一种电控仿生蓝点魟水下推进器的制作方法

本实用新型涉及水下航行器领域，尤其是涉及一种仿生结构航行器。

背景技术：

随着人类文明的不断发展，地球上陆地资源日趋枯竭。因此，人类开始将目光投向海洋。人类对海洋的开发利用已逐渐成为当前科学研究的热点，适应海洋环境的水下推进器是人类开发和勘探海洋资源所必需的工具。目前绝大多数的水下推进器采用了螺旋桨推进系统

以螺旋桨作为推进系统的水下推进器，存在效率低、推进噪音大、产生较大尾涡影响周围生态环境、机动性能差、系统体积大、瞬时响应的严重滞后、可靠性难以保证等缺点，所以以螺旋桨为推进系统的水下航行器不能满足高机动性、运动灵活等要求。

而随着人类对海洋的不断了解，以蓝点魟、蝠鲼、大西洋牛鼻鲼等为典型代表的鳐形目鱼类，具有良好的运动性能，游动机动性强，鱼鳍受载面积大，游动扰动小，其超凡的游动机动性能、低扰动性和高效率是传统的螺旋桨推进系统所望尘莫及的。鳐鱼的游动推进模式具有高机动性、低扰动性以及高效率等传统推进系统所不具备的优点，为人类研究和开发能够更好地适应海洋水下环境的推进系统提供了模仿对象。

螺旋桨产生推力面产生机动控制力，这种机械设计对于推进器巡航速度行驶于空旷的海域的应用领域是经济有效的，但是由于机动控制力依赖于流体在操控舵面上流动产生的升力，在低速下难以实现机动，此外这类推进器在尾迹产生大量大带宽的噪声，导致一些水下生态系统遭到破坏。

波动鳍推进，通过波动或摆动硕大柔韧的胸鳍产生推进力，在复杂环境下也能保持很高的机动性能并能很好的抑制紊流(湍流)。但由于波动鳍在波动过程中水的相互作用十分复杂，目前还没有一个能十分准确描述波动模型的理论。已有的鱼类推进理论大都基于势流、线性边界条件和尾迹形状固定的假设，尚不能分析流体与鱼体之间的非线性作用，也无法解决尾迹的动态变化问题，不能精确描述真实鱼类的游动过程，计算结果仅能定性地指导仿生机器鱼的设计。但是目前基于波动鳍的航行器原型机的研制以及航行器在水中的多模态运动控制及定深定向等简单闭环控制运动等功能不太成熟，水下航行器与真实波动鳍推进鱼类游动还存在非常明显的差距。

现有仿生航行器得电控系统要么过于简单，要么过于庞大复杂，既要满足航行器的动力及各种功能的实现，又要尽可能做到轻量、简化，以期达到一种平衡，也是亟待解决的技术问题；同时，电控系统的防水密封也是水下航行器的难题。

技术实现要素：

针对以上现有技术问题，本实用新型的目的在于提供一种按照功能仿生的思路研制具有类似仿生对象的运动特征，进而为波动鳍运动学建模以及计算流体力学仿真计算提供依据，也为波动鳍推进单元的仿生结构设计提供参考，同时基于该结构提供一种满足动力及功能实现同时轻量、简化的电控系统，并对电控系统提供防水密封结构,

具体技术方案如下：

一种电控仿生蓝点魟水下推进器，包括：一对胸鳍系统、主体和尾巴系统，所述胸鳍系统包括多个摆动结构、电机、偏心轮轴和转动主轴，所述摆动结构包括U形架和鳍条，所述鳍条固接在所述U形架上，所述U形架内设偏心轮，各偏心轮固定在偏心轮轴上，所述U形架还设有转动主轴孔，所述U形架可围绕所述转动主轴转动；所述主体的核心桶内设有电气系统，所述电气系统包括电池管理模块和传感器模块，所述传感器模块包括步进电机模块、舵机模块、摄像头模块、无线通信模块、树莓派、声波换能器、温度传感器、压力传感器。

