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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 仿海龜撲翼滑翔水下機(jī)器人
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 針對(duì)現(xiàn)有水下航行器采用螺旋槳推進(jìn)并以鰭舵進(jìn)行操縱控制的運(yùn)動(dòng)方式無(wú)法滿足在低速條件下具備較好的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性的需求，且功耗較大，航程不夠遠(yuǎn)等特點(diǎn)，結(jié)合水下?lián)湟頇C(jī)器人和水下滑翔機(jī)而開發(fā)的一款仿海龜推進(jìn)、采用撲翼推進(jìn)并帶滑翔功能的機(jī)器人。該機(jī)器人同時(shí)具備了上述兩種新型水下航行器的高機(jī)動(dòng)性、高效率、低功耗、遠(yuǎn)航程等特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)尚未見有此類機(jī)器人工程樣機(jī)的報(bào)道。該機(jī)器人可用于海洋資源勘測(cè)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(jī)器人主要由撲翼推進(jìn)系統(tǒng)、凈浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電源和中央控制系統(tǒng)等六部分組成。 撲翼推進(jìn)系統(tǒng)主要由電機(jī)與撲翼、舵機(jī)與舵兩部分組成，其中電機(jī)用于控制撲翼實(shí)現(xiàn)撲翼的拍水運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生推力，舵機(jī)用于控制舵的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)航行中的姿態(tài)調(diào)整。電機(jī)和舵機(jī)均直接與控制系統(tǒng)相連，由控制系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)需要進(jìn)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(jī)器人主要通過(guò)將水從載體內(nèi)部軟質(zhì)水艙中抽入或排水出來(lái)實(shí)現(xiàn)的，整個(gè)過(guò)程機(jī)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(dòng)重塊前后運(yùn)動(dòng)方案。主控板通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滑塊的前后移動(dòng)來(lái)改變機(jī)器人的重心位置，進(jìn)而調(diào)節(jié)機(jī)器人滑翔時(shí)的俯仰角。 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于機(jī)器人航行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，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(cè)和俯仰角監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳回控制系統(tǒng)，使得對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制形成一個(gè)閉環(huán)回路。此外，還可以加入其它傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)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(cè)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(hù)等特性，以及用電器對(duì)電源的電壓和容量等方面的需求。 中央控制系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)器人的控制中樞，機(jī)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(jī)控制部分、水泵與電磁閥控制部分、舵機(jī)控制部分、重心調(diào)節(jié)電機(jī)控制部分、傳感器信息采集部分等幾個(gè)分系統(tǒng)組成。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 發(fā)明目的：針對(duì)目前的水下航行器采用螺旋槳推進(jìn)并以鰭舵進(jìn)行操縱控制的運(yùn)動(dòng)方式無(wú)法滿足在低速條件下具備極好的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性的需求，且功耗較大，航程不夠遠(yuǎn)等特點(diǎn)開發(fā)的一款仿海龜推進(jìn)、采用撲翼推進(jìn)并帶滑翔功能，具有高機(jī)動(dòng)性、高效、低阻低噪、低功耗、遠(yuǎn)航程的多用途水下機(jī)器人。 基本思路：該機(jī)器人具有撲翼推進(jìn)和滑翔兩種工作模式。撲翼推進(jìn)時(shí)，通過(guò)機(jī)器人兩側(cè)的主翼?yè)渌a(chǎn)生推力，推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)，再通過(guò)兩側(cè)的后舵調(diào)整航行姿態(tài)，且通過(guò)將兩撲翼的推進(jìn)方向和舵的各種工作狀態(tài)進(jìn)行組合，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各種簡(jiǎn)單或復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)?；钑r(shí)，撲翼停止工作，通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)器人的重力及重心位置，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在水下的滑翔運(yùn)動(dòng)。 創(chuàng) 新 點(diǎn)：將撲翼與滑翔兩者相互有機(jī)結(jié)合，當(dāng)在狹窄、復(fù)雜的水下環(huán)境下對(duì)速度和機(jī)動(dòng)性要求較高時(shí)，采用撲翼方式進(jìn)行推進(jìn)，當(dāng)需要低速直航時(shí)采用無(wú)動(dòng)力滑翔方式進(jìn)行推進(jìn)，這樣就可取得高機(jī)動(dòng)性與遠(yuǎn)航程相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)國(guó)內(nèi)已開始水下?lián)湟硗七M(jìn)或滑翔機(jī)方面的研究工作，但尚未見有將兩者相結(jié)合的機(jī)器人工程樣機(jī)成的果報(bào)道。 關(guān)鍵技術(shù)：撲翼推進(jìn)及滑翔機(jī)理研究；主體外形設(shè)計(jì)；撲翼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；總體布局設(shè)計(jì)；殼體應(yīng)力分析與撲翼模態(tài)分析；機(jī)器人控制系統(tǒng)與控制策略設(shè)計(jì)。 技術(shù)指標(biāo)：總體尺寸：756×695×151（單位：mm）總重：30kg 樣機(jī)最大下潛深度：10m 航程：50km 續(xù)航時(shí)間：40-50h
