一种仿生水下滑翔机器人的制作方法

本实用新型属于机器人控制
技术领域：
，尤其涉及一种仿生水下滑翔机器人。
背景技术：
：目前，业内常用的现有技术是这样的：随着人们对海洋的探索范围越来越广，对海洋开发的需求越来越强，水下探测机器人成为全世界研究的对象。水下探测机器人又分为有缆水下机器人和无缆水下机器人，虽然有缆机器人能根据运动方式不同而分为摇曳试，海底移动式和浮游试，但是有缆机器人都是遥控试的。且由于缆线的长度有限，只能在限定的范围内进行探测，如果缆线过长也会出现打结的现象。而无缆水下机器人能够依靠本身的自主决策和控制能力，更高效的完成任务。水下滑翔机作为一种无缆机器具有人阻力小，航速较高，制造维修成本低，续航时间长和探索范围广等特点。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)我们用3D建模来打印滑翔机的外壳，但是由于机体过长，不能完整的打出每一个部分，只能将较长的外壳再进行分解打印。正因为外壳的部件增多，连接的截面就越多，渗水的可能性就更大。为了保持机体的密封性，我们会在机体内外的连接处粘上防水胶布，也会为机体内部零件打印出各自的密封仓。(2)水下滑翔是以锯齿形状向前运动，如若变轨则需机身倾斜,但是变轨半径很大，不能快速躲避障碍物。所以我们将变轨机构转移到了艉部，我们也利用3D建模技术打印出了类似鱼尾的变轨装置。可以通过舵机的控制来进行左右摆动。解决上述技术问题带来的意义为：水下滑翔机的密封性是非常重要的，如果密封良好就是对机体内各电子设备的良好保障，也减小了电子受损的可能性。对于变轨的改装之后，滑翔机在海洋航行的过程中更加灵敏。技术实现要素：针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种仿生水下滑翔机器人及其控制系统。本实用新型是这样实现的，一种仿生水下滑翔机器人，所述仿生水下滑翔机器人包括：电池仓放置在可拆卸的鱼艏；姿态仓放置在鱼身，与所述电池仓连接；端子放置在所述姿态仓后端，与安置于机身后部的电子仓电路连接；防水舵机放置在鱼尾。进一步，姿态仓分有前后封盖且中间由支撑板分为前半部分仓体、后半部分仓体；前半部分仓体轴线位置安装丝杠，丝杠上安装丝杠步进电机；后半部分仓体中，水囊放置于与前半仓体相连接位置，水囊连接电池阀与自吸泵；端子安装于所述姿态仓后封盖上。进一步，控制开发板、锂电池放置于电池仓中，鱼尾安装的防水舵机，通过电源线连接电池仓中锂电池、控制开发板。进一步，艉翼为鱼尾鳍形状；鱼尾连接壳内防水舵机。本实用新型的优点及积极效果为：本新型的优点为将变轨装置改装为鱼尾形式，安装在机体艉部。当机体需要变轨时俯仰一定角度，再由舵机控制鱼艉摆动的角度来计算回转半径。将回转半径由载体的质量、俯仰角、水动力水平分量航行速度和γ角度确定.根据水下机器人可能的运动速度、俯仰角、横滚角φ,选择几组可能运动参数,采用CFX计算水动力水平分量预测系统的回转半径.如图6的计算结果可以看出,俯仰角为200条件下,系统的回转半径为10～30m；在航速和俯仰角保持不交条件下,横滚角的变化直接影响到系统的回转半径,横滚角越大,回转半径越小，反之，横滚角越小，回转半径越大；γ角对回转半径的影响也较明显.实际系统运行过程中,γ角是由净浮力和俯仰角共同作用确定的,因此系统的回转半径可以通过控制横滚角来实现。γ(°)V(Knot)Φ(°)Θ(°)F(N)R(m)20.510200.0828.320.520200.17113.320.530200.21610.510.530200.123本实用新型的机器人位姿信息采集系统，为了得到潜水器的潜水姿态、深度、及距河(海)床高度，设计了基于C8051F310的潜水器位姿信息采集板。艉部设计为鱼尾形状，由艉骨，濮组成。在鱼艉首端连接舵机实行鱼艉左右摇摆运动如图5所示。采用NS-F压力传感器测量水压，传感器的输出为4－20mA的电流量，通过一个精密电阻和运放芯片OPA2364搭建的I/U转换电路，可以将电流量转化为电压量，实现－5V输出，再通过A/D转换芯片，获得16位的数字量，进行相应的反向变换，即可推知潜水器的潜水深度。可实现水深的实时测量。