CN120646201A - 一种可升潜的水中仿生设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可升潜的水中仿生设备，包括三段式舱体：前段探测舱、中段浮力控制舱和后段推进舱；驱动设备水中行进的推进机构；以及在中段浮力控制舱内、控制仿生设备重心位置的重心调节机构，包括了线性导轨，滑动安装在线性导轨上的电池组件以及驱动电池组件运行的线性驱动装置；还包括姿态控制模块；基础浮力机构，配置为使仿生设备在静止漂浮状态下能保持水平姿态且背部最高点与水面平齐。当电池组件向前移动时驱动仿生设备头部下俯以实现下潜，当电池组件向后移动时仿生设备头部上浮以实现下潜。本发明具备在水中前进转向、升潜、自平衡的能力；且体积小巧，适配性强，机构精简一体化；同时还具备充足拓展能力。

Description

一种可升潜的水中仿生设备

【技术领域】

本发明涉及仿生设备技术领域，具体涉及一种可升潜的水中仿生设备。

【背景技术】

仿生设备，常见的如仿生设备，仿生设备是一种利用鱼类游动机理实现推进的仿生机器，装配各种类型传感器，利用先进的控制和通讯手段，可以构成一套类似鱼身结构的，可以游动的传感器。装有不同传感器的机器鱼具有良好的机动性和隐蔽性，可以在狭小的空间内作业并实现低噪音运动。仿生设备可以在复杂环境作业、在渔乐、海洋监测、海洋生物观察、军事侦察等方面可以发挥重大作用。

然而据调查发现，目前现有的仿生设备往往存在以下问题：

1.驱动系统单一，导致灵活性降低，无法满足多种复杂工况下的工作需求；

2.尾部摆动机构采用刚性材料，一方面使得机器鱼整体行进速度慢，影响水下工作效率，另一方面无法对水流的冲击进行缓冲，导致尾部损坏，还可能使得仿生设备在行进过程中容易发生偏航甚至侧翻；

3.通过改变尾部的单侧摆动幅度来调节仿生设备的行进方向，转弯半径大，且转弯时几乎处于静止状态，大大降低了仿生设备的灵活性。

4.选用已有的标件固定架，使得鱼体内部结构固定，难以做到调节鱼体密度及降低鱼体重心，不具备下潜上浮能力。

【发明内容】

本发明提供了一种可升潜的水中仿生设备，包括分段式密封壳体1，分段式密封腔体包括依次连接的前段探测舱11、中段浮力控制舱12和后段推进舱13；用于驱动后段推进舱13相对中段浮力控制舱12摆动以产生前进推力的推进机构14；以及设置在中段浮力控制舱12内的重心调节机构121，包括了线性导轨，滑动安装在线性导轨上的电池组件1212以及驱动电池组件1212运行的线性驱动装置1213；以及姿态控制模块122。当电池组件1212向前移动时驱动仿生设备头部下俯以实现下潜，当电池组件1212向后移动时仿生设备头部上浮以实现上浮。本发明具备在水中前进转向、升潜、自平衡的能力；且体积小巧，适配性强，机构精简一体化；同时还具备充足拓展能力。

为解决上述技术问题，本发明提供一种可升潜的水中仿生设备，采取以下技术方案，包括

分段式密封壳体1，包括依次连接的前段探测舱11、中段浮力控制舱12和后段推进舱13；

推进机构14，连接所述中段浮力控制舱12的后端和所述后段推进舱13的前端，配置为驱动所述后段推进舱13相对所述中段浮力控制舱12摆动以产生前进推力；

重心调节机构121，设置在所述中段浮力控制舱12的壳体内壁上，包括沿所述中段浮力控制舱12轴线方向延伸的线性滑轨1211、滑动安装于所述线性导轨的电池组件1212以及驱动所述电池组件1212沿所述滑轨移动的线性驱动装置1213；

姿态控制模块122，与所述推进机构14和所述重心调节机构121通信连接，配置为控制仿生设备的运动姿态；

基础浮力机构，设置在所述分段式密封壳体1内，所述基础浮力结构和所述重心调节机构121被协同配置为：当所述电池组件1212位于所述线性滑轨1211中间位置时，所述仿生设备在静止漂浮状态下能保持水平姿态且背部最高点与水面平齐；

所述电池组件1212配置为：

当朝所述前段探测舱11移动时驱动仿生设备头部下俯以实现下潜；

当朝所述后段推进舱13移动时驱动仿生设备头部仰起以实现上浮。

本发明提供的一种可升潜的水中仿生设备，具备在水中前进转向、升潜、自平衡的能力；且体积小巧，适配性强，机构精简一体化；同时还具备充足拓展能力。

如上所述一种可升潜的水中仿生设备，重心调节机构121还包括与所述电池组件1212可拆卸连接的滑块1214，所述电池组件1212通过所述滑块1214滑动安装在所述线性滑轨1211上。

