。（4）可降低噪音和保 护环境。采用仿生式推进器运行期间的噪音比螺旋桨运行期间的噪音要低得多，不易被声纳 发现或识别，有利于突防，具有重要的军事价值。（5）实现了推进装置与方向舵的统一，既 能产生推力又能同时控制和改变推力方向及大小，可以使用较少的驱动单元产生更具多样性 的推力。（6）可采用多种驱动方式。对于应用于船舶、游艇等方面的仿鱼鳍推进器可采用机 械驱动，也可采用液压驱动和气压驱动，以及混合驱动方式；对于微小型水下运动装置，可 采用形状记忆合金、人造合成肌肉以及压电陶瓷等多种驱动元件。综上所述，仿生鳍式推进 具有众多螺旋桨式推进没有的优点。

目前螺旋桨推进器与电机驱动系统难以分开，致使推进器功能单一，结构庞大，机构复 杂。仿生鳍式推进器实现了推进装置与方向舵功能合二为一，可精简结构和系统，简化制造 工艺，并降低成本和造价，具有重大的现实意义和实用价值。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统螺旋桨效率低、噪声大、推力方向单一和机动性差等问题， 提出一种高效推进、灵活机动和低噪声的仿海龟四鳍拍动推进式自主水下机器人。包括身部、 头部、尾部、配重机构、鳍肢、拍动鳍、传感和挂载设备与控制系统；身部为筒状结构，前 端与后端分别通过头部连接件与尾部连接件密封；头部连接件前端连接有头部；尾部连接件 后端安装有尾部；传感和挂载设备包括全景鱼眼镜头A、全景鱼眼镜头B、测高声纳、光源 与压力传感器；控制系统包括主控部分、导航部分以及电源，安装在身部内部。

所述头部具有四个腔体，由前之后依次为第一腔、第二腔、第三腔与第四腔；第一腔、 第二腔和第四腔均为密闭腔；而第三腔侧壁上开口；其中，第一腔前端面上安装有全景鱼眼 镜头A，镜头朝向水下机器人前方；第二腔内安装有测高声纳，测高声纳的探测端伸出第二 腔，朝向水下机器人下方；第四腔安装有压力传感器，压力传感器的探测端伸出第四腔，位 于第三腔内；身部前方还安装有一个全景鱼眼镜头B，镜头方向向上；所述尾部内部设置GPS 天线。

上述身部两侧各安装有一套配重机构；所述配重机构由配重筒、配重块、丝杠轴承、丝 杠、伺服电机A与电机罩构成；其中，配重筒前后两端分别通过电机罩与端盖密封；配重筒 内部前端与后端均通过轴承座安装有丝杠轴承；配重筒内同轴设置有丝杠，丝杠上螺纹安装 有配重块；丝杠的两端分别与配重筒内部两端的丝杠轴承轴接；丝杠前端与伺服电机A的输 出轴固连，伺服电机A固定在电机罩内部，伺服电机A上具有一体化的配重驱动器。

所述身部前端的头部连接件两侧，以及身部后端的尾部连接件两侧还分别安装有一个鳍 肢，共四个；四个鳍肢结构相同，包括第一密封法兰段、第二密封法兰段、第三密封法兰段、 伺服电机B、行星减速器与传动轴；第一密封法兰段、第二密封法兰段、第三密封法兰段同 轴设置；第一密封法兰段内部用来安装伺服电机B，第一密封法兰段的固定端用于鳍肢与身 部间的固定，连接端与第二密封法兰段的固定端相连；第二密封法兰段用来安装行星减速器， 第二密封法兰段的连接端与第三密封法兰段的固定端相连；第三密封法兰段内部用于设置传 动轴；上述伺服电机B的输出轴与行星减速器固连，行星减速器的输出轴与传动轴连接端相 连，传动轴的自由端位于第三密封法兰段的自由端外部；上述各个鳍肢内部密封，各个鳍肢 的传动轴的自由端上均安装有一个拍动鳍。

