一种结构对称各向水动力均等带缆遥控水下机器人

摘要

本发明公开了一种结构对称各向水动力均等带缆遥控水下机器人，包括主腔体、吸水圆筒、喷水推进水管网路和计算机；吸水圆筒和喷水推进水管网路均安装于主腔体内，计算机设置在水面工作船上；主腔体由上下两个形状相同的正四棱台型形成的空腔结构；喷水推进水管网路包括电磁阀、喷水管道和喷水口；喷水口为8个，8个喷水口分为4组布置于两个正四棱台形成的主腔体中部的条边上，每组两个喷水口分别布置在每条边的两个三等分点处；电磁阀为8个，各个电磁阀分别设置在相应连接喷水口后端的管路上；本发明姿态稳定性好，自主稳定能力较强，操纵范围大、自由度多，控制机构相对简单，可装载的科学仪器相对较多，应用范围广。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水下探测装置的载体，特别是涉及一种结构对称各向水动力均等带缆 遥控水下机器人。

背景技术

带缆遥控水下机器人是一种日益广泛应用于海洋、河流与湖泊等水下环境动态监测的 水下探测装置，它在水下地貌与海洋物理特征观测、水下环境调查、水下结构物检查中有 着特殊的用途。带缆遥控水下机器人通常由脐带缆、水下机器人和作为水下机器人轨迹与 姿态控制机构的控制螺旋桨或喷水推进器等组成。水下机器人是带缆遥控水下机器人系统 的核心组成部分。其体内可根据不同的用途搭载温度、盐度、压力等各种海洋元素探测传 感器或声纳、光学摄像头等声、光物理探测传感器。水面工作船上的操作者可以通过脐带 缆对水下机器人发出动力和控制信号来操纵这些控制机构从而对其实施轨迹与姿态控制并 将水下机器人自带的物理、化学传感器所获取的水下探测信息实时地传递回工作母船上。 随着世界各国对水下环境快速现场监测能力要求的提高，对带缆遥控水下机器人在控制机 构(控制螺旋桨或喷水推进器等)操纵下的轨迹与姿态控制能力的要求也在不断地提高。 水下机器人所搭载的水下环境监测传感器的工作性质要求水下机器人工作时姿态稳定，并 具有快速灵活的轨迹和姿态调节与控制能力。如何在保证水下机器人姿态稳定的前提下使 其能按照所要求的测量轨迹与姿态要求快速灵活地对其进行有效的操纵，是能否开发出一 种经济实用、具有市场价值的带缆遥控水下机器人的关键。

水下机器人作业的方式决定了它具有在水平面上向各个方向运动几率相等的特点。现 有的小型水下机器人一般是采用多个控制螺旋桨实现对其不同自由度的控制，通常每一个 自由度的控制由一个或每一组螺旋桨来实施对其控制。这类控制方式的主要缺陷是需要多 个控制螺旋桨和复杂的操纵动作才能实现对机器人不同自由度的轨迹与姿态稳定控制，同 时对这些螺旋桨的操纵动作也需要复杂的控制机构来实现。这些因素无疑增大了机器人控 制系统设计的复杂程度和使用者操纵的难度，使得这些机器人由于控制机构复杂、结构庞 大和难以具有良好的姿态稳定能力从而限制了其应用的范围。如何在简化水下操纵动作的 同时通过简化水下机器人的外形结构、减少对机器人在不同自由度方向上的受力与控制强 度的差异，使之实现对水下机器人在水平面上向各个方向上均等操纵的目的，这对于实现 对机器人进行简单、灵活、稳定的轨迹与姿态控制具有积极的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制简单、构造简单、通用性能较好并且各个方向运动控制 灵活，运动精度高的结构对称各向水动力均等带缆遥控水下机器人。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种结构对称各向水动力均等带缆遥控水下机器人，包括主腔体、吸水圆筒、喷水推 进水管网路和计算机；吸水圆筒和喷水推进水管网路均安装于主腔体内，计算机设置在水 面工作船上；

所述主腔体由上下两个形状相同的正四棱台型形成的空腔结构；主腔体的下部正四棱 台的外壁上设有海水进出口导管，引导海水进入主腔体；主腔体空腔内设有水下探测传感 器；水下探测传感包括水下化学元素传感器和物理传感器；

所述吸水圆筒包括固定支架、圆筒、水管网路进水口、螺旋桨电机支架、螺旋桨电动 机和螺旋桨；圆筒为圆筒形，设置在主腔体空腔的中心部位，贯通主腔体空腔上下部；圆 筒中部对称设有四个水管网路进水口，固定支架设置在圆筒中部外周，用以固定圆筒；螺 旋桨电机通过浆轴与螺旋浆连接，螺旋桨为两个，分别设置在圆筒的上下端，在圆筒内中 部的两侧设有螺旋桨电机支架，用于固定螺旋桨电机；