如上所述一种可升潜的水中仿生设备，线性驱动装置1213包括丝杆12131以及驱动所述丝杆12131转动的调节电机12132，所述丝杆12131与所述滑块1214螺纹配合，并将所述调节电机12132的旋转运动转化为所述电池组件1212的直线运动。

如上所述一种可升潜的水中仿生设备，还包括转向机构15，所述转向机构15连接所述前段探测舱11的后端和所述中段浮力控制舱12的前端，配置为驱动所述前段探测舱11相对于所述中段浮力控制舱12转动以改变仿生设备行进方向。

如上所述一种可升潜的水中仿生设备，所述转向机构15包括设置在所述中段浮力控制舱12前端的转向舵机151，所述转向舵机151的转向臂与所述前段探测舱11的后端连接，所述转向舵机151配置为驱动所述前段探测舱11相对所述中段浮力控制舱12摆动。

如上所述一种可升潜的水中仿生设备，所述转向舵机151置为驱动所述前段探测舱11相对所述中段浮力控制舱12水平摆动±25°。

如上所述一种可升潜的水中仿生设备，所述推进机构14包括设置在所述中段浮力控制舱12后端的摆动舵机141，所述摆动舵机141的转向臂与所述后段推进舱13的前端连接，所述后段推进舱13包括设置在所述后段推进舱13后端、由柔性材料构成的柔性鱼尾件131，所述摆动舵机141通过摆动所述后段推进舱13，带动所述柔性鱼尾件131摆动产生推进力。

如上所述一种可升潜的水中仿生设备，所述摆动舵机141配置为驱动所述后段推进舱13相对所述中段浮力控制舱12水平摆动±35°。

如上所述一种可升潜的水中仿生设备，所述中段浮力控制舱12靠近所述前段探测舱11的一端的外壳上对称设置有两胸鳍舵机1231，两所述胸鳍舵机1231均连接可偏转的胸鳍123且与所述姿态控制模块122通信连接，所述胸鳍123配置为辅助仿生设备俯仰或翻滚。

如上所述一种可升潜的水中仿生设备，所述前段探测舱11的壳体上设有探测系统111，所述探测系统111包括声呐探测器、摄像头及照明灯，所述探测系统111配置为探测鱼群出没情况和/或环境信息。

如上所述一种可升潜的水中仿生设备，所述中段浮力控制舱12的壳体上和/或所述后段推进舱13的壳体上设有无线通信模块132，所述无线通信模块132配置为用于传输和接受无线信号。

如上所述一种可升潜的水中仿生设备，所述中段浮力控制舱12的底部设有无线充电模块124，所述无线充电模块124与所述电池组件1212电连接，所述无线充电模块124配置为用于供所述电池组件1212充电。

如上所述一种可升潜的水中仿生设备，所述中段浮力控制舱12的顶部壳体上设置有用于稳定前进姿态的背鳍125。

如上所述一种可升潜的水中仿生设备，所述中段浮力控制舱12的顶部壳体上设置有雷达探测系统1251，所述雷达探测系统1251配置为用于实时监测水面或水中障碍物，以实现仿生设备自动避障。

如上所述一种可升潜的水中仿生设备，所述姿态控制模块122包括IMU传感器1221和MCU控制单元；所述IMU传感器1221通过减震结构设置在所述前段探测舱11的壳体内壁上，与所述MCU控制单元通信连接，配置为采集仿生设备的运动数据；所述MCU控制单元设置在所述中段浮力控制舱12的壳体内壁上，所述MCU控制单元配置为根据运动数据控制各执行机构。

如上所述一种可升潜的水中仿生设备，所述减震结构包括焊接在所述前段探测舱11的壳体内壁上的三点式硅胶支架。

如上所述一种可升潜的水中仿生设备，所述前段探测舱11端与所述中段浮力控制舱12前端的连接处以及所述中段浮力控制舱12后端与所述后段推进舱13前端的连接处均设有密封组件16。

如上所述一种可升潜的水中仿生设备，所述中段浮力控制舱12的底壳内壁上设置有电池盒，所述电池盒包括可拆卸连接的电池底盒1262和电池盒盖1263，所述电池底盒1262和所述电池盒盖1263共同限定出所述重心调节机构121的容纳空间，所述线性滑轨1211和所述线性驱动装置1213设置在所述电池底盒1262上。

如上所述一种可升潜的水中仿生设备，还包括配重块127，所述配重块127设置在所述中段浮力控制舱12的底壳内壁上和/或与所述电池组件1212连接，所述配重块127配置为降低仿生设备重心。

如上所述一种可升潜的水中仿生设备，所述基础浮力结构包括设置在分段式密封壳体1内的浮力件2；所述浮力件2由发泡材料构成，并分布于前段探测舱11、中段浮力控制舱12和后段推进舱13中的至少一个舱体内以提供浮力。

