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1、(10)申请公布号 CN 103303450 A (43)申请公布日 2013.09.18 CN 103303450 A *CN103303450A* (21)申请号 201310268232.0 (22)申请日 2013.07.01 B63C 11/52(2006.01) B63H 1/36(2006.01) (71)申请人 马炼堪 地址 410001 湖南省长沙市雨花区树木岭路 锦源小区 9 栋 601 室 (72)发明人 马炼堪 马学品 (54) 发明名称 一种基于模块化设计的仿生水下科考平台 (57) 摘要 本发明涉及自动控制、 机械设计和仿生学等 领域， 特别涉及一种水下科考平台。 。
2、为了克服现有 技术中存在的效率不高、 仿生驱动技术复杂、 成本 高、 鱼体俯仰沉浮姿态调整比较困难等问题， 本发 明提出了一种新的基于模块化设计的水下仿生科 考平台， 采用鱼体外形， 包括舱室、 骨架和尾鳍， 其 中， 按照鱼体骨架， 分别设置有鱼头舱、 控制和通 讯舱、 胸鳍舱、 鱼鳔舱、 尾鳍舱以及功能扩展舱。 采 用本发明的水下仿生科考平台， 能够有效的解决 现有技术中存在的问题， 在实现了产品优化和试 运行后可以在一般水域进行推广运用， 拥有很大 的现实意义和市场前景。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (1。
3、2)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103303450 A CN 103303450 A *CN103303450A* 1/1 页 2 1. 一种基于模块化设计的仿生水下科考平台， 采用鱼体外形， 包括舱室、 骨架和尾鳍， 其特征在于， 按照鱼体骨架， 分别设置有鱼头舱、 控制和通讯舱、 胸鳍舱、 鱼鳔舱、 尾鳍舱以 及功能扩展舱， 其中所述的鱼头舱用于安装摄像头和探照灯， 控制和通讯舱安装控制系统， 胸鳍舱用于安装三自由度转动胸鳍， 鱼鳔舱安装在科考平台背部， 内安装有仿鱼鳔的气囊， 能源舱用于存放电池， 尾鳍舱用于安装控制板， 功能扩展舱为空腔。
4、， 用于安装各种实现所需 功能的吊舱。 2. 如权利要求 1 所述的基于模块化设计的仿生水下科考平台， 其特征在于各舱室通过 单片机串口通讯相互连接， 依次固定在骨架上。 3. 如权利要求 1 所述的基于模块化设计的仿生水下科考平台， 其特征在于尾鳍由至少 两节组成， 通过铰链相互连接， 相邻两尾鳍之间还设置有平行四边形联动机构。 4. 如权利要求 1 所述的基于模块化设计的仿生水下科考平台， 其特征在于所述的尾鳍 第一节上安装有直流电机、 正弦波发生器、 转向舵机， 所述的正玄波发生器与平行四边形联 动机构连接， 所述的正玄波发生器为曲柄滑块机构， 该机构能产生一个左右 30 度摆角， 并 。
5、能按照正弦规律摆动， 所述的转向舵机与曲柄滑块机构曲柄通过齿轮啮合。 5. 如权利要求 1 所述的基于模块化设计的仿生水下科考平台， 其特征在于所述的三自 由度转动胸鳍， 是指三个舵机并联， 通过万向节和若干个球关节以及一个球轴承与胸鳍连 接。 6. 如权利要求 1 所述的基于模块化设计的仿生水下科考平台， 其特征在于所述的鱼鳔 舱有与外界相通的孔， 内有仿鱼鳔的气囊， 气囊与鱼头舱通过导管连接， 导管上安装有抽气 泵， 能够将密封在鱼头舱中的气体抽到气囊。 7. 如权利要求 1 所述的基于模块化设计的仿生水下科考平台， 其特征在于所述的控制 系统包括仿生运动控制系统、 自主导航控制系统以及作。
6、业控制系统。 8. 如权利要求 7 所述的基于模块化设计的仿生水下科考平台， 其特征在于所述的仿生 运动控制系统包括摆动和转向控制模块、 三自由度舵机控制模块、 无线控制模块、 气囊的控 制模块 ； 每个模块对应一个单片机， 安装在相应的舱室中， 各单片机之间采用 IIC 通讯， 所 述的单片机为 SILICON 公司的 C8051F410。 9. 如权利要求 7 所述的基于模块化设计的仿生水下科考平台， 其特征在于所述的自主 导航系统包括 GPS、 避障传感器、 导航处理器、 电子罗盘、 惯性测量仪、 流速计， 无线数字传输 系统 ； 所述的避障传感器包括声纳系统和红外系统 ； 导航处理器为。
