[发明专利]基于矢量推进的球形水下机器人

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种潜器或水下机器人，具体的说是一种球形水下机器人。

背景技术

随着科技的发展，海洋扮演的角色越来越被重视，对海洋的开发也已经成为我国的发展战略，其中水下机器人作为一种海洋开发的重要手段，可以代替人类执行诸多与探测海洋相关的任务，已经越来越得到国家的重视。

水下机器人通常可分为有缆水下机器人和无缆水下机器人。有缆水下机器人最大的特点就是可以精确接受操纵人员的控制，并可实时返回机器人得到的各种数据，因而得到了很广泛的应用。其中球形水下机器人具有完全对称的特点，在外形上具有各向同性，即各个方向迎接来流的形式相同，具有深入的研究价值。

水下机器人的选型取决于它具体要完成的任务。国内方面，近年来北京邮电大学的孙汉旭、兰晓娟等人以及哈尔滨工程大学的郭书祥等人均对球形水下机器人展开研究。国外方面，夏威夷大学研制的机器人ODIN、西班牙赫罗纳大学研制的机器人URIS、英国曼彻斯特大学研制的机器人MK V和MK VI，均是以球形为轻外壳的水下机器人。

上述水下机器人均是采用的常规推进方式，大体可总结为如下几点：一是在球形轻外壳上开孔，使用喷水推进；二是使用少量的推进器通过螺旋桨的正反转实现运动；三是使用更多的推进器实现不同的运动。但上述三种情况均存在不足，总结可分为如下几种：一是水下机器人灵活性受到限制，即无法完成全部自由度的运动；二是推进器固定则为了改变航行方向势必会出现螺旋桨反转的情况，而螺旋桨反转的推力大小要比正转推力小很多，容易影响航行速度或者稳定性；三是虽然使用更多的推进器会一定程度上增加灵活性，但也占用了更多的空间，增加了机器人的成本，且也无法保证螺旋桨始终处于正转状态；四是机器人没有闭环控制的调节方法从而无法保证航行的平稳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操纵性和稳定性好的基于矢量推进的球形水下机器人。

本发明的目的是这样实现的：

包括球形轻外壳、安装在轻外壳内部的主体框架和耐压舱、安装在耐压舱内部的控制电路，在所述轻外壳的四周布置有四个推进器，在主体框架上安装四个依据球心环向均匀布置的旋转轴，所述推进器固定在旋转轴的外端，旋转轴的另一端连接推进器舵机，所述推进器为科特导管推进器，推进器内部安装无刷电机，所述控制电路包括主控制芯片、电池、电压转换芯片、姿态传感器和光端机，耐压舱的封头上设置供光纤及控制电路的电线通过的通水密接头，在机器人顶部和底部分别设置摄像机、底部设置机械手。

本发明还可以包括：

1、光纤连接两个光端机实现水上和水下之间的通信，所述光端机具有2路摄像头接口，1路485接口与一路网络接口，所述光端机的在水下部分将视频信号与网络信号转化为光信号，光信号通过所述光纤进行传输；所述光端机的水上部分将光信号解码为视频信号与网络信号，并使用视频采集卡将视频信号传给电脑。

2、机械手布置于底部摄像机两侧。

本发明根据水下机器人对操纵性、稳定性的要求，提供了一种基于矢量推进的球形水下机器人。该机器人为遥控水下机器人，即ROV，主要技术特点包括：机器人的外形为球形，即使用球形壳作为轻外壳。轻外壳四周有四个可以绕通过球心的轴旋转的推进器，推进器采用科特导管推进器，内部安装无刷电机，推进器与轴固定，轴的另一端连接水下舵机，所述轻外壳内部为水下机器人的主体框架以及耐压舱，所述耐压舱内部是控制水下机器人的各种电子元件，包括主控制芯片、电池、降压芯片、姿态传感器、光端机等等。耐压舱的封头通过水密接头使光纤和电子元件的电线通过。机器人顶部和底部分别放置摄像机，机器人底部放置机械手。

降压芯片置于电源管理模块集成电路中，用于调节电池的电压，降压芯片可以将电池的电压输出为3.3V、5V、12V等不同大小的电压，进而给所述主控制芯片、无刷电机、光端机、姿态传感器等元件供电。

所述姿态传感器可以使操作者读取机器人姿态的实时数据，通过人为或自主地及时修改所述水下机器人的航态。

所述水下机器人使用光纤连接两个光端机实现水上和水下之间的通信，所述光端机具有2路摄像头接口，1路485接口与一路网络接口，用于连接所述摄像头，所述光端机的在水下部分将视频信号与网络信号转化为光信号，光信号通过所述光纤进行传输，所述光端机的水上部分将光信号解码为视频信号与网络信号，并使用视频采集卡将视频信号传给电脑。

所述水下机器人的上部和下部分别布置一个摄像机，用于航行时的观察以及机械手的操作。