本發(fā)明屬于新型海洋探測設(shè)備，具體涉及一種基于浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人。

背景技術(shù)：

1、地球上海洋總面積約為3.6億平方千米，約占地球表面積的71％，海洋能源、資源的開發(fā)與利用，海洋與全球變化、海洋環(huán)境與生態(tài)的研究是人類維持自身的生存與發(fā)展，拓展生存空間，充分利用地球上海洋這塊寶地頗為切實(shí)可行的途徑。隨著全球氣候變暖、海洋環(huán)境惡化，為了保護(hù)海洋、預(yù)防海嘯等自然災(zāi)害，建設(shè)全球海洋觀測網(wǎng)十分必要。在海洋探測中，自動剖面浮標(biāo)通常攜帶測量溫度、深度和鹽度等參數(shù)的高精度傳感器，采用拉格朗日環(huán)流法自動測量海面到期望水深的多種海洋信息，并記錄其漂流軌跡。

2、自持式剖面浮標(biāo)能耗低、檢測周期長、制造成本低，可以用來進(jìn)行大范圍和高分辨率的連續(xù)海洋觀測，已經(jīng)成為獲取全球?qū)崟r(shí)海洋環(huán)境要素剖面資料的重要手段。然而，由于自持式剖面浮標(biāo)機(jī)動性的缺失，使argo浮標(biāo)無法獨(dú)立對快速演變的海洋現(xiàn)象進(jìn)行觀測。目前，自持式剖面浮標(biāo)和水下滑翔機(jī)共同組建了全球海洋觀測網(wǎng)，水下滑翔機(jī)的運(yùn)動主要依靠調(diào)節(jié)自身浮力和姿態(tài)實(shí)現(xiàn)，可搭載多種專業(yè)傳感器實(shí)現(xiàn)所需功能。但是，自持式剖面浮標(biāo)和水下滑翔機(jī)均缺少推進(jìn)裝置，難以對特殊移動海洋現(xiàn)象進(jìn)行跟蹤觀測。作為水下無人平臺的重要組成部分，自主水下航行器具有高機(jī)動性、自主能力強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣等顯著優(yōu)勢。然而，由于能耗大、定深懸浮能力不足等劣勢，自主水下航行器在海洋觀測領(lǐng)域的應(yīng)用前景受到了一定的限制。理想的海洋觀測平臺應(yīng)兼具自持式剖面浮標(biāo)的低能耗、浮潛及定深懸浮能力與自主水下航行器的高機(jī)動性能。目前，國內(nèi)外對于機(jī)動性剖面浮標(biāo)、浮力調(diào)節(jié)自主水下航行器的研究較為缺乏。

3、因而，開發(fā)出一種具備浮潛及定深懸浮能力，同時(shí)不僅能夠完成垂直剖面測量任務(wù)，還能夠?qū)?fù)雜形勢進(jìn)行及時(shí)的機(jī)動處理，且能耗低的水下機(jī)器人是十分必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人，其通過姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自持式剖面浮標(biāo)與無人水下航行器兩種模式的切換，實(shí)現(xiàn)0°～90°的俯仰角連續(xù)性調(diào)節(jié)，通過浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、推進(jìn)器分別實(shí)現(xiàn)節(jié)能的垂直浮潛運(yùn)動以及高效的水平航行運(yùn)動。此外，通過姿態(tài)調(diào)節(jié)與能源供應(yīng)一體化裝置與能源系統(tǒng)的巧妙結(jié)合，提高機(jī)體空間利用率，使得能夠根據(jù)具體觀測任務(wù)搭載種類豐富的傳感器。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案。

3、一方面，本發(fā)明提供了一種基于浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人，包括耐壓殼體、艏端蓋、通訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)翼、ctd傳感器、天線、艉端蓋，其特征在于，還包括姿態(tài)調(diào)節(jié)與能源供應(yīng)一體化裝置、浮力調(diào)節(jié)裝置、推進(jìn)裝置，