7、 Ampro 宽温级工控计算 机PC104-CoreModule435 ； 电子罗盘为TCM2.6电子罗盘 ； 惯性测量仪为VG5100六轴测量系 统 ； GPS 为 GARMIN25GPS 接收机。 10. 如权利要求 7 所述的基于模块化设计的仿生水下科考平台， 其特征在于所述的作 业系统为水质监测模块， 通过单片机控制， 包括温度传感器、 浑浊度传感器、 溶解氧传感器 和 PH 值传感器， 安装在功能拓展舱内。 权 利 要 求 书 CN 103303450 A 2 1/5 页 3 一种基于模块化设计的仿生水下科考平台 技术领域 0001 本发明涉及自动控制、 机械设计和仿生学等领域， 特。
8、别涉及一种水下科考平台。 背景技术 0002 智能水下机器人是将人工智能、 自动控制、 模式识别、 信息融合与理解、 系统集成 等技术应用于传统的载体上， 在无人驾驶的情况下自主地完成复杂水下环境中预定任务的 机器人。 目前， 无人潜水器分为遥控潜水器(Remotely Operated Vehicle， 简称ROV)和自治 式潜水器 (Autonomous Underwater Vehicle， 简称 AUV) 两种， 他们各具优点与不足。其中 AUV 具有水下活动范围大、 机动性好、 安全、 结构简单等优点， 主要用于海底地形地貌勘察、 海洋资源及地质调查、 海洋环境和水文参数测量、 生物。
9、考察等等。 由于自主式水下机器人在 水下是自治工作， 因此它的控制技术比 ROV 要复杂， 但是它的潜在应用价值和不可替代性， 已广泛引起各国海洋开发界的重视， AUV 的研究代表了水下机器人的发展方向。 0003 国外发展现况， 2007 年 6 月， 在美国弗罗里达州举行了规模空前的自主水下航行 器节。来自西方 8 个国家的约 500 名军方和科技人员参加了此次活动， 共展示了 81 台套各 类水下、 地面和空中自主平台。 从近期国内外已公布的研究资料可以看出， 水下机器人一方 面向着大型化、 大航程、 功能多样化发展 ； 另一方面向着微小型化、 功能专业化方面发展。 其 中有代表性的研究。
10、有如下几项 ： 0004 一是美国海军委托宾西法尼亚大学研制的 “海马” 水下机器人， 可执行远程扫雷任 务， 其主尺度为长 8.4m， 直径 1.14m， 质量 5 吨， 航程 555km， 续航时间 72h。在执行任务时， 还可以搜集海洋数据和声呐图像。 0005 二是日本东京大学浦瑕实验室开发的 RZD4、 manta-eeresia 水下机器人。其中 RZD4 搭载有各种化学分析仪器， 主要用于深海以及热带海区矿藏的观测调查。它长 4.1m， 宽 1.1m， 高 0.81m， 重 1.6t， 最大潜深为 4000m。 0006 三是俄罗斯海事科技研究所制造的 MT-88 是可以下潜 6。
11、000 米的预编程式水下机 器人。该水下机器人装备的测量仪器有 TV 和静物照相机。MT-88 长 3.51m， 宽 1.12m， 高 1.19m， 重量为 1150Kg， 最大速度为 1m/s， 水下连续工作时间为 6h。 0007 美国、 日本等国已研制了多种微小型水下机器人， 如 REMUS 系列、 巡逻兵 (Ranger) 等， 不仪实现了整体的微小型化， 而且具有特定的作业功能。 微小型水下机器人将向着控制 的智能化、 功能的多样化、 总体设计的模块化、 结构形式的多元化、 应用方式的群体化、 所载 系统的集成化方向发展。 0008 国内发展现况， 从上世纪 90 年代开始， 我国 。
12、AUV 的研制取得了重大突破。其在功 能， 结构与技术指标上日益与国际接轨， 在此不予赘述。 其中行课题立意新颖， 实事求是， 并 有大量的理论数据， 具体介绍如下 ： 0009 一种多模态仿生科考平台， 设计一种多模态仿生科考平台。 它包括刚性鱼头， 与鱼 头连接的具有多个关节的柔性身体， 包括一对左右独立控制的胸鳍和新月形尾鳍的仿鳍机 构， 设置在鱼头中的胸鳍驱动装置、 控制电路、 电源模块、 无线双工通信模块和红外传感单 说 明 书 CN 103303450 A 3 2/5 页 4 元， 鱼头中设置有测量鱼体深度的超声测距装置， 及配套的小型换能器和外围滤波放大电 路 ； 有电机控制装置。
