一種淺水觀察級水下機器人的設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種淺水觀察級水下機器人的設計方法，包括以下步驟：選擇合適的淺水觀察級水下機器人形體；根據水下機器人的工作環境，設計合適的水密耐壓殼體；根據以上四種推進器布局方式并結合水下機器人的運動性能要求，設計水下機器人的動力系統；選擇合適的電池作為水下機器人的系統能源；根據水下機器人的觀測對象和作業任務，對觀測和照明系統進行合理的設計；水下機器人各結構之間選擇合適的密封方式；設計調平裝置，保證水下機器人在內部電路安裝完成后可以保持平衡狀態。本發明制備的水下機器人系統，結構簡單，操作方便，穩定性高，提高了國內的水下機器人的制作水平。
【專利說明】一種淺水觀察級水下機器人的設計方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于水下機器人【技術領域】，尤其涉及一種淺水觀察級水下機器人的設計方法。
【背景技術】
[0002]水下機器人是一種有纜水下機器人。水下機器人的雛形是幾個美國人想要觀察神秘的海底世界，于是在上世紀50年代，他們將普通攝像機密封在防水殼體內將攝像機送入了海底，形成了第一代第一個浮游式有纜淺水器。而世界上真正意義上的第一個水下機器人是1960年美國研制的“⑶RV”。“RCV-125”是世界上第一個商業化的水下機器人，于1975年問世。“RCV-125”屬于觀察型水下機器人，因為外形像一只球，所以又稱作“眼球”。小型水下機器人多數是低成本的水下機器人，其中大部分是以電力為能源，正常工作水深在300米或300米以下。這類淺水器主要任務是檢測和觀察。目前由于電力能源系統技術的改善，小型水下機器人得到了快速發展，在容量、深度和性能方面得到了顯著調高。目前小型水下機器人在水下娛樂、打撈救助、水產養殖、科學研究、大壩和水路及港口檢測、城市地下管道檢測、水下訓練和航運及核設施檢查、近海檢查和觀測任務等方面得到了廣泛的應用。
[0003]目前國內小型水下機器人有天津市斯卡特科技有限公司的MINI75C和MINI150C，上海交通大學水下工程研究所的用于核工業無損檢測的水下機器人。
[0004]目前，國內的水下機器人發展相對比較落后，水下機器人的種類比較少，應用型的水下機器人穩定性較差。

【發明內容】

[0005]本發明實施例的目的在于提供一種淺水觀察級水下機器人的設計方法，旨在解決國內的水下機器人發展相對比較落后，水下機器人的種類比較少，應用型的水下機器人穩定性較差的問題。
[0006]本發明實施例是這樣實現的，一種淺水觀察級水下機器人的設計方法，該淺水觀察級水下機器人的設計方法是這樣實現的:
[0007]選擇合適的淺水觀察級水下機器人形體；
[0008]根據水下機器人的工作環境，設計合適的水密耐壓殼體；
[0009]根據以上四種推進器布局方式并結合水下機器人的運動性能要求，設計水下機器人的動力系統；
[0010]選擇合適的電池作為水下機器人的系統能源；
[0011]根據水下機器人的觀測對象和作業任務，對觀測和照明系統進行合理的設計；
[0012]水下機器人各結構之間選擇合適的密封方式；
[0013]設計調平裝置，保證水下機器人在內部電路等安裝完成后可以保持平衡狀態。
[0014]進一步，水下機器人的形體采用流線型。
[0015]進一步，水下機器人的水密耐壓殼體選擇半球形封頭的圓柱形殼體。[0016]進一步，水下機器人的上浮下潛推進器的布置則采用第一種單推進器布置方式，前進后退推進器的布置采用第二種雙推進器平行布置方式。
[0017]進一步，系統能源選擇鎳氫電池。
[0018]進一步，水下機器人選擇兩個攝像機，三個LED燈照明。黑白攝像機安裝在水下機器人后視方向，并且配備一個LED燈以供光照補償，水下機器人前視方向安裝彩色攝像機，并且配備兩個LED燈以供光照補償。LED燈安裝方向與攝像機方向平行同向。
[0019]進一步,水下機器人耐壓殼體與前后透明導流罩的密封、耐壓殼體與燈罩的密封、耐壓殼體與水下推進器的密封、電池筒的密封均采用O型圈徑向密封，其中除耐壓殼體與前后透明導流罩的密封為單層徑向密封其余均采用雙層徑向密封；水下推進器軸與導流罩的密封采用徑向動密封的方式；耐壓殼體與水密插頭的密封采用單層O圈軸向密封的方式。