4、其中，所述姿態(tài)調(diào)節(jié)與能源供應(yīng)一體化裝置包括橫滾組件和俯仰組件，用于為所述姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié)及提供能源，所述橫滾組件包括旋轉(zhuǎn)電池組、第一齒輪、第二齒輪、橫滾電機(jī)、環(huán)狀凸起部件，所述橫滾電機(jī)通過第一齒輪、第二齒輪的傳動實(shí)現(xiàn)所述旋轉(zhuǎn)電池組的繞旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，所述環(huán)狀凸起部件設(shè)置在所述旋轉(zhuǎn)軸上；所述俯仰組件包括平移電池組、直齒條、俯仰電機(jī)、蝸輪、位移傳感器，所述平移電池組與所述俯仰電機(jī)通過所述蝸輪連接，所述蝸輪將所述俯仰電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成所述平移電池組在所述直齒條上的直線運(yùn)動；

5、所述浮力調(diào)節(jié)裝置包括外油囊、內(nèi)油箱、活塞、絲桿螺桿、絲桿螺母、直流電機(jī)、銷軸、拉線位移傳感器；所述直流電機(jī)帶動所述絲桿螺母轉(zhuǎn)動，同時(shí)所述銷軸限制所述絲桿螺桿的擺動，從而實(shí)現(xiàn)所述絲桿螺桿的直線運(yùn)動，所述活塞與所述絲桿螺桿的一端連接，所述活塞的往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)液壓油在所述外油囊與所述內(nèi)油箱之間的轉(zhuǎn)移；

6、所述推進(jìn)裝置包括對稱布置在所述姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人兩側(cè)的推進(jìn)器。

7、進(jìn)一步地，所述旋轉(zhuǎn)電池組和所述平移電池組為半環(huán)狀，其能夠用于為所述姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人提供能源。

8、進(jìn)一步地，所述環(huán)狀凸起部件包括布置在所述旋轉(zhuǎn)電池組與所述內(nèi)油箱接觸面的旋轉(zhuǎn)電池組軌道與限位器，所述旋轉(zhuǎn)電池組軌道用于保證所述旋轉(zhuǎn)電池組在繞軸旋轉(zhuǎn)過程中不進(jìn)行軸向平移；所述限位器位于所述環(huán)狀凸起部件的水平對稱面上，用于避免因所述旋轉(zhuǎn)電池組過度旋轉(zhuǎn)而造成電池組之間的行程沖突。

9、進(jìn)一步地，所述位移傳感器固定于所述姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人的內(nèi)部端部，與所述平移電池組的移動軌跡平行，用于反饋所述平移電池組移動的距離。

10、進(jìn)一步地，所述第一齒輪為直齒內(nèi)齒輪，所述第二齒輪為齒輪標(biāo)準(zhǔn)件。

11、進(jìn)一步地，所述拉線位移傳感器通過測量所述內(nèi)油箱中所述活塞的移動距離反饋油量的變化。

12、進(jìn)一步地，所述通訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、姿態(tài)調(diào)節(jié)與能源供應(yīng)一體化裝置、浮力調(diào)節(jié)裝置依次布置在耐壓殼體內(nèi)部；所述ctd傳感器布置在所述艏端蓋前、天線；所述外油囊布置在所述艉端蓋后。

13、進(jìn)一步地，所述控制系統(tǒng)通過向所述姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人發(fā)送指令控制，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)節(jié)，獲取來自所述ctd傳感器的數(shù)據(jù)，并經(jīng)由所述通訊系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)反饋。

14、另一方面，本發(fā)明還提供了所述的基于浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括三種模式：

15、1)剖面運(yùn)動模式：通過所述浮力調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)所述姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人所受到的浮力來利用所述ctd傳感器進(jìn)行剖面測量及利用所述通訊系統(tǒng)進(jìn)行測量數(shù)據(jù)回傳；

16、2)姿態(tài)調(diào)整模式：通過所述姿態(tài)調(diào)節(jié)與能源供應(yīng)一體化裝置將所述姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人的姿態(tài)從豎直調(diào)整為水平或者從水平調(diào)整為豎直并向所述控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋；

17、3)航行模式：通過所述姿態(tài)調(diào)節(jié)與能源供應(yīng)一體化裝置使所述姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)整為俯仰角為0°的水平姿態(tài)，所述推進(jìn)器在控制系統(tǒng)的調(diào)配下開始運(yùn)行，使所述姿態(tài)可調(diào)整水下機(jī)器人向目標(biāo)航行。

18、進(jìn)一步地，在實(shí)施所述剖面運(yùn)動模式、所述姿態(tài)調(diào)整模式、所述航行模式之前，進(jìn)行準(zhǔn)備過程，即將所述基于浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人開機(jī)入水，通過所述通訊系統(tǒng)對所述姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置，設(shè)置命令執(zhí)行后，所述姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人開始工作。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

