基本信息
- 项目名称：
- 仿海龟扑翼滑翔水下机器人
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 针对现有水下航行器采用螺旋桨推进并以鳍舵进行操纵控制的运动方式无法满足在低速条件下具备较好的机动性和稳定性的需求，且功耗较大，航程不够远等特点，结合水下扑翼机器人和水下滑翔机而开发的一款仿海龟推进、采用扑翼推进并带滑翔功能的机器人。该机器人同时具备了上述两种新型水下航行器的高机动性、高效率、低功耗、远航程等特点，目前国内尚未见有此类机器人工程样机的报道。该机器人可用于海洋资源勘测与环境调查等方面。
- 详细介绍：
- 仿海龟扑翼滑翔水下机器人主要由扑翼推进系统、净浮力调节系统、重心调节系统、实时监测系统、电源和中央控制系统等六部分组成。 扑翼推进系统主要由电机与扑翼、舵机与舵两部分组成，其中电机用于控制扑翼实现扑翼的拍水运动，产生推力，舵机用于控制舵的转动，实现航行中的姿态调整。电机和舵机均直接与控制系统相连，由控制系统根据运动需要进行控制。扑翼翼型选用NACA0010翼型。 净浮力调节系统主要由水泵、电磁阀和水囊组成。仿海龟扑翼滑翔水下机器人主要通过将水从载体内部软质水舱中抽入或排水出来实现的，整个过程机器人所受的浮力不变。 重心调节系统选用同步带传动重块前后运动方案。主控板通过控制电机的转动，实现滑块的前后移动来改变机器人的重心位置，进而调节机器人滑翔时的俯仰角。 实时监测系统主要用于机器人航行状态监测，包括压力变送器和三轴倾角传感器等一系列传感器，主要用于深度监测和俯仰角监测，将监测数据传回控制系统，使得对机器人的运动控制形成一个闭环回路。此外，还可以加入其它传感器来实现机器人对海洋的勘察功能，比如温度传感器、声纳等。温度传感器可用于不同海区、不同深度下海洋信息的收集，声纳可用于水下目标跟踪和探测等。 电源由锂离子二次电池组成，其配置综合考虑了电源的工作温度、工作压力、充放电特性、水下航行器工作状态和电池的设置和保护等特性，以及用电器对电源的电压和容量等方面的需求。 中央控制系统是整个机器人的控制中枢，机器人上的所有设备均由该系统直接或间接控制，具体由主控芯片及附属电路、扑翼电机控制部分、水泵与电磁阀控制部分、舵机控制部分、重心调节电机控制部分、传感器信息采集部分等几个分系统组成。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的：针对目前的水下航行器采用螺旋桨推进并以鳍舵进行操纵控制的运动方式无法满足在低速条件下具备极好的机动性和稳定性的需求，且功耗较大，航程不够远等特点开发的一款仿海龟推进、采用扑翼推进并带滑翔功能，具有高机动性、高效、低阻低噪、低功耗、远航程的多用途水下机器人。 基本思路：该机器人具有扑翼推进和滑翔两种工作模式。扑翼推进时，通过机器人两侧的主翼扑水产生推力，推动机器人前进，再通过两侧的后舵调整航行姿态，且通过将两扑翼的推进方向和舵的各种工作状态进行组合，可以实现机器人的各种简单或复杂的运动。滑翔时，扑翼停止工作，通过调节机器人的重力及重心位置，即可实现机器人在水下的滑翔运动。 创 新 点：将扑翼与滑翔两者相互有机结合，当在狭窄、复杂的水下环境下对速度和机动性要求较高时，采用扑翼方式进行推进，当需要低速直航时采用无动力滑翔方式进行推进，这样就可取得高机动性与远航程相结合的优点。目前国内国内已开始水下扑翼推进或滑翔机方面的研究工作，但尚未见有将两者相结合的机器人工程样机成的果报道。 关键技术：扑翼推进及滑翔机理研究；主体外形设计；扑翼机构设计；总体布局设计；壳体应力分析与扑翼模态分析；机器人控制系统与控制策略设计。 技术指标：总体尺寸：756×695×151（单位：mm）总重：30kg 样机最大下潜深度：10m 航程：50km 续航时间：40-50h
科学性、先进性