所述控制系统均安装在身部内部，其中，主控部分包括控制板与四个鳍肢驱动器；控制 板用来实现下述功能：控制板通过接受地面站发送的控制指令，控制传感和挂载设备中全景 鱼眼镜头A、全景鱼眼镜头B工作，实现水下图像信息的获取，并由控制板对图像信息进行 采集；控制板控制两个配重驱动器调节配重块在丝杠上位置，实现水下机器人的重心调节； 控制板控制四个鳍肢驱动器分别驱动各个鳍肢内部伺服电机B工作，实现水下机器人拍动鳍 的运动控制；控制板还对传感和挂载设备中的测高声纳获取的水下机器人距离海底的高度数 据进行采集。

所述导航部分用来测量水下机器人在x、y、z三轴上的角速率、运动加速度与水下机器 人在相对于地理坐标系中的运动航向；同时获取压力传感器测得的水压数据以及GPS天线接 收到的GPS卫星信号，从而获取水下机器人的姿态、速度和位置信息，发送到控制板；

所述控制板将接收到的图像信以及水下机器人的姿态、加速度、速度和位置信息连同测 高声纳测得的高度信息、伺服电机A与伺服电机B的状态信息以及电源的电量信息，发送到 地面控制站。

所述电源用来为水下机器人的工作供电；电源的电量信息由控制板采集。

本发明的优点在于：

（1）本发明一种仿海龟四鳍拍动式自主水下机器人采用仿海龟四鳍拍动推进的驱动方 式，可以灵活地控制推力方向，完成前进、后退、横滚、翻滚、偏航、原地转弯和换向、上 浮、下潜、急停、定深悬停等运动模式,实现5个自由度的运动；机动性好，噪声低，结构简 单，实现容易；

（2）本发明一种仿海龟四鳍拍动式自主水下机器人具有AHRS姿态航向参考系统，能 够自主感知自身的航向角、横滚角和侧翻角等姿态信息，并可通过控制系统对自身姿态进行 自主纠正；

（3）本发明一种仿海龟四鳍拍动式自主水下机器人搭载有高清晰度的全景鱼眼镜头，可 对前方和上方180度视角进行全方位观测，同时机器人头部下方安装有测高声纳，可实时测 量距离水底高度并对水底障碍进行侦测；

（4）本发明一种仿海龟四鳍拍动式自主水下机器人具有地面站实时监测系统，可通过 CAN总线通讯实时反馈图像信息、深度信息、经纬度信息、姿态信息、电源电量等数据，同 时又可通过地面站发送指令控制其运动速度和姿态以及潜深等，通过控制配重块在丝杠上的 位置控制整个水下机器人质心的位置。

附图说明

图1为本发明水下机器人整体结构立体示意图；

图2为本发明水下机器人整体结构俯视示意图；

图3为本发明水下机器人整体结构侧视剖视图；

图4为本发明水下机器人中配重机构结构侧视剖视图；

图5为本发明水下机器人中鳍肢结构剖视图；

图6为本发明水下机器人中控制系统的控制方式框图。

图中：

1-身部                  2-头部               3-尾部              4-配重机构

5-鳍肢                  6-拍动鳍             7-传感和挂载设备    8-控制系统

101-头部连接件          102-尾部连接件       201-第一腔          202-第二腔

203-第三腔              204-第四腔           301-GPS天线         401-配重筒

402-配重块              403-丝杠轴承         404-丝杠            405-伺服电机A

406-电机罩              501-第一密封法兰段   502-第二密封法兰段  503-第三密封法兰段

504-伺服电机B           505-行星减速器       506-传动轴          507-霍尔传感器

508-永磁体              701-全景鱼眼镜头A    702-全景鱼眼镜头B   703-测高声纳

704-光源                705-压力传感器       801-主控部分        802-导航部分

803-电源

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

一种仿海龟四鳍拍动式自主水下机器人，如图1、图2、图3所示，包括身部1、头部2、 尾部3、配重机构4、鳍肢5、拍动鳍6、传感和挂载设备7与控制系统8。身部1为筒状结 构，前端与后端分别通过头部连接件101与尾部连接件102密封；头部连接件101前端连 接有机械头部；尾部连接件102后端安装有尾部3。传感和挂载设备7包括全景鱼眼镜头 A701、全景鱼眼镜头B702、测高声纳703、光源704与压力传感器705，用于辅助水下 机器人的运动以及探测。水下机器人通过控制系统8进行控制与供电，控制系统包括主控部 分801、导航部分802以及电源803。

