一种基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人及其工作方法技术

本发明专利技术涉及一种基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人及其工作方法，属于水下仿生机器人技术领域，包括头部组件、胸鳍关节组件、螺旋桨推进器组件、尾部组件四大部分；本发明专利技术结合了仿生推进的隐蔽性和高机动性以及螺旋桨推进的快速性等优点，通过控制各仿生鳍驱动舵机的摆动频率和角度，以及螺旋桨驱动电机的转速和方向，使仿生摆动和螺旋桨驱动相互配合来精确控制航行器的运动姿态，能够实现水下滑翔、巡游、变速、转弯多模态复杂的空间运动以及跨介质跃水运动。对制造高效率、高机动灵活性、低能耗、低成本、对环境扰动小的探测设备具有重要的指导和借鉴意义。有重要的指导和借鉴意义。有重要的指导和借鉴意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人及其工作方法


[0001]本专利技术涉及一种基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人及其工作方法，属于水下仿生机器人


技术介绍

[0002]近年来海洋装备发展迅猛，自主式水下航行器在水下资源勘察、水下救援、水下信息探测等方面发挥了重大作用。随着海洋科技的日益发展，目前包括仿鱼机器人在内的水下仿生机器人也越来越受到国内外研究者的关注。
[0003]传统的自主式水下航行器以螺旋桨推进器为驱动装置，例如，中国专利文件CN101596931A公布的一种三螺旋桨主动矢量推进的方法，利用三个螺旋桨多方位的主动矢量推进力的有机配合，实现水下航行器前进、后退、转弯以及上浮下潜等各种机动动作。类似的螺旋桨推进式水下航行器通过多个推进器的协同控制来获得较大的载体操控力和力矩以控制其运动，但该类潜器往往体积庞大、功耗大、隐蔽性以及续航能力差。
[0004]仿鱼设计的水下机器人大多将运动驱动源靠近其尾部，通过设计制作单关节或多关节的舵机或电机驱动联合摆动结构以模拟鱼类的波状游动。例如，中国专利文件CN101033000A公布了一种多关节波动推进鱼形机器人，利用驱动电机连接多级传动连杆模拟鱼类游泳运动时的身体波动运动，并通过胸鳍同步转动实现上浮和下潜功能。该类仿生水下航行器通过身体与鱼鳍的协调配合实现巡游、变速、转向、潜浮等多模态连续动作，与基于螺旋桨推进器的传统水下航行器相比，具有推进效率高、机动灵活性强、隐蔽性好以及对周围环境影响小等优点。虽然仿生设计的方式优势明显，但在复杂环境水域作业时，中小型的仿鱼机器人却容易受到洋流和水环境不稳定因素的影响，同时，受限于仿生推进条件，产生的推进力相对较弱，导致其运动性能相对较差。
[0005]显然，以上单一推进方式的两类水下航行器都有自身的优缺点，同时二者具有较强的互补性，复合推进方式能够通过取长补短兼顾两种推进方式的优势，同时弱化其各自的缺陷，具有较大的研究和开发价值。例如，中国专利文件CN110588931A公布了一种基于胸鳍与螺旋桨混合推进的水下仿生航行器，以蝠鲼为仿生对象，通过螺旋桨配合胸鳍的协同运动，推进效率和推进速度都有明显提升，且运动更灵活；中国专利文件CN109292061A公布了一种仿生摆动与螺旋桨混合推进的双体水下航行器，结合了仿生摆动式和螺旋桨式推进，通过尾部尾鳍的摆动实现在水平方向上的仿生摆动式推进以及小半径转弯；竖直方向上通过中部前后两个螺旋桨实现快速上浮下潜，提高了航行器上浮下潜时的速度，同时降低了设备整体功耗。
[0006]鱼类中的飞鱼科在长期生存竞争中形成了一种逃避敌害的高超技能——跃水，海豚也有类似的运动。然而，目前检索到的资料涉及的螺旋桨推进式或仿生摆动式水下航行器大都仅能实现单一的水下的运动，而跨介质的跃水运动是水下机器人高机动行为的重要体现，它能够使机器人具备水面以上目标的跟踪监测功能。因此，研制开发具有高速游动跃
水功能的混合推进式仿鱼机器人，可为提高水下机器人速度和机动性提供新的思路方案和技术途径。需要说明的是，上述内容属于专利技术人的技术认知范畴，并不必然构成现有技术。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人及其工作方法，结合了仿生推进的隐蔽性和高机动性以及螺旋桨推进的快速性等优点，配备了一个混合驱动推进系统，同时具有鱼类生物启发的推进器，即驱动鱼鳍，以及传统水下航行器使用的螺旋桨。采用这种解决方案既可以兼顾运动性能和能量消耗，又可以更好地融合两种推进方式的优点。