与现有技术相比较，本发明具有如下优点：

1、本发明采用三段式结构，通过中段浮力控制舱12内的重心调节机构121，可以实时调节仿生设备主体重心，实现主体俯仰，配合后端推进舱的推进机构14，即可实现下潜和上浮。体积小巧，适配性强，机构精简一体化；同时还具备充足拓展能力。

2、采用前段探测舱11转向舵机151、胸鳍舵机1231、后段推进舱13摆动舵机141及重心调节机构121相互配合，可实现实现俯仰、转向、翻滚、下潜/上浮的控制，实现了高机动性。

3、后段推进舱13采用柔性鱼尾件131，能有效缓冲水流冲击的同时实现仿生波动推进。

4、采用IMU+MCU实时融合数据，智能控制仿生设备的运动姿态。

5、模块化的设计，电池组件通过电池盒密封，提高防水性能，且电池组件1212可快速拆卸，降低了维护成本，使得维护更加方便高效。

6、仿生设备常态漂浮于水面，可节省能源，提高续航，也能减少携带电池的重量，提高灵活性。

【附图说明】

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1为本发明的一种可升潜的水中仿生设备的立体结构示意图；

图2为本发明的一种可升潜的水中仿生设备的截面结构示意图；

图3为本发明的一种可升潜的水中仿生设备的中段浮力控制舱12的爆炸结构示意图；

图4为本发明的一种可升潜的水中仿生设备的转向机构15的结构示意图；

图5为本发明的一种可升潜的水中仿生设备的推进结构的结构示意图；

图6为本发明的一种可升潜的水中仿生设备的下潜时的结构示意图；

图7为图6的截面结构示意图；

图8为本发明的一种可升潜的水中仿生设备的上浮时的结构示意图；

图9为图8的截面结构示意图；

图10为本发明的一种可升潜的水中仿生设备转向时的结构图示意图；

图11为本发明的一种可升潜的水中仿生设备的电池快拆结构图；

图12为本发明的一种可升潜的水中仿生设备的整体爆炸图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。

如图1所示，一种可升潜的水中仿生设备，包括分段式密封壳体1，采用三段式密封壳体结构，包括依次连接的前段探测舱11、中段浮力控制舱12和后段推进舱13；推进机构14，连接中段浮力控制舱12的后端和后段推进舱13的前端，配置为驱动后段推进舱13相对中段浮力控制舱12摆动以产生前进推力；重心调节机构121，设置在中段浮力控制舱12内，包括沿中段浮力控制舱12轴线方向延伸的线性滑轨1211、滑动安装于线性导轨的电池组件1212以及驱动电池组件1212沿滑轨移动的线性驱动装置1213；姿态控制模块122，与推进机构14和重心调节机构121通信连接，配置为控制仿生设备的运动姿态；基础浮力机构，设置在分段式密封壳体1内，基础浮力结构和重心调节机构121被协同配置为：当电池组件1212位于线性滑轨1211中间位置时，仿生设备在静止漂浮状态下能保持水平姿态且背部最高点与水面平齐；优选地，基础浮力结构可以是浮力腔，浮力腔内设置有空气或可提供浮力的材料，如泡沫；电池组件1212配置为：当朝前段探测舱11移动时驱动仿生设备头部下俯以实现下潜；当朝后段推进舱13移动时驱动仿生设备头部仰起以实现上浮。本发明提供的一种可升潜的水中仿生设备，具备在水中前进转向、升潜、自平衡的能力；且体积小巧，适配性强，机构精简一体化；同时还具备充足拓展能力。

如图1和图2所示，本发明提供的仿生设备的一种实施例可以为仿生鱼，当然也可以为仿生鳐等仿生结构。前段探测舱11可设置为总长120mm，最大直径为80mm，包含15mm流线型仿生设备鱼嘴部结构和105mm密封浮力腔，仿生设备鱼嘴部流线型设计降低水阻，避免湍流干扰传感器。前段探测舱11采用铝合金壳体。前段探测舱11的浮力腔内部集成有IMU传感器1221，其中IMU传感器1221采用BMI088六轴传感器，包含MS5837压力传感器，安装位置距前端50mm的舱体中心线上方2mm，通过三点式硅胶减震支架固定，过滤振动，姿态数据更准确。优选地，前段探测舱11的浮力腔内部还设有探测系统111，具备探测鱼群出没情况和环境功能，探测系统111包括视觉探测系统111、声呐探测器、图像识别系统和探视辅助灯光。优选地，视觉探测系统111采用鱼眼双轴云台1111，鱼眼双轴云台1111包含声呐和摄像头，设置在仿生设备鱼嘴部结构的上方，仿生设备眼睛的位置且靠近IMU传感器1221，可实现±30°俯仰调节，扩大探测区域。云台两侧配置辅助探照灯，提升成像清晰度，提高探测精度。

