CN112722217A - 一种海底充电式游爬双模水下航行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种海底充电式游爬双模水下航行器。本发明采用近碟形外形，设置有水平和垂直尾翼，在游行运动时具有较小的运动阻力和良好的运动稳定性。设置有脚轮，下部中央设置有涡旋吸盘，可以实现海底平面的吸附爬行运动。配备有无线充电和光通讯装置，能够与海底基站实现自主对接、能量补给和数据传输。拥有完善的环境感知和水下定位系统，能够感知所处环境和自身位置与状态，进行自主决策，实现长时间、高度自治的水下作业。

Description

一种海底充电式游爬双模水下航行器

技术领域

本发明主要涉及水下航行器相关技术领域，具体是一种海底充电式游爬双模水下航行器。

背景技术

水下航行器是一种集成耐压、推进、通信、导航、定位、传感、能源等诸多高新技术为一体的海洋装备，可以进行大范围的自由作业，是近年来海洋装备领域的尖端技术之一。

受于自身携带能源限制，多数水下航行器续航能力较弱，机动性较差，难以完成复杂、高精度的作业任务。需要定期上浮进行充电和数据传输，增加作业成本，无法实现长时间水下驻留，在军事用途上增加了暴露的风险。

从运动形式上来看，多数水下航行器只能游行运动，少数通过履带、吸盘等装置进行爬行，很难进行运动形式的转换，其外形设计多以减阻为导向，运动稳定性较差，悬停能力弱。

发明内容

本发明旨在解决现有水下航行器的突出弊端，提高水下航行器的续航能力和机动性，扩展运动形式，提出一种海底充电式游爬双模水下航行器。

该航行器拥有较小的运动阻力和良好的运动稳定性，能够实现全驱游行运动，或进行海底或平面爬行运动；能够对深海环境进行高效的环境感知和自身定位；能够进行海底充电和数据传输，实现水下长时间驻留。

本发明所采用的技术方案是：

一种海底充电式游爬双模水下航行器，采用近碟形导流罩，设置有水平和垂直尾翼，设置有脚轮。

所述近碟形导流罩，其几何特征为长度大于宽度大于高度，横截面为椭圆形，降低了水平面运动时的阻力，提高机动性；增加了垂向运动阻力，提高近海底和悬停时的垂向运动稳定性。

所述近碟形导流罩，设置有相应槽道，用于布置推进器。

所述推进器，单独动作或联动，用于驱动航行器实现空间运动，与槽道配合，进一步汇聚水流，适合航行器所处的低速、重载的工况。

所述水平和垂直尾翼，安装于航行器尾部，用于改善航行器游行时的运动稳定性。

所述脚轮，分布于涡旋吸盘周边，用于保持涡旋吸盘与被吸附平面间的适当间隙，与涡旋吸盘配合，实现航行器的水下爬行运动；同时，也便于陆上转运。

所述涡旋吸盘，布置于该航行器的下部中央。吸盘叶轮旋转产生内外压差，形成吸附效果。

进一步地，该航行器还包括环境感知和水下定位系统，用于感知所处环境和自身位置。

所述环境感知系统，包括相机，用于对水下环境进行成像。

所述水下定位系统，包括超短基线定位系统，用于确定航行器相对于布置有接收器设施的距离和方位角。

所述水下定位系统，也包括相机，应用双目视觉技术对定位信息进行辅助修正。

进一步地，该航行器还包括无线充电和光通信装置，能够在海底基站内进行能量补给和数据传输。

进一步地，该航行器在导流罩内设有油浸式电子舱和电源舱，用于容纳控制模块和电源模块等电子设备。

所述油浸式电子舱和电源舱，内部充满绝缘油液，电路板、电池等浸泡于绝缘油液中。

进一步地，该航行器设有压力补偿器，其内部充满绝缘油并具有柔性结构，使得无论航行器处于何深度，补偿器内外压力均保持平衡。电子舱、电源舱通过细油管与补偿器相连通，使得舱内绝缘油压力与外界海水压力相同。

