一种具有自掩埋能力的海洋机器人及其自掩埋方法

本发明属于新概念海洋机器人领域，具体地说是一种具有自掩埋能力的海洋机器人及其自掩埋方法。

背景技术：

1、海洋机器人是探索海洋、认识海洋和开发海洋最重要的技术装备之一。岛礁、海峡环境潮汐流、洋流强度大，对水下移动平台造成极大冲击。现有自主水下机器人、水下滑翔机通常采用螺旋桨或浮力驱动，需要自身不断消耗机载能量提供驱动力抵消洋流实现在位观测，能量消耗极大，难以实现长期稳定观测。部分关键海域存在声学、光学等多种反水下机器人探测手段，而自主水下机器人、水下滑翔机存在噪声大、对环境扰动大等特点，隐蔽性较差。因此，寻求兼具强干扰流下位置保持能力、高隐蔽性以及转场机动能力的海洋机器人已成为当前海洋机器人领域研究热点。鳐鱼、鲽鱼等底栖鱼类利用扑动柔性翼或躯体，扬起海底泥沙覆盖自身躯体进行捕猎或躲避猎食者，兼具强抗扰流能力和隐蔽性，为本发明提供灵感。

技术实现思路

1、针对现有海洋机器人存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种具有自掩埋能力的海洋机器人及其自掩埋方法。本发明的海洋机器人兼具自掩埋能力和水下运动能力，具有隐蔽性强、抗扰流能力强的优势，能够满足水下隐蔽观测需求，为执行水道、岛礁等海域的长期隐蔽在位观测提供潜在解决方法。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、本发明的海洋机器人包括控制模块、能源姿态模块、主动浮力调节控制模块、外部油囊、侧向柔性连杆、侧向驱动电机、柔性波动翼、头部柔性连杆、头部驱动电机、底部导流块及密封舱体，其中密封舱体的两侧均安装有侧向驱动电机，每个所述侧向驱动电机的输出端均连接有侧向柔性连杆，所述密封舱体的前端安装有头部驱动电机，所述头部驱动电机的输出端连接有头部柔性连杆，所述头部柔性连杆及各侧向柔性连杆分别与柔性波动翼相连；所述密封舱体内部为干舱，所述密封舱体内分别安装有控制模块、主动浮力调节控制模块及用于调整海洋机器人重心分布的能源姿态模块，所述外部油囊安装于密封舱体上，并与所述主动浮力调节控制模块相连，通过所述主动浮力调节控制模块调整海洋机器人排水体积，所述能源姿态模块、主动浮力调节控制模块、侧向驱动电机及头部驱动电机分别与控制模块相连；所述密封舱体的底部设有多个底部导流块，所述密封舱体的底部未安装底部导流块的部分形成沟槽，使得海水携带泥沙在所述沟槽内运动。

4、其中：所述柔性波动翼呈“u”形，所述“u”形的开口端朝向海洋机器人的后端，所述“u”形开口端的两侧分别与密封舱体两侧各个侧向驱动电机独立驱动的侧向柔性连杆相连，所述“u”形底部与密封舱体头部的头部驱动电机所驱动的头部柔性连杆相连。

5、各所述底部导流块沿密封舱体底部的外边缘设置，相邻两所述底部导流块之间形成狭缝，所述狭缝宽度由内向外逐渐缩小。

6、所述能源姿态模块包括支撑板、丝杆电机、电池包及丝杆，所述丝杆的两端均设有安装在密封舱体内的支撑板，所述丝杠与支撑板转动连接，且所述丝杠的任意一端与固定在该端支撑板上的丝杆电机输出端相连，所述电池包与丝杆螺纹连接，所述丝杆电机驱动丝杆旋转，进而驱动所述电池包运动，改变海洋机器人的重心分布。

7、两端的所述支撑板之间还连接有滑轨，所述电池包的一侧与丝杆螺纹连接，所述滑轨由电池包的另一侧穿过，所述电池包在丝杆电机的驱动下沿滑轨的轴向运动。

8、所述密封舱体内还容置有与控制模块连接的通讯导航控制板，所述密封舱体上安装有通讯天线，所述通讯天线与通讯导航控制板相连。

9、所述密封舱体的后端分别安装有与控制模块连接的掩埋观测摄像头及底质观测摄像头。

10、所述主动浮力调节控制模块包括内部油囊及齿轮泵，所述内油囊通过管道与外部油囊连接，所述齿轮泵安装于管道上。

11、所述密封舱体包括密封连接的耐压舱体盖板及耐压舱壳，所述侧向驱动电机及头部驱动电机分别安装于耐压舱壳上，所述底部导流块安装于耐压舱壳的底部，所述外部油囊安装于耐压舱体盖板上。