如图1-图3所示，中段浮力控制舱12可设置为总长160mm，最大直径100mm的密封浮力舱，中段浮力控制舱12采用铝合金壳体，舱壁采用碳纤维增强尼龙材料。中段浮力控制舱12内部设有重心调节机构121。重心调节机构121包括舱内底部沿轴线方向平行布置两条HIWINMGN12C线性滑轨1211，滑轨长度170mm，间距45mm，负载能力≥5kg，设置双线性滑轨1211能够提升负载能力，提高抗侧倾能力，同时提高姿态响应速度。还包括电池组件1212，电池组件1212为70×50×25mm的矩形结构，电池组件1212集成钨合金配重块127，质量占比30％，电池组件1212具备2小时的续航能力。优选地，还包括滑块1214，电池组件1212通过四组M3螺钉固定于滑块1214上。还包括驱动电池组件1212沿滑轨移动的线性驱动装置1213，优选地，线性驱动装置1213包括丝杆12131以及驱动丝杆12131转动的调节电机12132，丝杆12131与滑块1214螺纹配合，将调节电机12132的旋转运动转化为电池组件1212的直线运动。丝杆12131采用梯形丝杠，丝杆直径Φ12mm，导程5mm；调节电机12132采用步进电机，结构简单实用且可靠。优选地，线性驱动装置1213还可以采用如气缸、连杆等常见的直线驱动结构。中段浮力控制舱12的底部内侧嵌设直径Φ50mm的无线充电线圈，采用Qi标准，效率85％，兼容无线充电，如搭配太阳能无线充电板使用则能扩展为太阳能无线充电，提高了环境适应能力。优选地，还可以在中段浮力控制舱12的底部设置配重块127，用于降低重心，提高仿生设备运动稳定性。中段浮力控制舱12的内部集成有姿态控制模块122，姿态控制模块122配置为控制仿生设备的运动姿态，包括设置在中段浮力控制舱12的内部的MCU控制单元和与MCU控制单元电信连接的IMU传感器1221。优选地，MCU控制单元包括STM32H743主控、电池管理系统、通信模组以及水深传感器MS5837和用于检测丝杆12131位置的霍尔传感器。多传感器协同工作，提高识别精度。优选地，中段浮力控制舱12外壳靠近前段探测舱11位置对称设置有两胸鳍舵机1231，两胸鳍舵机1231均连接可偏转的胸鳍123且与姿态控制模块122通信连接，胸鳍123配置为辅助仿生设备俯仰或翻滚。胸鳍123在直线航行时提供稳定性，在上浮时产生升力，下浮时产生压力，提高复杂环境作业能力，提高了能源效率。

如图1和图2所示，后段推进舱13可设置为总长120mm，最大直径70mm。后段推进舱13采用玻纤壳体，后部锥形收缩段过渡至尾部，后段推进舱13包括由柔性材料构成的柔性鱼尾件131，通过摆动后段推进舱13，带动所述柔性鱼尾件131摆动产生推进力，柔性尾部更容易产生涡流推进。优选地，后段推进舱13内部设置无线通信模块132，无线通信模块132配置为用于传输和接受无线信号。优选地，无线通信模块132包括激光直接成型工艺制造的柔性PCB天线，柔性PCB天线依附在柔性鱼尾件131的上部边缘，增强信号传输效果。柔性鱼尾件131的骨架采用梯度硬度硅胶，邵氏硬度40A→70A渐变，内部嵌弹簧钢片，Φ1.2mm，间距8mm。优选地，除了部署在尾鳍的5G天线外，还可背鳍125部署工作于不同频段的冗余天线，双频分集接收提升信噪比，以及集成在尾柄，距尾鳍根部30mm的环形缝隙遥控接收天线。

各舱段连接结构如图4和图5所示，如图4所示，前段探测舱11和中段浮力控制舱12通过转向机构15连接，转向机构15配置为驱动前段探测舱11相对于中段浮力控制舱12转动以改变仿生设备行进方向。转向机构15采用正交轴齿轮传动方案，效率高，重心稳。优选地，该正交轴齿轮传动方案可以采用常规舵机的变速齿轮组实现，转向机构15包括设置在中段浮力控制舱12前端的转向舵机151，转向舵机151的转向臂与前段探测舱11连接，转向舵机151配置为驱动前段探测舱11相对中段浮力控制水平摆动±25°；优选地，转向舵机151配置为驱动前段探测舱11相对中段浮力控制水平摆动±15°-25°，以获得更优地转向半径。优选地，转向舵机151的齿轮箱采用激光焊接的不锈钢壳体+磁流体旋转密封，内部填充全氟聚醚PFPE油浴润滑，齿轮箱底设Φ3mm微型电磁阀用于紧急排水。转向舵机151与MCU控制单元电信连接，由MCU控制单元控制转向舵机151的动作。优选地，转向舵机151设置在中段浮力控制舱12靠近底部的位置，重心地，能提高动作稳定性。优选地，由于转向舵机151设置在靠近底部位置，因此转向机构15还包括设置在前段探测舱11靠近顶部位置的转向轴承153，转向轴承153套设在中段浮力控制舱12上，中段浮力控制舱12上设有转向防水胶圈152。转向舵机151的转向臂包括与前段探测舱11连接的活动端和与变速齿轮组连接的固定端，转向轴承153的轴线与转向舵机151的转向臂的固定端的轴线重合。设置转向舵机151和转向轴承153配合，提高了连接的稳定性，同时确保头部转动性能。