[0008]术语解释：
[0009]1、低速巡游：是指在水域开阔地带缓慢推进，游动速度不超过每秒2倍体长(水下机器人的总长度)；
[0010]2、高游速：是指游动速度为每秒2倍体长以上。
[0011]本专利技术采用以下技术方案：
[0012]一种基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人，包括头部组件、胸鳍关节组件、螺旋桨推进器组件、尾部组件四大部分；
[0013]所述头部组件和尾部组件前端完全密封形成密封舱，胸鳍关节组件和螺旋桨推进器组件防水能够直接暴露在水中，四大部分之间能够进行通信与供电；
[0014]所述头部组件用于水下机器人的控制和传感，以及控制水下机器人动作，监测运动状态，同时与上位机通讯；
[0015]所述胸鳍关节组件和尾部组件构成机器人的仿生驱动器，与螺旋桨推进器组件共同构成混合推进系统。配合螺旋桨推进和仿生推进的多种动力形式，可极大提高机体在水中的灵活性和机动性，解决小型水下机器人应用范围小、控制难度大及使用环境要求高的问题，通过挂载不同的监测传感设备可以将其应用在不同的行业和领域。
[0016]优选的，所述头部组件包括额部外壳、视觉模块、姿态角度传感器、背部外壳、背鳍、电池降压模块、STM32单片机、控制模块安装板、锂电池、电池盒、舵机控制器、额部密封盖板以及补光灯泡；
[0017]所述头部组件通过电池盒与胸鳍关节组件螺钉固定连接，补光灯泡与视觉模块通过螺钉固定于额部外壳内，并利用额部密封盖板封装；所述姿态角度传感器、电池降压模块、STM32单片机以及舵机控制器利用阳螺柱安装在控制模块安装板上；所述锂电池放置于电池盒内，背部外壳、控制模块安装板以及电池盒自上至下采用螺钉连接形成密封，背鳍螺钉之间固定在背部外壳上；
[0018]优选的，STM32单片机可选用STM32F103C8T6型，舵机控制器可选用16路PcA9685型，用于与上位机通信和控制舵机动作，实现鱼鳍的仿生摆动；
[0019]所述视觉模块采用OpenMV视觉模组，配备OV7725摄像头，能够通过OpenMV视觉模组识别物体并与STM32单片机通信。
[0020]优选的，所述胸鳍关节组件包括胸鳍关节连接板、两侧的胸鳍关节以及胸鳍关节支撑架；每一胸鳍关节包括外螺纹轴承固定壳套、第一舵机下防水外壳、第一舵机支撑板、第二胸鳍舵机(防水)、第一舵机上防水外壳、胸鳍、胸鳍安装支架、第一胸鳍舵机、外螺纹轴
承和橡胶垫片；
[0021]所述头部组件的电池盒分别与胸鳍关节连接板、胸鳍关节支撑架螺钉连接，所述胸鳍关节支撑架与螺旋桨推进器组件固定连接；
[0022]两侧的胸鳍关节前部分别通过其外螺纹轴承固定壳套与胸鳍关节连接板螺钉连接，后部分别通过其第二胸鳍舵机与胸鳍关节支撑架螺钉连接；两侧的胸鳍关节结构以连接方式相同，对于一侧的胸鳍关节，第一胸鳍舵机通过螺钉固定在第一舵机支撑板上，与第一舵机上防水外壳、第一舵机下防水外壳通过螺钉固定形成密封的防水外壳；防水外壳前端安装有外螺纹轴承，外螺纹轴承和橡胶垫片外套有外螺纹轴承固定壳套；防水外壳后侧通过螺钉与第二胸鳍舵机的金属舵盘固连；所述第一胸鳍舵机的金属舵盘通过螺钉与胸鳍安装支架固连，所述胸鳍安装支架通过螺钉连接胸鳍；
[0023]第一胸鳍舵机下防水外壳一端连接第二胸鳍舵机的金属舵盘，另一端通过外螺纹轴承配合橡胶垫片安装在外螺纹轴本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人，其特征在于，包括头部组件、胸鳍关节组件、螺旋桨推进器组件、尾部组件四大部分；所述头部组件和尾部组件完全密封形成密封舱，胸鳍关节组件和螺旋桨推进器组件防水能够直接暴露在水中，四大部分之间能够进行通信与供电；所述头部组件用于水下机器人的控制和传感，以及控制水下机器人动作，监测运动状态，同时与上位机通讯；所述胸鳍关节组件和尾部组件构成机器人的仿生驱动器，与螺旋桨推进器组件共同构成混合推进系统。2.