13、产生电机控制信号控制仿鳍机构的驱动电机运转， 同时通过无线双工 通信模块与上位机实施无线双工通信。 提高了科考平台的灵活性、 稳定性以及仿生特性， 进 而提高科考平台的作业能力、 拓宽科考平台的应用领域。 0010 基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人设计与实现。以基于柔性长鳍波动推 进的仿生水下机器人试验模型为背景， 主要研究其设计与实现问题， 首先， 介绍了水下机器 人试验模型的设计原则及其系统总体结构， 然后重点研究了仿生柔性长鳍、 主控模块与通 讯系统、 运动控制子系统的设计方法、 系统构成和工作原理， 最后介绍了试验模型的系统测 试与航行实验结果及其结论， 并指出了仿生水下机器人试验。
14、模型的改进重点和柔性长鳍波 动推进技术今后的研究方向， 基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人试验模型的研制成 功， 初步验证了柔性长鳍波动推进方式应用于水下机器人推进控制系统在原理上和技术上 是可行的。 0011 水下机器人新型仿鱼鳍推进器， 防鱼鳍水下推进器作为一种具有效率高、 运动灵 活以及噪音低等优点的新型水下推进器越来越受到广大科技工作者的重视。 并且分析了压 电陶瓷在仿鱼鳍推进器中的应用和形状记忆合金在防鱼鳍推进器和水下机器人的应用。 0012 但是， 上述的这些现有技术所描述的水下机器人科考平台由于空间上的限制， 使 用单一， 效率不高， 且仿生驱动技术复杂， 成本高， 鱼体俯仰沉。
15、浮姿态调整比较困难。 发明内容 0013 为了克服现有技术中存在的效率不高、 仿生驱动技术复杂、 成本高、 鱼体俯仰沉浮 姿态调整比较困难等问题， 本发明提出了一种新的基于模块化设计的水下仿生科考平台， 采用本发明的水下仿生科考平台， 能够有效的解决现有技术中存在的问题， 在实现了产品 优化和试运行后可以在一般水域进行推广运用， 拥有很大的现实意义和市场前景。 0014 本发明是采用如下技术方案实现的 ： 0015 一种基于模块化设计的仿生水下科考平台， 采用鱼体外形， 包括舱室、 骨架和尾 鳍， 其中， 按照鱼体骨架， 分别设置有鱼头舱、 控制和通讯舱、 胸鳍舱、 鱼鳔舱、 尾鳍舱以及功 能。
16、扩展舱， 其中所述的鱼头舱用于安装摄像头和探照灯， 控制和通讯舱安装控制系统， 胸鳍 舱用于安装三自由度转动胸鳍， 鱼鳔舱安装在科考平台背部， 内安装有仿鱼鳔的气囊， 能源 舱用于存放电池， 尾鳍舱用于安装控制板， 功能扩展舱为空腔， 用于安装各种实现所需功能 的吊舱。 0016 上述的基于模块化设计的仿生水下科考平台， 其中各舱室通过单片机串口通讯相 互连接， 依次固定在骨架上。 0017 上述的基于模块化设计的仿生水下科考平台， 其中尾鳍由至少两节组成， 通过铰 链相互连接， 相邻两尾鳍之间还设置有平行四边形联动机构。 0018 上述的基于模块化设计的仿生水下科考平台， 其中所述的尾鳍第一。
17、节上安装有直 流电机、 正弦波发生器、 转向舵机， 所述的正弦波发生器与平行四边形联动机构连接。 0019 上述的基于模块化设计的仿生水下科考平台， 其中所述的正弦波发生器为曲柄滑 块机构， 该机构能产生一个左右 30 度摆角， 并能按照正弦规律摆动。 0020 上述的基于模块化设计的仿生水下科考平台， 其中所述的转向舵机与曲柄滑块机 说 明 书 CN 103303450 A 4 3/5 页 5 构曲柄通过齿轮啮合。 0021 上述的基于模块化设计的仿生水下科考平台， 其中所述的三自由度转动胸鳍， 是 指三个舵机并联， 通过万向节和若干个球关节以及一个球轴承与胸鳍连接。 0022 上述的基于模。