20、1.通過浮力調(diào)節(jié)裝置，降低能源消耗，同時(shí)定深懸浮性能可靠；

21、2.通過姿態(tài)調(diào)節(jié)與能源供應(yīng)一體化裝置，實(shí)現(xiàn)自持式剖面浮標(biāo)與無人水下航行器兩種模式的切換，同時(shí)具有浮潛、定深懸浮、航行功能，既能夠完成垂直剖面測量任務(wù)，也能夠?qū)?fù)雜形勢進(jìn)行及時(shí)的機(jī)動處理；

22、3.通過姿態(tài)調(diào)節(jié)與能源供應(yīng)一體化裝置與能源系統(tǒng)的巧妙結(jié)合，提高機(jī)體空間利用率，可根據(jù)具體觀測任務(wù)搭載種類豐富的傳感器；

23、4.系統(tǒng)簡單實(shí)用，成本低，可回收重復(fù)使用。

技術(shù)特征：

1.一種基于浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人，包括耐壓殼體、艏端蓋、通訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)翼、ctd傳感器、天線、艉端蓋，其特征在于，還包括姿態(tài)調(diào)節(jié)與能源供應(yīng)一體化裝置、浮力調(diào)節(jié)裝置、推進(jìn)裝置，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)電池組和所述平移電池組為半環(huán)狀，其能夠用于為所述姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人提供能源。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人，其特征在于，所述環(huán)狀凸起部件包括布置在所述旋轉(zhuǎn)電池組與所述內(nèi)油箱接觸面的旋轉(zhuǎn)電池組軌道與限位器，所述旋轉(zhuǎn)電池組軌道用于保證所述旋轉(zhuǎn)電池組在繞軸旋轉(zhuǎn)過程中不進(jìn)行軸向平移；所述限位器位于所述環(huán)狀凸起部件的水平對稱面上，用于避免因所述旋轉(zhuǎn)電池組過度旋轉(zhuǎn)而造成電池組之間的行程沖突。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人，其特征在于，所述位移傳感器固定于所述姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人的內(nèi)部端部，與所述平移電池組的移動軌跡平行，用于反饋所述平移電池組移動的距離。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人，其特征在于，所述第一齒輪為直齒內(nèi)齒輪，所述第二齒輪為齒輪標(biāo)準(zhǔn)件。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人，其特征在于，所述拉線位移傳感器通過測量所述內(nèi)油箱中所述活塞的移動距離反饋油量的變化。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人，其特征在于，所述通訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、姿態(tài)調(diào)節(jié)與能源供應(yīng)一體化裝置、浮力調(diào)節(jié)裝置依次布置在耐壓殼體內(nèi)部；所述ctd傳感器、天線布置在所述艏端蓋前；所述外油囊布置在所述艉端蓋后。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人，其特征在于，所述控制系統(tǒng)通過向所述姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人發(fā)送指令控制，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)節(jié)，獲取來自所述ctd傳感器的數(shù)據(jù)，并經(jīng)由所述通訊系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)反饋。

9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的基于浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括三種模式：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人的使用方法，其特征在于，在實(shí)施所述剖面運(yùn)動模式、所述姿態(tài)調(diào)整模式、所述航行模式之前，進(jìn)行準(zhǔn)備過程，即將所述基于浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人開機(jī)入水，通過所述通訊系統(tǒng)對所述姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置，設(shè)置命令執(zhí)行后，所述姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人開始工作。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的姿態(tài)可調(diào)節(jié)水下機(jī)器人，包括耐壓殼體、艏端蓋、通訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)翼、CTD傳感器、天線、艉端蓋，其特征在于，還包括姿態(tài)調(diào)節(jié)與能源供應(yīng)一體化裝置、浮力調(diào)節(jié)裝置、推進(jìn)裝置。本發(fā)明通過姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)0°～90°的俯仰角連續(xù)性調(diào)節(jié)，通過浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、推進(jìn)器分別實(shí)現(xiàn)節(jié)能的垂直浮潛運(yùn)動以及高效的水平航行運(yùn)動。此外，通過姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)與能源系統(tǒng)的巧妙結(jié)合，提高機(jī)體空間利用率，使得能夠根據(jù)具體觀測任務(wù)搭載種類豐富的傳感器。

技術(shù)研發(fā)人員：許暉,劉昕禹,崔榮鑫,白治平
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6