所述头部2具有四个腔体，由前之后依次为第一腔201、第二腔202、第三腔203与 第四腔204，如图3所示，第一腔201、第二腔202和第四腔204均为密闭腔；而第三腔 203侧壁上开口，不密闭，可进水。其中，第一腔201前端面上安装有全景鱼眼镜头A701， 采用180度的广角摄像机，镜头朝向水下机器人前方，用于观察水下机器人前部的水体状况。 第二腔202内安装有测高声纳703，测高声纳703通过声纳支架固定在第二腔202内部， 测高声纳703的探测端伸出第二腔202，朝向水下机器人下方，通过测高声纳703可实时 获取水下机器人距离海底的高度数据，防止因水下机器人与海底距离过小发生触底事故。第 四腔204安装有压力传感器705，压力传感器705的探测端伸出第四腔204，位于第三腔 203内，由于第三腔203可进水，因此压力传感器705测量端通过测量水压数据，从而得 到水下机器人所在位置与海平面间的距离。身部1前方通过光源704支架安装有两个防水耐 压强光光源704，采用高功率的LED泛光灯，光照方向朝向水下机器人前方，用于在深海 较暗的光线下为全景鱼眼镜头A701照明。身部1前方还通过镜头支架安装有一个全景鱼眼 镜头B702，同样采用180度的广角摄像机，镜头方向向上，用于实时获取水下机器人上方 的水体环境信息。所述尾部3为塑料材质的壳体结构，内部设置有外形尺寸为 39.5mm*49.5mm*16mm的板状GPS天线301；GPS天线301通过3M双面胶贴粘附 固定在尾部3内设置的与横断面平行的挡板上。GPS天线301用来接收GPS卫星信号，实 现水下机器人在海洋环境中的自主定位。

上述身部1两侧各安装有一套配重机构4，两套配重机构4相互对称设置，通过配重机 构4辅助水下机器人重心的调节。所述配重机构4由配重筒401、配重块402、丝杠轴承 403、丝杠404、伺服电机A405与电机罩406构成。如图4所示，其中，配重筒401前 后两端分别通过电机罩与端盖密封；配重筒401内部前端与后端均通过轴承座安装有丝杠轴 承403；配重筒401内同轴设置有丝杠404，丝杠404上螺纹安装有配重块402；丝杠404 的两端分别通过过盈配合与配重筒401内部两端的丝杠轴承403轴接。丝杠404前端与伺 服电机A405的输出轴固连，伺服电机A405通过电机支架固定在电机罩406内部，伺服电 机A405上具有一体化的配重驱动器；通过伺服电机A405输出轴的转动带动丝杠404转动， 由此使配重块402在丝杠404上前后移动，实现配重块402的在丝杠上的位置调节，从而 达到改变水下机器人的配平状态的目的。上述配重机构4通过在身部1两端头部连接件101 与尾部连接件102上安装的夹持件固定在身部1两侧。

