Безвинтовой подводный робот с неизменяемой формой оболочки

Полезная модель относится к конструкциям подводных лодок, а именно к подводным мобильным роботам с движителем иным, чем обычные гребные винты и струйные движители, и может применяться в задачах мониторинга в жидкости с плотной растительностью, так как не содержит внешних подвижных механических элементов, а также в научных исследованиях в качестве экспериментальной модели при оценке эффективности инерционного движителя, использующегося для приведения подводного робота в движение.
Устройство предназначено для реализации принципов перемещения (плавания) под водой известных из живой природы подводных обитателей, а именно бионического принципа. В отличие от известных из живой природы аналогов корпус предлагаемого устройства не деформируется, отсутствуют сочлененные механизмы, а в качестве приводного движителя используются внутренний маховик, вращение которого приводит к вращению корпус робота.
Из уровня техники известен подводный плавающий робот с бионическим принципом движения (RU 124656 U1, МПК B62D 57/00, опубл. 10.02.2013). Устройство содержит корпус с обтекаемой носовой частью, первый приводной блок, закрепленный на корпусе, второй приводной блок, закрепленный на выходном звене первого приводного блока, хвостовой плавник, закрепленный на выходном звене второго приводного блока, электропривод, закрепленный на корпусе робота, гидроцилиндр, закрепленный на корпусе робота, причем поршень гидроцилиндра соединен со штоком электропривода. Из гидроцилиндра выведена наружу трубка таким образом, что при перемещении поршня гидроцилиндр может забирать воду извне или выталкивать воду во внешнюю среду. Также на корпусе робота закреплен электропривод вращения, с валом которого соединены два плавника. Каждый приводной блок состоит из корпуса приводного блока и мотора-редуктора.
Недостатками известного устройства являются его низкая технологичность, связанная со сложностью предложенной конструкции робота, и низкая надежность, обусловленная наличием большого числа подвижных узлов.
Наиболее близким техническим решением к заявленной полезной модели является безвинтовой подводный робот (RU 172254 U1, МПК B63G 8/00, опубл. 03.07.2017), содержащий корпус, выполненный в виде эллипсоида, состоящего из двух половин, герметично соединенных друг с другом в экваториальной плоскости с помощью дискообразной опорной перегородки, содержащей четыре прямоугольных окна, выполненных под углом 90° относительно друг друга. В опорной перегородке установлен узел маховиков. Дополнительно робот снабжен двумя однотипными модулями плавучести, закрепленными в вершинах каждой из половин корпуса. Положительный технический результат состоит в расширении функциональных возможностей подводного робота за счет осуществления управляемого движения в произвольном направлении в жидкости посредством узла маховиков, а также регулирования глубины его погружения за счет модулей плавучести.
Недостатком известного технического решения являются ограниченные возможности его движителя для осуществления управляемого перемещения, а также сложность построения управляющих маневров.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является повышение маневренности подводного робота.
Указанная задача решена тем, что безвинтовой подводный робот содержит жесткий, геометрически неизменяемый корпус, имеющий в сечении форму профиля Жуковского, при этом устройство выполнено с возможностью выполнения под водой поворотных (колебательных) движений за счет создания внутренних инерционных сил (моментов) при вращении маховика, ось вращения которого перпендикулярна продольной плоскости сечения корпуса. Внутри корпуса закреплены генератор внутреннего кинетического момента, выполненного на основе маховика, модули поддержания плавучести, блок системы управления и аккумуляторные батареи, при этом генератор внутреннего кинетического момента смонтирован на опоре маховика и состоит из маховика, приводимого во вращение через коническую зубчатую передачу от мотора-редуктора.
Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью признаков полезной модели, является повышение маневренности подводного робота, за счет размещения движителя в его корпусе и исключения соприкосновения движущихся узлов генератора внутреннего кинетического момента с окружающей средой.
Конструкция устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан внешний вид подводного робота в сборе в изометрической проекции; на фиг. 2 показан внешний вид подводного робота со снятой крышкой; на фиг. 3 показана кусочно-непрерывная периодическая функция угловой скорости маховика.
Безвинтовой подводный робот с неизменяемой формой оболочки устроен следующим образом.
