專(zhuān)利名稱(chēng)：舵翼式微小型水下機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種舵翼式微小型水下機(jī)器人，可以在海洋環(huán)境下自主地定深定向航行。用于海洋開(kāi)發(fā)、海洋科考或軍事領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
一般的水下機(jī)器人欲實(shí)現(xiàn)各方向的運(yùn)動(dòng)能力，必須在縱向、橫向和垂向裝備包括主推進(jìn)器、側(cè)推力器和垂向推力器在內(nèi)的多種推力器，一般總數(shù)大于5個(gè)。它們需占據(jù)較大的空間，并且破壞了機(jī)器人的整體線(xiàn)型，導(dǎo)致阻力增加，能耗加大，不利于長(zhǎng)時(shí)間航行。另一方面，當(dāng)水下機(jī)器人以較高的航速前行時(shí)，橫向和垂向推力器的功效急劇下降，不能有效地控制機(jī)器人的航向和縱傾。對(duì)于更加重視航速和航程指標(biāo)的水下機(jī)器人，應(yīng)裝備舵、翼等操縱面或利用主推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)較高航速下的操縱性能。
微小型水下機(jī)器人的長(zhǎng)度一般小于2.0米，其活動(dòng)空間也是水下三維。由于它體積小，載荷空間和能力有限，所帶能源不足，不適合裝備側(cè)推力器和垂向推力器。而舵和翼的操縱頻率低、能耗小，高速下操縱能力強(qiáng)，特別適用于微小型水下機(jī)器人。
舵翼式微小型水下機(jī)器人具有體積小、重量輕、機(jī)動(dòng)靈活、隱身性好、搭載方便、成本低、可批量生產(chǎn)和使用等特點(diǎn)，在增強(qiáng)海軍實(shí)力和提高海洋資源的開(kāi)發(fā)利用能力方面發(fā)揮著獨(dú)特的不可替代的作用。美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到了這種微小型水下機(jī)器人的重要性，投入大量人力物力進(jìn)行研究。
日本東京大學(xué)1990年研制的PTEROA150總長(zhǎng)1.575米，排水量220公斤，采用尾部雙推進(jìn)器推進(jìn)，由可調(diào)的水平尾翼和可調(diào)的垂直尾舵實(shí)現(xiàn)縱傾和航向調(diào)整，可在水中續(xù)航40分鐘，攜帶超聲測(cè)距、水下TV、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、爆燃式壓載排出裝置。該機(jī)器人是海洋環(huán)境檢測(cè)水下機(jī)器人的先期實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。2002年，美國(guó)Nekton公司研制了一種只在水面工作的低成本、單一任務(wù)的舵翼式微小型水下機(jī)器人Renger(巡邏兵)，它只裝備一個(gè)推力器，靠一個(gè)垂直舵改變航向，裝有溫鹽深、葉綠素、含氧量等傳感器，主要用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)及多機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制研究。
目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有只安裝主推進(jìn)器的舵翼式微小型水下機(jī)器人。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型提供了一種舵翼式微小型水下機(jī)器人，它以雙主推進(jìn)器、舵翼結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的定深定向航行，與一般水下機(jī)器人相比省掉了橫向和垂向推力器，具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、操縱靈活、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。
舵翼式微小型水下機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)包括軀體、左右兩個(gè)主推進(jìn)器、可調(diào)攻角水平舵、垂直穩(wěn)定翼、深度計(jì)、磁羅經(jīng)、步進(jìn)電機(jī)和控制計(jì)算機(jī)。其中，兩個(gè)主推進(jìn)器分別安裝于水下機(jī)器人軀體的兩側(cè)，可調(diào)攻角水平舵和垂直穩(wěn)定翼各兩個(gè)，分別對(duì)稱(chēng)地布置于水下機(jī)器人的尾部，深度計(jì)安裝于軀體的下方，磁羅經(jīng)、步進(jìn)電機(jī)和控制電腦位于水下機(jī)器人的水密艙內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)動(dòng)密封驅(qū)動(dòng)可調(diào)攻角水平舵。