所述身部1前端的头部连接件101两侧，以及身部1后端的尾部连接件102两侧还分 别安装有一个鳍肢5，共四个。四个鳍肢5结构相同，包括第一密封法兰段501、第二密封 法兰段502、第三密封法兰段503、伺服电机B504、行星减速器505与传动轴506，如图 5所示，第一密封法兰段501、第二密封法兰段502、第三密封法兰段503同轴设置；第一 密封法兰段501内部用来安装伺服电机B504，第一密封法兰段501的固定端用于鳍肢5 与身部1间的固定，连接端与第二密封法兰段502的固定端相连；第二密封法兰段502用 来安装行星减速器505，第二密封法兰段502的连接端与第三密封法兰段503的固定端相 连；第三密封法兰段503内部用于设置传动轴506；上述伺服电机B504为空心杯直流有刷 伺服电机，伺服电机B504的输出轴与行星减速器505固连，行星减速器505的输出轴与 传动轴506连接端相连，传动轴506的自由端位于第三密封法兰段503的自由端外部，用 于连接拍动鳍6；由此通过40:1减速比的行星减速器505可将伺服电机B504的运动传递 到传动轴506上。传动轴506上套接有深沟球轴承，深沟球轴承与第三密封法兰段503固 连，通过深沟球轴承可保证第一密封法兰段501、第二密封法兰段502、第三密封法兰段503 轴线与传动轴506的截面的同心度；且第三密封法兰段503内部的自由端与连接端处分别 设置有机械密封动环与机械密封静环，实现对整个鳍肢5的机械密封；第三密封法兰段503 中部外壁上安装有油脂喷嘴，通过黄油喷嘴向第三密封法兰段503内部注入油液，进一步加 强了鳍肢5的密封效果。上述各个鳍肢5的传动轴506的自由端上均安装有拍打鳍6，拍打 鳍6均采用模块化的结构，即每个拍打鳍6由所在鳍肢5上的伺服电机B504独立驱动和控 制。拍打鳍6的剖面采用NACA0012对称翼型，弦长为150mm，翼面与弦的距离可通过 NACA0012翼型数据计算获得。每个鳍肢5均通过所连接的传动轴506驱动，以传动轴506 为轴进行圆周运动，由此通过四个鳍肢5的圆周运动，可灵活地控制水下机器人推力方向。 为了便于实现整个水下机器人的转弯运动，与头部连接件101相连的两个鳍肢5向前倾斜安 装，与尾部连接件102相连的两个鳍肢5向后倾斜安装，且四个鳍肢5轴线与身部1的轴 线夹角α相等，α为80°~85°；本发明中α优选为82.5°。

如图6所示，所述控制系统8中，主控部分801包括控制板801a与四个鳍肢驱动器 801b；控制板801a安装在尾部3内，通过脐带缆与地面站相连；控制板801a还与传感和 挂载设备7、导航部分802、四个鳍肢驱动器801b以及配重机构4中两个配重驱动器通过 连接线相连。其中，四个鳍肢驱动器801b两两为一组，分别安装在身部1内前方与后方的 设备舱中；位于身部1内前方的两个鳍肢驱动器801b分别与头部连接件101上安装的两个 鳍肢5内部伺服电机B504相连；位于身部1内后方的两个鳍肢驱动器801b分别与尾部连 接件102上安装的两个鳍肢5内部伺服电机B504相连。通过上述连接，控制板801a实现 下述功能：控制板801a通过接受地面站发送的控制指令，控制传感和挂载设备7中全景鱼 眼镜头A701、全景鱼眼镜头B702工作，实现水下图像信息的获取，并由控制板801a对 图像信息进行采集；控制板801a控制两个配重驱动器调节配重块402在丝杠404上位置， 实现水下机器人的重心调节；控制板801a控制四个鳍肢驱动器801b分别驱动各个鳍肢5 内部伺服电机B504工作，实现水下机器人拍动鳍6的运动控制。控制板801a还对传感和 挂载设备7中的测高声纳703获取的距离数据进行采集。

所述导航部分802安装在尾部3内，为AHRS姿态航向参考系统，是一个多传感器的 集成体，包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、磁强计及嵌入式的姿态数据解算单元。其中， 三轴陀螺仪用来实时测量水下机器人在x、y、z三轴上的角速率；三轴加速度传感器用来实 时测量水下机器人x、y、z三个方向的运动加速度；磁强计用来测量水下机器人在相对于地 理坐标系中的运动航向；姿态数据解算单元获取上述水下机器人在x、y、z三轴上的角速率、 运动加速度、运动航向，且同时获取压力传感器705测得的水压数据以及GPS天线301接 收到的GPS卫星信号，通过扩展卡尔曼滤波算法EKF（Extended Kalman Filter）进行数 据融合计算，最终得到水下机器人的姿态、速度和位置信息，发送到控制板801a。