Устройство скомпоновано в виде пустотелого герметичного корпуса каплеобразного профиля с затупленной передней и острой задней кромками, контур и аэродинамические характеристики которого вычисляются по аналитическим формулам. Такую форму аппарата в технике принято называть профилем Жуковского. Корпус робота имеет плоские верхнюю и нижнюю поверхности, при этом он выполнен разъемным, состоящим из полой нижней части 1 и верхней части, представляющей собой крышку 2. Внутри корпуса размещены генератор внутреннего кинетического момента на основе маховика 3, модули поддержания плавучести 4, блок управления 5 и аккумуляторные батареи 6. Генератор внутреннего кинетического момента смонтирован на опоре и состоит из маховика, приводимого во вращение через коническую зубчатую передачу 7 от мотора-редуктора 8.
Опора маховика установлена в корпусе на салазках, что дает возможность экспериментально определить положение генератора относительно корпуса для получения наибольшей эффективности его работы. Ось вращения маховика перпендикулярна нижней и верхней плоским поверхностям корпуса, модули поддержания плавучести выполнены с использованием гидроцилиндров, штоки которых через передачу винт-гайка и цилиндрическую зубчатую передачу соединены с мотором-редуктором, а выходы гидроцилиндров соединены соответствующими каналами с наружной текучей средой.
Для поддержания заданной скорости на валу привода маховика установлен датчик углового перемещения - энкодер, с помощью которого блок управления рассчитывает фактическую скорость вращения маховика в текущий момент времени. Для точного отсчета временных интервалов блок управления выполнен на основе микроконтроллера, содержащего микропроцессорное ядро, соединенное системной шиной с FLASH-памятью программ, SRAM-памятью данных и периферийными устройствами: универсальными двунаправленными портами ввода-вывода, многоканальным аналого-цифровым преобразователем, к одному из входов которого подключен упомянутый энкодер, аппаратные таймеры-счетчики и синхронно-асинхронный приемопередатчик USART, к которому подключен радиомодуль для приема управляющих команд от внешнего блока управления роботом, при этом в качестве микроконтроллера целесообразно использовать микросхему, работающую на частоте 72 МГц.
Безвинтовой подводный робот работает следующим образом.
Первоначально корпус робота надежно герметизируют, закрепляя крышку 2 на полой части 1, затем устройство помещают в водоем, мониторинг которого планируется осуществлять. Дальнейшие действия робот осуществляет на основе управляющей программы, хранящейся во FLASH-памяти микроконтроллера с использованием SRAM-памяти данных в соответствии с управляющими командами, принимаемыми блоком управления 5 по радиоканалу.
При работе устройства в модули поддержания плавучести 4 закачивается жидкость из наружной гидравлической среды в таком количестве, чтобы удерживать устройство под поверхностью на необходимой глубине. Генератор внутреннего кинетического момента при возвратно-вращательном движении маховика 3 создает вращающий момент, передающийся чрез опору маховика на корпус устройства, заставляя его поворачиваться в левую или правую сторону, создавая отталкивающую (движущую) силу, направленную в сторону головной части корпуса.
1
3
1
4
1
3
2
4
3
1
4
2
Для управления устройством используется кусочно-непрерывная периодическая функция угловой скорости маховика. Функция имеет 4 участка на периоде: участки t и t определяют время вращения маховика с постоянной скоростью, участки t и t - время ускоренного вращения маховика. От соотношений интервалов зависит форма траектории и характер движения: при соблюдения условия t=t и t=t робот движется в среднем вдоль прямой, если какое-либо из равенств нарушается, робот начинает двигаться вдоль некоторой кривой, описываемой окружностью. При увеличении отношений t/t и t/t радиус траектории движения уменьшается для любого периода Т управляющего воздействия.
Поскольку колебания совершаются относительно оси, являющейся своеобразным геометро-гидравлическим центром, то определенная каплеобразная форма (форма профиля Жуковского), как и крыло в воздухоплавании, обеспечивает разность условий обтекания жидкостью головной и хвостовой частей. Благодаря этому эффекту возникает разница в давлении жидкости с различных сторон корпуса совершающего вращательные колебания и, соответственно, разность присоединенных масс, определяемых объемами вовлекаемой в процесс движения жидкости и зарождение вихревых структур, которые приводят к появлению движущей силы, приводящей корпус робота в движение.
Таким образом, рассмотренный в настоящей заявке подводный робот является эффективным устройством для исследования естественных и искусственных водоемов экологически безопасным способом, за счет применения в его конструкции герметичного корпуса, инерционного движителя, отсутствия внешних подвижных частей и возможности управления роботом удаленно по радиоканалу.