CN100445167C - 混合驱动水下自航行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合驱动水下自航行器，它包括机体、固定机翼和垂直尾舵、水平固定艏舵和一个导管螺旋桨推进器；在所述的导流罩的内部依次固定安装有与外界水域直接相连通的浮力驱动外皮囊、其内设置有浮力驱动系统的浮力驱动耐压舱、其内设置有俯仰调节系统和导航系统的姿态调整耐压舱、其内设置有控制系统的电源及控制系统耐压舱；本装置采用三角型机翼有利于提高滑翔时的滑翔效率；采用前置的水平艏舵和后置的垂直尾舵可实现AUV模式下的姿态和轨迹控制，并辅助自航行器在滑翔模式下的姿态控制，俯仰姿态调整系统实现滑翔模式下的姿态控制；并可以实现对大范围水域长时间的监测和勘测。

Description

混合驱动水下自航行器

技术领域

本发明涉及一种水下自航行器。特别是涉及一种集滑翔器和依靠电池提供能源的水下自航行器(AUV)两种功能集合于一身，可搭载测量传感器长时间实现对大范围水域的监测和勘测的混合驱动水下自航行器。

背景技术

为了保护海洋环境，高效利用海洋资源，海洋探测必不可少。对海洋的探测，仅仅依靠人力是远远不够的，很大程度上须依靠海洋探测工具。目前发达国家对水下环境监测所用的水下航行器主要有两种；一种是依靠电池提供能源的水下自航行器(AUV)，其主要缺点是，因受能源制约，航程很短，一般在几公里到几百公里，最大不超过1000公里，作业时间有限，通常为几小时到几十小时；另一种是水下滑翔器(underwater glider)，1989年Henry Stommel提出了原创性概念，巧妙地将物体的重力和浮力转化为前进驱动力，1995年SLOCUM制造出原理样机，1999年Seaglider和Spray研制成功的水下滑翔器，只能提供很少的能量，航程都超过了2000公里，水下航行时间达到几百天甚至近一年，但水下滑翔器在水下只能做锯齿形的航行，其航迹和定位控制困难，甚至无法实现，且航速较慢。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种集滑翔器和水下自航器两种功能集合于一身，可搭载测量传感器长时间实现对大范围水域的监测和勘测的混合驱动水下自航行器。

本发明所采用的技术方案是：一种混合驱动水下自航行器，它包括由导流罩构成的整个航行器的机体，它还包括分别对称的设置在所述机体后部的固定机翼和垂直尾舵、分别设置在所述机体前部、尾部的水平固定艏舵和一个导管螺旋桨推进器、安装在所述机体背部的无线通讯模块和水声通讯模块、安装在机体头部下侧的高度计、安装在机体下部的抛载重物、安装在机体外腹部的电传导率、温度和深度传感器、安装在机体头部的避碰声纳；在所述的导流罩的内部依次固定安装有与外界水域直接相连通的浮力驱动外皮囊、其内设置有浮力驱动系统的浮力驱动耐压舱、其内设置有俯仰调节系统和导航系统的姿态调整耐压舱、其内设置有控制系统的电源及控制系统耐压舱；所述的浮力驱动耐压舱、姿态调整耐压舱、电源及控制系统耐压舱是由独立的密封耐压壳体构成，所述的各舱与导流罩之间的空隙间填充有浮力材料；所述的浮力驱动系统包括与所述的外皮囊相连通的第一管路，在所述的第一管路上依次设置有泵出口单向阀、高压柱塞泵和伺服电机，在所述的位于外皮囊和泵出口单向阀之间的第一管路上连接有第二管路，该第二管路与外皮囊连接电磁三通阀的一个入口相连，该电磁三通阀的另两个出口分别通过第三、第四管路与小蓄能器连接电磁三通阀和大蓄能器连接三通阀的进口相连通，所述的小蓄能器连接电磁三通阀的两个出口分别通过第五、第六管路与所述的高压柱塞泵的入口端及一个小蓄能器相连，在所述的第五管路上依次设置有一个小蓄能器出口单向阀和一个过滤器，所述的大蓄能器连接三通阀的两个出口分别通过第七、第八管线连接有一个大蓄能器和大蓄能器出口单向阀，该第八管线的一端与所述的位于过滤器和小蓄能器出口单向阀之间的第五管线相连通。