所述电源803为水下机器人重量和体积最大的组成部分，由至少20只电压为24V、总 容量为20Ah的磷酸铁锂电池构成，与控制板801a相连，用来为水下机器人的工作供电， 可保证本发明水下机器人续航时间达到10小时以上，电源803的电量信息由控制板801a 采集。

所述控制板801a将接收到的图像信息通过脐带缆中阻抗75欧姆视频同轴电缆发送到 地面站，同时还将接收到的姿态、加速度、速度和位置信息连同测高声纳703测得的距离数 据、伺服电机A405与伺服电机B504的状态信息以及电源803的电量信息，通过脐带缆中 的CAN总线发送到地面控制站；由此实现机器人拍动步态，用电状况，工作状况的监控。

由于本发明水下机器人的工作需要整体结构密封，因此本发明中各部分间的走线方式为： 在头部连接件101与尾部连接件102内分别开有头部通道与尾部通道；测高声纳703的接 线端通过防水接头A和走线管件与头部中第四腔204连通；全景鱼眼镜头A701的接线端通 过头部2侧壁上的走线通道与头部通道连通；全景鱼眼镜头B702的接线端通过防水接头B 与身部连通；电机罩406通过防水接头C头部连接件101前端的防水接头D相连通。由此， 控制板801a与压力传感器705间依次通过尾部通道、身部与头部通道实现走线；控制板 801a与测高声纳703间依次通过尾部通道、身部1、头部通道、防水接头A实现走线；控 制板801a与全景鱼眼镜头A701间依次通过尾部通道、身部1、头部通道、头部2侧壁上 的走线通道实现走线；控制板801a与全景鱼眼镜头B702间依次通过尾部通道、身部1、 防水接头B实现走线；控制板与四个鳍肢驱动器801b通过尾部通道实现走线；四个鳍肢驱 动器801b与对应的四个鳍肢5中伺服电机B504间的走线由鳍肢5内部通道实现；而两个 配重驱动器与两个配重机构4中的伺服电机A405集成为一体，通过其内部走线通道实现， 两个配重驱动器与控制板801a之间的走线依次通过以上所述电机罩406与头部连接件101 之间的走线通道、头部通道、身部1、尾部通道实现

本发明水下机器人各个鳍肢5中，在第二密封法兰段502内部连接端处粘接有霍尔传感 器，传动轴506上吸附有一5*5*5mm的强磁性永磁体（磁铁块），永磁体可随传动轴506 一起转动；当各个鳍肢5中的霍尔传感器探测到永磁体所在位置时，各个拍动鳍6均处于水 平状态，此时，水下机器人处于初始状态；从而实现各个拍动鳍6的初始状态定位。当整个 仿生海龟系统上电时，四个鳍肢5会自动旋转一周，当传动轴506的旋转位置正好使霍尔传 感器与永磁体相对时，霍尔传感器产生一较大的输出电流，传给控制板记录下来此时传动轴 506的转动位置，随后控制板801a发出指令通过伺服电机B504控制将霍尔传感器和永磁 体对齐，此时位置恰好使每个拍打鳍6与身体平面相平行，完成拍打鳍6位置的初始化。所 述霍尔传感器与控制板801a间依次通过所在鳍肢5内部、防水接头D实现走线。

本发明水下机器人在进行自主定位时，首先触发GPS天线301工作，随后控制四个拍 动鳍6拍动，使整个水下机器人上浮；当到达距海平面2m深度时，控制配重伺服电机驱动 丝杠404使配重块402向身部1前部移动，使水下机器人重心前移，通过控制四个拍动鳍6 间配合拍动，调整整个水下机器人的姿态，使尾部朝上倒立竖直浮出水面，且保持竖立状态； 由于尾部3外壳为塑料材料，因此不会屏蔽GPS天线301接收GPS卫星信号，由此通过导 航部分802获取此时水下机器人的经纬度信息，实现自身在海洋环境中的自主定位。定位完 成后，通过控制四个拍动鳍6间配合拍动，将水下机器人调整到游动姿态下潜到水里继续执 行任务。