一种风光波能混合驱动跨域海洋机器人

本发明涉及一种跨域海洋机器人，属于海洋能航行器。

背景技术：

1、21世纪以来，随着化石能源日渐枯竭和环境污染日益严重，各国对清洁能源的开发加大了力度。海洋能驱动机器人是一种利用海洋能源作为动力的机器人，具有航时长、航程大、价格低的特点。广义上，海洋能包括风能、太阳能、波浪能、潮汐能和温差能等，并且这些能源在海洋上无处不在，取之不尽用之不竭。因此，如果能够多源捕获海洋能，将有效提高机器人的航速和生存力。

2、面对一些特殊的任务，如台风过境期间的环境数据采集，需要一种能同步对水面/水下水文数据检测的海洋机器人。目前常规海洋机器人按工作域可以分为水面机器人usv和水下机器人uuv。海洋能驱动usv主要包括风帆航行器、太阳能航行器和波浪驱动航行器，存在高海况下生存力低的缺陷并且只能在水面航行，uuv隐蔽性强但存在续航短的问题，二者均不具备跨域机动能力。因此，如果海洋机器人能实现跨域航行，海洋机器人将具备更高的海况适应性和续航力。综上所述，开发一种能高效利用海洋能，并且具备水面/水下跨域航行能力的海洋机器人对海洋环境观测、水文数据采集具有重大意义。

3、航行器跨域航行的一种可行方案是可重复性进行浮力调节与部件可变结构设计，本专利基于usv和uuv的成熟设计经验，创新性地提出内外双循环浮力调节装置以快速精准地进行浮力调节、对风帆/水翼装置进行结构优化实现其具备可收放功能并通过变结构设计使水翼可充当水下状态时的滑翔翼，最终得到一种利用海洋能驱动并具备水面/水下跨域航行能力的海洋机器人。

4、张蔚欣等人提出的《一种自然能驱动的翼舵联动长航时双体无人艇》公开号：cn109733544a提供了一种能综合利用风光波能的无人艇；但该无人艇只能在水面航行，并不具备跨域机动能力；并且，该无人艇高海况适航能力差。

5、胡五龙等人提出的《可变体跨介质无人艇》公开号：cn116750191a提供了一种具备水面、水下和空中三种航行模式的无人艇；但该专利并未说明无人艇变结构的具体实现形式，也未介绍能源捕获装置与推进器结构样式。

技术实现思路

1、本发明为解决常规的海洋机器人海况适应性和续航能力较差，且均不具备跨域航行能力的问题，进而提出一种风光波能混合驱动跨域海洋机器人。

2、本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括机器人外壳及框架结构、外循环大浮力调节装置、内循环小浮力调节装置、姿态调节装置、舵推装置、风帆水翼收放机构和控制舱；

3、姿态调节装置、外循环大浮力调节装置和内循环小浮力调节装置由前至后依次安装在机器人外壳及框架结构内，风帆水翼收放机构安装在机器人外壳及框架结构的前端内，控制舱安装在机器人外壳及框架结构的后端内。

4、进一步的，机器人外壳及框架结构包括外壳、框架、两个吊环和太阳能板；

5、框架安装在外壳内，两个吊环分别固定安装在框架的前端和后端，太阳能板平铺在外壳的上甲板上。

6、进一步的，外循环大浮力调节装置包括注水海水泵、排水海水泵和海水舱；

7、海水舱安装在机器人外壳及框架结构内，注水海水泵和排水海水泵并排安装在海水舱的前端。

8、进一步的，内循环小浮力调节装置包括油馕、直线电动推杆和油箱；

9、油馕、直线电动推杆和油箱由后至前依次设置在机器人外壳及框架结构内，油箱通过管道与油馕连接，直线电动推杆的活动端与油馕连接。

10、进一步的，姿态调节装置包括电池、导轨、丝杠和驱动机构；

11、导轨安装在机器人外壳及框架结构内，且导轨沿长度方向的中心线与机器人外壳及框架结构沿长度方向的中心线平行，电池安装在导轨上，且电池能沿导轨直线往复移动，丝杠安装在机器人外壳及框架结构内，且丝杠的轴线与导轨沿长度方向的中心线平行，且电池上的螺母套装在丝杠上，丝杠的一端与驱动机构连接。