所述电源模块，用于给航行器提供电能，并具有电能分配、参数检测和电路保护等功能。

所述控制模块，负责航行器各传感器的数据采集、处理和存储，航行器的运动控制等，并对航行器的运行状态进行监测和自主决策。

进一步地，该航行器还包括相应的金属框架、连接件、起吊环等。

与现有发明相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提出的近碟形外形设计，有效降低了航行器在水平面内的运动阻力，提高机动性；提升了垂荡阻力，便于航行器在近海底航行或悬停。布置有水平和垂直尾翼，进一步增加了运动稳定性。同时，近碟形外形改善了内部空间的利用率，能够更好地容纳各种载荷。

本发明采用脚轮和涡旋吸盘设计，与近碟形外形相配合，使航行器便于在海底或其他平面进行吸附爬行运动，便于完成与海底基站的对接和充电、数据传输等任务。

本发明配备无线充电和光通信装置，能够在海底基站内实施充电和数据传输，避免频繁上浮充电，实现水下长时间驻留。

本发明配备了完善的环境感知和水下定位系统，能够感知所处环境和自身位置与状态，控制模块能够自主决策，从而实现长时间、高度自治的作业。

本发明采用油浸式电子舱和电源舱，大幅减小了舱体的外形尺寸和重量，释放更多的载荷搭载能力。

本发明能够通过近碟形外形、脚轮、涡旋吸盘的共同作用，实现海底的稳定运动，通过下视相机对海底进行高精度、高稳定度的成像观测。

附图说明

图1（a）是本发明轴测方向的近碟形导流罩及稳定尾翼示意图；

图1（b）是本发明俯视方向的近碟形导流罩及稳定尾翼示意图；

图2是本发明的推进器布置图；

图3（a）是本发明的内部结构俯视图；

图3（b）是本发明的内部结构侧视图；

图3（c）是本发明的内部结构仰视图；

图4为下视相机视野示意图；

图5为海底基站正视示意图。

图中，1为近碟形导流罩，2-7为推进器，8为惯性导航系统，9为声学多普勒计程仪，10为超短基线定位系统，11为高度深度计，12-15为油浸式电子舱，16为电源舱，17为前视探照灯，18为下视探照灯，19为前视相机，20为下视相机，21为压力补偿器，22为前部抛载装置，23为后部抛载装置，24为充电线圈副边，25为光通信装置潜器端，26为铱星模块，27为卫星定位系统模块，28为前视声呐，29为涡旋吸盘，30为起吊环，31为水平尾翼，32为垂直尾翼，33为万向轮，34为单向轮，35为金属框架，36为限位柱，37为充电线圈原边，38为光通信装置基站端。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种海底充电式游爬双模水下航行器，采用图1（a）和图1（b）所示近碟形导流罩，在尾部布置有水平尾翼31和垂直尾翼32，水平尾翼31上布置推进器2、3。

所述近碟形导流罩1，由浮力材料机械加工而成，可分成若干小块，便于拆装。该形状拥有较小的水平面阻力和略大的垂直面阻力，便于水平面内的快速机动和垂直面内的稳定航行。

所述近碟形导流罩，设置有相应的槽道开口，用于容纳推进器4、5、6、7。

所述近碟形导流罩，由螺栓固定于金属框架35之上，其它设备也用相同方式固定。

所述金属框架35还设有起吊环30，用于布放、回收、调试等作业时吊装航行器。

所述水平尾翼31和垂直尾翼32，进一步改善航行器的运动稳定性，与近碟形外形配合，保证了航行器良好的水动力性能。

进一步地，推进器2-7可以单独动作或联动，用于驱动航行器实现空间六自由度全驱运动，具体布置如图2所示。

如图3（a）、图3（b）和图3（c）所示，进一步地，该航行器设有压力补偿器21，其内部充满绝缘油并具有柔性结构，使得无论航行器处于何深度，补偿器内外压力均保持平衡。电子舱、电源舱通过细油管与补偿器相连通，使得舱内绝缘油压力与外界海水压力相同

