一种小型超稳水上机器人
阅读说明：本技术 一种小型超稳水上机器人 (Small-size superstable robot on water ) 是由 杜宇 付遥 申亚州 赵嘉凯 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种小型超稳水上机器人。包括舱体、舵机架、中央承力柱、悬臂机构、支座和片体；所述舵机架套于所述中央承力柱之上；所述支座连接所述悬臂机构和所述片体,所述舱体安装并位于所述中央承力柱上端。是一种具备更佳耐波稳定性、安装组装更方便、运行更加稳定、适用面更广的小型水上超稳机器人。(The invention provides a small-sized super-stable water robot. Comprises a cabin body, a steering engine frame, a central bearing column, a cantilever mechanism, a support and a sheet body; the steering engine frame is sleeved on the central bearing column; the support is connected with the cantilever mechanism and the sheet body, and the cabin body is installed and positioned at the upper end of the central bearing column. The small-sized water ultrastable robot has better wave-resistant stability, more convenient installation and assembly, more stable operation and wider application range.)
技术领域
本发明涉及水面机器人领域，特别涉及一种小型超稳水上机器人。
背景技术
本发明旨在以主动位移补偿地方式实现提升船舶耐波性方面地进一步突破。耐波性问题一直困扰着船舶与海洋工程领域从业者，耐波性主要通过耐波性衡准要素体现，改善耐波性即一般所说的减摇，目前减摇技术主要通过改善减摇的船体线型和附加减遥装置来实现，减摇装置主要有减摇水舱，稳定鳍，舭龙骨，陀螺减摇器，T型水翼、截流板等等少数几种。但是现有技术仍存在以下局限性：
通过线型设计进行减摇往往针对于特定海况进行设计，船舶航行于该特定海况条件的海域，而在其他海况条件下则很难达到同样的减摇效果。同时线型设计时为了平衡耐波性，往往会适当调整底部设计，降低船舶快速性，导致舱内空间利用和经济型受到影响。
减摇水舱的发展已经有百年历史了，发展至今国内外已经日臻成熟，但是减摇水舱仍存在减摇效率相对较低，占用空间大，低频扰动下易增摇的缺点，因此常用于中大型船舶，小型船舶由于舱室紧张和主尺度较小，基本无法采用此技术。
减摇鳍出现相对较晚，发展至今逐渐成为中小型船舶必选的减摇方式。随着技术的发展，目前也有很多款主动式减摇鳍，实现了低航速同样达到减摇效果。但固定式减摇鳍作为船底附体会增加航行阻力，可回收式减摇鳍的回收机构维护不便且会占用较大舱内空间，主动式减摇鳍功耗较高，同样会降低经济性。但是减摇鳍由于产生的减摇力矩跟航速成正比，使得在低速情况下减摇效果很差，在零航速时没有减摇效果。
陀螺减摇器主要用于改善横摇，多用于高档船型。船舶纵摇力矩较大，陀螺减摇器对纵摇的改善效果有限。由于采用了温控系统，精密仪器如高速马达转子、调平机构等，设计以及制造厂家尚且较少，成本要高于其他减摇装置。由于整套设备具有一定的附加重量，也限制了实际的使用范围。
T形水翼、截流板的原理类似，调整船底表面的水流流动以达到减摇的目的。作为附加阻力会增加较多的航行阻力，而且需要单独进行参数调整和制作，成本也比较高昂。
本方案基于“主动位移补偿式超稳四体船”的设计方案，其技术详见专利申请号202110114506.5的内容，该设计方案提出了主动位移补偿式的超稳设计，但是该设计主要为针对中大型船舶的耐波性解决方案，其中存在较多待改进以及细化的地方，如运动补偿执行机构负载较大、散热问题等等。本方案更具体地是一种小型水上超稳机器人，并且经过分化改造之后，对现有存在的问题提出的进一步的解决方案。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种小型超稳水上机器人，本发明的技术方案是这样实施的：
