一种可再生动力源的长期驻留水下机器人设计方法

本发明涉及水下智能装备领域，特别涉及一种基于可再生动力源实现水下机器人在水下长期驻留的设计方法。

背景技术：

1、水下机器人作为一种具有一定感知能力，可辅助或代替人类完成多种任务的高技术、系统构成复杂的设备，因具有任务能力强、相对成本低、航行距离远的优点而在海洋探索中扮演着重要角色。

2、实现水下机器人长期驻留面临的问题主要包括：能源供应，水下环境缺乏如太阳能这种可再生能源，因此需要依赖电池或其他能源存储系统，但是电池容量或携带的能源有限，不足以为水下机器人提供长时间续航；通信问题：水下通信受到水的吸收和散射作用影响，信号传输距离有限；采用传统的直接接触式充电，必须设计严密的密封结构，存在漏水，漏电的隐患，操作过程复杂，定位精度要求高，机械磨损：水下环境恶劣，机器人需要承受高压力、腐蚀和生物附着等；维护与保养：水下机器人难以进行现场维护，需要远程诊断和维修。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可再生动力源的长期驻留水下机器人设计方法。

2、本发明为解决上述问题采用的方法是：一种可再生源动力源的长期驻留水下机器人设计方法，所述方法包括能源供给端，能源储存端，信号基站，信号源布置，水下光缆电缆布置，主控制器，有缆充电接口端，回收修复区；

3、一种可再生动力源的长期驻留水下机器人设计方法，所述实现方法包括以下内容：

4、所述能源供给端对长期驻留的水下机器人的能源补给问题，采用风能，潮汐能等可再生能源实现能源供给。

5、所述能源储存端将能量存储在水下利用锂离子电池、铅酸电池或流电池等化学储能技术，将电能转化为化学能储存起来，在水下设立蓄电站进行能源补给；

6、所述信号基站解决水下长期驻留机器人信号源布置信号传输问题，水下机器人与信号源能源供给问题，将蓄电站与信号基站布置在同一个位置，使用海底光缆进行信号传输，这种方式可以实现高速、稳定的数据通信。海底光缆由一系列光纤组成，能够传输大量数据。海底电缆供电：通过海底电缆为媒介提供稳定的电力供应。电缆内部包含导电材料，能够输送电能，为水下设备提供持续的能源；

7、所述信号源布置在水下环境中，由于声波传播的复杂性，单一信号源可能无法覆盖所有区域。因此，可以采用多点布设的方式，即在水下环境中设置多个信号源，以实现更广泛的信号覆盖；

8、所述信号源固定问题，信号源采用锚固系统：使用专门设计的锚固系统，如重物锚，将信号源固定在海底或海床上。锚固系统需要考虑海底地形和水流条件，以确保信号源稳定；

9、所述电量感知系统：安装超短基线、压力传感器、磁力计等传感器，用于探测水下环境和机器人自身的状态。利用这些传感器数据，机器人能够感知到自身电量剩余情况，充电站的位置和环境变化，如水流、障碍物等。

10、所述控制系统：开发中央控制单元，集成传感器数据处理、导航算法、执行指令等功能。控制单元负责接收传感器数据，执行导航算法，控制执行机构，以及管理充电过程。水下机器人的自我感知：如唤醒，剩余电量不足，前往充电站路径规化，使用声呐传感器等来辅助水下机器人精准定位充电接口。

11、所述充电对接利用路径规划算法，如a*或rrt(rapidly-exploring random tree)算法，处理传感器数据，规划从当前位置到充电装置的最优路径，实现精准对接。

12、所述充电端使用接触式充电装置，首先具有在水下能进行精确对接的导向系统，使用电磁吸附装置，其次使用充电对接接口实现水下机器人与充电装置的电能传输，充电接口具有良好的密封性能，使用高性能的绝缘材料来防止电流泄露，安全措施方面有过载保护与漏电保护。

13、所述充电端上安装声学传感器。作用距离远，但是传输数据率低，工作精度与传感器量程有关，受环境影响相对较小，其校准过程相对麻烦。对接时水下机器人上使用的声学传感器是超短基线，作用距离在5km左右。

14、自维持与自修复水下机器人的长期驻留还需要考虑其自身的维护和修复。这可能涉及到机器人的自诊断、自修复技术和模块化的设计，以便于更换损坏的部件或者升级新的功能。

15、所述执行机构，水下机器人可以通过更换不同的执行部件来执行不同任务，例如自带光源水下取景，水底捕捞，水下选矿，执行作战任务等。

16、本发明的优点和积极效果为：

17、本发明利用可再生能源发电，清洁可持续，不会产生温室气体排放，对环境影响小，有利于保护环境，风能和潮汐能资源分布广泛，具有很高的持续性，潮汐能发电具有互补特点，不受天气影响，发电稳定，相比传统内燃机式水下机器人噪声小，对水下环境污染小。

18、本发明通过水下能源站实现水下机器人的能源补充和信号源供电，通过水下机器人一用一备方式实现自修复，是实现水下机器人长期驻留的有效方式。

1.一种可再生动力源的长期驻留水下机器人设计方法，其特征在于，包括能源端，信号端，充电端，回收端和水下机器人端；

2.根据权利要求1所述的一种可再生动力源的长期驻留水下机器人设计方法，所述能源供给端对长期驻留的水下机器人的能源补给问题，采用风能，潮汐能等可再生能源实现能源供给。

3.根据权利要求1所述的一种可再生动力源的长期驻留水下机器人设计方法，其特征在于，所述信号基站解决水下长期驻留机器人信号源布置信号传输问题，水下机器人与信号源能源供给问题，将蓄电站与信号基站布置在同一个位置，使用海底光缆进行信号传输，这种方式可以实现高速、稳定的数据通信。海底光缆由一系列光纤组成，能够传输大量数据。海底电缆供电：通过海底电缆为媒介提供稳定的电力供应。电缆内部包含导电材料，能够输送电能，为水下设备提供持续的能源；

4.根据权利要求1所述的一种可再生动力源的长期驻留水下机器人设计方法，其特征在于，所述信号源布置在水下环境中，由于声波传播的复杂性，单一信号源可能无法覆盖所有区域。因此，可以采用多点布设的方式，即在水下环境中设置多个信号源，以实现更广泛的信号覆盖；

5.根据权利要求1所述的一种可再生动力源的长期驻留水下机器人设计方法，其特征在于，所述电量感知系统：安装超短基线、压力传感器、磁力计等传感器，用于探测水下环境和机器人自身的状态。利用这些传感器数据，机器人能够感知到自身电量剩余情况，充电站的位置和环境变化，如水流、障碍物等。

6.根据权利要求1所述的一种可再生动力源的长期驻留水下机器人设计方法，其特征在于，所述充电对接利用路径规划算法，如a*或rrt(rapidly-exploring random tree)算法，处理传感器数据，规划从当前位置到充电装置的最优路径，实现精准对接。

7.根据权利要求1所述的一种可再生动力源的长期驻留水下机器人设计方法，其特征在于，自维持与自修复水下机器人的长期驻留还需要考虑其自身的维护和修复。这可能涉及到机器人的自诊断、自修复技术和模块化的设计，以便于更换损坏的部件或者升级新的功能。

8.根据权利要求1所述的一种可再生动力源的长期驻留水下机器人设计方法，其特征在于，所述执行机构，水下机器人可以通过更换不同的执行部件来执行不同任务，例如自带光源水下取景，水底捕捞，水下选矿，执行作战任务等。