如图5所示，中段浮力控制舱12和后段推进舱13通过推进机构14连接，推进机构14配置为驱动后段推进舱13相对中段浮力控制舱12摆动以产生前进推力。推进机构14采用正交轴齿轮传动方案，效率高，重心稳。优选地，该正交轴齿轮传动方案可以采用常规舵机的变速齿轮组实现，推进机构14包括设置在中段浮力控制舱12后端的摆动舵机141，摆动舵机141的转向臂与后段推进舱13连接，摆动舵机141配置为驱动后段推进舱13相对中段浮力控制舱12水平摆动±35°；优选地，摆动舵机141配置为驱动后段推进舱13相对中段浮力控制舱12水平摆动±30°-35°，以获得更优的推进力。优选地，摆动舵机141的齿轮箱采用激光焊接的不锈钢壳体+磁流体旋转密封，内部填充全氟聚醚PFPE油浴润滑，齿轮箱底设Φ3mm微型电磁阀用于紧急排水。摆动舵机141与MCU控制单元电信连接，由MCU控制单元控制摆动舵机141的动作。优选地，摆动舵机141设置在中段浮力控制舱12后端靠近底部的位置，重心地，能提高动作稳定性。优选地，由于摆动舵机141设置在靠近底部位置，因此推进机构14还包括设置在后段推进舱13靠近顶部位置的摆动轴承143，摆动轴承143套设在中段浮力控制舱12上，中段浮力控制舱12上设有摆动防水胶圈142。摆动舵机141的转向臂包括与后段推进舱13连接的活动端和与变速齿轮组连接的固定端，摆动轴承143的轴线与摆动舵机141的转向臂的固定端的轴线重合。设置摆动舵机141和摆动轴承143配合，提高了连接的稳定性，同时确保尾部转动性能。

如图6-图9所示，为本发明的仿生设备下潜和上浮时的结构图和内部状态图。图6-图9的为本发明的实施例，该实施例的仿生设备为仿生鱼，以下以仿生鱼为例说明，仿生设备的下潜和上浮通过重心调节机构121、尾鳍推进和胸鳍123协同控制三大模块联动实现，整个过程由MCU控制单元统一指挥，传感器提供实时反馈，形成一个高效的闭环系统。核心原理是重心移动驱动俯仰姿态。电池组件1212位于中段浮力控制舱12底部，且电池组件1212是仿生设备主体内部最重的单一组件，电池组件1212通过线性驱动装置1213在中段浮力控制舱12内部进行直线运动。当需要下潜时，MCU控制单元命令步进电机旋转，驱动丝杆12131，将电池组件1212沿线性滑轨1211向前移动，即仿生设备头方向。当电池组件1212向前移动时，整个仿生设备的重心就向前移动。根据杠杆原理，这会导致鱼头下沉，鱼尾上翘，形成俯冲的姿态。当需要上升时，MCU控制单元命令步进电机反向旋转，驱动丝杆12131，将电池组件1212沿线性滑轨1211向后移动，即仿生设备尾方向。当电池组件1212向后移动时，整个仿生设备的重心就向后移动。根据杠杆原理，导致鱼头上抬，鱼尾下沉，形成仰头的姿态。仅靠重心移动产生的姿态角还不足以高效地实现上浮和下潜，还需要推进力和流体升力/下压力的配合，推进力由尾鳍摆动实现，流体升力/下压力由胸鳍123实现。当尾鳍左右规律摆动时，它推动水流向后，根据牛顿第三定律，产生向前的推力，这是仿生设备前进的主要动力。下潜时，仿生设备已呈现俯冲姿态，尾鳍保持正常的推进摆动频率，提供向前的动力。这个向前的动力，结合鱼头向下的角度，就分解出一个向下的分力，驱动仿生设备向下。上浮同理。此外，还需要胸鳍123的配合，胸鳍123对称设置在中段浮力控制舱12的两侧，具有翼型结构，由胸鳍舵机1231驱动。当下潜时，重心前移形成俯冲姿态后，MCU控制单元命令两侧胸鳍123同时向下偏转，例如-30°。此时，胸鳍123的翼型截面就像飞机的机翼下偏一样，根据伯努利原理，胸鳍123上表面产生低压区，下表面产生高压区，从而产生一个向下的力，这个力会显著增强仿生设备头下沉的趋势，使得下潜更快速，更稳定。当上浮时，重心后移形成仰头姿态后，MCU控制单元命令两侧胸鳍123同时向上偏转，例如+30°，此时，根据伯努利原理，产生向上的升力，这个力大大增强了仿生设备头上抬的趋势，使上浮速度更快，更稳定。结合重心移动、尾鳍推动、胸鳍123流体动力和精确控制的方案，使得仿生设备能够像真鱼一样，在水中灵活、高效且稳定地完成上浮和下潜动作。

