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一种分布式传感水下航行器及其驱动控制方法

阅读：478发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种分布式传感水下航行器及其驱动控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种分布式传感水下航行器及其驱动控制方法。大部分水下机器人都难以适应复杂的流体运动，运动不平稳。本发明一种分布式传感水下航行器，包括航行器主体、末端推进器、侧部推进器和分布式传感单元。分布式传感单元包括外壳体和压差传感器。本发明水下航行器机身上均匀分布有多个压差传感器，能够检测航行器周围各处压力大小，与机身上的推进器构成闭环系统，使其即使在复杂流动的情况下也可以沿着预设轨迹稳定行驶，进而完成一些水下作业等。本发明通过弹性体两侧压差使得弹性体弯曲。弹性体通过弹性体的弯曲使得弹性体内两个电容器的电容值变化，从而根据两个电容值的差值精确获得弹性体两侧的压力差。，下面是一种分布式传感水下航行器及其驱动控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种分布式传感水下航行器，包括航行器主体、末端推进器、侧部推进器和分布式传感单元；其特征在于：所述的末端推进器安装在航行器主体的尾部；航行器主体外侧壁的两端均开设有安装槽孔组；安装槽孔组包括四个安装槽孔；四个安装槽孔沿航行器主体中心轴线的周向均布；各安装槽孔内均安装侧部推进器；所述的航行器主体上设置有传感安装槽组；传感安装槽组位于两个安装槽孔组之间；传感安装槽组包括四个传感安装槽；同一传感安装槽组内的四个传感安装槽与同一安装槽孔组内四个安装槽孔分别对齐；各传感安装槽中均安装有分布式传感单元；
所述的分布式传感单元包括外壳体和压差传感器；外壳体与对应传感安装槽固定；外壳体内设置有压力传递通道；压力传递通道内设有液体介质；压力传递通道的两端开口设置在外壳体的外侧面上；压力传递通道的两端开口处均设置有隔膜；所述的压差传感器包括基座、弹性体和导电片；基座固定在外壳体内；弹性体位于压力传递通道的中部，且底部与基座固定；弹性体内设置有三片导电片；三片导电片沿着弹性体的厚度方向依次间隔排列；三片导电片形成两个平行板电容器，分别为正通道电容器和负通道电容器。
2.根据权利要求1所述的一种分布式传感水下航行器，其特征在于：在三片导电片中处于中间的那片导电片位于弹性片的中性面处。
3.根据权利要求1所述的一种分布式传感水下航行器，其特征在于：所述的传感安装槽组有三个；三个传感安装槽组沿着航行器主体的中心轴线方向依次排列。
4.根据权利要求1所述的一种分布式传感水下航行器，其特征在于：所述侧部推进器的中心轴线与航行器主体的中心轴线垂直相交。
5.根据权利要求1所述的一种分布式传感水下航行器，其特征在于：所示外壳体的四个角部与对应传感安装槽的四个角分别通过螺栓连接。
6.根据权利要求1所述的一种分布式传感水下航行器，其特征在于：所示外壳体的外侧壁呈圆弧形；所述的压力传递通道呈弧形。
7.根据权利要求1所述的一种分布式传感水下航行器，其特征在于：所述的隔膜采用乳胶膜；所示导电片的材质为铟镓共晶；所述弹性体的材料采用橡胶。
8.根据权利要求1所述的一种分布式传感水下航行器，其特征在于：所述的航行器主体包括依次排列相连的航行器尾部、机身和航行器头部；航行器尾部通过螺栓固定于机身上；
所述机身呈圆柱状；航行器头部呈半球形，与机身的头端通过螺栓固定。
9.根据权利要求1所述的一种分布式传感水下航行器，其特征在于：所述的正通道电容器、负通道电容器与电容检测芯片的两个输入接口分别连接；各电容检测芯片的信号输出接口均与控制器连接；每个电容检测芯片均输出两个信号；控制器通过对两个信号的求差来获得电容差特征参数。
10.如权利要求1所述的一种分布式传感水下航行器的驱动控制方法，其特征在于：包括直线行驶方法、偏转运动方法和平移驱动方法；
直线行驶方法具体如下：
步骤一、各压差传感器持续检测对应压力传递通道两端的压力差，从而获得航行器主体四周的压差分布；
步骤二、当各压差传感器检测到的压差均小于预设值时，末端推进器工作，推动水下航行器向前行驶，各侧部推进器均关闭；
若位于航行器主体两侧的各压差传感器检测到航行器主体上部压力大于下部压力，则航行器主体下部的侧部推进器工作，向上推动航行器主体，避免航行器主体在水压差异下偏离航线；
若位于航行器主体两侧的各压差传感器检测到航行器主体下部压力大于上部压力，则航行器主体上部的侧部推进器工作，向下推动航行器主体，避免航行器主体在水压差异下偏离航线；
若位于航行器主体两侧的各压差传感器检测到航行器主体左侧压力大于右侧压力，则航行器主体右侧的侧部推进器工作，向左推动航行器主体，避免航行器主体在水压差异下偏离航线；
若位于航行器主体两侧的各压差传感器检测到航行器主体右部压力大于左部压力，则航行器主体左侧的侧部推进器工作，向右推动航行器主体，避免航行器主体在水压差异下偏离航线；
偏转运动方法具体如下：
当航行器主体需要向目标偏转方向偏转时，则位于航行器主体头端的四个侧部推进器中与目标偏转方向相反侧的侧部推进器工作；位于航行器主体尾端的四个侧部推进器中目标偏转方向相同侧的侧部推进器工作；航行器主体在两个工作的侧部推进器的推动下，原地向目标偏转方向偏转；
平移驱动方法具体如下：
当航行器主体需要向目标平移方向平移时，与目标平移方向相反侧的两个侧部推进器工作，使得航行器主体在两个工作的侧部推进器的推动下，向目标平移方向平移。