[0020]進一步，水下機器人電池艙與電子艙的連接塊上面的孔的作用即為調平所用，通過在不同部位安裝不同重量的調平塊實現水下機器人的調平。
[0021]本發明提供的淺水觀察級水下機器人的設計方法，保證水下機器人正常工作的情況下增加了水下機器人的穩定性，降低了水下機器人的重量，選擇鎳氫電池增加了儲電量降低了重量，延長了了使用壽命，對環境無污染。密封裝置大大的增加了淺水觀察級水下機器人的密封效果，水下機器人的上浮下潛推進器的布置則采用第一種單推進器布置方式，前進后退推進器的布置采用第二種雙推進器平行布置方式降低了不必要的裝置，滿足水下機器人的工作需要同時降低了成本，解決了目前應用型的水下機器人穩定性較差的問題，同時也豐富了水下機器人的種類。本發明制備的水下機器人系統，結構簡單，操作方便，穩定性高，提高了國內的水下機器人的制作水平。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發明實施例提供的淺水觀察級水下機器人的設計方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0023]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0024]圖1示出了本發明提供的淺水觀察級水下機器人的設計方法流程。為了便于說明，僅僅不出了與本發明相關的部分。
[0025]本發明的淺水觀察級水下機器人的設計方法，該淺水觀察級水下機器人的設計方法是這樣實現的:
[0026]選擇合適的淺水觀察級水下機器人形體；
[0027]根據水下機器人的工作環境，設計合適的水密耐壓殼體；
[0028]根據以上四種推進器布局方式并結合水下機器人的運動性能要求，設計水下機器人的動力系統；
[0029]選擇合適的電池作為水下機器人的系統能源；
[0030]根據水下機器人的觀測對象和作業任務，對觀測和照明系統進行合理的設計；[0031]水下機器人各結構之間選擇合適的密封方式；
[0032]設計調平裝置，保證水下機器人在內部電路等安裝完成后可以保持平衡狀態。
[0033]作為本發明實施例的一優化方案，水下機器人的形體采用流線型。
[0034]作為本發明實施例的一優化方案，水下機器人的水密耐壓殼體選擇半球形封頭的圓柱形殼體。
[0035]作為本發明實施例的一優化方案，水下機器人的上浮下潛推進器的布置則采用第一種單推進器布置方式，前進后退推進器的布置采用第二種雙推進器平行布置方式。
[0036]作為本發明實施例的一優化方案，系統能源選擇鎳氫電池。
[0037]作為本發明實施例的一優化方案，水下機器人選擇兩個攝像機，三個LED燈照明。黑白攝像機安裝在水下機器人后視方向，并且配備一個LED燈以供光照補償，水下機器人前視方向安裝彩色攝像機，并且配備兩個LED燈以供光照補償。LED燈安裝方向與攝像機方向平行同向。
[0038]作為本發明實施例的一優化方案，水下機器人耐壓殼體與前后透明導流罩的密封、耐壓殼體與燈罩的密封、耐壓殼體與水下推進器的密封、電池筒的密封均米用O型圈徑向密封，其中除耐壓殼體與前后透明導流罩的密封為單層徑向密封其余均采用雙層徑向密封；水下推進器軸與導流罩的密封采用徑向動密封的方式；耐壓殼體與水密插頭的密封采用單層O圈軸向密封的方式。
[0039]作為本發明實施例的一優化方案，水下機器人電池艙與電子艙的連接塊上面的孔的作用即為調平所用，通過在不同部位安裝不同重量的調平塊實現水下機器人的調平。
[0040]下面結合附圖及具體實施例對本發明的應用原理作進一步描述。
[0041]如圖1所示，本發明實施例的淺水觀察級水下機器人的設計方法包括以下步驟:
[0042]SlOl:選擇合適的淺水觀察級水下機器人形體；
[0043]S102:根據水下機器人的工作環境，設計合適的水密耐壓殼體；
[0044]S103:根據以上四種推進器布局方式并結合水下機器人的運動性能要求，設計水下機器人的動力系統；
[0045]S104:選擇合適的電池作為水下機器人的系統能源；
[0046]S105:根據水下機器人的觀測對象和作業任務，對觀測和照明系統進行合理的設計；