进一步地，所述电池管理模块采用电池，所述电池具有泄压安全阀、热敏电阻和高分子隔膜。

进一步地，所述电池管理模块采用两组电池，第一组为步进电机、摄像头、声波换能器供电，第二组则为舵机和树莓派控制器及各类传感器进行单独供电。

进一步地，第一组电池采用4串3并，第二组电池采用2串3并的方式。

进一步地，所述树莓派集成有WIFI天线，所述WIFI天线通过天线的线缆拉到水面以上。

进一步地，所述树莓派作为主控制器分别与摄像头、步进电机、舵机、温度传感器、压力传感器以及声波换能器有线连接并进行通信。

进一步地，所述摆动结构以所述主体的核心桶为中心对称设计。

进一步地，所述主体的核心桶采用给水管，上下具有桶盖，所述桶盖的中间留有安装密封胶圈的位置。

进一步地，核心桶上盖中间具有凸起的圆柱部，所述圆柱部具有两个凹槽，所述凹槽内放置密封胶圈，所述圆柱部表面中心具有六个通孔，导线穿过所述通孔，连接核心桶内部控制电路和外部的元件或传感器；和/或,所述核心桶上盖外圈具有八个孔，其中六个通孔无螺纹，将外圈六等分安装固定螺丝，另外两个通孔有螺纹，在拆卸时通过螺丝将上盖抬升。

进一步地，还包括上盖卡圈，所述上盖卡圈连接所述核心桶上盖和核心桶。

与目前现有技术相比，本实用新型的优点在于：按照功能仿生的思路研制具有类似仿生对象的运动特征从而实现真正神似的仿生效果；同时基于该结构，实现了电控系统的优化，并对电控系统提供防水密封。具体结构优点在具体实施方式部分中体现

附图说明

图1为仿生蓝点魟整体结构图；

图2为胸鳍整体结构图；

图3为胸鳍摆动结构图；

图4为两侧摆动结构加核心桶截面图；

图5为U型架侧面图；

图6为U型架凹槽示意图；

图7为内部电气系统图；

图8为通信系统图；

图9为核心桶结构图；

图10为核心桶上盖和上盖卡圈结构图。

图中附图标记：偏心轮轴1,转动主轴2,U形架3,鳍条4,偏心轮5,转动主轴孔6,仿生凹槽7,旋转轴8,固定孔9,卡钳10,滑槽11,凹槽12，核心桶上盖13，核心桶下盖14，上盖卡圈15。

具体实施方式

下面根据附图对本实用新型进行详细描述，其为本实用新型多种实施方式中的一种优选实施例。

参见图1-10，仿生蓝点魟水下推进器包括一对胸鳍、主体、和尾巴系统，在设计MPF 模式仿生航行器的设计时，为完成基本的六个自由度的运动之外，必须要有良好的机动性、扰动小、高效率等特点，所以在实际机械设计中，须满足以下要求。

a.在整个机械设计时，一定要考虑仿生航行器的所受浮力和自身重力的大小。尽量保证航行器本身在水里属于零浮力状态，另外保证质量呈左右前后对称，仿生航行器的总体重心和浮心位于整个航行器的中间位置。重心要低，在中心的正下方，这样才能保证航行器在水中航行时即使有外界的扰动依然能平稳的运动。在选择各个零件的时候，在满足零件强度等性能的前提下，尽量选择质量轻的材料，减轻航行器本身的重量。

b.考虑到航行器的推进方式时胸鳍的推动方式，所以胸鳍部位的机械设计和蒙皮材料要保证能产生良好的波形效果，且波形完整，易于控制。所以要机械结构稳定，蒙皮材料尽量选择高弹性、低硬度的柔性材料，最终能产生相应的柔性变形。尽量使用圆滑的过渡流线和减阻材料减小航行器在水中的阻力。

