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基本信息
- 項目名稱：
- 仿海龜撲翼滑翔水下機器人
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 針對現(xiàn)有水下航行器采用螺旋槳推進并以鰭舵進行操縱控制的運動方式無法滿足在低速條件下具備較好的機動性和穩(wěn)定性的需求，且功耗較大，航程不夠遠(yuǎn)等特點，結(jié)合水下?lián)湟頇C器人和水下滑翔機而開發(fā)的一款仿海龜推進、采用撲翼推進并帶滑翔功能的機器人。該機器人同時具備了上述兩種新型水下航行器的高機動性、高效率、低功耗、遠(yuǎn)航程等特點，目前國內(nèi)尚未見有此類機器人工程樣機的報道。該機器人可用于海洋資源勘測與環(huán)境調(diào)查等方面。
- 詳細(xì)介紹：
- 仿海龜撲翼滑翔水下機器人主要由撲翼推進系統(tǒng)、凈浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)、實時監(jiān)測系統(tǒng)、電源和中央控制系統(tǒng)等六部分組成。 撲翼推進系統(tǒng)主要由電機與撲翼、舵機與舵兩部分組成，其中電機用于控制撲翼實現(xiàn)撲翼的拍水運動，產(chǎn)生推力，舵機用于控制舵的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)航行中的姿態(tài)調(diào)整。電機和舵機均直接與控制系統(tǒng)相連，由控制系統(tǒng)根據(jù)運動需要進行控制。撲翼翼型選用NACA0010翼型。 凈浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由水泵、電磁閥和水囊組成。仿海龜撲翼滑翔水下機器人主要通過將水從載體內(nèi)部軟質(zhì)水艙中抽入或排水出來實現(xiàn)的，整個過程機器人所受的浮力不變。 重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)選用同步帶傳動重塊前后運動方案。主控板通過控制電機的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)滑塊的前后移動來改變機器人的重心位置，進而調(diào)節(jié)機器人滑翔時的俯仰角。 實時監(jiān)測系統(tǒng)主要用于機器人航行狀態(tài)監(jiān)測，包括壓力變送器和三軸傾角傳感器等一系列傳感器，主要用于深度監(jiān)測和俯仰角監(jiān)測，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳回控制系統(tǒng)，使得對機器人的運動控制形成一個閉環(huán)回路。此外，還可以加入其它傳感器來實現(xiàn)機器人對海洋的勘察功能，比如溫度傳感器、聲納等。溫度傳感器可用于不同海區(qū)、不同深度下海洋信息的收集，聲納可用于水下目標(biāo)跟蹤和探測等。 電源由鋰離子二次電池組成，其配置綜合考慮了電源的工作溫度、工作壓力、充放電特性、水下航行器工作狀態(tài)和電池的設(shè)置和保護等特性，以及用電器對電源的電壓和容量等方面的需求。 中央控制系統(tǒng)是整個機器人的控制中樞，機器人上的所有設(shè)備均由該系統(tǒng)直接或間接控制，具體由主控芯片及附屬電路、撲翼電機控制部分、水泵與電磁閥控制部分、舵機控制部分、重心調(diào)節(jié)電機控制部分、傳感器信息采集部分等幾個分系統(tǒng)組成。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 發(fā)明目的：針對目前的水下航行器采用螺旋槳推進并以鰭舵進行操縱控制的運動方式無法滿足在低速條件下具備極好的機動性和穩(wěn)定性的需求，且功耗較大，航程不夠遠(yuǎn)等特點開發(fā)的一款仿海龜推進、采用撲翼推進并帶滑翔功能，具有高機動性、高效、低阻低噪、低功耗、遠(yuǎn)航程的多用途水下機器人。 基本思路：該機器人具有撲翼推進和滑翔兩種工作模式。撲翼推進時，通過機器人兩側(cè)的主翼撲水產(chǎn)生推力，推動機器人前進，再通過兩側(cè)的后舵調(diào)整航行姿態(tài)，且通過將兩撲翼的推進方向和舵的各種工作狀態(tài)進行組合，可以實現(xiàn)機器人的各種簡單或復(fù)雜的運動?；钑r，撲翼停止工作，通過調(diào)節(jié)機器人的重力及重心位置，即可實現(xiàn)機器人在水下的滑翔運動。 創(chuàng) 新 點：將撲翼與滑翔兩者相互有機結(jié)合，當(dāng)在狹窄、復(fù)雜的水下環(huán)境下對速度和機動性要求較高時，采用撲翼方式進行推進，當(dāng)需要低速直航時采用無動力滑翔方式進行推進，這樣就可取得高機動性與遠(yuǎn)航程相結(jié)合的優(yōu)點。目前國內(nèi)國內(nèi)已開始水下?lián)湟硗七M或滑翔機方面的研究工作，但尚未見有將兩者相結(jié)合的機器人工程樣機成的果報道。 關(guān)鍵技術(shù)：撲翼推進及滑翔機理研究；主體外形設(shè)計；撲翼機構(gòu)設(shè)計；總體布局設(shè)計；殼體應(yīng)力分析與撲翼模態(tài)分析；機器人控制系統(tǒng)與控制策略設(shè)計。 技術(shù)指標(biāo)：總體尺寸：756×695×151（單位：mm）總重：30kg 樣機最大下潛深度：10m 航程：50km 續(xù)航時間：40-50h
科學(xué)性、先進性