18、块化设计的仿生水下科考平台， 其中所述的鱼鳔舱有与外界相通的 孔， 内有仿鱼鳔的气囊， 气囊与鱼头舱通过导管连接， 导管上安装有抽气泵， 能够将密封在 鱼头舱中的气体抽到气囊。 0023 上述的基于模块化设计的仿生水下科考平台， 其中所述的控制系统包括仿生运动 控制系统、 自主导航控制系统以及作业控制系统。 0024 上述的基于模块化设计的仿生水下科考平台， 其中所述的仿生运动控制系统包括 摆动和转向控制模块、 三自由度舵机控制模块、 无线控制模块、 气囊的控制模块 ； 每个模块 对应一个单片机， 安装在相应的舱室中， 各单片机之间采用 IIC 通讯。 0025 上述的基于模块化设计的仿生水下。
19、科考平台， 其中所述的单片机为 SILICON 公司 的 C8051F410。 0026 上述的基于模块化设计的仿生水下科考平台， 其中所述的自主导航系统包括 GPS、 避障传感器、 导航处理器、 电子罗盘、 惯性测量仪、 流速计， 无线数字传输系统。 0027 上述的基于模块化设计的仿生水下科考平台， 其中所述的避障传感器包括声纳系 统和红外系统 ； 导航处理器为Ampro宽温级工控计算机PC104-CoreModule435 ； 电子罗盘为 TCM2.6 电子罗盘 ； 惯性测量仪为 VG5100 六轴测量系统 ； GPS 为 GARMIN25GPS 接收机。 0028 上述的基于模块化设计。
20、的仿生水下科考平台， 其中所述的作业系统为水质监测模 块， 通过单片机控制， 包括温度传感器、 浑浊度传感器、 溶解氧传感器和 PH 值传感器， 安装 在功能拓展舱内。 0029 本项目的创新点在于 ： 0030 (1) 从湖泊水资源利用与保护的现实需要出发， 综合应用仿生技术、 模块化技术和 自动控制技术， 研发出适合大部分淡水水域的多用、 高效的科学考察平台， 为水资源科考活 动提供了一种技术先进、 性能良好的自动化设备， 是一般水体科学考察技术手段的一种创 新。 0031 (2) 在观察分析鱼类运动的基础上， 应用仿生技术和机构组合变异技术设计了一 种逐级偏转式的尾鳍驱动装置， 用简单巧。
21、妙的机械方式满足了仿生驱动的复杂技术要求。 同时研制出三自由度的仿生并联胸鳍机构， 配合内部的重心调整机构创造性地解决了鱼体 俯仰沉浮姿态调整的技术难题。 0032 (3) 采用了开放式的功能吊舱设计方案， 满足了科考平台的多功用要求， 同时没有 增加科考平台的复杂程度， 提高了其的应用价值。 0033 在实现了产品优化和试运行后可以在一般水域进行推广运用， 拥有很大的现实意 义和市场前景。 附图说明 0034 图1为本发明所述的基于模块化设计的仿生水下科考平台中实施例1的模块化设 计图， 其中 1 为鱼头舱， 2 为鱼鳔舱， 3 为背鳍， 4 为鱼鳔舱， 5 为能源舱以及控制和通讯舱， 6 。
22、为尾鳍舱， 7 为尾鳍， 8 为转向机构， 9 为扩展舱， 10 为三自由度转向胸鳍 ； 说 明 书 CN 103303450 A 5 4/5 页 6 0035 图2为本发明所述的基于模块化设计的仿生水下科考平台中实施例1的尾鳍部分 结构图， 其中 11 为尾柄， 12 为第一节尾鳍， 13 为平行四边形机构连杆， 14 为直流减速电机， 15 为铰链， 16 为第二节尾鳍， 17 为第三节尾鳍 ； 0036 图3为本发明所述的基于模块化设计的仿生水下科考平台中实施例1的转弯机构 结构图， 其中 18 为转向舵机， 19 为曲柄滑块机构 ； 0037 图4为本发明所述的基于模块化设计的仿生水下。
23、科考平台中实施例1的三自由度 胸鳍结构示意图， 其中 20 为万向节， 21 为球关节， 22 为舵机， 23 为球轴承， 24 为鱼鳍 ； 0038 图5为本发明所述的基于模块化设计的仿生水下科考平台中实施例1的控制系统 示意图。 具体实施方式 0039 实施例 1 0040 如图1所示， 基于模块化设计的仿生水下科考平台采用鱼的外形， 按照图1的结构 组装机械鱼 ： 0041 鱼头舱 1 为密封舱， 设置有摄像头和探照灯， 通过单片机控制摄像头和探照灯， 单 片机通过通讯串口与能源舱以及控制和通讯舱 5 中的单片机连接， 单片机均为 SILICON 公 司的 C8051F410 芯片。 0。