一种小型超稳水上机器人，包括舱体、舵机架、中央承力柱、悬臂机构、支座和片体；
所述舵机架套于所述中央承力柱之上；所述支座连接所述悬臂机构和所述片体，所述舱体安装并位于所述中央承力柱上端；
所述悬臂机构包括舵机、舵机臂、连接臂、连接杆、平行杆、固定座和弹簧；所述舵机架连接并固定所述舵机，所述舵机臂安装于所述舵机上，所述弹簧连接所述连接杆和所述支座，所述平行杆一端连接所述固定座，另一端则连接所述支座；
所述舱体内部集成有电气控制系统和陀螺仪姿态传感器；
所述片体内部设置有加速度传感器；
所述陀螺仪姿态传感器和所述加速度传感器传输信号至所述电气控制系统；
所述电气控制系统控制所述片体和所述悬臂机构。
优选地，所述舱体包括风扇和散热板；所述散热板上设置有控制电路板安装位。
优选地，所述风扇上设置有风扇盖。
优选地，所述舱体上方设置有摄像头架。
优选地，所述片体外侧设置有螺旋桨推进器安装位。
优选地，所述舵机架包括舵机安装位和进风口，所述进风口位于所述舵机安装位上方。
当所述机器人需要调整平衡状态时，机器人流程如下：
S1，所述陀螺仪姿态传感器感应所述舱体水平状态并将信息传输至所述电气控制系统；
S2，所述加速度传感器用于监测四个片体的垂直方向的受力情况并将信息传输至所述电气控制系统；
S3，所述电气控制系统接收所有信息后运行超稳控制算法计算出所有舵机的运动补偿参数；
S4，所述电气控制系统根据运动补偿参数对各个舵机发出相应的运动补偿指令使舱体保持平稳；
优选地，机器人流程还包括S5，所述电气控制系统预测所述片体的运动走向和趋势并发出预判运动补偿指令。
当机器人进行水面移动时，机器人运行流程如下，
N1，所述电气控制系统接收外部操作指令；
N2，所述电气控制系统将外部操作指令转化成片体运动指令；
N3，所述电气控制系统将片体运动指令传输给所述片体；
N4，所述片体上的推进器进行相应的转动来推动片体。
本发明的优势如下：
超稳水上机器人相比于传统船舶工艺，采用模块化、零件化设计，整体结构搭建可通过模块式组装完成。
小型超稳机器人采用的主动补偿系统所能达到的稳定性优于一般的被动型减摇系统。
小型超稳水上机器人采用多片体设计，耐波性一般优于单片体船，同比情况下，横摇以及纵摇幅值较小。
主船舱可根据实际应用场景或者客户需求进行调整，具有可定制特点。应用场景区别于中大型船只。
小型超稳水上机器人相比于主动补偿式的中大型船型，采用舵机作为控制悬臂的执行机构，针对小型设计控制更加便捷、精准。
小型超稳水上机器人舱体内可建散热空调系统，助于舵机、电路板、电子调速器散热，运行更加稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
图1为实施例的结构示意图；
图2为本发明舱体内部结构示意图；
图3为实施例中舱体外部结构示意图；
图4为实施例中舱体架结构示意图；
图5为实施例中悬臂机构结构示意图；
图6为实施例中片体外部结构示意图；
图7为机器人超稳控制流程简图；
图8为机器人运动控制流程简图。
在上述附图中，各图号标记分别表示：
1，舱体
2，舵机架
3，中央承力柱
4，悬臂机构
5，支座
6，片体
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
在一种具体的实施例中，如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，一种小型超稳水上机器人，包括舱体1、舵机架2、中央承力柱3、悬臂机构4、支座5和片体6；
舵机架2套于中央承力柱3之上；支座5连接悬臂机构4和片体6，舱体1安装并位于中央承力柱3上端；
悬臂机构4包括舵机、舵机臂、连接臂、连接杆、平行杆、固定座和弹簧；舵机架2连接并固定舵机，舵机臂安装于舵机上，弹簧连接连接杆和支座5，平行杆一端连接固定座，另一端则连接支座5；
舱体1内部集成有电气控制系统和陀螺仪姿态传感器；
片体6内部设置有加速度传感器；
陀螺仪姿态传感器和加速度传感器传输信号至电气控制系统；
电气控制系统控制片体6和悬臂机构4。
舱体1包括风扇和散热板；散热板上设置有控制电路板安装位。
风扇上设置有风扇盖。
舱体1上方设置有摄像头架。
片体6外侧设置有螺旋桨推进器安装位。
舵机架2包括舵机安装位和进风口，进风口位于舵机安装位上方。
当机器人需要调整平衡状态时，机器人流程如下：
S1，陀螺仪姿态传感器感应舱体1水平状态并将信息传输至电气控制系统；