一种仿生蓝点魟水下推进器，包括：一对胸鳍系统、主体和尾巴系统，所述胸鳍系统包括多个摆动结构、电机、偏心轮轴1和转动主轴2，所述摆动结构包括U形架3和鳍条 4，所述鳍条4固接在所述U形架3上，所述U形架3内设偏心轮5，各偏心轮5固定在偏心轮轴1上，所述U形架3还设有转动主轴孔6，所述U形架3可围绕所述转动主轴2 转动；所述主体的核心桶内设有电气系统，所述电气系统包括电池管理模块和传感器模块，所述传感器模块包括步进电机模块、舵机模块、摄像头模块、无线通信模块、树莓派、声波换能器、温度传感器、压力传感器。

电源的选型

电源选型为进口松下电芯18650电池，有泄压安全阀(CID)、热敏电阻(PTC)、高分子隔膜(PME)三重防线保障。且电池保证大电路稳定输出。可以数千次充放电使用。且其电池有以下特点

a.过流保护，防止电池放电电流过大。

b.短路保护，产品在发生短路时自动保护。

c.低压保护，防止电池充、放电电压过高。

d.过充保护，防止电池过度充电。

e.温度控制，防止电池过功率放电。

电源的分配

电源组由多个18650锂离子电池串并联，并加入智能电路保护板组装而成。为尽量减少电压在转压过程中的能量损耗，电源在分配中分为两组电池。两个电池组的电容量都可以给各个模块进行充足的供电。如图7所示，第一组为步进电机、摄像头、声波换能器供电，其中声波换能器需要通过升压模块将电压转压到24V额定电压使用，电池4串3并，标准电压 16.8V、8400mAh，符合电机驱动板的供电范围。

第二组则为舵机和树莓派控制器及各类传感器进行单独供电。其中舵机可以直接与电池组连接，其他大部分传感器需要通过转压模块进行供电。电池2串3并，标准电压7.4V、 8400mAh。

这样的型状设计可以更好地利用桶内的剩余空间，两者形成等腰梯形的横截面可更好地与圆桶内壁进行贴合。并能更好地降低航行器主控桶的重心，使仿生鱼的航行更加稳定。

数据通信模块

仿生航行器在水下工作时主要完成两个通信任务，一个是如何与上位机控制人员通信，一个是如何与航行器自身的传感器通信。如图8所示：

与上位机控制人员通信

因为电磁波在水下传播受阻，特别是高频电磁波在水下传播更是困难，所以仿生航行器大多采用线缆或者通过线缆将数据发送至水面的浮漂的方式将数据发送至上位机或者接收控制指令。仿生蓝点魟仍然使用较为传统的通信方式，但是不同的是仿生蓝点魟内部的核心控制器使用树莓派，其自身集成了WiFi通信的功能，所以只需将树莓派的WiFi天线通过天线的线缆拉到水面以上即可(前期试验过程中使用网卡作为数据通信的中介，但是可能因为电流不足，或者USB延长线使数据有丢失，所以造成网卡实际使用效果不好，甚至经常断掉)。因为树莓派3b+使用的板载集成天线，通过两个小电容和T型电路，二树莓派3B有预留的天线接口，便于拓展。

控制及数据采集方式

当仿生航行器与上位机控制人员建立了通信连接之后，就是上位机控制人员如何将控制指令传送给仿生航行器以及上位机操控人员如何获得获得仿生航行器的传感器数据及将视频图像可视化，具体实施方式是仿生航行器内部主控制器树莓派预安装远程控制软件 team viewer，上位机操作人员在PC端或者移动端安装匹配型号的team viewer，上位机通过远程控制软件控制水下航行器，其整个界面及控制系统都集成在仿生航行器主控制器树莓派内部，树莓派与仿生航行器周围传感器是有线连接，树莓派将传感器数据既储存在内部，也通过远程通信软件发送至上位机操作人员。这样上位机就可以完成控制、数据储存、图像可视化等操作，这样可移植强，操作效果好。