- 水下滑翔機和水下仿生撲翼機器人的出現(xiàn)改變了水下航行器傳統(tǒng)的推進方式，仿生撲翼機器人具有較高的推進效率和良好的機動性能，水下滑翔機則具有低功耗以及進行遠(yuǎn)航考察的能力。但兩種新型的水下機器人還都存在了一些自身的不足，如將兩者的優(yōu)點相互有機結(jié)合，不但可以有較高的推進效率及良好的機動性，而且還可具有遠(yuǎn)航程的特點。通過在此機器人上搭載各種專用設(shè)備，還可進行海洋資源勘測、海洋環(huán)境調(diào)查等方面的應(yīng)用。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- （1）2011.4/西安.西北工業(yè)大學(xué)/西北工業(yè)大學(xué)團委/西北工業(yè)大學(xué)第十三屆“三航杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽/金獎。 （2）2011.6/西安/陜西省團省委/第八屆西安高新“挑戰(zhàn)杯”陜西省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽/一等獎。
作品所處階段
- 中試階段: 已完成樣機的研制，正在做進一步的實驗驗證、優(yōu)化設(shè)計和改進。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 有償授權(quán)轉(zhuǎn)讓，合作開發(fā)。
作品可展示的形式
- 實物、圖片、視頻。
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 該水下機器人同時具備撲翼和滑翔雙重功能，可實現(xiàn)撲翼、滑翔和撲翼與滑翔相結(jié)合三種運動狀態(tài)，根據(jù)不同情況下的需要，可靈活轉(zhuǎn)換其運動狀態(tài)。如果在機器人內(nèi)部搭載不同的設(shè)備，可實現(xiàn)對海洋的各種勘探和考察。 機器人撲翼選用NACA0010翼型，用于撲翼推進。主體選用NACA0020翼型，內(nèi)部還配有重力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和重心調(diào)節(jié)裝置，用于實現(xiàn)機器人的滑翔運動。 該機器人相比現(xiàn)有的水下滑翔機，具有撲翼功能而帶來的高機動性。而滑翔功能，又能夠在有限能源的情況下通過無動力滑翔而實現(xiàn)撲翼機器人無法實現(xiàn)的遠(yuǎn)程巡航能力。 這款集高機動性、遠(yuǎn)航程等特點于一體的撲翼滑翔水下機器人，無論是在民用的海洋資源勘探、海洋環(huán)境考察，還是在軍用的軍事情報收集等方面均具有較寬廣的應(yīng)用前景。 樣機目前尚處于研制階段，單個樣機的總研制成本約2萬元，在優(yōu)化設(shè)計和加工、實現(xiàn)批量生產(chǎn)后，其成本將大為降低，真正成為一款低成本、高性能的多用途新型水下機器人。
同類課題研究水平概述
- 關(guān)于水下滑翔機，國外早在上世紀(jì)九十年代初就展開了這方面的研究工作，尤其是在美國，至今它們已經(jīng)研制出了四種型號的水下滑翔機，分別是：SIO（Scripps Institution of Oceanography）研制的Spray Glider、華盛頓大學(xué)研制的Sea Glider以及Webb Research Corp研制的Slocum Electric Glider和Slocum Thermal Glider。另外，日本和法國也都相繼研制出了名為ALBAC和STERNE的水下滑翔機，可見水下滑翔機的發(fā)展在國外是非常迅速的。而在國內(nèi)，關(guān)于水下滑翔機研究的起步較晚，目前共有三家科研單位對此進行研究并制做了原理樣機，分別為中國科學(xué)院沈陽自動化研究所、天津大學(xué)機器人與汽車技術(shù)研究所和浙江大學(xué)?？傮w處于原理探究與實驗驗證階段，離實際運用還有一定的距離。 關(guān)于水下仿生撲翼機器人，國外也是很早就進行了研究，目前比較有代表性的是美國的AQUA、MIT研制的仿生撲翼水下機器人（Flapping foil AUV）、加拿大的仿生機器海龜Madeleine、美國DUKE大學(xué)的Gamera仿生撲翼水下機器人等。在國際上對撲翼水下機器人的研究正處于起步階段，尤其是撲翼驅(qū)動系統(tǒng)在水下機器人上的應(yīng)用仍用于探索性研究，有許多問題仍有待深入探討，撲翼驅(qū)動水下機器人的操縱性是該研究領(lǐng)域的熱點問題之一。國內(nèi)有關(guān)仿生撲翼驅(qū)動系統(tǒng)的研究起步相對較晚，并多見于仿生撲翼飛行器研究領(lǐng)域。西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)以及揚州大學(xué)均開展了撲翼飛行器的研究工作，并且在撲翼運動規(guī)律，撲翼驅(qū)動系統(tǒng)等方面取得了可喜的成果。而在水下仿生撲翼機器人方面，只有沈陽自動化研究所、哈爾濱工程大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)等一些單位開始著手進行研究，目前正處于仿生撲翼推進技術(shù)的研究階段。 通過以上對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及有關(guān)情況的綜述可以看出，許多科研單位都對水下滑翔和撲翼推進這兩種水下航行器分別進行了研究，并取得了一些成果，可見其發(fā)展前景非常廣闊。但是就目前而言，還沒有將兩種新型水下航行器各自的優(yōu)點相結(jié)合，以達到更好的效果。