根据权利要求1所述的基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人，其特征在于，所述头部组件包括额部外壳、视觉模块、姿态角度传感器、背部外壳、背鳍、电池降压模块、STM32单片机、控制模块安装板、锂电池、电池盒、舵机控制器、额部密封盖板以及补光灯泡；所述头部组件通过电池盒与胸鳍关节组件螺钉固定连接，补光灯泡与视觉模块通过螺钉固定于额部外壳内，并利用额部密封盖板封装；所述姿态角度传感器、电池降压模块、STM32单片机以及舵机控制器利用阳螺柱安装在控制模块安装板上；所述锂电池放置于电池盒内，背部外壳、控制模块安装板以及电池盒自上至下采用螺钉连接形成密封，背鳍螺钉之间固定在背部外壳上；优选的，STM32单片机选用STM32F103C8T6型，舵机控制器选用16路PcA9685型，用于与上位机通信和控制舵机动作，实现鱼鳍的仿生摆动；所述视觉模块采用OpenMV视觉模组，配备OV7725摄像头，能够通过OpenMV视觉模组识别物体并与STM32单片机通信。3.根据权利要求2所述的基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人，其特征在于，所述胸鳍关节组件包括胸鳍关节连接板、两侧的胸鳍关节以及胸鳍关节支撑架；每一胸鳍关节包括外螺纹轴承固定壳套、第一舵机下防水外壳、第一舵机支撑板、第二胸鳍舵机、第一舵机上防水外壳、胸鳍、胸鳍安装支架、第一胸鳍舵机、外螺纹轴承和橡胶垫片；所述头部组件的电池盒分别与胸鳍关节连接板、胸鳍关节支撑架螺钉连接，所述胸鳍关节支撑架与螺旋桨推进器组件固定连接；两侧的胸鳍关节前部分别通过其外螺纹轴承固定壳套与胸鳍关节连接板螺钉连接，后部分别通过其第二胸鳍舵机与胸鳍关节支撑架螺钉连接；两侧的胸鳍关节结构以连接方式相同，对于一侧的胸鳍关节，第一胸鳍舵机通过螺钉固定在第一舵机支撑板上，与第一舵机上防水外壳、第一舵机下防水外壳通过螺钉固定形成密封的防水外壳；防水外壳前端安装有外螺纹轴承，外螺纹轴承和橡胶垫片外套有外螺纹轴承固定壳套；防水外壳后侧通过螺钉与第二胸鳍舵机的金属舵盘固连；所述第一胸鳍舵机的金属舵盘通过螺钉与胸鳍安装支架固连，所述胸鳍安装支架通过螺钉连接胸鳍；第一胸鳍舵机下防水外壳一端连接第二胸鳍舵机的金属舵盘，另一端通过外螺纹轴承配合橡胶垫片安装在外螺纹轴承固定壳套内，两侧胸鳍关节的外螺纹轴承固定壳套由胸鳍关节连接板连接，第二胸鳍舵机转动时，外螺纹轴承内圈转动，进而整个第一胸鳍舵机转动；优选的，第二胸鳍舵机为大扭矩防水舵机，第一胸鳍舵机为普通舵机，每一胸部关节的两个自由度分别由第一胸鳍舵机和第二胸鳍舵机提供，即第一胸鳍舵机、第二胸鳍舵机各
两个，分别用于控制左右胸鳍关节的摆动和偏转。4.根据权利要求3所述的基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人，其特征在于，所述螺旋桨推进器组件包括螺旋桨推进器支撑架、潜浮螺旋桨推进器和两侧螺旋桨推进器；所述胸鳍关节支撑架与螺旋桨推进器支撑架螺钉连接；所述潜浮螺旋桨推进器和两侧螺旋桨推进器均由7.4V直流微型电机驱动，7.4V直流微型电机由电机控制器控制，电机控制器与STM32单片机连接通讯；所述潜浮螺旋桨推进器安装在螺旋桨推进器支撑架中间，7.4V直流微型电机的输出轴垂直于躯干所在平面；两侧螺旋桨推进器分别安装在螺旋桨推进器支撑架两侧，7.4V直流微型电机的输出轴与躯干的轴向平行。5.根据权利要求4所述的基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人，其特征在于，所述尾部组件包括偏转电机密封舱、偏转电机密封舱盖、尾鳍舵机连接板、电机控制器密封壳、尾鳍、尾鳍舵机、电机控制器固定板、尾部过渡连接板、偏转电机连接件、偏转电机和电机控制器；所述螺旋桨推进器组件的螺旋桨推进器支撑架与偏转电机密封舱螺钉连接；所述偏转电机输出轴连接偏转电机连接件，通过螺钉固定在偏转电机密封舱内，并与偏转电机密封舱盖形成密封；所述尾部过渡连接板前后分别与偏转电机连接件和电机控制器固定板螺钉连接；所述电机控制器通过阳螺柱和螺钉固定在电机控制器固定板上，电机控制器密封壳与电机控制器固定板利用螺钉固连形成密封，电机控制器分别与潜浮螺旋桨推进器和两侧螺旋桨推进器连接，用来控制潜浮螺旋桨推进器和两侧螺旋桨推进器联合运动；所述尾鳍利用螺钉固定在尾鳍舵机上，尾鳍舵机接板通过螺钉连接电机控制器密封壳和尾鳍舵机的金属舵盘；优选的，尾部舵机为大扭矩防水双轴舵机，末端固连尾鳍，通过仿生摆动产生向前的推力。...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛钢，白发刚，刘延俊，郭磊，任平顺，黄健堃，李厚池，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：