如图10所示，为本发明的仿生设备转向时的结构图。仿生设备的转向核心机制在于前段探测舱11和中段浮力控制舱12的相对转动，前段探测舱11通过转向机构15与中段浮力控制舱12连接，转向机构15包括控制前段探测舱11偏转的转向舵机151。当需要转向时，譬如向左转向，MCU控制单元控制转向舵机151动作，通过转向舵机151将前段探测舱11逆时针旋转一个角度，视角为从仿生设备上方俯视，例如15°，此时，流线型的头部，即仿生设备嘴部部分，不再与主体的前进方向平行，而是形成一个夹角。当仿生设备在尾鳍推进的作用下向前运动时，水流会冲击在前段探测舱11上同时会产生一个侧向力，这个侧向力会产生一个使得仿生设备头部继续向左的偏转力矩，在尾鳍持续提供推力的情况下实现向左转向。同理，当需要向右转向时，MCU控制单元控制转向舵机151动作，通过转向舵机151将前段探测舱11顺时针旋转一个角度，视角为从仿生设备上方俯视，例如15°，此时，流线型的头部，即仿生设备嘴部部分，不再与主体的前进方向平行，而是形成一个夹角。当仿生设备在尾鳍推进的作用下向前运动时，水流会冲击在前段探测舱11上同时会产生一个侧向力，这个侧向力会产生一个使得仿生设备头部继续向右的偏转力矩，在尾鳍持续提供推力的情况下实现向右转向。这种转向方向区别于传统水下机器人的尾舵，是关键的仿生设计之一，使其能够实现类似真鱼的灵活转向动作。

如图11所示，为本发明的一种可升潜的水中仿生设备的电池快拆结构示意图。中段浮力控制舱12设置有电池盒，电池盒内部为容纳重心调节机构121的容纳空间。电池盒包括电池底盒1262和电池盒盖1263，线性滑轨1211和线性驱动装置1213设置在电池底盒1262上，电池底盒1262与电池盒盖1263通过螺钉可拆卸连接，电池组件1212位于独立密封的舱体内，提高防水性能。中段浮力控制舱12的底部开设防水舱门1261，采用硅胶密封圈和电磁锁密封。电池盒设置在防水舱门1261上。电池组件1212设计为抽屉式结构，即电池组件1212卡接在滑块1214上，电池组件1212的底部带磁吸式快拆触点，触点为IPX7防水等级。当需要更换电池组件1212时，只需要打开防水舱门1261的电磁锁，露出电池底盒1262，再拧松电池底盒1262与电池盒盖1263的装配螺钉，即可看到电池组件1212，接着仅需将电池组件1212从滑块1214的卡槽内抽出，即可取出电池组件1212。将满电电池组件1212对准滑块1214上的卡槽并推入至尽头，当满电电池组件1212安装到位时，磁吸触点自动吸附闭合，后续逐一装配上电池底盒1262和防水舱门1261，锁上电磁锁，即完成电池组件1212替换。磁吸导向实现盲操作精准对接，多重密封确保电池组件1212防水，简单的快拆结构可实现30秒极速换电，简单实用。

如图1和图2所示，中段浮力控制舱12的顶部设有背鳍125，背鳍125采用翼型截面，具有低阻力高稳定性特点，背鳍125采用碳纤维主骨架，外表面设有柔性蒙皮，柔性蒙皮采用邵氏硬度60A硅胶一体成型。设置背鳍125可以在仿生设备运动时产生下洗流抑制尾部涡流，降低直线航线的偏离。优选地，背鳍125上可以搭载设备平台，如雷达探测系统1251，雷达探测系统1251可采用激光雷达方案或声呐方案或双模协同架构，配合云端算法可实现障碍物避障，自主规划绕行路径。

如图12所示，是本发明的一种可升潜的水中仿生设备的整体爆炸图，前段探测舱11与中段浮力控制舱12的连接处以及中段浮力控制舱12与后段推进舱13的连接处均设有密封组件16。密封组件16包括段间法兰密封、旋转轴密封以及动态间隙密封。各舱段法兰密封采用氟橡胶O型圈和厌氧型密封胶。前段探测舱11与中段浮力控制舱12连接的头部转向轴采用特瑞堡HS型旋转密封，采用氟橡胶+芳纶补强，中段浮力控制舱12与后段推进舱13的尾部摆动轴采用磁流体密封，采用全氟聚醚载液+纳米铁粉。前段探测舱11与中段浮力控制舱12动态间隙采用U型硅胶密封圈，密封圈的截面Φ12mm，唇口厚度2mm，邵氏硬度50A，压缩永久变形率＜10％，安装方式为双面粘接，采用3M4905胶加机械卡扣，机械卡扣采用不锈钢簧片；中段浮力控制舱12与后段推进舱13段采用X形四唇氟橡胶密封，邵氏硬度70A，硅脂润滑后的摩擦系数为0.3，安装方式为模压成型一体化密封槽。优选地，为了进一步增强防水效果，仿生设备主体上设置蒙皮161，优选地，前段-中段间隙采用波纹硅胶套，其厚度1.5mm，邵氏40A；中段主体采用聚氨酯弹性体喷涂，其厚度2mm，表面Ra0.8μm；后段-中段间隙采用分段式氟橡胶蒙皮，其厚度2mm，邵氏70A。优选地，胸鳍123部分采用梯度硬度硅胶，其根部邵氏60A→尖部40A蒙皮，柔性鱼尾件131采用热塑性聚氨酯TPU薄膜，厚度为0.8mm，进行包覆。通过弹性体密封+复合蒙皮的协同方案，在确保摆动自由度前提下实现IP68防护等级。经流体优化后的导流蒙皮161系统使整机阻力系数降至0.071，较初始设计降低14％，完全满足5米水深内的敏捷机动需求。