所述喷水推进水管网路包括电磁阀、喷水管道和喷水口；喷水口为8个，8个喷水口 分为4组布置于两个正四棱台形成的主腔体中部的条边上，每组两个喷水口分别布置在每 条边的两个三等分点处；电磁阀为8个，各个电磁阀分别设置在相应连接喷水口后端的管 路上；四套喷水管道分别与四个水管网路进水口连通，每套喷水管道分别配备二个电磁阀 和二个喷水口；

吸水圆筒上还设有脐带缆内出口，脐带缆内出口设置在吸水圆筒筒体中部；脐带缆外 出口设置在主腔体外壁的上半部分；设置在水面工作船上的计算机通过信号电缆经脐带缆 外出口进入主腔体，分别与设置在主腔体内的电磁阀连接，控制电磁阀的开启闭合；计算 机通过信号电缆依次经脐带缆外出口和脐带缆内出口进入圆筒，与螺旋桨电动机连接，控 制螺旋桨电机的转向、转速。

为进一步实现本发明目的，所述水下化学元素传感器包括检测海水盐度、氨氮、硝氨 磷、PH值的传感器；所述物理传感器包括检测水下光线、声纳、温度、压力的传感器。

所述主腔体的下部正四棱台的外壁下端设有主体支架，主体支架用于支撑主腔体。

所述吸水圆筒固定支架、圆筒和螺旋桨电机支架通过螺丝连接。

所述主腔体上部正四棱台顶部设有吊环，用于机器人进出水的吊装操作。

所述吸水圆筒的圆筒优选用工程塑料制成，厚度优选为4～15mm。

所述喷水管道优选用PVC管制成，直径优选为20～80mm。

所述电磁阀为防水电磁阀。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)控制相对简单。由于仅仅只需要两个控制螺旋桨，多自由度推进的实现主要依 靠控制电磁阀的开关实现不同方向的喷水得以实现。较之传统的带缆遥控水下机器人，本 发明的控制系统的设计难度大大降低。

(2)运动精度较高。本发明共有前后左右各两个共八个独立控制的喷水口，因此便 于运动中航向的微调，使得有较高运动精度。

(3)构造简单。本发明一共由三个部分组成：主腔体、圆筒吸水装置、一个喷水推 进水管网路。便于现场拆卸维修。

(4)多自由度。本发明所述的八个喷水口通过适当的控制可产生水平各个方向的推 力，可后退，可侧移，可旋转；控制电机的启动停止可以产生竖直方向的推力，可垂直深 沉。

(5)各向同性。本发明结构对称，各向同性，没有固定的主方向，因此更加有利于 在各个自由度之间的变换操纵。

附图说明

图1是本发明结构对称各向水动力均等带缆遥控水下机器人侧视图；

图2是本发明结构对称各向水动力均等带缆遥控水下机器人俯视图；

图3是本发明吸水圆筒形状示意图；

图4是本发明吸水圆筒固定框架示意图；

图5是本发明喷水管道装置示意图；

图6是本发明喷水管道装置产生平面各方向推力时的工作部位示意图；

图7是本发明喷水管道装置产生轴向推力时的工作部位示意图。

具体实施方案

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1～2所示，结构对称各向水动力均等带缆遥控水下机器人包括主腔体2、吸水圆 筒1、喷水推进水管网路3和计算机；吸水圆筒和喷水推进水管网路均安装于主腔体内， 吸水圆筒1和喷水推进水管网路3通过水管连接；计算机设置在水面工作船上。

主腔体2由上下两个形状相同的正四棱台型形成的空腔结构；四棱台框架使用铝合金 制作，上下对称水平面处较宽，顶部与底部较窄。主腔体2上部正四棱台顶部设有吊环6， 用于机器人进出水的吊装操作；主腔体2的下部正四棱台的外壁上设有海水进出口导管9 和主体支架8；主腔体2空腔内设有水下探测传感器，水下探测传感包括水下化学元素传 感器或物理传感器；水下化学元素传感器包括检测海水盐度、氨氮、硝氨磷、PH值的传感 器；物理传感器包括检测水下光线、声纳、温度、压力的传感器。在主腔体搭载了水下化 学元素传感器或相关物理传感器后，主腔体2上设置的海水进出导管9可以引导海水穿过 主腔体内的传感器以实现对相关水下参数的采集。主体支架8用于支撑主腔体2。