说明书全文

一种分布式传感水下航行器及其驱动控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于水下航行器技术领域，具体涉及一种分布式传感水下航行器及其驱动控制方法。

背景技术

[0002] 水下航行器作为船舶与海洋工程和机器人技术的交叉学科产物，具有安全系数高、造价低、尺寸小、重量轻、灵活性高、活动范围广等独特优势，且能够在水中进行长期观察、探测和打捞作业，因此被广泛应用于军事、科学、经济等众多领域。水下航行器目前已广泛应用于水下作业，但大部分水下机器人都难以适应复杂的流体运动，运动不平稳。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种分布式传感水下航行器及其驱动控制方法。

[0004] 本发明一种分布式传感水下航行器，包括航行器主体、末端推进器、侧部推进器和分布式传感单元。所述的末端推进器安装在航行器主体的尾部。航行器主体外侧壁的两端均开设有安装槽孔组。安装槽孔组包括四个安装槽孔。四个安装槽孔沿航行器主体中心轴线的周向均布。各安装槽孔内均安装侧部推进器。所述的航行器主体上设置有传感安装槽组。传感安装槽组位于两个安装槽孔组之间。传感安装槽组包括四个传感安装槽。同一传感安装槽组内的四个传感安装槽与同一安装槽孔组内四个安装槽孔分别对齐。各传感安装槽中均安装有分布式传感单元。

[0005] 所述的分布式传感单元包括外壳体和压差传感器。外壳体与对应传感安装槽固定。外壳体内设置有压力传递通道。压力传递通道内设有液体介质。压力传递通道的两端开口设置在外壳体的外侧面上。压力传递通道的两端开口处均设置有隔膜。所述的压差传感器包括基座、弹性体和导电片。基座固定在外壳体内。弹性体位于压力传递通道的中部，且底部与基座固定。弹性体内设置有三片导电片。三片导电片沿着弹性体的厚度方向依次间隔排列。三片导电片形成两个平行板电容器，分别为正通道电容器和负通道电容器。