进一步地，涡旋吸盘29设置于航行器底部中央，吸盘叶轮旋转产生吸附力，与万向轮33和单向轮34配合，能够在海底平整地面爬行运动。

所述万向轮33设置于航行器前部，便于调整爬行方向，所述单向轮34设置于航行器后部，用于克服涡旋吸盘产生的反向扭矩，稳定爬行时的运动轨迹。

进一步地，航行器设有前部抛载装置22和后部抛载装置23，搭载抛载铁块，用于航行器的重力调节和紧急上浮。

进一步地，航行器拥有由高度深度计11，前视声呐28，前视相机19，前视探照灯17构成的环境感知系统。

所述高度深度计11，能确定航行器距离海底和海面的距离。

所述前视声呐28，前视相机19用于探测航行器前方的障碍物，进行运动规避，并可成像和记录。

所述前视探照灯17，用于增加环境光照度，提高相机成像质量。

进一步地，航行器拥有由惯性导航系统8，声学多普勒计程仪9，超短基线定位系统10，下视相机20，下视探照灯18构成的水下定位系统。

所述惯性导航系统8，通过感知自身的加速度，积分得到航行器的运动速度和运动轨迹。

所述声学多普勒计程仪9，用于感知相对于海底的航速和累计航程，并能测量所在位置的流场剖面。

所述超短基线定位系统10，用于确定航行器相对于保障母船或水下基站的距离和方位角。

所述下视相机20，分别布置于航行器左右两舷，其视野范围如图4所示。视野中央部分重叠，如图4阴影线部分所示，通过双目视觉技术进行辅助定位。视野外侧向两舷扩展，扩大成像范围，进行海底图像采集。下视探照灯18用于增加环境光照度，提高相机成像质量。

进一步地，航行器下部中央设置有涡旋吸盘29，在爬行运动模式时使航行器吸附于爬行面。

进一步地，航行器拥有充电线圈副边24和光通信装置潜器端25，与海底基站配合完成电能补给和数据传输，见图5。

进一步地，油浸式电子舱12-15用于容纳控制模块等电子设备，电源舱16用于容纳电源模块。

本发明一种海底充电式游爬双模水下航行器，其工作原理为：

航行器在下潜时，通过安装配重块和浮力块，使自身的重力大于浮力，并具有艏倾姿态，进行无动力下潜。在达到工作深度后，前部抛载装置22将抛载铁块抛弃，使航行器重力与浮力平衡，由推进器2-7提供运动推力，开展深海作业。

推进器2、3联动或差动可以实现前进、后退和转向动作，推进器5单动可以实现转向动作，推进器5和推进器2或3联动可以实现向左或向右平移动作，推进器5、6、7联动可以实现上浮或下潜动作，推进器5、6与推进器7差动可以实现纵倾控制，推进器5、6差动可以实现横倾控制。由此可以实现航行器在空间内的六自由度任意运动。

航行器在运行时，电源舱16为各设备提供电能并进行管理和调度。由高度深度计11，前视声呐28，前视相机19，前视探照灯17构成的环境感知系统实时感知航行器所处环境，由惯性传感器8，声学多普勒计程仪9，超短基线定位系统10，下视相机20，下视探照灯18构成的水下定位系统实时确定航行器所处位置。相关数据传回位于油浸式电子舱12、13、14、15内的控制模块，经处理、融合、决策后对航行器状态进行控制。此外，相关环境感知系统和水下定位系统所获取的数据由控制模块进行采集和储存。

航行器在海底长时间运行后，由电源模块判断电量，控制模块发出前往海底基站充电或上浮指令。前往海底基站充电时，超短基线定位系统10用于确定航行器与海底基站的相对位置。航行器由控制模块控制，自主驶入海底基站，由限位柱36进行对位和锁定。

