[实用新型]一种水下机器人沉浮及姿态控制器

说明书

技术领域

本实用新型涉及水下机器人结构设计的技术领域，更具体地，涉及一种水下机器人沉浮及姿态控制器。

背景技术

目前，主流的中小型水下机器人使用螺旋桨旋转产生反作用力来实现沉浮及姿态控制。水下机器人在水中共有6个自由度，包括：进退、横移、沉浮、转艏、横摇、纵倾，通常采用一个螺旋桨产生推力控制一个自由度设计方法。这种方法的缺点在于：需要螺旋桨保持工作状态以维持稳定的推力，产生振动、能耗、噪音的问题；对于需要多自由度控制的水下机器人，常常需要很多个螺旋桨才能达到目的，使得设备结构复杂。

据有关文献，国内少数研究机构对采用压缩空气变体积设计方案的中小型水下无人潜航器进行了研究，经过相关资料的收集，主要存在以下问题：机械结构复杂，可靠性不高；重量大，无法通过自身浮力实现沉浮；仅仅能够实现沉浮控制的功能。

发明内容

本实用新型为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，本实用新型结合国内中小型相关中小型水下无人潜航器研究，提供一种水下机器人沉浮及姿态控制器，该结构采用压缩空气变体积的设计方案，在不使用螺旋桨的情况下，以双浮筒结构实现水下机器人沉浮及姿态控制。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种水下机器人沉浮及姿态控制器，其中，包括框架结构、设于框架结构上的浮筒装置、固定浮筒装置的固定装置，所述的浮筒装置上设有气阀装置，框架结构的侧部还设有推进装置。

本实用新型中，水下机器人主要由两个并排浮筒、推进装置、框架组成。浮筒内双轴步进电机两端分别连接离合器，再通过齿轮传动，带动丝杆转动，通过连接板上的丝杆螺母，使左右两端活塞能够可控地分别或者同时做往复运动， 从而改变平台重心、浮心位置以及浮力大小，实现水下机器人的沉浮及姿态控制。

优选地，考虑到水下环境的复杂性，浮筒设计应尽量减少开孔，避免应力集中，本新型采用了一体式机架的设计方案，机架底部呈圆弧状并与浮筒外壳贴合，使得在浮筒外壁开两个孔即可完成内部机架的固定。

优选地，本新型采用预充气加内压的优化方案，针对”浮筒+活塞“的压缩空气变体积方案存在动密封困难的问题，采用单向气阀在浮筒内预加一定的气压，通过仿真分析及试验验证，得到准确的预加压力，使浮筒在工作水位内压略大于水压，实现有效的防水保护。这一设计的优点有：浮筒在工作水深时内外压强差小，出现密封故障时进水少；浮筒内外压强差小；内部结构丝杆基本处于受拉状态，稳定性好。

优选地，本新型活塞部分采用偏心设计，既丝杆轴心与活塞轴心不在同一位置，可以防止丝杆转动时活塞转动。同时活塞部分还设计有抗扭钢管，用于减少扭力对密封圈密封效果的影响。

优选地，本新型采用内部卸力设计，浮筒内外气压差产生对活塞的压力、拉力通过丝杆传递到双向带座推力轴承，左右两端轴承座通过螺杆连接，使得左右两端活塞上的压力相互抵消，减少对机架的作用力，提高整体稳定性。

优选地，本新型采用“嵌入式单片机+labview”的控制结构，通过研究机器人的运动性，构建有智能轨迹跟踪系统。采用传感器采集六轴和加速度相关数据，通过研究机器人的稳定性与运动控制，建立有姿态控制系统。针对水下机器人六个自由度参数、浮心重心位置及大小、环境水动力，这三者之间难以建立准确的数学联系的问题，采用PID控制算法进行动态调节。采用Matlab软件编程和仿真，通过压力传感器等感应器，设计有机械自检系统。

与现有技术相比，有益效果是：沉浮、横摇、纵倾是水下机器人水下工作时最常需要控制的3个自由度，本实用新型采用可以使水下机器人在不使用螺旋桨的情况下，实现上述3个自由度的控制，使设备震动小、噪音低、功耗小，适合长时间在水下工作。

附图说明

图1是本实用新型的主体结构示意图。

图2是本实用新型的浮筒内部结构图。

图3是本实用新型剖面结构示意图。

图4是本实用新型坐标示意图。

图5是本实用新型第一沉浮、姿态控制示意图。

图6是本实用新型第二沉浮、姿态控制示意图。

图7是本实用新型第三沉浮、姿态控制示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。