航行時(shí)，由兩個(gè)主推進(jìn)器推動(dòng)水下機(jī)器人航行，左右主推進(jìn)器的轉(zhuǎn)向和推力分別可調(diào)，當(dāng)左右主推進(jìn)器的推力相同時(shí)，水下機(jī)器人作直航運(yùn)動(dòng)，此時(shí)垂直穩(wěn)定翼起穩(wěn)定航向的作用；當(dāng)左右主推進(jìn)器的推力不同時(shí)，則水下機(jī)器人作回航運(yùn)動(dòng)；當(dāng)一個(gè)推進(jìn)器正轉(zhuǎn)發(fā)出推力，而另一個(gè)推進(jìn)器反轉(zhuǎn)，發(fā)出反方向的推力時(shí)，水下機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)原地回轉(zhuǎn)。當(dāng)確定某一航向航行時(shí)，如偏離了航向，則磁羅經(jīng)將偏離信號(hào)傳遞給控制計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)根據(jù)偏離的量值，向左右推進(jìn)器發(fā)出命令，修正航向，使水下機(jī)器人保持航向航行。
航行中，深度計(jì)始終將水下機(jī)器人自身的深度信號(hào)反饋給控制計(jì)算機(jī)，要使水下機(jī)器人在某一深度航行，則控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)地根據(jù)深度差值發(fā)出命令，使步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)可調(diào)攻角水平舵改變攻角，產(chǎn)生升力，調(diào)整水下機(jī)器人的縱傾，從而改變航行的深度。


圖1舵翼式微小型水下機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成示意圖圖2舵翼式微小型水下機(jī)器人航行系統(tǒng)控制框圖具體實(shí)施方式
下面給出本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，并結(jié)合附圖加以說(shuō)明。
如圖1所示，舵翼式微小型水下機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)包括軀體0、左右兩個(gè)主推進(jìn)器1、可調(diào)攻角水平舵2、垂直穩(wěn)定翼3、深度計(jì)4、磁羅經(jīng)5、步進(jìn)電機(jī)6和控制計(jì)算機(jī)7。其中，軀體0為具有扁圓截面的長(zhǎng)方形殼體，非水密部分可采用鋁合金或玻璃鋼制作，內(nèi)置的水密艙為雙圓柱鋁合金水密耐壓殼體；軀體0的長(zhǎng)度約為1.0米，長(zhǎng)寬比為2∶1。可調(diào)攻角水平舵2和垂直穩(wěn)定翼3各兩個(gè)，分別對(duì)稱(chēng)地布置于軀體0尾部的兩側(cè)，且均由鋁合金制成；兩個(gè)主推進(jìn)器1為Model-250型磁耦合水下導(dǎo)管推進(jìn)器，分別安裝于軀體0的兩側(cè)、可調(diào)攻角水平舵2之前；深度計(jì)4為JYB-KO-LVG型，安裝在軀體0的下方并直接與水接觸；磁羅經(jīng)5、步進(jìn)電機(jī)6和控制計(jì)算機(jī)7位于軀體0內(nèi)部的水密艙內(nèi)；步進(jìn)電機(jī)6的型號(hào)為KH42JM2(直流24V)，借助常規(guī)設(shè)計(jì)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)可調(diào)攻角水平舵2轉(zhuǎn)動(dòng)，并在穿越殼體處加裝動(dòng)密封。磁羅經(jīng)5的型號(hào)為HWR3000?？刂朴?jì)算機(jī)7為PC104總線(xiàn)MSMP3XEV-400C-64M-P+-E47。
如圖2所示，深度計(jì)4、磁羅經(jīng)5將深度和航向信息發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)7，左右兩臺(tái)主推進(jìn)器1和步進(jìn)電機(jī)6分別接受控制計(jì)算機(jī)7的指令。自主運(yùn)動(dòng)控制程序預(yù)先存儲(chǔ)在控制計(jì)算機(jī)7中。