海底基站内装有大容量电池，向充电线圈原边37提供交流电。航行器上的充电线圈副边24通过感应交变电场产生感生电动势，经电压电流调理电路后实现对电源模块的无线充电。同时，光通信系统潜器端25与光通信系统基站端38完成对位后，通过激光进行数据传输：航行器内的工作日志和记录数据等上传至海底基站，由电缆传输至岸上；岸上的指令下载至航行器。由此，可实行航行器长时间水下生存。

航行器需要上浮时，由后部抛载装置23将抛载铁块抛弃，使航行器浮力大于重力，开始无动力上浮。当航行器浮至水面后，由铱星模块26和卫星定位系统模块27向控制者报告自身位置和状态，控制者从而回收航行器。

Claims (6)

1.一种海底充电式游爬双模水下航行器，其特征在于：

采用近碟形导流罩，近碟形导流罩尾部设置有用于改善航行器运动稳定性的水平尾翼和垂直尾翼；所述近碟形导流罩，设置有相应的槽道开口，用于容纳多个推进器；

在航行器下部中央布置有涡旋吸盘，用于使航行器吸附于海底平面，所述涡旋吸盘周围分布有脚轮，用于保持涡旋吸盘与被吸附平面间的适当间隙；

拥有位于航行器内的充电线圈副边和光通信装置潜器端，能够分别与位于海底基站内的充电线圈主边和光通讯装置基站端对接，进行能源补给和数据传输，实现水下长时间驻留；

拥有环境感知和水下定位系统，能够感知所处环境和自身位置与状态，控制模块能够自主决策，实现长时间、高度自治的作业；

在航行器内部设置油浸式电子舱和电源舱，其中油浸式电子舱用于容纳包括控制模块在内的电子设备，电源舱用于容纳电源模块。

2.根据权利要求1所述的一种海底充电式游爬双模水下航行器，其特征在于：所述近碟形导流罩，其几何特征为长度大于宽度且大于高度，横截面为椭圆形，拥有较大的内部空间用于布置设备。

3.根据权利要求1所述的一种海底充电式游爬双模水下航行器，其特征在于：所述脚轮包括前轮和后轮，其中前轮为万向轮，设置于航行器前部，用于爬行时的方向调整；后轮为单向轮，设置于航行器后部，只拥有前后自由度，用于克服涡旋吸盘产生的反向扭矩，稳定爬行时的运动轨迹。

4.根据权利要求1所述的一种海底充电式游爬双模水下航行器，其特征在于：所述控制模块和电源模块分别放置于充满绝缘油液的油浸式电子舱和电源舱中，浸泡于绝缘油内；航行器内设置有充绝缘油的压力补偿器，电子舱、电源舱与压力补偿器相连通，保证内外压力平衡。

5.根据权利要求1所述的一种海底充电式游爬双模水下航行器，其特征在于：所述环境感知系统由高度深度计，前视声呐，前视相机和前视探照灯构成；

所述高度深度计，用于确定航行器距离海底和海面的距离；

所述前视声呐和前视相机用于探测航行器前方的障碍物，进行运动规避，并可成像和记录；

所述前视探照灯，用于增加环境光照度，提高相机成像质量。

6.根据权利要求1所述的一种海底充电式游爬双模水下航行器，其特征在于：所述水下定位系统由惯性导航系统，声学多普勒计程仪，超短基线定位系统，下视相机和下视探照灯构成；

所述惯性导航系统，通过感知自身的加速度，积分得到航行器的运动速度和运动轨迹；

所述声学多普勒计程仪，用于感知相对于海底的航速和累计航程，并能测量所在位置的流场剖面；

所述超短基线定位系统，用于确定航行器相对于保障母船或水下基站的距离和方位角；

所述下视相机分别布置于航行器左右两舷；视野中央部分重叠，通过双目视觉技术进行辅助定位；视野外侧向两舷分岔，扩大成像范围，进行海底图像采集；

所述下视探照灯用于增加环境光照度，提高相机成像质量。

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