本发明的混合型水下航行器采用独立密封耐压舱，有利于提高航行器航行的深度。采用三角型机翼有利于提高滑翔时的滑翔效率。采用前置的水平艏舵和后置的垂直尾舵来实现AUV模式下的姿态和轨迹控制，并辅助自航行器在滑翔模式下的姿态控制，采用内部移动电池包构成的俯仰姿态调整系统实现滑翔模式下的姿态控制。搭载相应的测量传感器和任务模块，可以实现对大范围水域长时间的监测和勘测，还可以对具体目标进行精确快速的监测、考察、跟踪等作业。

附图说明

图1是本发明的整体外观结构图；

图2是整体内部结构构成图；

图3是浮力驱动系统原理示意图；

图4是俯仰调节系统结构图。

其中：

1： 水平艏舵                         2：机体导流罩

3： 无线通讯及GPS定位模块            4：固定机翼

5： 垂直尾舵                         6：水声通讯模块

7： CTD传感器                        8：避碰声纳

9： 外皮囊                           10：艏舵减速器

11：艏舵电机                         12：姿态调整耐压舱

13：俯仰调节系统支撑杆               14：俯仰电池包

15：电源及控制系统耐压舱             16：导管螺旋桨器

17：电机减速器                       18：导管螺旋桨驱动电机

19：尾舵电机                         20：尾舵电机减速器

21：导航系统                         22：抛载重物

23：浮力驱动耐压舱                   24：高度计

25：泵出口单向阀                     26：高压柱塞泵

27：伺服电机                         28：过滤器

29：大蓄能器                         30：大蓄能器出口单向阀

31：大蓄能器连接三通阀               32：小蓄能器出口单向阀

33：小蓄能器                         34：小蓄能器连接电磁三通阀

35：外皮囊连接电磁三通阀             36：俯仰调节齿条

37：俯仰调节电机                     38：俯仰调节减速器

39：俯仰调节传动齿轮                 40：俯仰调节电池包

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的混合驱动水下自航行器做出详细说明。

本发明的混合驱动水下自航行器，包括有：一种混合驱动水下自航行器，它包括由导流罩2构成的整个航行器的机体，它还包括分别对称的设置在所述机体后部的固定机翼4和垂直尾舵5、分别设置在所述机体前部、尾部的水平固定艏舵1和一个导管螺旋桨器16、安装在所述机体背部的无线通讯模块3和水声通讯模块6、安装在机体头部下侧的高度计24、安装在机体外腹部的CTD(电传导率、温度和深度)传感器7、安装在机体头部的避碰声纳8；在所述的导流罩2的内部依次固定安装有与外界水域直接相连通的浮力驱动外皮囊9、其内设置有浮力驱动系统的浮力驱动耐压舱23、其内设置有俯仰调节系统和导航系统21的姿态调整耐压舱12、其内设置有控制系统的电源及控制系统耐压舱15；所述的浮力驱动耐压舱23、姿态调整耐压舱12、电源及控制系统耐压舱15是由独立的密封耐压壳体构成，所述的各舱与导流罩2之间的空隙间填充有浮力材料，电源及控制系统耐压舱15中的电源和姿态调整耐压舱12内部的俯仰电池包14的电源通过供电电缆在电源及控制系统耐压舱15中汇聚，然后通过电源电缆分别供给各个用电元件；CTD传感器7的信号、高度计24的信号以及水声通讯模块6的信号、避碰声纳8的信号以及姿态调整耐压舱12中的导航信号送入控制系统耐压舱15中的控制系统；控制系统信号通过控制电缆输出到浮力驱动耐压舱23、姿态调整耐压舱12和螺旋桨推进系统中用于控制航行器的自动运行。所述的浮力驱动耐压舱23、姿态调整耐压舱12、电源及控制系统耐压舱15的壳体优选的为圆柱形，圆柱型耐压壳体具有承压能力大且易于加工的优点，所述的由导流罩构成的机体优选的为纺锤形，纺锤型导流罩在较高航速下有利于保持流场的层流状态，水阻相对其他形状较小，有利于减小航行器能耗和提高航程。

