[发明专利]一种基于模块化设计的仿生水下科考平台

说明书

技术领域

本发明涉及自动控制、机械设计和仿生学等领域，特别涉及一种水下科考平台。

背景技术

智能水下机器人是将人工智能、自动控制、模式识别、信息融合与理解、系统集成等技术应用于传统的载体上，在无人驾驶的情况下自主地完成复杂水下环境中预定任务的机器人。目前，无人潜水器分为遥控潜水器(Remotely Operated Vehicle，简称ROV)和自治式潜水器(Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)两种，他们各具优点与不足。其中AUV具有水下活动范围大、机动性好、安全、结构简单等优点，主要用于海底地形地貌勘察、海洋资源及地质调查、海洋环境和水文参数测量、生物考察等等。由于自主式水下机器人在水下是自治工作，因此它的控制技术比ROV要复杂，但是它的潜在应用价值和不可替代性，已广泛引起各国海洋开发界的重视，AUV的研究代表了水下机器人的发展方向。

国外发展现况，2007年6月，在美国弗罗里达州举行了规模空前的自主水下航行器节。来自西方8个国家的约500名军方和科技人员参加了此次活动，共展示了81台套各类水下、地面和空中自主平台。从近期国内外已公布的研究资料可以看出，水下机器人一方面向着大型化、大航程、功能多样化发展；另一方面向着微小型化、功能专业化方面发展。其中有代表性的研究有如下几项：

一是美国海军委托宾西法尼亚大学研制的“海马”水下机器人，可执行远程扫雷任务，其主尺度为长8.4m，直径1.14m，质量5吨，航程555km，续航时间72h。在执行任务时，还可以搜集海洋数据和声呐图像。

二是日本东京大学浦瑕实验室开发的RZD4、manta-eeresia水下机器人。其中RZD4搭载有各种化学分析仪器，主要用于深海以及热带海区矿藏的观测调查。它长4.1m，宽1.1m，高0.81m，重1.6t，最大潜深为4000m。

三是俄罗斯海事科技研究所制造的MT-88是可以下潜6000米的预编程式水下机器人。该水下机器人装备的测量仪器有TV和静物照相机。MT-88长3.51m，宽1.12m，高1.19m，重量为1150Kg，最大速度为1m/s，水下连续工作时间为6h。

美国、日本等国已研制了多种微小型水下机器人，如REMUS系列、巡逻兵(Ranger)等，不仪实现了整体的微小型化，而且具有特定的作业功能。微小型水下机器人将向着控制的智能化、功能的多样化、总体设计的模块化、结构形式的多元化、应用方式的群体化、所载系统的集成化方向发展。

国内发展现况，从上世纪90年代开始，我国AUV的研制取得了重大突破。其在功能，结构与技术指标上日益与国际接轨，在此不予赘述。其中行课题立意新颖，实事求是，并有大量的理论数据，具体介绍如下：

一种多模态仿生科考平台，设计一种多模态仿生科考平台。它包括刚性鱼头，与鱼头连接的具有多个关节的柔性身体，包括一对左右独立控制的胸鳍和新月形尾鳍的仿鳍机构，设置在鱼头中的胸鳍驱动装置、控制电路、电源模块、无线双工通信模块和红外传感单元，鱼头中设置有测量鱼体深度的超声测距装置，及配套的小型换能器和外围滤波放大电路；有电机控制装置产生电机控制信号控制仿鳍机构的驱动电机运转，同时通过无线双工通信模块与上位机实施无线双工通信。提高了科考平台的灵活性、稳定性以及仿生特性，进而提高科考平台的作业能力、拓宽科考平台的应用领域。

基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人设计与实现。以基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人试验模型为背景，主要研究其设计与实现问题，首先，介绍了水下机器人试验模型的设计原则及其系统总体结构，然后重点研究了仿生柔性长鳍、主控模块与通讯系统、运动控制子系统的设计方法、系统构成和工作原理，最后介绍了试验模型的系统测试与航行实验结果及其结论，并指出了仿生水下机器人试验模型的改进重点和柔性长鳍波动推进技术今后的研究方向，基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人试验模型的研制成功，初步验证了柔性长鳍波动推进方式应用于水下机器人推进控制系统在原理上和技术上是可行的。

水下机器人新型仿鱼鳍推进器，防鱼鳍水下推进器作为一种具有效率高、运动灵活以及噪音低等优点的新型水下推进器越来越受到广大科技工作者的重视。并且分析了压电陶瓷在仿鱼鳍推进器中的应用和形状记忆合金在防鱼鳍推进器和水下机器人的应用。

但是，上述的这些现有技术所描述的水下机器人科考平台由于空间上的限制，使用单一，效率不高，且仿生驱动技术复杂，成本高，鱼体俯仰沉浮姿态调整比较困难。

发明内容