12、本发明具有自掩埋能力的海洋机器人的自掩埋方法为：

13、所述海洋机器人在海床颗粒物表面坐底后，所述头部驱动电机驱动头部柔性连杆从水平平衡位置向上扬起至与水平面呈现上扬夹角，进而带动海洋机器人头部位置的所述柔性波动翼向上扬起，所述海洋机器人头部出现一个进水通道；同时，各所述侧向驱动电机驱动各自连接的侧向柔性连杆以水平位置为基准，周期性向下旋转并返回水平基准位置，在所述侧向驱动电机驱动侧向柔性连杆向下运动时，带动所述海洋机器人两侧的柔性波动翼向下运动，使得所述密封舱体带动海洋机器人整体向上运动，在所述密封舱体和海床地面形成一个空腔，所述空腔两侧有柔性波动翼覆盖；此时在水压作用下，海水从所述进水通道进入密封舱体、柔性波动翼和海床底面形成的空腔中，并产生设定的流动速度，扬起海底泥沙颗粒物；在此周期性运动下，海底泥沙被海水扬起，在所述海洋机器人身体下方形成泥沙海水混合液；

14、所述头部驱动电机驱动头部柔性连杆从扬起状态向下方旋转，使所述海洋机器人头部位置的柔性波动翼向下运动，并维持向下俯扣角度，防止泥沙海水混合液从所述海洋机器人的头部位置流出；

15、各所述侧向驱动电机驱动各自连接的侧向柔性连杆以水平位置为基准，周期性向上旋转并返回水平基准位置，在所述侧向驱动电机驱动侧向柔性连杆向上运动时，带动所述海洋机器人两侧的柔性波动翼向上运动，使得所述密封舱体带动海洋机器人整体向下运动，挤压所述海洋机器人与海床之间的空腔，促使海水裹挟泥沙从相邻两所述底部导流块之间的狭缝中流出，所述狭缝宽度逐渐缩小，使得海水流速进一步增大，扬起更多泥沙；在高频周期运动过程中，各所述侧向柔性连杆和柔性波动翼在海水运动作用下产生柔性变形，诱导海水从海洋机器人身体下方空腔开始，向上运动至密封舱体上方；

16、运动至所述密封舱体上方的泥沙海水混合液运动能量逐步耗散，在重力作用下泥沙等颗粒物逐步沉降，覆盖在所述密封舱体上表面，实现自掩埋。

17、本发明的优点与积极效果为：

18、1.本发明采用电机驱动柔性连杆和柔性波动翼，从结构上模仿鳐鱼等生物的自掩埋过程，具有环境扰动小的特点。

19、2.本发明具有水下滑翔机浮力驱动能力，能够远距离布放，通过滑翔运动，到达目标海域海底区域进行自掩埋，实现隐蔽布放，隐蔽探测。

20、3.本发明具有隐蔽性强，抗扰流能力强的优势，能够满足水下隐蔽观测需求，为执行水道、岛礁等海域的长期隐蔽在位观测提供潜在解决方法。

技术特征：

1.一种具有自掩埋能力的海洋机器人，其特征在于：包括控制模块(2)、能源姿态模块(3)、主动浮力调节控制模块(6)、外部油囊(8)、侧向柔性连杆(9)、侧向驱动电机(10)、柔性波动翼(11)、头部柔性连杆(13)、头部驱动电机(14)、底部导流块(16)及密封舱体，其中密封舱体的两侧均安装有侧向驱动电机(10)，每个所述侧向驱动电机(10)的输出端均连接有侧向柔性连杆(9)，所述密封舱体的前端安装有头部驱动电机(14)，所述头部驱动电机(14)的输出端连接有头部柔性连杆(13)，所述头部柔性连杆(13)及各侧向柔性连杆(9)分别与柔性波动翼(11)相连；所述密封舱体内部为干舱，所述密封舱体内分别安装有控制模块(2)、主动浮力调节控制模块(6)及用于调整海洋机器人重心分布的能源姿态模块(3)，所述外部油囊(8)安装于密封舱体上，并与所述主动浮力调节控制模块(6)相连，通过所述主动浮力调节控制模块(6)调整海洋机器人排水体积，所述能源姿态模块(3)、主动浮力调节控制模块(6)、侧向驱动电机(10)及头部驱动电机(14)分别与控制模块(2)相连；所述密封舱体的底部设有多个底部导流块(16)，所述密封舱体的底部未安装底部导流块(16)的部分形成沟槽，使得海水携带泥沙在所述沟槽内运动。