[0006] 作为优选，在三片导电片中处于中间的那片导电片位于弹性片的中性面处。

[0007] 作为优选，所述的传感安装槽组有三个。三个传感安装槽组沿着航行器主体的中心轴线方向依次排列。

[0008] 作为优选，所述侧部推进器的中心轴线与航行器主体的中心轴线垂直相交。

[0009] 作为优选，所示外壳体的四个角部与对应传感安装槽的四个角分别通过螺栓连接。

[0010] 作为优选，所示外壳体的外侧壁呈圆弧形。所述的压力传递通道呈弧形。

[0011] 作为优选，所述的隔膜采用乳胶膜。所示导电片的材质为铟镓共晶。所述弹性体的材料采用橡胶。

[0012] 作为优选，所述的航行器主体包括依次排列相连的航行器尾部、机身和航行器头部。航行器尾部通过螺栓固定于机身上。所述机身呈圆柱状。航行器头部呈半球形，与机身的头端通过螺栓固定。

[0013] 作为优选，所述的正通道电容器、负通道电容器与电容检测芯片的两个输入接口分别连接。各电容检测芯片的信号输出接口均与控制器连接。每个电容检测芯片均输出两个信号；控制器通过对两个信号的求差来获得电容差特征参数。

[0014] 该分布式传感水下航行器的驱动控制方法包括直线行驶方法、偏转运动方法和平移驱动方法。

[0015] 直线行驶方法具体如下：

[0016] 步骤一、各压差传感器持续检测对应压力传递通道两端的压力差，从而获得航行器主体四周的压差分布。

[0017] 步骤二、当各压差传感器检测到的压差均小于预设值时，末端推进器工作，推动水下航行器向前行驶，各侧部推进器均关闭。

[0018] 若位于航行器主体两侧的各压差传感器检测到航行器主体上部压力大于下部压力，则航行器主体下部的侧部推进器工作，向上推动航行器主体，避免航行器主体在水压差异下偏离航线。

[0019] 若位于航行器主体两侧的各压差传感器检测到航行器主体下部压力大于上部压力，则航行器主体上部的侧部推进器工作，向下推动航行器主体，避免航行器主体在水压差异下偏离航线。

[0020] 若位于航行器主体两侧的各压差传感器检测到航行器主体左侧压力大于右侧压力，则航行器主体右侧的侧部推进器工作，向左推动航行器主体，避免航行器主体在水压差异下偏离航线。

[0021] 若位于航行器主体两侧的各压差传感器检测到航行器主体右部压力大于左部压力，则航行器主体左侧的侧部推进器工作，向右推动航行器主体，避免航行器主体在水压差异下偏离航线。

[0022] 偏转运动方法具体如下：

[0023] 当航行器主体需要向目标偏转方向偏转时，则位于航行器主体头端的四个侧部推进器中与目标偏转方向相反侧的侧部推进器工作。位于航行器主体尾端的四个侧部推进器中目标偏转方向相同侧的侧部推进器工作。航行器主体在两个工作的侧部推进器的推动下，原地向目标偏转方向偏转。

[0024] 平移驱动方法具体如下：

[0025] 当航行器主体需要向目标平移方向平移时，与目标平移方向相反侧的两个侧部推进器工作，使得航行器主体在两个工作的侧部推进器的推动下，向目标平移方向平移。

[0026] 本发明具有的有益效果是：

[0027] 1、本发明水下航行器机身上均匀分布有多个压差传感器，能够检测航行器周围各处压力大小，与机身上的推进器构成闭环系统，使其即使在复杂流动的情况下也可以沿着预设轨迹稳定行驶，进而完成一些水下作业等。

[0028] 2、本发明通过弹性体两侧压差使得弹性体弯曲。弹性体通过弹性体的弯曲使得弹性体内两个电容器的电容值变化，从而根据两个电容值的差值精确获得弹性体两侧的压力差。