如图3、4所示，吸水圆筒1包括固定支架11、圆筒12、水管网路进水口13、螺旋桨 电机支架14、螺旋桨电动机15和螺旋桨16。圆筒12为圆筒形，设置在主腔体2空腔的中 心部位，贯通主腔体2空腔上下部，圆筒12两端优选与主腔体2壳体平齐；圆筒中部对称 设有四个水管网路进水口13，作为喷水推进水管网路3的水流入口，固定支架11设置在 圆筒12中部外周，用以固定圆筒12；螺旋桨电机15通过浆轴与螺旋浆16连接，螺旋桨 16为两个，分别设置在圆筒12的上下端，两个螺旋桨分别处在吸水圆筒的上下端面两个 入水口内，所述螺旋桨放置在圆筒内部，叶片顶部离圆筒入水口5～8mm；两个螺旋桨与圆 筒12上下端开口内壁联合作用，形成导管螺旋桨效应，以提高螺旋桨的吸水效率，螺旋桨 通过螺旋桨电机15带动旋转吸入水流，并产生一定压力将水流导入喷水推进水管网路3， 以产生推进力；在圆筒内中部的两侧设有螺旋桨电机支架14，用于固定螺旋桨电机15。吸 水圆筒固定支架11、圆筒12和螺旋桨电机支架14通过螺丝连接，确保吸水圆筒装置稳定。

如图5～7所示，喷水推进水管网路3分为对称两部分，安装在主腔体2中部；喷水推 进水管网路3包括电磁阀10、喷水管道17和喷水口7；喷水口7为8个，分别为第一喷水 口7-1，第二喷水口7-2、第三喷水口7-3、第四喷水口7-4、第五喷水口7-5、第六喷水口 7-6、第七喷水口7-7和第八喷水口7-8，8个喷水口分为4组布置于两个正四棱台形成的主 腔体2中部的4条边上，每组两个喷水口分别布置在每条边的三等分点处；电磁阀10为8 个，分别为第一电磁阀10-1、第二电磁阀10-2，第三电磁阀10-3、第四电磁阀10-4、第五 电磁阀10-5、第六电磁阀10-6、第七电磁阀10-7和第八电磁阀10-8；各个电磁阀分别设置 在相应连接喷水口的管路上；水管网路进水口13对称设置在吸水圆筒12中部，与吸水圆 筒连通，水流由此处导入喷水推进水管网路3；四套喷水管道17分别与四个水管网路进水 口13连通，每套喷水管道17分别配备二个电磁阀和二个喷水口。为了实现在不同方向上 产生推进力的目的，连通每套喷水管道中的二个喷水口其中一个形成90度转向，即第一喷 水口7-1、第四喷水口7-4、第五喷水口7-5和第八喷水口7-8中任意一个喷水口为90度转 向喷口形式；另一个为0度直线喷口形式，即第二喷水口7-2，第三喷水口7-3、第六喷水 口7-6和第七喷水口7-7中任意一个喷水口为0度直线喷口形式。四套喷水管道上的八个电 磁阀10，分别控制不同管道水流的开启和闭合；水流通过与电磁阀10配对的喷水口7喷 射出主腔体外部，为水下机器人提供推进力。在工作过程中，可以分别驱动电机15和电磁 阀10，调整不同出水方向以获得不同方向的推进力；通过调节螺旋桨电机15的运转速度 以改变喷水强度，进而改变机器人的运动速度。

吸水圆筒1上还设有脐带缆内出口5，脐带缆内出口5设置在吸水圆筒筒体中部；脐 带缆外出口4设置在主腔体外壁的上半部分；设置在水面工作船上的计算机通过信号电缆 经脐带缆外出口4进入主腔体2，分别与设置在主腔体2内的电磁阀10连接，控制电磁阀 10的开启闭合；计算机通过信号电缆依次经脐带缆外出口4和脐带缆内出口5进入圆筒12， 与螺旋桨电动机15连接，控制螺旋桨电机15的转向、转速。

吸水圆筒的圆筒12优选用工程塑料制成，厚度优选为4～15mm。

喷水管道17优选用PVC管，直径优选20～80mm。

电磁阀10优选用直径为20～80的防水电磁阀。

图6、7为六个典型方向推进时推进器各部分状态示意图。为便于叙述水平面上进行的 运动，规定水下机器人在水平面运动特征方向以第一喷水口7-1、第四喷水口7-4喷射出 的水流产生合力而使机器人运动的方向为向前运动；以第五喷水口7-5、第八喷水口7-8 喷射出的水流产生合力而使机器人运动的方向为向后运动，以第二喷水口7-2、第七喷水 口7-7喷射出的水流产生合力而使机器人运动的方向为向右运动；以第三喷水口7-3、第 六喷水口7-6喷射出的水流产生合力而使机器人运动的方向为向左运动。

如图6所示，当结构对称水下机器人需要在水平面上向前运动时，启动圆筒内上下两 个螺旋桨电机15，使两个螺旋桨均采取正转模式，将水流从结构对称水下机器人外部抽取 进入吸水圆筒12内；水流通过水管网路进水口13进入喷水推进水管网路3；开启第一电 磁阀10-1、第四电磁阀10-4，关闭其余电磁阀，导致水流只从第一喷水口7-1、第四喷水 口7-4喷出结构对称水下机器人外部；由第一喷水口7-1、第四喷水口7-4喷射出的水流产 生合力，推动结构对称水下机器人往前运动。