該水下機(jī)器人航行時(shí)，由主推進(jìn)器1提供推力使機(jī)器人航行，當(dāng)左右兩臺(tái)主推進(jìn)器1發(fā)出的推力相同時(shí)，水下機(jī)器人處于直航狀態(tài)，此時(shí)，垂直穩(wěn)定翼3起到穩(wěn)定航向的作用。當(dāng)左右主推進(jìn)器1發(fā)出的推力不同時(shí)，水下機(jī)器人將改變航向。如確定水下機(jī)器人按某一既定的航向航行，則磁羅經(jīng)5隨時(shí)將航向信息傳遞給控制計(jì)算機(jī)7，控制計(jì)算機(jī)7根據(jù)既定航向與目前航向的差距，向主推進(jìn)器1發(fā)出命令，調(diào)整左右主推進(jìn)器發(fā)出的推力，修正航向，使水下機(jī)器人保持航向航行。如要求水下機(jī)器人在某一深度航行，則深度計(jì)4隨時(shí)將深度信息傳遞給控制計(jì)算機(jī)7，控制計(jì)算機(jī)7根據(jù)給定深度與目前深度的差距，向步進(jìn)電機(jī)6發(fā)出命令，帶動(dòng)可調(diào)攻角水平舵2轉(zhuǎn)動(dòng)，使水下機(jī)器人呈縱傾狀態(tài)航行，以改變下潛深度。當(dāng)水下機(jī)器人的深度達(dá)到給定深度時(shí)，可調(diào)攻角水平舵2調(diào)回到零舵角位置，它將起到穩(wěn)定翼的作用，可使水下機(jī)器人無(wú)縱傾航行。
本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)水下定深定向航行，并具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、操縱靈活、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、密封方式適合水下環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于海洋開(kāi)發(fā)、海洋科考及各種軍事領(lǐng)域。
權(quán)利要求1.一種舵翼式微小型水下機(jī)器人，其特征在于它包括軀體(0)、左右兩個(gè)主推進(jìn)器(1)、可調(diào)攻角水平舵(2)、垂直穩(wěn)定翼(3)、深度計(jì)(4)、磁羅經(jīng)(5)、步進(jìn)電機(jī)(6)和控制計(jì)算機(jī)(7)；其中，軀體0為具有扁圓截面的長(zhǎng)方形殼體，內(nèi)置封閉筒式水密艙；可調(diào)攻角水平舵(2)和垂直穩(wěn)定翼(3)各兩個(gè)，分別對(duì)稱(chēng)地布置于軀體(0)尾部的兩側(cè)；兩個(gè)主推進(jìn)器(1)分別安裝于軀體(0)的兩側(cè)、可調(diào)攻角水平舵(2)之前；深度計(jì)(4)安裝在軀體(0)的下方，直接與水接觸；磁羅經(jīng)(5)、步進(jìn)電機(jī)(6)和控制計(jì)算機(jī)(7)位于軀體(0)內(nèi)部的水密艙內(nèi)；步進(jìn)電機(jī)(6)與可調(diào)攻角水平舵(2)轉(zhuǎn)軸機(jī)械連接，并在穿越殼體處加裝動(dòng)密封；深度計(jì)(4)、磁羅經(jīng)5分別將深度和航向信息發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)(7)；左右兩臺(tái)主推進(jìn)器(1)和步進(jìn)電機(jī)(6)分別接受控制計(jì)算機(jī)(7)的指令；自主運(yùn)動(dòng)控制程序預(yù)先存儲(chǔ)在控制計(jì)算機(jī)(7)中。
專(zhuān)利摘要一種舵翼式微小型水下機(jī)器人，它是以雙主推進(jìn)器、舵翼結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的定深定向航行，與一般水下機(jī)器人相比省掉了橫向和垂向推力器。其主要結(jié)構(gòu)包括軀體、左右兩個(gè)主推進(jìn)器、可調(diào)攻角水平舵、垂直穩(wěn)定翼、深度計(jì)、磁羅經(jīng)、步進(jìn)電機(jī)和控制計(jì)算機(jī)。軀體長(zhǎng)度約為1.0米，長(zhǎng)寬比為2∶1。航行時(shí)，由左右兩個(gè)主推進(jìn)器推動(dòng)水下機(jī)器人航行，由磁羅經(jīng)和深度計(jì)將航向和深度信號(hào)實(shí)時(shí)地反饋給控制計(jì)算機(jī)，并由控制計(jì)算機(jī)控制主推進(jìn)器和可調(diào)攻角水平舵，保持一定的航向和下潛深度。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操控方便、運(yùn)行可靠、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，可以在海洋環(huán)境下自主地定深定向航行。特別適用于海洋開(kāi)發(fā)、海洋科考或軍事領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B63G8/00GK2892668SQ20062002085
公開(kāi)日2007年4月25日 申請(qǐng)日期2006年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月18日
發(fā)明者蘇玉民, 萬(wàn)磊, 龐永杰, 李曄, 秦再白 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)