采用Micro-Strain公司的姿态测量单元3DM—GX1，该单元通过三轴磁力计、三轴角速率陀螺、三轴加速度计等MEMS传感器，通过信息融合解算，可得到潜水器的三个欧拉角、三轴角速率和三轴加速度，由RS232输出信息，为了确定ROV相对于河床的高度，本水下机器人设计了高度计，可以有效避免与水底河床和杂物碰撞，以保证潜水器安全工作。附图说明图1是本实用新型实施例提供的仿生水下滑翔机器人示意图。图2是本实用新型实施例提供的支撑板示意图。图3是本实用新型实施例提供的姿态盖示意图。图4是本实用新型实施例提供的姿态仓示意图。图中：1、电池仓；2、姿态仓；3、端子；4、电子仓；5、防水舵机；6、艉翼。图5是本实用新型实施例提供的在鱼艉首端连接舵机实行鱼艉左右摇摆运动图；图中：a、艉骨；b、鱼濮。图6是本实用新型实施例提供的控制开发板原理图。具体实施方式为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。图1，实用新型实施例提供的仿生水下滑翔机器人，包括：电池仓1放置在可拆卸的鱼艏；姿态仓2放置在鱼身，与所述电池仓连接；端子3放置在所述姿态仓后端，与安置于机身后部的电子仓4电路连接；防水舵机5放置在鱼尾。位于水下滑翔机艏部的电池仓1；位于机身的姿态仓2；安装于封密姿态盖的端子3；安置于于机身后部与姿态仓相连的电子仓4；安置于机身艉部的防水舵机5；安装于机体最后的艉翼6。姿态仓分有前后封盖且中间由支撑板分为前半部分仓体、后半部分仓体；前半部分仓体轴线位置安装丝杠，丝杠上安装丝杠步进电机；后半部分仓体中，水囊放置于与前半仓体相连接位置，水囊连接电池阀与自吸泵；端子安装于所述姿态仓后封盖上。控制开发板、锂电池放置于电池仓中，鱼尾安装防水舵机，通过电源线连接电池仓中锂电池。艉翼6为鱼尾鳍形状；鱼尾连接壳内防水舵机。本实用新型实施例提供的仿生水下滑翔机器人，电池仓放置在可拆卸的鱼艏，为电子设备提供电流。所述姿态仓为浮力调节系统放置在鱼身，与所述电池仓连接，实现载体上浮下潜的动态。所述端子放置在所述姿态仓后端，与所述电池仓连接，实现所述姿态仓与所述电池仓电路相通。所述防水电机放置鱼尾，控制鱼艉摆动方向。所述姿态仓分有前后封盖且中间由支撑板为两个部分。前半部分仓体轴线位置安装所述丝杠步进电机丝杠，所述丝杠上安装所述丝杠步进电机。后半仓体部分中，所述水囊放置于与前半仓体相连接位置，其后连接所述电池阀与自吸泵。所述端子安装于所述姿态仓后封盖上。所述电池仓通过与所述姿态仓后封盖的端子相连，装置于所述电池仓后部。将所述控制开发板，驱动，锂电池放置于所述电池仓中，其鱼尾安装所述防水舵机，通过电源线连接所述电池仓中电池实行启动。所述艉翼为鱼尾鳍形状，艉骨由3D建模打印而成，中间由硅胶制成的濮。所述鱼尾连接与壳内所述电机进行左右摆动。下面结合原理分析对本发明作进一步描述。本实用新型实施例提供的仿生水下滑翔机器人控制系统包括：水面控制系统，水下控制系统水面控制系统包括上位机，下位机。上位机采用工控机，装在操纵箱中，设计两个玩具手柄式操控杆，并可以控制运动速度和角速度。操控手柄由操控人员握在手中，水下滑翔机的一切活动都由操控手柄控制。短基线定位系统定位图和声纳探测到的图像则实时地反馈在两个显示屏上，硬件平台主要集中在电脑上，以用来显示水下机器人的定位，声呐图，机体状态。控制台有两个显示器，主控台显示器用于短基线/GPS定位信息显示以及姿态显示并进行保存，声纳探测信息分别用笔记本电脑显示和存储。除了机器的运动控制和姿态控制，控制项目还包括：平台俯仰和偏转控制；声纳控制；水下液体取样器控制。水面控制系统姿态传感器及电力电源水下分配设备等等需要装置在密闭容器中，设计了控制箱，容纳稳压电源，姿态和温湿度传感器，推进器调速器、电光转换板，以及深度、高度传感器接口等，根据设计工作水深和容纳设备尺寸、重量，合布置、固定安装。壳体采用厚度3mm的ABS胶板制造，内设安装架如图2和加强筋，前置步进电机，后置水泵，气囊。两端面用螺栓连接姿态盖密封，如图3所示。密封面开有密封槽，装有橡胶密封圈。为加强端面强度，端面也设计有加强筋。姿态仓整体图如图4。图5是本实用新型实施例提供的在鱼艉首端连接舵机实行鱼艉左右摇摆运动图；图中：a、艉骨；b、鱼濮。图6是本实用新型实施例提供的控制开发板原理图。下面结合工作原理对本实用新型作进一步描述。水下滑翔机驱动及运动原理：水下滑翔机在载体浮力以及滑翔翼的作用下，产生向前的水平滑翔速度。