所述的导航系统21是由惯性导航系统INS、电子罗盘、多普勒计程仪DVL、全球定位系统GPS组成；在机体2下部还设置有抛载重物22可以通过释放机构与机体分开。

所述的浮力驱动系统包括与所述的外皮囊9相连通的第一管路，在所述的第一管路上依次设置有泵出口单向阀25、高压柱塞泵26和伺服电机27，在所述的位于外皮囊和泵出口单向阀25之间的第一管路上连接有第二管路，该第二管路与外皮囊连接电磁三通阀35的一个入口相连，该电磁三通阀35的另两个出口分别通过第三、第四管路与小蓄能器连接电磁三通阀34和大蓄能器连接三通阀31的进口相连通，所述的小蓄能器连接电磁三通阀34的两个出口分别通过第五、第六管路与所述的高压柱塞泵26的入口端及一个小蓄能器33相连，在所述的第五管路上依次设置有一个小蓄能器出口单向阀32和一个过滤器28，所述的大蓄能器连接三通阀31的两个出口分别通过第七、第八管线连接有一个大蓄能器29和大蓄能器出口单向阀30，该第八管线的一端与所述的位于过滤器28和小蓄能器出口单向阀32之间的第五管线相连通。

将浮力驱动系统布置在航行器的前部，这样一方面给后面的螺旋桨推进系统布局留出空间；另一方面，使得浮力驱动过程产生的姿态变化和滑翔需要的姿态变化一致，减轻了俯仰姿态调整系统调节的幅度，减小了能量的消耗。

在导流罩2内安装姿态调整耐压舱12。姿态调整耐压舱12中安装俯仰调节系统。所述的俯仰调节系统包括俯仰调节电机37、固定在所述姿态调整耐压舱壳体上的俯仰调节系统支撑杆13、与所述俯仰调节电机37的输出轴相连的俯仰调节减速器38、设置在所述俯仰调节减速器38输出轴上的、一个通过支架与俯仰调节电机37和俯仰调节传动齿轮39所述的固定相连的俯仰调节电池包40，在所述的俯仰调节系统支撑杆13上设置有俯仰调节齿条36，所述的俯仰调节齿条36与所述的俯仰调节传动齿轮39彼此相啮合。俯仰调节电池包40可以沿着俯仰调节支撑杆13前后运动；通常状态下使航行器的密度和海水的密度相同，且质量沿前后轴向是分布均匀的，因此当俯仰调节系统沿着俯仰调节系统支撑杆13前后运动时，必然会引起沿轴线方向质量分布的相应变化，这样航行器就会实现相应的俯仰运动。

本发明的混合型水下航行器工作原理是，当航行器处于滑翔器模式时，采用浮力驱动系统驱动。通常状态下航行器的重力和浮力相等。在海面时液压油在外部液压系统作用下充入大蓄能器29，外皮囊9中保留一定量的油液，这时航行器的重力大于浮力，航行器下降；下降到预定深度后，外皮囊9和小蓄能器33连通，外皮囊中剩余的油液在外部压力作用下不断压入小蓄能器33，一方面补偿了由于下降过程中驱动力的减小，使航行器的速度保持大体恒定，另一方面用于储存液压能，当航行器到达工作区域的最底端时，外皮囊连接电磁三通阀35将外皮囊9和大蓄能器29和小蓄能器33隔断，伺服电机27带动高压柱塞泵26工作，分别将小蓄能器33和大蓄能器29内部的油液经过滤器28输送到外皮囊9中，航行器的总体积将增大，这时航行器在水中的浮力将大于重力，航行器整体将上浮；当上浮到预定高度后外皮囊连接电磁三通阀35接通外皮囊9和大蓄能器29，在外界水压作用下外皮囊9中的液压油经过外皮囊连接电磁三通阀35流到大蓄能器29中，航行器的整体体积将减小，航行器在水中的重力将大于浮力，航行器将下沉；其中大蓄能器29的预定最大压力为滑翔轨迹上端的压力，小蓄能器33的压力变化范围和滑翔轨迹上端和下端之间的压力范围相同。大蓄能器29起到存储海底液压力能的作用，用来提高柱塞泵26的进口压力，减小在作滑翔轨迹上端不到达海平面的滑翔运动时的能耗，若滑翔器轨迹上端为海平面，则大蓄能器29的预定压力为0，这时大蓄能器29所起的作用和皮囊相同。在航行器下降过程中，在外界压力作用下外皮囊9中剩余油液不断进入小蓄能器33，用以补偿航行器在下降时由于海水压缩率和航行器壳体压缩率不同和温度的变化而造成的驱动力减小，使航行器在下降过程中大体保持航速不变，令一方面由于可以很大的提高高压泵26的进口压力，减小滑翔器在底部排出油液时的能量消耗。该浮力系统由于引入两个蓄能器，可以达到在海平面下一定深度滑翔时减小能耗的目的。另外，小蓄能器33的存在补偿了由于滑翔深度变化和温度变化等造成的驱动力减小，可以保持滑翔速度的大体恒定，也可以减小滑翔的能耗。