2.根据权利要求1所述具有自掩埋能力的海洋机器人，其特征在于：所述柔性波动翼(11)呈“u”形，所述“u”形的开口端朝向海洋机器人的后端，所述“u”形开口端的两侧分别与密封舱体两侧各个侧向驱动电机(10)独立驱动的侧向柔性连杆(9)相连，所述“u”形底部与密封舱体头部的头部驱动电机(14)所驱动的头部柔性连杆(13)相连。

3.根据权利要求1所述具有自掩埋能力的海洋机器人，其特征在于：各所述底部导流块(16)沿密封舱体底部的外边缘设置，相邻两所述底部导流块(16)之间形成狭缝，所述狭缝宽度由内向外逐渐缩小。

4.根据权利要求1所述具有自掩埋能力的海洋机器人，其特征在于：所述能源姿态模块(3)包括支撑板(301)、丝杆电机(303)、电池包(304)及丝杆(305)，所述丝杆(305)的两端均设有安装在密封舱体内的支撑板(301)，所述丝杠(305)与支撑板(301)转动连接，且所述丝杠(305)的任意一端与固定在该端支撑板(301)上的丝杆电机(303)输出端相连，所述电池包(304)与丝杆(305)螺纹连接，所述丝杆电机(303)驱动丝杆(305)旋转，进而驱动所述电池包(304)运动，改变海洋机器人的重心分布。

5.根据权利要求4所述具有自掩埋能力的海洋机器人，其特征在于：两端的所述支撑板(301)之间还连接有滑轨(302)，所述电池包(304)的一侧与丝杆(305)螺纹连接，所述滑轨(302)由电池包(304)的另一侧穿过，所述电池包(304)在丝杆电机(303)的驱动下沿滑轨(302)的轴向运动。

6.根据权利要求1所述具有自掩埋能力的海洋机器人，其特征在于：所述密封舱体内还容置有与控制模块(2)连接的通讯导航控制板(4)，所述密封舱体上安装有通讯天线(5)，所述通讯天线(5)与通讯导航控制板(4)相连。

7.根据权利要求1所述具有自掩埋能力的海洋机器人，其特征在于：所述密封舱体的后端分别安装有与控制模块(2)连接的掩埋观测摄像头(7)及底质观测摄像头(15)。

8.根据权利要求1所述具有自掩埋能力的海洋机器人，其特征在于：所述主动浮力调节控制模块(6)包括内部油囊及齿轮泵，所述内油囊通过管道与外部油囊(8)连接，所述齿轮泵安装于管道上。

9.根据权利要求1所述具有自掩埋能力的海洋机器人，其特征在于：所述密封舱体包括密封连接的耐压舱体盖板(1)及耐压舱壳(12)，所述侧向驱动电机(10)及头部驱动电机(14)分别安装于耐压舱壳(12)上，所述底部导流块(16)安装于耐压舱壳(12)的底部，所述外部油囊(8)安装于耐压舱体盖板(1)上。

10.一种权利要求1至9任一权利要求所述具有自掩埋能力的海洋机器人的自掩埋方法，其特征在于：

技术总结
本发明属于新概念海洋机器人领域，具体地说是一种具有自掩埋能力的海洋机器人及其自掩埋方法，密封舱体两侧均安装有侧向驱动电机，每个侧向驱动电机的输出端均连接有侧向柔性连杆，密封舱体的前端安装有头部驱动电机，头部驱动电机的输出端连接有头部柔性连杆，头部柔性连杆及各侧向柔性连杆分别与柔性波动翼相连；密封舱体内分别安装有控制模块及与控制模块连接的主动浮力调节控制模块、能源姿态模块，外部油囊安装于密封舱体上，并与主动浮力调节控制模块相连；密封舱体的底部设有多个底部导流块。本发明具备环境扰动小、隐蔽性好的优势，能够为执行水下隐蔽观测任务提供潜在解决方案。

技术研发人员：任楷,俞建成,陈质二,田宇,李宏博
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15