[0029] 3、本发明通过控制末端推进器以及调节机身上的推进器，可实现航行器向前行驶、沿上下左右偏转以及沿上下左右平移的运动。

[0030] 4、传感器模块化结构使系统易于维修和维护，当传感器模块发生故障时，很容易更换损坏的部件。附图说明

[0031] 图1为本发明的整体结构示意图；

[0032] 图2为本发明中分布式传感单元的爆炸示意图；

[0033] 图3为本发明中分布式传感单元的剖视图；

[0034] 图4为本发明中压差传感器的立体图；

[0035] 图5为本发明中压差传感器的剖视图。

具体实施方式

[0036] 以下结合附图对本发明作进一步说明。

[0037] 如图1所示，一种分布式传感水下航行器，包括航行器主体、末端推进器1、侧部推进器3、分布式传感单元4和控制模块。航行器主体包括依次排列相连的航行器尾部2、机身5和航行器头部6。航行器尾部2通过螺栓固定于机身5上。所述机身5呈圆柱状，内部设有腔室，腔室内安装控制模块。航行器头部6呈半球形，与机身的头端通过螺栓固定。末端推进器1安装在航行器尾部2的外端，用于提供航行器前进所需的动力，装于航行器尾部2上。机身5外侧壁的两端均开设有安装槽孔组。安装槽孔组包括四个安装槽孔。四个安装槽孔沿机身5中心轴线的周向均布。各安装槽孔内均安装侧部推进器3。侧部推进器3的中心轴线与机身5的中心轴线垂直相交。各侧部推进器3能够驱动机身5左右上下移动和偏转，航行器的不同运动。

[0038] 机身5上设置有三个传感安装槽组。三个传感安装槽组沿着机身5的中心轴线方向依次排列，位于两个安装槽孔组之间。传感安装槽组包括四个传感安装槽。同一传感安装槽组内的四个传感安装槽与同一安装槽孔组内四个安装槽孔分别对齐。各传感安装槽上均安装有分布式传感单元4，使得各分布式传感单元均匀分布在机身上。分布式传感单元4用于检测机身5周围的水压差，并与侧部推进器3形成闭环系统，通过调节侧部推进器3，可使航行器即使在复杂紊乱的流动下也可以保持稳定行驶。

[0039] 如图1、2和3所示，分布式传感单元4包括外壳体7和压差传感器8。外壳体7的四个角部与对应传感安装槽的四个角分别通过螺栓连接。外壳体7的外侧壁呈圆弧形板状。外壳体7内设置有压力传递通道7-1。压力传递通道7-1呈弧形，且内部充满液体介质。压力传递通道7-1的两端开口对中设置在外壳体的外侧面上。压力传递通道7-1的两端开口处均设置有隔膜，以防止压力传递通道7-1内的液体介质与周围环境流体混合。隔膜能够根据自身两侧的压力进行变形，使得两侧的压力保持一致。隔膜采用乳胶膜。外壳体7的底部开设有安装槽口，用于装入压差传感器8；压差传感器8的检测部位设置在压力传递通道7-1的中部，用于检测压力传递通道7-1两端开口的水压差。外壳体7的底部固定有封闭盖12。

[0040] 如图4和5所示，压差传感器8包括基座9、弹性体10、导电片11和电容检测芯片。导电片11的材质为铟镓共晶，其是一种导电液态金属。基座9固定在外壳体7内，为压差传感器提供支撑。弹性体10的材料采用橡胶，是压差传感器的柔性壳体。弹性体10的底部与基座9固定。弹性体10的主体呈板状。弹性体10内设置有沿自身厚度方向依次间隔排列的三个片状腔体。三个片状腔体内均设置有导电片11。在三片导电片中处于中间的那片导电片11位于弹性片的中性面处。位于中间的导电片11与两侧的导电片各自形成一个平行板电容器。三片导电片11形成两个平行板电容器，分别为正通道电容器和负通道电容器。正通道电容器、负通道电容器输出的电容信号分别形成正通道电容值Ch+、负通道电容值Ch-。以正通道电容值Ch+与负通道电容值Ch-的差值作为映射向压力差数据的电容差特征参数。在弹性体两侧压力相等的情况下，弹性体不发生弯曲，正通道电容值Ch+与负通道电容值Ch-的差值为0。正通道电容器、负通道电容器与电容检测芯片的两个输入接口(两线接口)分别连接。
位于中间的导电片11为共用的极板，与电容检测芯片的两个输入接口均连接。导线均穿过基座9。

