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模块化可拼搭组合的水下机器人设计与实现

王宇航 周元龙 俞宙 毛祎萌 彭时林 于海滨 丁彤茜 杨洺惠泽 叶卓远 常家祥 王屿劼

王宇航,周元龙,俞宙,等. 模块化可拼搭组合的水下机器人设计与实现[J]. 海洋学报,2025,47(8):1–10 doi: 10.12284/hyxb2025073
引用本文: 王宇航,周元龙,俞宙,等. 模块化可拼搭组合的水下机器人设计与实现[J]. 海洋学报,2025,47(8):1–10 doi: 10.12284/hyxb2025073
Wang Yuhang,Zhou Yuanlong,Yu Zhou, et al. Design and implementation of a modular and reconfigurable underwater robot[J]. Haiyang Xuebao,2025, 47(8):1–10 doi: 10.12284/hyxb2025073
Citation: Wang Yuhang,Zhou Yuanlong,Yu Zhou, et al. Design and implementation of a modular and reconfigurable underwater robot[J]. Haiyang Xuebao,2025, 47(8):1–10 doi: 10.12284/hyxb2025073

模块化可拼搭组合的水下机器人设计与实现

doi: 10.12284/hyxb2025073
基金项目: 浙江省领雁计划资助项目(2024C02G2042842);国家级大学生创新创业训练计划资助项目(202310336053)。
详细信息
    作者简介:

    王宇航(2004—),男,浙江省金华市人,主要从事水下机器人设计与海洋技术研究。E-mail:yhwang04@163.com

    通讯作者:

    彭时林,副教授,研究方向为水下机器人设计、智能控制与导航和海洋/极地装备的电子系统设计和控制。E-mail:psl@hdu.edu.cn

  • 中图分类号: P754; TP242

Design and implementation of a modular and reconfigurable underwater robot

  • 摘要: 为使水下机器人可以迅速适应不同应用场景,设计了一种模块化可拼搭组合的无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle, UUV)。水下机器人采用长方体模块作为基本组成部件,通过无线电能与数据传输实现了模块间非电气接触式互联,避免了传统水密接插件的使用。模块设计为主控、拓展两种类型,可根据任务需求进行自由组合,并通过特殊的滑块与卡扣结构实现模块间快速装配与稳固连接。通过模块拼搭试验验证了模块间的拼搭拓展能力,通过水下试验验证了模块间通信和无线电能传输的可行性。无线电能传输测试显示,模块在水下环境中可稳定输出电压,满足设备运行需求。原理样机水下运行测试验证了整体方案的可行性。模块化可拼搭设计为UUV在各种应用场景中的灵活部署与功能扩展提供了广泛的可能性。
  • 图  1  模块化可拼搭组合的水下机器人一种布局示意图

    Fig.  1  One configuration of a modular and reconfigurable UUV

    图  2  各模块拼搭示意图

    Fig.  2  Schematic diagram of module assembly

    图  3  密封舱舱体滑槽示意图

    Fig.  3  Sealed compartment housing sliders

    图  4  模块间锁定机构示意图

    Fig.  4  Inter-module locking mechanism

    图  5  模块间锁定机构解锁和锁定状态示意图

    Fig.  5  Locked and unlocked states of inter-module locking mechanism

    图  6  模块结构布局示意图

    Fig.  6  Layout of module structural configuration

    图  7  模块结构剖视图

    a. 主控模块结构剖视图;b. 推进器模块结构剖视图

    Fig.  7  Cross-sectional view of module structure

    a. Cross-sectional view of main control module; b. Cross-sectional view of thruster module

    图  8  线圈位置示意图

    a. 主控模块线圈位置示意图;b. 推进器模块线圈位置示意图

    Fig.  8  Schematic diagram of coil positions

    a. Coil positions in the main control module; b. Coil positions in the thruster module

    图  9  主控模块和拓展模块电子系统组成及模块间互联工作示意图

    Fig.  9  Electronic system composition of main control module and expansion module and their power and signal interconnection

    图  10  无线电能传输设备

    Fig.  10  Wireless power transmission device

    图  11  灵-TR2无线数据通信单元

    Fig.  11  Ling-TR2 wireless data communication unit

    图  12  主控模块和推进器模块实物装配图

    Fig.  12  Physical assembly diagram of the main control module and thruster module

    图  13  不同安装孔位下的推进器模块

    Fig.  13  Thruster module at different mounting hole positions

    图  14  模块拼搭过程示意图

    Fig.  14  The module assembly process

    图  16  无线电能传输测试场景

    Fig.  16  Wireless power transmission test

    图  15  模块拼搭组合试验

    Fig.  15  Module assembly combination test

    图  17  无线电能传输单元带载工作图

    Fig.  17  Operational diagram of wireless power transmission unit under load

    图  18  无线电能传输波形图

    a. 黄线为示波器通道1测得的发射线圈电压波形,绿线为通道2测得的接收线圈电压波形;b. 黄线为示波器通道1测得的发射端输入波形,绿线为示波器通道2测得的接收端输出波形

    Fig.  18  Waveform diagram of wireless power transmission

    a. The yellow line indicates voltage wave form of transmitter coil via oscilloscope channel 1; green: receiver coil via channel 2; b. The yellow line indicates voltage wave form of transmitter input via oscilloscope channel 1; green: receiver output via channel 2

    图  19  模块化UUV在水中运行图

    Fig.  19  Images of modular UUV operating underwater

    表  1  模块和样机的体积、质量及因模块化设计额外增加的占比

    Tab.  1  Volume, mass, and increased proportion due to modular design in modules and the prototype

    推进器模块 主控模块 本文四推进器样机
    尺寸(长×宽×高)/mm 97.8×68×145 118×118×166 452.6×452.6×151.5
    体积/cm3 407.45 803.15 2874.51
    质量/g 790 1271 4875
    模块化设计产生的
    额外体积/cm3
    45.96 61.28 154.1
    模块化设计产生的
    额外体积占比
    11.28% 7.63% 10.08%
    模块化设计产生的
    额外质量/g
    209.57 279.46 1117.74
    模块化设计产生的
    额外质量占比
    26.53% 21.99% 22.93%
    下载: 导出CSV

    表  2  带载状态无线电能传输测试数据

    Tab.  2  Wireless power transmission test data under load

    电压/V电流/A功率/W
    发射端的输入11.111.2513.88
    接收端的输出10.971.1913.05
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-12-08
  • 修回日期:  2025-05-23
  • 网络出版日期:  2025-06-23

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