水下滑翔机重心调节系统是通过调整载体内部的质量分布，从而改变载体重心与浮心的相对位置，以产生横滚力矩和俯仰力矩，实现载体回转和俯仰运动。在航行过程中，水下滑翔机通过重心调节系统对其姿态和运动轨迹进行控制，实现垂直剖面内的锯齿形运动。在水下滑翔机_上浮下潜的过程中，只在其锯齿形航迹的最高点和最低点调节重力和浮力的关系，中间航程完全实现了无动力调节，定常回转运动中，保持重心的侧向偏移量不变，中间过程无需调节。因此，针对深海大范围的探测，水下滑翔机较其他形式的水下航行器具有较大的能源优势。重心位置调节原理：水下滑翔机通过改变重心相对浮心的位置，实现姿态的调节和控制根据实际需要，水下滑翔机可以有两种方式实现滑翔。第一种是通过吸入或排出外部液体，改变自身的重量，产生下沉或上浮的动力，同时相应改变载体重心在纵向上的位置，形成一定的攻角，再利用水平翼把该垂向力转化为前行的动力，从而实现纵向滑翔；第二种是通过液压系统将液体从外皮囊内压入密封的滑翔器壳体内部或从密封的滑翔器壳体内部压入外皮囊内，改变自身的体积，产生下沉或上浮的动力，同时调节载体重心，实现纵向滑翔。工作流程在水池中实验时，首先要向腔内灌水，通过排气孔向腔外排水，灌水完毕，将排气孔堵上，此时由于重力大于浮力，水下滑翔机开始向下滑行；当滑行到一定深度时，压力传感器的电压信号达到某一设定值，控制电路驱动水泵向外排水，腔内水被排尽后，重力小于浮力，水下滑行机改变俯仰角,开始向上滑行；当滑行到某一深度时，压力传感器的电压信号达到某-设定值，控制电路驱动电磁阀，打开阀门，由于此时腔内的压强为负压，水被压入腔内，回到初始状态，再向下滑行这样，水下滑翔机就实现了沿纵剖面滑翔的功能通过遥控器发出回转指令，控电路就会启动步进电机，使作为侧向调节质量块的电池组产生偏转，水下滑翔机就会以一定攻角产生转动。下面结合具体分析对本实用新型作进一步描述。滑翔运动分析：水下滑翔机器人航行过程中，主要是沿锯齿形轨迹作周期性的滑翔运动.水下滑翔机器人完成一个周期滑翔运动的过程为:(1)通过俯仰调节机构向艉部移动电池组，使得水下滑翔机器人保持艏朝下艉朝上姿态:(2)通过浮力调节机构减少载体排水体积，使得水下滑翔机器人处在负浮力状态。水下滑翔机器人在负浮力作用下开始下潜运动，并最终达到下潜定常滑翔运动状态；(3)当到达预定深度时，通过浮力调节机构增大载体排水体积达到中性状态,水下滑翔机器人开始减速下潜，并最终停止运动；(4)通过俯仰调节机构向艉部移动电池组，使得水下滑翔机器人姿态变为艏朝上艉朝下；(5)通过浮力调节机构增大载体排水体积，使得水下滑翔机器人处在正浮力状态。水下滑翔机器人在正浮力作用下开始上浮运动，并最终达到上浮定常翔运动状态；(6)通过变轨调节机构向艉部移动电池组，使得水下滑翔机器人姿态变为艏朝左艉朝右或艏朝右艉朝左；(7)当水下滑翔机器开始上浮运动到达水面后就完成一一个周期的滑翔运动。机器人位姿信息采集系统为了得到潜水器的潜水姿态、深度、及距河(海)床高度，设计了基于C8051F310的潜水器位姿信息采集板。艉部设计为鱼尾形状，由艉骨，濮组成。在鱼艉首端连接舵机实行鱼艉左右摇摆运动如图5所示。图中：a、艉骨；b、鱼濮。采用NS-F压力传感器测量水压，传感器的输出为4－20mA的电流量，通过一个精密电阻和运放芯片OPA2364搭建的I/U转换电路，可以将电流量转化为电压量，实现－5V输出，再通过A/D转换芯片，获得16位的数字量，进行相应的反向变换，即可推知潜水器的潜水深度。可实现水深的实时测量。采用Micro-Strain公司的姿态测量单元3DM—GX1，该单元通过三轴磁力计、三轴角速率陀螺、三轴加速度计等MEMS传感器，通过信息融合解算，可得到潜水器的三个欧拉角、三轴角速率和三轴加速度，由RS232输出信息，为了确定ROV相对于河床的高度，本水下机器人设计了高度计，可以有效避免与水底河床和杂物碰撞，以保证潜水器安全工作。在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本实用新型实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidStateDisk(SSD))等。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。当前第1页1 2 3