如图12所示，基础浮力结构包括设置在分段式密封壳体1内的浮力件2；浮力件2由发泡材料构成，并分布于前段探测舱11、中段浮力控制舱12和后段推进舱13中的至少一个舱体内以提供浮力，浮力件2配置为使得仿生设备常态漂浮时脊背与水面齐平。优选地，如图12所示，前段探测舱11设置有前段浮力件21，中段浮力控制舱12设置有中段浮力件22，浮力件2可采用聚乙烯泡沫材料提供浮力，且泡沫的塑形能力强，提供浮力的同时也能对舱内的设备提供保护。优选地，浮力件2采用可拆卸设计，可以快速抽出。在实际应用中，譬如，总需补偿浮力＝总排水量-整机重量-侦测设备荷载＝2322g-1420g-200g＝702g，得到总需补偿浮力后就可以根据具体的比例，对前端、中段和后段进行配平，即可得知需要的对应的浮力体，如聚乙烯泡沫的体积大小。通过采用浮力件2配平系统，在确保浮力精准控制的同时兼顾可维护性，常态下浮于水面，提高能量实用效率，使仿生设备在长期水下作业中保持稳定性能，维护耗时较传统方案减少70％，符合工业级可靠性要求。

Claims (20)

1.一种可升潜的水中仿生设备，其特征在于包括：

分段式密封壳体(1)，包括依次连接的前段探测舱(11)、中段浮力控制舱(12)和后段推进舱(13)；

推进机构(14)，连接所述中段浮力控制舱(12)的后端和所述后段推进舱(13)的前端，配置为驱动所述后段推进舱(13)相对所述中段浮力控制舱(12)摆动以产生前进推力；

重心调节机构(121)，设置在所述中段浮力控制舱(12)的壳体内壁上，包括沿所述中段浮力控制舱(12)轴线方向延伸的线性滑轨(1211)、滑动安装于所述线性导轨的电池组件(1212)以及驱动所述电池组件(1212)沿所述滑轨移动的线性驱动装置(1213)；

姿态控制模块(122)，与所述推进机构(14)和所述重心调节机构(121)通信连接，配置为控制仿生设备的运动姿态；

基础浮力机构，设置在所述分段式密封壳体(1)内，所述基础浮力结构和所述重心调节机构(121)被协同配置为：当所述电池组件(1212)位于所述线性滑轨(1211)中间位置时，所述仿生设备在静止漂浮状态下能保持水平姿态且背部最高点与水面平齐；

所述电池组件(1212)配置为：

当朝所述前段探测舱(11)移动时驱动仿生设备头部下俯以实现下潜；

当朝所述后段推进舱(13)移动时驱动仿生设备头部仰起以实现上浮。

2.如权利要求1所述的一种可升潜的水中仿生设备，其特征在于所述重心调节机构(121)还包括与所述电池组件(1212)可拆卸连接的滑块(1214)，所述电池组件(1212)通过所述滑块(1214)滑动安装在所述线性滑轨(1211)上。

3.如权利要求2所述的一种可升潜的水中仿生设备，其特征在于所述线性驱动装置(1213)包括丝杆(12131)以及驱动所述丝杆(12131)转动的调节电机(12132)，所述丝杆(12131)与所述滑块(1214)螺纹配合，并将所述调节电机(12132)的旋转运动转化为所述电池组件(1212)的直线运动。

4.如权利要求1所述的一种可升潜的水中仿生设备，其特征在于还包括转向机构(15)，所述转向机构(15)连接所述前段探测舱(11)的后端和所述中段浮力控制舱(12)的前端，配置为驱动所述前段探测舱(11)相对于所述中段浮力控制舱(12)转动以改变仿生设备行进方向。

5.如权利要求4所述的一种可升潜的水中仿生设备，其特征在于所述转向机构(15)包括设置在所述中段浮力控制舱(12)前端的转向舵机(151)，所述转向舵机(151)的转向臂与所述前段探测舱(11)的后端连接，所述转向舵机(151)配置为驱动所述前段探测舱(11)相对所述中段浮力控制舱(12)摆动。