- 水下滑翔机和水下仿生扑翼机器人的出现改变了水下航行器传统的推进方式，仿生扑翼机器人具有较高的推进效率和良好的机动性能，水下滑翔机则具有低功耗以及进行远航考察的能力。但两种新型的水下机器人还都存在了一些自身的不足，如将两者的优点相互有机结合，不但可以有较高的推进效率及良好的机动性，而且还可具有远航程的特点。通过在此机器人上搭载各种专用设备，还可进行海洋资源勘测、海洋环境调查等方面的应用。
获奖情况及鉴定结果
- （1）2011.4/西安.西北工业大学/西北工业大学团委/西北工业大学第十三届“三航杯”大学生课外学术科技作品竞赛/金奖。 （2）2011.6/西安/陕西省团省委/第八届西安高新“挑战杯”陕西省大学生课外学术科技作品竞赛/一等奖。
作品所处阶段
- 中试阶段: 已完成样机的研制，正在做进一步的实验验证、优化设计和改进。
技术转让方式
- 有偿授权转让，合作开发。
作品可展示的形式
- 实物、图片、视频。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该水下机器人同时具备扑翼和滑翔双重功能，可实现扑翼、滑翔和扑翼与滑翔相结合三种运动状态，根据不同情况下的需要，可灵活转换其运动状态。如果在机器人内部搭载不同的设备，可实现对海洋的各种勘探和考察。 机器人扑翼选用NACA0010翼型，用于扑翼推进。主体选用NACA0020翼型，内部还配有重力调节系统和重心调节装置，用于实现机器人的滑翔运动。 该机器人相比现有的水下滑翔机，具有扑翼功能而带来的高机动性。而滑翔功能，又能够在有限能源的情况下通过无动力滑翔而实现扑翼机器人无法实现的远程巡航能力。 这款集高机动性、远航程等特点于一体的扑翼滑翔水下机器人，无论是在民用的海洋资源勘探、海洋环境考察，还是在军用的军事情报收集等方面均具有较宽广的应用前景。 样机目前尚处于研制阶段，单个样机的总研制成本约2万元，在优化设计和加工、实现批量生产后，其成本将大为降低，真正成为一款低成本、高性能的多用途新型水下机器人。
同类课题研究水平概述
- 关于水下滑翔机，国外早在上世纪九十年代初就展开了这方面的研究工作，尤其是在美国，至今它们已经研制出了四种型号的水下滑翔机，分别是：SIO（Scripps Institution of Oceanography）研制的Spray Glider、华盛顿大学研制的Sea Glider以及Webb Research Corp研制的Slocum Electric Glider和Slocum Thermal Glider。另外，日本和法国也都相继研制出了名为ALBAC和STERNE的水下滑翔机，可见水下滑翔机的发展在国外是非常迅速的。而在国内，关于水下滑翔机研究的起步较晚，目前共有三家科研单位对此进行研究并制做了原理样机，分别为中国科学院沈阳自动化研究所、天津大学机器人与汽车技术研究所和浙江大学。总体处于原理探究与实验验证阶段，离实际运用还有一定的距离。 关于水下仿生扑翼机器人，国外也是很早就进行了研究，目前比较有代表性的是美国的AQUA、MIT研制的仿生扑翼水下机器人（Flapping foil AUV）、加拿大的仿生机器海龟Madeleine、美国DUKE大学的Gamera仿生扑翼水下机器人等。在国际上对扑翼水下机器人的研究正处于起步阶段，尤其是扑翼驱动系统在水下机器人上的应用仍用于探索性研究，有许多问题仍有待深入探讨，扑翼驱动水下机器人的操纵性是该研究领域的热点问题之一。国内有关仿生扑翼驱动系统的研究起步相对较晚，并多见于仿生扑翼飞行器研究领域。西北工业大学、南京航空航天大学以及扬州大学均开展了扑翼飞行器的研究工作，并且在扑翼运动规律，扑翼驱动系统等方面取得了可喜的成果。而在水下仿生扑翼机器人方面，只有沈阳自动化研究所、哈尔滨工程大学和西北工业大学等一些单位开始着手进行研究，目前正处于仿生扑翼推进技术的研究阶段。 通过以上对国内外的研究现状及有关情况的综述可以看出，许多科研单位都对水下滑翔和扑翼推进这两种水下航行器分别进行了研究，并取得了一些成果，可见其发展前景非常广阔。但是就目前而言，还没有将两种新型水下航行器各自的优点相结合，以达到更好的效果。