S2，加速度传感器用于监测四个片体6的垂直方向的受力情况并将信息传输至电气控制系统；
S3，电气控制系统接收所有信息后运行超稳控制算法计算出所有舵机的运动补偿参数；
S4，电气控制系统根据运动补偿参数对各个舵机发出相应的运动补偿指令使舱体1保持平稳；
S5，电气控制系统预测片体6的运动走向和趋势并发出预判运动补偿指令。
当机器人进行水面移动时，机器人运行流程如下，
N1，电气控制系统接收外部操作指令；
N2，电气控制系统将外部操作指令转化成片体6运动指令；
N3，电气控制系统将片体6运动指令传输给片体6；
N4，片体6上的推进器进行相应的转动来推动片体6。
本实施例中，舱体1主要容纳电气控制系统和各类电气装置，包括散热装置，中央控制装置、数据传输装置等设备；中央承力柱3主要作为舱体1的承力件，片体6上安装有整机推进系统，本实施例中采用的是螺旋桨推进器(常用技术，图中未标出，仅标出了该螺旋桨推进器的安装位)，内部可设置冷却系统以及调节系统(本系统为水冷系统，本领域常用技术，图中未标出)。
如图2所示，本发明中舱体1内部结构包括散热板、风扇、舵机控制板，中央控制板和数据传输装置。
外部空气由风扇吸入，经过散热板进入舱体1内部，各类电气装置布于散热板之上，同时由风扇进入的冷风对电气设备进行风冷，达到散热的目的；剩余冷风从舱体1底部下方出风口进入舵机架2，对舵机进行冷却。
如图3所示，舱体1外部装有风扇盖，做防水处理，另立一摄像头架，用于摄像头抬高便于安装探测。
如图4所示，舱体架2上方连接舱体1，套于中央承力柱3之上，在其侧方有四个舵机的安装位，四个舵机分别控制四个悬臂机构4的运动，舱体1内部的散热系统形成的冷风气流通过进风口，对舵机进行散热。舱体架2上设置有连接孔用于连接舱体1。
中央承力柱3主要承载上方部件舱体1以及舵机架2的重量，上方与舵机架2通过螺栓连接，侧方与悬臂机构4进行连接。
超稳的技术要点在于悬臂机构4：舵机驱动舵机臂转动，带动连接臂运动，从而驱动平行杆转动，平行杆一端通过固定座固定于中央承力柱3的一面，另一端则与支座5进行连接。最终达到舵机转动到支座5上下移动的的运动转换。
支座5一端与片体6刚性连接，侧面固定一固定座，并通过转轴与悬臂机构4中的平行杆一端连接。
当支座5运动时，片体6跟随同时运动。根据超稳控制需求，分别在4个片体6中安装了一个加速度传感器。
片体6上设置有支座5安装位。
本实施例中，传感器的安装位置并不唯一，而且传感器安装未本领域惯用技术，因此图中未标出。
电气控制系统包括超稳控制系统和运动控制系统。
超稳控制系统包括:
中央控制板，用于获取处理传感器数据，通过集成的超稳控制算法生成控制指令发送至舵机控制板。
舵机控制板，接收处理中央控制板的指令并驱动舵机按照指令动作。
舵机，超稳控制系统中的执行机构，接收舵机控制板的控制指令并按照指令进行动作。
传感器，包括陀螺仪姿态传感器、加速度传感器。用于获取主船体三轴姿态参数，包括角度、角速度、加速度，并将参数传递给中央控制板。(图中未标出。)
舱体1中部安装了1个陀螺仪姿态传感器，四个片体6中分别安装了1个加速度传感器，传感器可以根据实际情况进行增加、减少。陀螺仪姿态传感器用于感知舱体1是否处于水平状态，加速度传感器用于监测四个片体6的垂直方向的受力情况，所有传感器的数据传输至中央控制板，通过超稳控制算法通过所得数据对各个舵机发出相应的指令，通过主动补偿的方式使舱体1保持水平平稳，同时预测片体6的运动走向和趋势，提前发出预判指令。原理如图7所示。
运动控制系统包括：数据传输装置、电子调节器、螺旋桨推进器、中央控制板、电池、冷却装置。
数据传输装置，接收来自外部设备的操作信号，如手机端，PC端等等。操作信号如：前进、后退、加速、转弯等等。
中央控制板，获取外部通过数据传输装置传递的指令，通过运动控制算法分别将控制指令发至四个电子调节器。
电子调节器，接受中央控制板的指令并驱动推进器。(本实施例中，电子调节器用于控制螺旋桨推进器，位于片体6内，该结构为本领域常用技术，图中未标出。)
螺旋桨推进器，接受来自电子调节器的指令进行相应的转动来推进片体6运动。(为常用技术，图中未标出，仅标出了该螺旋桨推进器的安装位。)
电池，供能装置。(该结构为本领域常用技术，图中未标出。)
冷却装置，降低电子调节器温度，使其正常工作。(该结构为本领域常用技术，图中未标出。)原理如图8所示。
需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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