6.如权利要求5所述的一种可升潜的水中仿生设备，其特征在于所述转向舵机(151)配置为驱动所述前段探测舱(11)相对所述中段浮力控制舱(12)水平摆动±25°。

7.如权利要求1所述的一种可升潜的水中仿生设备，其特征在于所述推进机构(14)包括设置在所述中段浮力控制舱(12)后端的摆动舵机(141)，所述摆动舵机(141)的转向臂与所述后段推进舱(13)的前端连接，所述后段推进舱(13)包括设置在所述后段推进舱(13)后端、由柔性材料构成的柔性鱼尾件(131)，所述摆动舵机(141)通过摆动所述后段推进舱(13)，带动所述柔性鱼尾件(131)摆动产生推进力。

8.如权利要求7所述的一种可升潜的水中仿生设备，其特征在于所述摆动舵机(141)配置为驱动所述后段推进舱(13)相对所述中段浮力控制舱(12)水平摆动±35°。

9.如权利要求1所述的一种可升潜的水中仿生设备，其特征在于所述中段浮力控制舱(12)靠近所述前段探测舱(11)的一端的外壳上对称设置有两胸鳍舵机(1231)，两所述胸鳍舵机(1231)均连接可偏转的胸鳍(123)且与所述姿态控制模块(122)通信连接，所述胸鳍(123)配置为辅助仿生设备俯仰或翻滚。

10.如权利要求1所述的一种可升潜的水中仿生设备，其特征在于所述前段探测舱(11)的壳体上设有探测系统(111)，所述探测系统包括声呐探测器、摄像头及照明灯，所述探测系统(111)配置为探测鱼群出没情况和/或环境信息。

11.如权利要求1所述的一种可升潜的水中仿生设备，其特征在于所述中段浮力控制舱(12)的壳体上和/或所述后段推进舱(13)的壳体上设有无线通信模块(132)，所述无线通信模块(132)配置为用于传输和接受无线信号。

12.如权利要求1所述的一种可升潜的水中仿生设备，其特征在于所述中段浮力控制舱(12)的底部设有无线充电模块(124)，所述无线充电模块(124)与所述电池组件(1212)电连接，所述无线充电模块(124)配置为用于供所述电池组件(1212)充电。

13.如权利要求1所述的一种可升潜的水中仿生设备，其特征在于所述中段浮力控制舱(12)的顶部壳体上设置有用于稳定前进姿态的背鳍(125)。

14.如权利要求1所述的一种可升潜的水中仿生设备，其特征在于所述中段浮力控制舱(12)的顶部壳体上设置有雷达探测系统(1251)，所述雷达探测系统(1251)配置为用于监测水面或水中障碍物，以实现仿生设备自动避障。

15.如权利要求1所述的一种可升潜的水中仿生设备，其特征在于所述姿态控制模块(122)包括IMU传感器(1221)和MCU控制单元；所述IMU传感器(1221)通过减震结构设置在所述前段探测舱(11)的壳体内壁上，与所述MCU控制单元通信连接，配置为采集仿生设备的运动数据；所述MCU控制单元设置在所述中段浮力控制舱(12)的壳体内壁上，所述MCU控制单元配置为根据运动数据控制各执行机构。

16.如权利要求1所述的一种可升潜的水中仿生设备，其特征在于所述减震结构包括焊接在所述前段探测舱(11)的壳体内壁上的三点式硅胶支架。

17.如权利要求1所述的一种可升潜的水中仿生设备，其特征在于所述前段探测舱(11)后端与所述中段浮力控制舱(12)前端的连接处以及所述中段浮力控制舱(12)后端与所述后段推进舱(13)前端的连接处均设有密封组件(16)。

18.如权利要求1所述的一种可升潜的水中仿生设备，其特征在于所述中段浮力控制舱(12)的底壳内壁上设置有电池盒，所述电池盒包括可拆卸连接的电池底盒(1262)和电池盒盖(1263)，所述电池底盒(1262)和所述电池盒盖(1263)共同限定出所述重心调节机构(121)的容纳空间，所述线性滑轨(1211)和所述线性驱动装置(1213)设置在所述电池底盒(1262)上。

19.如权利要求1所述的一种可升潜的水中仿生设备，其特征在于还包括配重块(127)，所述配重块(127)设置在所述中段浮力控制舱(12)的底壳内壁上和/或与所述电池组件连接，所述配重块(127)配置为降低仿生设备重心。

20.如权利要求1所述的一种可升潜的水中仿生设备，其特征在于所述基础浮力结构包括设置在所述分段式密封壳体(1)内的浮力件(2)；所述浮力件(2)由发泡材料构成，并分布于所述前段探测舱(11)、所述中段浮力控制舱(12)和所述后段推进舱(13)中的至少一个舱体内以提供浮力。