当结构对称水下机器人需要在水平面上向后运动时，启动圆筒内上下两个螺旋桨电机 15，使两个螺旋桨均采取正转模式，将水流从结构对称水下机器人外部抽取进入吸水圆筒 12内；水流通过水管网路进水口13进入喷水推进水管网路3；开启第五电磁阀10-5、第八 电磁阀10-8，关闭其余电磁阀，导致水流只从第五喷水口7-5、第八喷水口7-8喷出结构对 称水下机器人外部；由第五喷水口7-5、第八喷水口7-8喷射出的水流产生合力，推动结构 对称水下机器人向后运动。

当结构对称水下机器人需要在水平面上向左运动时，启动圆筒内上下两个螺旋桨电机 15，使两个螺旋桨均采取正转模式，将水流从结构对称水下机器人外部抽取进入吸水圆筒 12内；水流通过水管网路进水口13进入喷水推进水管网路3；开启第三电磁阀10-3、第六 电磁阀10-6，关闭其余电磁阀，导致水流只从第三喷水口7-3、第六喷水口7-6喷出结构对 称水下机器人外部；由第三喷水口7-3、第六喷水口7-6喷射出的水流产生合力，推动结构 对称水下机器人向左运动。

当结构对称水下机器人需要在水平面上向右运动时，启动圆筒内上下两个螺旋桨电机 15，使两个螺旋桨均采取正转模式，将水流从结构对称水下机器人外部抽取进入吸水圆筒 12内；水流通过水管网路进水口13进入喷水推进水管网路3；开启第二电磁阀10-2、第七 电磁阀10-7，关闭其余电磁阀，导致水流只从第二喷水口7-2、第七喷水口7-7喷出结构对 称水下机器人外部；由第二喷水口7-2、第七喷水口7-7喷射出的水流产生合力，推动结构 对称水下机器人向右运动。

当结构对称水下机器人需要在水平面上产生轴向顺时针旋转时，启动圆筒内上下两个 螺旋桨电机15，使两个螺旋桨均采取正转模式，将水流从结构对称水下机器人外部抽取进 入吸水圆筒12内；水流通过水管网路进水口13进入喷水推进水管网路3；开启第一电磁 阀10-1、第三电磁阀10-3、第五电磁阀10-5、第七电磁阀10-7中的一个或者多个，关闭其 余电磁阀，导致水流从第一喷水口7-1、第三喷水口7-3、第五喷水口7-5、第七喷水口7-7 中的一个或多个喷出结构对称水下机器人外部；由第一喷水口7-1、第三喷水口7-3、第五 喷水口7-5、第七喷水口7-7中的一个或多个喷射出的水流产生合力，由此结构对称水下机 器人产生轴向顺时针旋转。

当结构对称水下机器人需要在水平面上产生轴向逆时针旋转时，启动圆筒内上下两个 螺旋桨电机15，使两个螺旋桨均采取正转模式，将水流从结构对称水下机器人外部抽取进 入吸水圆筒12内；水流通过水管网路进水口13进入喷水推进水管网路3；开启第二电磁 阀10-2、第四电磁阀10-4、第六电磁阀10-6、第八电磁阀10-8中的一个或者多个，关闭其 余电磁阀，导致水流从第二喷水口7-2、第四喷水口7-4、第六喷水口7-6、第八喷水口7-8 中的一个或多个喷出结构对称水下机器人外部；由第二喷水口7-2、第四喷水口7-4、第六 喷水口7-6、第八喷水口7-8中的一个或多个喷射出的水流产生合力，由此结构对称水下机 器人产生轴向逆时针旋转。

如图7所示，当结构对称水下机器人需要沿轴向向上运动时，启动圆筒内的第一螺旋 桨电机15-1使其正转，启动圆筒内的第二螺旋桨电机15-2使其反转，并关闭所有电磁阀 10，这时在圆筒内形成轴向向下喷水，即能使结构对称水下机器人向轴向向上运动；当结 构对称水下机器人需要沿轴向向上运动时，启动圆筒内的第一螺旋桨电机15-1使其反转， 启动圆筒内的第二螺旋桨电机15-2使其正转，并关闭所有电磁阀10，这时在圆筒内形成轴 向向上喷水，即能使结构对称水下机器人向轴向向下运动。

在实际运用中，可控制多个电磁阀10的开启和闭合，并控制螺旋桨电机15的转速， 通过轴向和侧向不同大小不同方向的推力叠加，理论上可以获得任意方向的推力。

综上所述，可较好实现本发明。