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 水下滑翔機(jī)和水下仿生撲翼機(jī)器人的出現(xiàn)改變了水下航行器傳統(tǒng)的推進(jìn)方式，仿生撲翼機(jī)器人具有較高的推進(jìn)效率和良好的機(jī)動(dòng)性能，水下滑翔機(jī)則具有低功耗以及進(jìn)行遠(yuǎn)航考察的能力。但兩種新型的水下機(jī)器人還都存在了一些自身的不足，如將兩者的優(yōu)點(diǎn)相互有機(jī)結(jié)合，不但可以有較高的推進(jìn)效率及良好的機(jī)動(dòng)性，而且還可具有遠(yuǎn)航程的特點(diǎn)。通過(guò)在此機(jī)器人上搭載各種專用設(shè)備，還可進(jìn)行海洋資源勘測(cè)、海洋環(huán)境調(diào)查等方面的應(yīng)用。
獲獎(jiǎng)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(tuán)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(jìng)賽/金獎(jiǎng)。 （2）2011.6/西安/陜西省團(tuán)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(jìng)賽/一等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 中試階段: 已完成樣機(jī)的研制，正在做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)。
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(shí)物、圖片、視頻。
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 該水下機(jī)器人同時(shí)具備撲翼和滑翔雙重功能，可實(shí)現(xiàn)撲翼、滑翔和撲翼與滑翔相結(jié)合三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)不同情況下的需要，可靈活轉(zhuǎn)換其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果在機(jī)器人內(nèi)部搭載不同的設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋的各種勘探和考察。 機(jī)器人撲翼選用NACA0010翼型，用于撲翼推進(jìn)。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(shí)現(xiàn)機(jī)器人的滑翔運(yùn)動(dòng)。 該機(jī)器人相比現(xiàn)有的水下滑翔機(jī)，具有撲翼功能而帶來(lái)的高機(jī)動(dòng)性。而滑翔功能，又能夠在有限能源的情況下通過(guò)無(wú)動(dòng)力滑翔而實(shí)現(xiàn)撲翼機(jī)器人無(wú)法實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程巡航能力。 這款集高機(jī)動(dòng)性、遠(yuǎn)航程等特點(diǎn)于一體的撲翼滑翔水下機(jī)器人，無(wú)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(bào)收集等方面均具有較寬廣的應(yīng)用前景。 樣機(jī)目前尚處于研制階段，單個(gè)樣機(jī)的總研制成本約2萬(wàn)元，在優(yōu)化設(shè)計(jì)和加工、實(shí)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(jī)器人。
同類課題研究水平概述
- 關(guān)于水下滑翔機(jī)，國(guó)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(guó)，至今它們已經(jīng)研制出了四種型號(hào)的水下滑翔機(jī)，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(guó)也都相繼研制出了名為ALBAC和STERNE的水下滑翔機(jī)，可見水下滑翔機(jī)的發(fā)展在國(guó)外是非常迅速的。而在國(guó)內(nèi)，關(guān)于水下滑翔機(jī)研究的起步較晚，目前共有三家科研單位對(duì)此進(jìn)行研究并制做了原理樣機(jī)，分別為中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、天津大學(xué)機(jī)器人與汽車技術(shù)研究所和浙江大學(xué)。總體處于原理探究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，離實(shí)際運(yùn)用還有一定的距離。 關(guān)于水下仿生撲翼機(jī)器人，國(guó)外也是很早就進(jìn)行了研究，目前比較有代表性的是美國(guó)的AQUA、MIT研制的仿生撲翼水下機(jī)器人（Flapping foil AUV）、加拿大的仿生機(jī)器海龜Madeleine、美國(guó)DUKE大學(xué)的Gamera仿生撲翼水下機(jī)器人等。在國(guó)際上對(duì)撲翼水下機(jī)器人的研究正處于起步階段，尤其是撲翼驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在水下機(jī)器人上的應(yīng)用仍用于探索性研究，有許多問(wèn)題仍有待深入探討，撲翼驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人的操縱性是該研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。國(guó)內(nèi)有關(guān)仿生撲翼驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究起步相對(duì)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(yáng)州大學(xué)均開展了撲翼飛行器的研究工作，并且在撲翼運(yùn)動(dòng)規(guī)律，撲翼驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等方面取得了可喜的成果。而在水下仿生撲翼機(jī)器人方面，只有沈陽(yáng)自動(dòng)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(jìn)行研究，目前正處于仿生撲翼推進(jìn)技術(shù)的研究階段。 通過(guò)以上對(duì)國(guó)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(duì)水下滑翔和撲翼推進(jìn)這兩種水下航行器分別進(jìn)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(diǎn)相結(jié)合，以達(dá)到更好的效果。