12、进一步的，舵推装置包括连接架、舵板、舵机和推进器；

13、舵板、舵机和推进器通过连接架安装在机器人外壳及框架结构的后端，舵机与舵板连接。

14、进一步的，风帆水翼收放机构包括风帆、风帆舵机、水翼、水翼连接架、底座、气象站、直线电机、连接杆和风帆太阳能板；

15、直线电机安装在机器人外壳及框架结构的前端，底座安装在机器人外壳及框架结构前端的上表面，风帆、水翼连接架与底座连接，风帆舵机安装在底座上，直线电机通过连接杆分别与风帆和水翼连接架连接，风帆舵机与风帆连接，风帆太阳能板覆盖在风帆上，水翼安装在水翼连接架的下端，气象站安装在风帆的上端。

16、本发明的有益效果是：

17、1、本发明装配三种捕能装置可高效捕获海洋能，实现长航时任务作业。该机器人还具有跨域航行能力，这使得机器人具备高海况适应性和隐蔽作业的能力，将大大提高生存力，减小由机器人损坏带来的经济损耗；

18、2、外壳和框架结构主要为机器人提供结构支撑和良好的水动力外形；外壳和框架结构包括外壳、框架、吊环和太阳能板；外壳用于为机器人提供良好的水动力外形，可以降低航行中的阻力和提高耐波性。外壳上甲板上覆盖有太阳能板用于捕获太阳能，太阳能板防水且耐压；框架用于为机器人提供结构支撑和连接各部件；吊环与框架焊接，用于机器人吊装；

19、3、本发明中，外循环大浮力调节装置在航态切换的时候使用，通过海水泵向水舱注水/排水达到机器人快速得进行大排量的浮力调节；外循环大浮力调节装置包括注水海水泵、排水海水泵和海水舱，两个海水泵防水且抗压，通过管道与水舱连接；整个工作过程中，机器人体积不变，重量改变；

20、4、本发明中，内循环小浮力调节装置在水下航行状态时使用，通过改变油馕体积达到机器人精密得进行小排量的浮力调节，与姿态调节装置配合使用调节机器人在水下滑翔时的姿态；内循小浮力调节装置包括油馕、直线电动推杆和油箱；油箱中有液压油，并且通过管道与油馕连接；直线电动推杆收放推杆将油馕中的液压油吸入/排入油箱；油馕体积变小，机器人排水体积降低，浮力小于重力，机器人下潜；油馕体积变大，机器人排水体积变大，浮力大于重力，机器人上浮；整个工作过程中，机器人体积改变，重量不变；

21、5、本发明中，姿态调节装置在水下航行状态时使用，通过改变机器人重心位置来改变机器人滑翔中的俯仰角，与内循小浮力调节装置姿配合使用调节机器人在水下滑翔时的姿态；姿态调节装置包括电池、导轨、丝杠和驱动机构，并且整个装置处于耐压壳中；驱动机构通过丝杠推动电池沿导轨向机器人头部/尾部运动，改变机器人的重心位置；

22、6、本发明中，舵推装置主要为机器人提供转向力矩，装配有推进器在机器人需要快速机动时可为机器人提供额外推力；舵推装置包括连接架、舵板、舵机和推进器；连接架用于将舵板、舵机和推进器连接并固定于框架上；舵机与舵板连接，并通过带动舵板旋转实现机器人转向；

23、7、本发明中，风帆水翼收放机构为机器人的驱动装置，采用变结构设计，降低了水下航行时的阻力；风帆水翼收放机构包括风帆、风帆舵机、水翼、水翼连接架、底座、气象站、直线电机、连接杆和风帆太阳能板；风帆为中空结构，且上下面开孔，海水可以进入；风帆上覆盖风帆太阳能板；风帆、水翼连接架与底座连接，并可绕底座旋转；风帆舵机为防水舵机并且可带动风帆旋转；水翼与水翼连接架连接，并可绕水翼连接架旋转；直线电机通过连接杆实现风帆和水翼连接架的收放。