24、042 胸鳍舱2为密封舱， 安装有三自由度胸鳍10， 通过单片机控制三自由度胸鳍10， 单 片机通过通讯串口与能源舱以及控制和通讯舱 5 中的单片机连接， 单片机均为 SILICON 公 司的 C8051F410 芯片。 0043 鱼鳔舱 4 设置有与外界相通的四个孔， 内有仿鱼鳔的气囊， 气囊密封， 并与鱼头舱 1 通过导管密封连接， 在导管与仿生鱼鳔气囊之间设置有气泵 ； 舱内还设置有单片机， 单片 机控制气泵工作， 并通过通讯串口与能源舱以及控制和通讯舱 5 中的单片机连接， 单片机 均为 SILICON 公司的 C8051F410 芯片。 0044 能源舱以及控制和通讯舱 5 内设置有。
25、电池以及单片机， 电池提供单片机工作所需 要的能源， 单片机通过通讯串口向其他部件单片机发出指令， 并接受外部控制信号， 单片机 均为 SILICON 公司的 C8051F410 芯片。其控制电路图如图 5 所示。 0045 尾鳍舱 6 为密封舱， 内设置有单片机， 单片机均为 SILICON 公司的 C8051F410 芯 片， 控制转弯机构和尾鳍 7。 0046 尾鳍 7 如图 2、 3 所示， 尾鳍 7 共有三段， 通过尾柄 11 与鱼体连接， 第一节尾鳍 12、 第二节尾鳍 16、 第三节尾鳍 17 三者两两之间通过铰链 15 连接成整个尾鳍 7， 三者两两之间 同时还通过平行四边形机。
26、构连杆 13 相互连接， 平行四边形机构连杆 13 一端固定在尾鳍连 接的铰链 15 上， 一端固定在尾鳍 12、 16、 17 上， 其中第一节尾鳍 12 与尾柄 11 通过铰链 15 连接， 第一节尾鳍 12 与尾柄 11 之间的铰链 15 上还固定有曲柄滑块机构 19， 第一节尾鳍 12 与第二节尾鳍 16 之间的平行四边形机构连杆 13 一端固定在第二节尾鳍 16 上， 一端与曲柄 滑块机构19连接， 直流减速电机14驱动曲柄滑块机构19， 带动第节尾鳍12与尾柄11之间 平行四边形机构连杆 13 运动， 导致第一节尾鳍 12 向一方运动， 第一节尾鳍 12 运动通过第 一节尾鳍 12。
27、 与第二节尾鳍 16 之间的平行四边形机构连杆 13 带动第二节尾鳍 16 向同样的 方向运动， 同理带动第三节尾鳍17向同样的方向运动 ； 直流电机14通过尾鳍舱中的单片机 说 明 书 CN 103303450 A 6 5/5 页 7 控制。 0047 转向机构 8 如图 3 所示， 在曲柄划块机构 19 与铰链 15 连接的一端上设置有齿轮， 并与转向舵机 18 相应齿轮齿合， 转向舵机通过尾鳍舱 6 中的单片机控制。 0048 三自由度转向胸鳍 10 如图 4 所示， 三个舵机 22 产生 x、 y、 z 三个方向的力， 三者并 联， 形成合力作用于万向节 20， 然后通过若干个球关节 。
28、21 以及一个球轴承 23 带动胸鳍 24 运动。 0049 控制系统如图 5 所示， 基于模块化设计的仿生水下科考平台所述的控制系统包括 仿生运动控制系统、 自主导航控制系统以及作业控制系统。其中所述的仿生运动控制系统 包括摆动和转向控制模块、 三自由度舵机控制模块、 无线控制模块、 气囊的控制模块 ； 每个 模块对应一个单片机， 安装在相应的舱室中， 各单片机之间采用 IIC 通讯。所述的单片机为 SILICON 公司的 C8051F410。所述的自主导航系统包括 GPS、 避障传感器、 导航处理器、 电子 罗盘、 惯性测量仪、 流速计， 无线数字传输系统。所述的避障传感器包括声纳系统和红。
29、外系 统 ； 导航处理器为 Ampro 宽温级工控计算机 PC104-CoreModule435 ； 电子罗盘为 TCM2.6 电 子罗盘 ； 惯性测量仪为 VG5100 六轴测量系统 ； GPS 为 GARMIN25GPS 接收机。所述的作业系 统为水质监测模块， 通过单片机控制， 包括温度传感器、 浑浊度传感器、 溶解氧传感器和 PH 值传感器， 安装在功能拓展舱内。 说 明 书 CN 103303450 A 7 1/3 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103303450 A 8 2/3 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103303450 A 9 3/3 页 10 图 5 说 明 书 附 图 CN 103303450 A 10 。