[0047]S106:水下機器人各結構之間選擇合適的密封方式；
[0048]S107:設計調平裝置，保證水下機器人在內部電路等安裝完成后可以保持平衡狀態。
[0049]水下機器人的形體采用流線型；水下機器人的水密耐壓殼體選擇半球形封頭的圓柱形殼體；水下機器人的上浮下潛推進器的布置則采用第一種單推進器布置方式，前進后退推進器的布置采用第二種雙推進器平行布置方式；系統能源選擇鎳氫電池；水下機器人選擇兩個攝像機，三個LED燈照明。黑白攝像機安裝在水下機器人后視方向，并且配備一個LED燈以供光照補償，水下機器人前視方向安裝彩色攝像機，并且配備兩個LED燈以供光照補償。LED燈安裝方向與攝像機方向平行同向；水下機器人耐壓殼體與前后透明導流罩的密封、耐壓殼體與燈罩的密封、耐壓殼體與水下推進器的密封、電池筒的密封均采用O型圈徑向密封，其中除耐壓殼體與前后透明導流罩的密封為單層徑向密封其余均采用雙層徑向密封；水下推進器軸與導流罩的密封采用徑向動密封的方式；耐壓殼體與水密插頭的密封采用單層O圈軸向密封的方式。
[0050]本發明提供的一種淺水觀察級水下機器人的設計方法通過選擇合適的的水下機器人形體，根據水下機器人的工作環境，設計合適的水密耐壓殼體，根據以上四種推進器布局方式并結合水下機器人的運動性能要求，設計水下機器人的動力系統，選擇合適的電池作為水下機器人的系統能源，根據水下機器人的觀測對象和作業任務，對觀測和照明系統進行合理的設計，對OV各結構之間進行密封，最后設計調平裝置，保證水下機器人在內部電路等安裝完成后可以保持平衡狀態。
[0051]本發明的設計主要包括:水下機器人的形體設計、水密耐壓殼體的設計、動力推進系統的設計、電源方案設計、觀測和照明系統的設計、水密方案的設計以及調平的設計。
[0052]水下機器人的形體設計:設計選擇水下機器人外形時需要考慮到耐壓殼體是否有足夠的強度、水下密封是否能達到標準、航行時阻力應該盡量小且航行性能要良好、整體安裝時總體布局是否合理以及加工時的工藝性。根據現有的商品化的水下機器人可知，最常見的水下機器人外形有流線型和開架式兩種。小型淺水觀察級水下機器人流線型的比較多見。為了減小小型水下機器人行進中的阻力，降低能源消耗，一般將小型水下機器人設計成類似于魚雷的流線型。一般情況下水下機器人可通過臍帶纜提供電源，但是小型淺水觀察級水下機器人有時作業環境不能提供交流電源只能依靠自身攜帶的蓄電池提供電源，這時水下機器人的流線形設計可以增加水下機器人的續航能力。綜合以上特點選擇流線型作為水下機器人外形。
[0053]水密耐壓殼體的設計:目前常見的水下機器人的耐壓殼體為球殼圓柱形外殼兩種。球殼的內部空間利用率不高，但是前進中阻力比較小，圓柱形殼體的內部空間利用率高，所以選擇半球形封頭的圓柱形殼體作為水下機器人的水密耐壓殼體。
[0054]動力推進系統的設計:常見的推進器布局有單推進器布置、雙推進器平行布置、雙推進器交叉布置和四推進器環形布置。根據以上四種推進器布局方式并結合水下機器人的運動性能要求，由于水下機器人體積小巧轉向方便不需要側向推進器，上浮下潛推進器的布置則采用第一種單推進器布置方式，前進后退推進器的布置采用第二種雙推進器平行布置方式。
[0055]電源方案設計:在水下機器人上利用的電池一般有鎳氫電池、鋰離子電池，其中各有優缺點。考慮到電池放電電流、電池充電復雜程度、電池工作環境、電池能量密度以及電池成本，選擇鎳氫電池作為系統能源。
[0056]觀測和照明系統的設計:水下機器人常用的光源為LED燈，LED燈節能、壽命長、色彩豐富飽滿、啟動時間短。水下機器人常用的攝像機為CCD攝像機，CCD攝像機可靠性高、抗震能力強、光譜響應寬，還不會出現燒傷現象。CCD攝像機可分為彩色攝像機和黑白攝像機，一般黑白攝像機要比彩色的靈敏度高，比較適合用于光線不足的地方，如果使用的目的只是監視景物的位置和移動，可采用黑白攝像機；如果要分辨被攝像物體的細節，比如分辨水下物體的顏色，則采用彩色的比較好。由于黑白攝像機靈敏度比彩色攝像機高，水下機器人在工作過程中先打開黑白攝像機尋找要觀察或者尋找的目標，定位好目標所在位置，并且引導操作員將水下機器人移動到目標附近，然后關閉黑白攝像機打開彩色攝像機，用彩色攝像機觀察目標的細節，必要時記錄下目標的彩色圖像。鑒于上述分析，本設計的水下機器人選擇兩個攝像機，三個LED燈照明。黑白攝像機安裝在水下機器人后視方向，并且配備一個LED燈以供光照補償，水下機器人前視方向安裝彩色攝像機，并且配備兩個LED燈以供光照補償。LED燈安裝方向與攝像機方向平行同向。