在航行器下降过程中调节航行器的俯仰调节电池包40向头部方向移动，这时航行器重心将向前移动，航行器头部向下以一定的俯仰下降，这时在重力和垂直于机翼向上的升力合力的作用下，产生一个向前的分力，在这个力的作用下，航行器在下降的同时将向前滑翔；当航行器航行到一定深度时，浮力系统使航行器的浮力大于重力，航行器将向上运动，这时调节俯仰调节电池包40向尾部方向移动，航行器的重心将向后移，航行器头部向上以一定俯仰角上浮，这时由于浮力和垂直于机翼向下的负升力作用下，产生一个向前的分力，航行器在上浮的同时将向前滑翔。航行器在浮力驱动系统的作用和俯仰调节系统的共同作用下不断的重复上述下降和上升滑翔过程，这样航行器将以锯齿形轨迹向前航行。在滑翔过程中所携带不同传感器(如CTD)可测量相应的海洋剖面参数。

所述俯仰调节电池包40位置调节过程为：俯仰调节电机37旋转经过俯仰调节减速器38带动俯仰调节传动齿轮39旋转，俯仰调节传动齿轮39和俯仰调节齿条36啮合，且俯仰调节齿条36和俯仰调节系统支撑杆13用螺钉固定连接，俯仰调节传动齿轮39和俯仰调节电机37和俯仰调节电池包40固定连接，当俯仰调节传动齿轮39在俯仰调节齿条36上向前或向后滚动时便会带动俯仰调节电池包40在俯仰调节系统支撑杆13上向前或向后移动达到调整俯仰姿态的目的。

当航行器处于AUV模式下时：浮力驱动系统首先工作，使航行器的重力和浮力大致相同，然后停止工作。俯仰姿态调节电池包40调节到使航行器的俯仰姿态角为0，即航行器在水面上处于水平状态，然后航行器尾部的导管螺旋桨推进器16在电机带动下开始旋转，产生轴向向前的推力。在AUV模式下，航行器的姿态调节主要依靠设置在前端的水平艏舵1和尾部的垂直尾舵5来完成。水平艏舵1用来控制航行器的俯仰姿态，即升降运动。当航行器在运动过程中水平艏舵1偏转一定角度后，由于水平艏舵1的水动力特性便会产生一个俯仰力矩，在这个力矩的作用下航行器产生俯仰姿态的变化，这时航行器可以实现上升和下降的运动；垂直尾舵5用来控制航行器的航向姿态，即转向运动，当航行器在运动过程中垂直尾舵5偏转一定角度后，由于垂直尾舵5的水动力特性，便会产生一个航向力矩，在这个力矩的作用下航行器产生航行方向姿态的变化，从而达到转向的目的。在AUV模式下俯仰姿态调整电池包40在必要时也可参与航行器的俯仰姿态调整，但主要依靠水平艏舵1和垂直尾舵5来完成。

航行器的姿态测量、导航、浮力系统控制、导管螺旋桨推进器的控制均通过设置在电源及控制系统耐压舱15内的控制系统来实现，其中导航系统器件由惯性导航系统(INS)、电子罗盘、多普勒计程仪(DVL)、和全球定位系统(GPS)组成，控制系统采用基于CAN总线的分布递阶控制系统体系结构，微控制器采用PHILIPS公司的P87C591，它是由80C51衍生而来的带片内CAN控制器(CAN Controller)的8位单片机，其包含并增强了PHILIPS半导体公司独立的SJA1000 CAN总线控制器。