[0041] 当弹性体的两侧压力不一致时，弹性体10将向压力较小的一侧弯曲。若弹性体向正通道电容器弯曲，则正通道电容器由于发生压缩而导致电容值减小，负通道电容器由于发生拉伸而导致电容值增大，进而使得电容差特征参数为负数，且弹性体弯曲程度越大，电容差特征参数的数值部分越大。若弹性体向负通道电容器弯曲，则正通道电容器由于发生拉伸而导致电容值增大，负通道电容器由于发生压缩而导致电容值减小，进而使得电容差特征参数为正数，且弹性体弯曲程度越大，电容差特征参数的数值部分越大。因此，电容差特征参数与弹性体两侧的压力差数据一一对应，经过标定后，即可根据电容差特征参数求出弹性体两侧的压力差数据。弹性体两侧的压力差数据直接反应压力传递通道7-1两端开口处的压力差；机身左右两侧的分布式传感单元4用于检测水下航行器上下两侧的压差；机身上下两侧的分布式传感单元4用于检测航行器左右两侧的压差。因此，各个分布式传感单元4相配合即可对机身5四周的压力波动情况进行实时检测，从而能够使得水下航行器能够自动根据四周的压力波动情况调节各推进器的工作状态，保持自身航线的精准性。

[0042] 各电容检测芯片的信号输出接口均与控制模块内的控制器连接。每个电容检测芯片均输出两个信号；控制器通过对两个信号的求差来获得电容差特征参数。

[0043] 该分布式传感水下航行器在水下可实现在稳定或复杂流动下的直线行驶、偏转运动、平移等运动。

[0044] 直线行驶方法具体如下：

[0045] 步骤一、各压差传感器8持续检测对应压力传递通道7-1两端的压力差并传输给控制器，从而使得控制器获得航行器主体四周的压差分布。

[0046] 步骤二、当各压差传感器8检测到的压差均小于预设值时，末端推进器1工作，推动水下航行器向前行驶，各侧部推进器3均关闭。通过调节末端推进器1的转速可以调节航行器主体的行进速度。

[0047] 当航行器处于复杂海水流动情况下，根据所检测的压力分布状况，通过调节侧部推进器3工作以及转速来进行压力补偿。具体如下：

[0048] 若位于航行器主体两侧的各压差传感器8检测到航行器主体上部压力大于下部压力，则航行器主体下部的侧部推进器3工作，向上推动航行器主体，避免航行器主体在水压差异下偏离航线。

[0049] 若位于航行器主体两侧的各压差传感器8检测到航行器主体下部压力大于上部压力，则航行器主体上部的侧部推进器3工作，向下推动航行器主体，避免航行器主体在水压差异下偏离航线。

[0050] 若位于航行器主体两侧的各压差传感器8检测到航行器主体左侧压力大于右侧压力，则航行器主体右侧的侧部推进器3工作，向左推动航行器主体，避免航行器主体在水压差异下偏离航线。

[0051] 若位于航行器主体两侧的各压差传感器8检测到航行器主体右部压力大于左部压力，则航行器主体左侧的侧部推进器3工作，向右推动航行器主体，避免航行器主体在水压差异下偏离航线。

[0052] 偏转运动方法具体如下：

[0053] 步骤一、各压差传感器8持续检测对应压力传递通道7-1两端的压力差并传输给控制器，从而使得控制器获得航行器主体四周的压差分布。

[0054] 步骤二、当航行器主体需要向目标偏转方向偏转时，则位于机身头端的四个侧部推进器3中与目标偏转方向相反侧的侧部推进器3工作。位于机身尾端的四个侧部推进器3中目标偏转方向相同侧的侧部推进器3工作。航行器主体在两个工作的侧部推进器3的推动下，原地向目标偏转方向偏转。

[0055] 目标偏转方向包括上、下、左、右四个方向；以向左偏转为例，位于机身头端的四个侧部推进器3中位于航行器主体右侧的侧部推进器3工作。位于机身尾端的四个侧部推进器3中位于航行器主体左侧的侧部推进器3工作。航行器主体在两个工作的侧部推进器3的推动下，原地向左偏转。

[0056] 平移驱动方法具体如下：

[0057] 步骤一、各压差传感器8持续检测对应压力传递通道7-1两端的压力差并传输给控制器，从而使得控制器获得航行器主体四周的压差分布。

[0058] 步骤二、当航行器主体需要向目标平移方向平移时，与目标平移方向相反侧的两个侧部推进器3工作，使得航行器主体在两个工作的侧部推进器3的推动下，向目标平移方向平移。

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