[0057]水密方案的設計:目前，耐壓殼體的密封可以使用機械強度高、彈性大和恢復能力強的材質的物體加緊在兩個密封面之間，通過此物體密封住間隙，防止海水進入耐壓殼體，即所謂的“接觸密封法”。對于接觸性密封，無論動密封還是靜密封都是固體間的接觸密封，其中O圈密封就屬于典型的接觸密封。耐壓殼體封頭的密封結構通常有軸向密封、徑向密封、軸向徑向雙重密封以及角密封。
[0058]結合以上密封原理以及密封方法的介紹，本發明的水下機器人耐壓殼體與前后透明導流罩的密封、耐壓殼體與燈罩的密封、耐壓殼體與水下推進器的密封、電池筒的密封均采用O型圈徑向密封，其中除耐壓殼體與前后透明導流罩的密封為單層徑向密封其余均采用雙層徑向密封；水下推進器軸與導流罩的密封采用徑向動密封的方式；耐壓殼體與水密插頭的密封采用單層O圈軸向密封的方式。
[0059]調平的設計:水下機器人采用流線型設計，機械結構布局基本對稱，結構上可以做到平衡，但是水下機器人在裝配過程中會出現很多情況(比如布線每次不可能完全相同)，為了解決每次組裝完成后水下機器人可能存在不平衡的問題，需要設計調平機構。水下機器人搭載不同負荷時重力和浮力也不完全相同，為了調節水下機器人的重力也需要設計調平機構。水下機器人電池艙與電子艙的連接塊上面的孔的作用即為調平所用，通過在不同部位安裝不同重量的調平塊實現水下機器人的調平，此方法簡單易行。
[0060]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種淺水觀察級水下機器人的設計方法，其特征在于，該淺水觀察級水下機器人的設計方法包括以下步驟: 選擇淺水觀察級水下機器人形體； 根據水下機器人的工作環境，設計水密耐壓殼體； 根據以上四種推進器布局方式并結合水下機器人的運動性能要求，設計水下機器人的動力系統； 選擇電池作為水下機器人的系統能源； 根據水下機器人的觀測對象和作業任務，對觀測和照明系統進行合理的設計； 水下機器人各結構之間選擇密封方式； 設計調平裝置，保證水下機器人在內部電路安裝完成后可以保持平衡狀態。
2.如權利要求1所述的淺水觀察級水下機器人的設計方法，其特征在于，水下機器人的形體采用流線型。
3.如權利要求1所述的淺水觀察級水下機器人的設計方法，其特征在于，水下機器人的水密耐壓殼體選擇半球形封頭的圓柱形殼體。
4.如權利要求1所述的淺水觀察級水下機器人的設計方法，其特征在于，水下機器人的上浮下潛推進器的布置則采用單推進器布置方式，前進后退推進器的布置采用雙推進器平行布置方式。
5.如權利要求1所述的淺水觀察級水下機器人的設計方法，其特征在于，系統能源選擇鎳氫電池。
6.如權利要求1所述的淺水觀察級水下機器人的設計方法，其特征在于，水下機器人選擇兩個攝像機，三個LED燈照明，黑白攝像機安裝在水下機器人后視方向，并且配備一個LED燈以供光照補償，水下機器人前視方向安裝彩色攝像機，并且配備兩個LED燈以供光照補償，LED燈安裝方向與攝像機方向平行同向。
7.如權利要求1所述的淺水觀察級水下機器人的設計方法，其特征在于，水下機器人耐壓殼體與前后透明導流罩的密封、耐壓殼體與燈罩的密封、耐壓殼體與水下推進器的密封、電池筒的密封均采用O型圈徑向密封，耐壓殼體與前后透明導流罩的密封為單層徑向密封；水下推進器軸與導流罩的密封采用徑向動密封的方式；耐壓殼體與水密插頭的密封采用單層O圈軸向密封的方式。
8.如權利要求1所述的淺水觀察級水下機器人的設計方法，其特征在于，水下機器人電池艙與電子艙的連接塊上面的孔的作用即為調平所用，通過在不同部位安裝不同重量的調平塊實現水下機器人的調平。
【文檔編號】B63C11/52GK103433927SQ201310362030
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月19日 優先權日:2013年8月19日
【發明者】牛阿麗 申請人:青島遠創機器人自動化有限公司