当航行器遇到紧急情况需要上浮时根据紧急程度采取下述两种方式之一实现紧急上浮：1.若航行器电量比较充足且不需要快速上浮，则浮力驱动系统工作，使液压油在高压柱塞泵26的作用下由大蓄能器29流向外皮囊9，航行器体积增大，这样使得浮力大于航行器的重力，航行器实现上浮。2.若情况比较紧急，需要实现快速上浮，则航行器将固定抛载重物22的机构打开，抛载重物22和航行器分离并抛扔，则航行器的质量将减轻，航行器浮力大于重力实现紧急上浮。

Claims (4)

1.混合驱动水下自航行器，它包括由导流罩(2)构成的整个航行器的机体，其特征在于：它还包括分别对称的设置在所述机体后部的固定机翼(4)和垂直尾舵(5)、分别设置在所述机体前部、尾部的水平固定艏舵(1)和一个导管式螺旋桨推进器(16)、安装在所述机体背部的无线通讯模块(3)和水声通讯模块(6)、安装在机体头部下侧的高度计(24)、安装在机体(2)下部的抛载重物(22)、安装在机体外腹部的电传导率、温度和深度传感器(7)、安装在机体头部的避碰声纳(8)；在所述的导流罩(2)的内部依次固定安装有与外界水域直接相连通的浮力驱动外皮囊(9)、其内设置有浮力驱动系统的浮力驱动耐压舱(23)、其内设置有俯仰调节系统和导航系统(21)的姿态调整耐压舱(12)、其内设置有控制系统的电源及控制系统耐压舱(15)；所述的浮力驱动耐压舱(23)、姿态调整耐压舱(12)、电源及控制系统耐压舱(15)是由独立的密封耐压壳体构成，所述的各舱与导流罩(2)之间的空隙间填充有浮力材料；所述的浮力驱动系统包括与所述的外皮囊(9)相连通的第一管路，在所述的第一管路上依次设置有泵出口单向阀(25)、高压柱塞泵(26)和伺服电机(27)，在所述的位于外皮囊和泵出口单向阀(25)之间的第一管路上连接有第二管路，该第二管路与外皮囊连接电磁三通阀(35)的一个入口相连，该电磁三通阀(35)的另两个出口分别通过第三、第四管路与小蓄能器连接电磁三通阀(34)和大蓄能器连接三通阀(31)的进口相连通，所述的小蓄能器连接电磁三通阀(34)的两个出口分别通过第五、第六管路与所述的高压柱塞泵(26)的入口端及一个小蓄能器(33)相连，在所述的第五管路上依次设置有一个小蓄能器出口单向阀(32)和一个过滤器(28)，所述的大蓄能器连接三通阀(31)的两个出口分别通过第七、第八管线连接有一个大蓄能器(29)和大蓄能器出口单向阀(30)，该第八管线的一端与所述的位于过滤器(28)和小蓄能器出口单向阀(32)之间的第五管线相连通。

2.根据权利要求1所述的混合驱动水下自航行器，其特征在于：所述的俯仰调节系统包括俯仰调节电机(37)、固定在所述姿态调整耐压舱壳体上的俯仰调节系统支撑杆(13)、与所述俯仰调节电机(37)的输出轴相连的俯仰调节减速器(38)、设置在所述俯仰调节减速器(38)输出轴上的俯仰调节传动齿轮(39)、一个通过支架与俯仰调节电机(37)和俯仰调节传动齿轮(39)所述的固定相连的俯仰调节电池包(40)，在所述的俯仰调节系统支撑杆(13)上设置有俯仰调节齿条(36)，所述的俯仰调节齿条(36)与所述的俯仰调节传动齿轮(39)彼此相啮合。

3.根据权利要求1所述的混合驱动水下自航行器，其特征在于：所述的浮力驱动耐压舱(23)、姿态调整耐压舱(12)、电源及控制系统耐压舱(15)的壳体为圆柱形。

4.根据权利要求1所述的混合驱动水下自航行器，其特征在于：所述的由导流罩构成的机体为纺锤形。

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