航行器自身的传感器通信

a.主控制器与摄像头的通信：由于摄像头使用AV输出的模拟摄像头，由于树莓派不能直接读取模拟信号的摄像头，所以使用视频采集卡在中间进行将模拟信号转化成数字化信息，具体是将摄像头的AV接口与视频采集卡的视频捕捉接口，视频采集卡将数字化信息通过USB接口传送给树莓派，树莓派通过mplayer媒体播放器进行摄像头的图像的显示，并将视频播放窗口集成在树莓派的上用Qt搭建的控制界面中。

b.主控制器与步进电机通信：树莓派上有40个I/O口，便于进行嵌入式开发，但是如果直接驱动步进电机会出现电流不足，所以在控制步进电机时中间通过经过步进电机驱动板，树莓派只要一个I/O高低电平控制步进电机的方向，一个I/O的PWM波的频率控制步进电机的速度(注意时频率，不是PWM的占空比，具体见步进电机的工作原理)。

c.主控制器与舵机的通信：树莓派通过一个I/O模拟一路周期为25ms的PWM波，通过控制高电平持续的时间即可控制舵机的角度。

d.主控制器与温压传感器的通信：所选用的温压传感器有IIC和SPI两种通信方式，树莓派两种通信方式都具有，由于IIC引脚占用少且开源，所以使用树莓派的IIC与温压传感器通信，树莓派给温压传感器发送控制或者读取数据指令，再进行读取。

e.主控制器与声波换能器的通信：所选声波换能器通过周围电路即可完成整个采集过程，树莓派只需要一个引脚控制换能器24V的通断，一个引脚采集返回的数字信号，这样即可完成一个前方障碍物的距离测量，进而完成避障功能。

核心桶设计

核心桶主要放置控制电路传感器等电子元器件，且有线缆与外界接通，必须做到能在设计水深下具有很好的密封性，保护内部电路，部分AUV会将电池放入核心桶中(或者做单独的电池仓)，总体对整体的重心影响很大。

核心桶的设计必须具有以下要求

a.材料本身必须达到指定水深的抗压能力，主要关系到材料本身特性、形状、壁厚等因素，目前较为成熟的水下密封桶绝大部分使用柱形特殊的塑料或者金属材料，规整的柱形是理性情况下同等条件抗压能力最大，材料相同的情况下通过改变壁厚即可改变抗压能力。

b.必须要有保障的密封结构，且最好易于拆卸，目前水下密封桶较为成熟的是使用密封胶圈配合硅油使用控制尺寸即可达到很好的密封效果，但是这样不能保证端盖与防水密封桶桶身平行移动，所以必须要有适当的结构保证。

c.在保证设计抗压能力的及良好的水下密封效果时，尽量减少制作成本，降低加工难度，所以要更新结构来设计一款通用的水下密封桶。

航行器核心桶桶身使用工业上大量使用的给水管，材质为PE材料，为标件，较易于加工，在保证抗压能力的情况下尽量减少材料成本。上下桶盖使用硬质尼龙，中间留有安装密封胶圈的位置保证设计的防水密封效果。

核心桶的结构：

为便于加工且更好的提升抗压能力，水下密封桶一般采用圆柱桶，上下底密封，上底留有水密接头的孔。

核心桶桶身外径110mm，壁厚8.8mm，内径92.4mm，工业标准承受1.5MPa压力。

核心桶上盖的桶身部有两个凹槽，用来放置密封胶圈，表面中心有六个通孔，安装水密接头，用来通过导线连接核心桶内部控制电路和外部的元件或传感器。外圈有八个孔，其中六个通孔(无螺纹)将圆六等分用来安装固定螺丝，另外两个通孔(有螺纹)主要是在拆卸时通过螺丝将上盖抬升。

上盖卡圈主要是连接核心桶和核心桶上盖的部件，下部通过凸部与核心桶的凹槽卡住，使卡圈只能往下移动不能往上移动(中间还有一个辅助尼龙材料，这里不再多叙述)，卡圈周围有六个通孔(有螺纹)用来与核心桶上盖固定。

核心桶下盖用两层密封圈直接盖住，四周有六个螺丝孔直接与和核心桶本身连接，防止下盖与核心桶本身脱落，下盖使用硬度较高的尼龙6材料，其承压能力远大于核心桶本身PE 管的承压能力。

上面结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。