CN100532192C - 混合型水下航行器 - Google Patents

Abstract

一种混合型水下航行器，有由头部罩、机体罩、尾部罩构成的骨架；安装在机体罩外部的三角机翼、垂直固定尾舵；设置在尾部罩下侧的高度计；安装在头部罩内的导航模块；设置在机体罩内部的中间耐压仓；设置在机体罩内部的左侧耐压仓和右侧耐压仓；设置在机体罩内的水声通信模块；设置在机体罩和中间耐压仓内的浮力驱动系统、控制系统、俯仰调节块和用于支撑俯仰调节块的俯仰调节块支撑杆；对称的固定连接在尾罩的尾部上的两个导管螺旋桨推进器。本发明同时采用兼顾滑翔性能和AUV操作性能的三角翼作为航行器的机翼，搭载相应的测量传感器和任务模块，可长时间实现对大范围水域的监测和勘测，还可以对具体目标进行精确快速的监测、考察、跟踪等作业。

Description

混合型水下航行器

技术领域

本发明涉及一种水下航行。特别是涉及一种集滑翔器和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型水下航行器。

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的研制成功水下滑翔器，只提供很少的能量，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型水下航行器。

本发明所采用的技术方案是：一种混合型水下航行器，包括有：由头部罩、机体罩、尾部罩构成的骨架；分别安装在机体罩外部两侧的三角机翼；设置在机体罩外侧底部的CTD传感器；设置在机体罩外侧后部的垂直固定尾舵；设置在尾部罩下侧的高度计；安装在头部罩内的导航模块；设置在机体罩内部的由中间耐压仓头部壳体和中间耐压仓尾部壳体组成的中间耐压仓；设置在机体罩内部并分别形成在中间耐压仓两侧的由左侧小耐压仓尾部壳体和左侧小耐压仓头部壳体组成的左侧耐压仓，以及由右侧小耐压仓头部壳体和右侧小耐压仓尾部壳体组成的右侧耐压仓；设置在机体罩内的水声通信模块；设置在机体罩和中间耐压仓头部壳体内的浮力驱动系统；设置在中间耐压仓头部壳体内的控制系统；设置在中间耐压仓尾部壳体内的俯仰调节块，和固定在中间耐压仓尾部壳体内的底部用于支撑俯仰调节块的俯仰调节块支撑杆；对称的固定连接在尾罩的尾部上的两个导管螺旋桨推进器。

在尾罩上还设置有抛载重物以及与其相连的释放机构。

所述的中间耐压仓、左侧耐压仓、右侧耐压仓是由密封壳体构成。

由头部罩、机体罩、尾部罩构成的骨架的空隙间填充浮力材料并与外面水域相连通。

所述的浮力驱动系统包括有设置在机体罩内的外皮囊和设置在中间耐压仓头部壳体内的内皮囊及液压系统。

所述的液压系统是由伺服电机、高压柱塞泵、单向阀、电磁二通阀、过滤器以及连通管路构成。

所述的导航模块是由惯性导航系统INS、多普勒计程仪DVL、全球定位系统GPS组成。

所述的中间耐压仓、左侧耐压仓、右侧耐压仓均为扁平形状。

所述的由头部罩、机体罩、尾部罩构成的骨架为扁平形状。

本发明的混合型水下航行器，具有结构简单，制作方便，航行器机身做成扁平式，有利于提高在滑翔时的滑翔效率，同时采用兼顾滑翔性能和AUV操作性能的三角翼作为航行器的机翼，实现航行器将滑翔器和AUV两种功能集合于一身。自航行器(AUV)的优点集于一身，搭载相应的测量传感器和任务模块，可以长时间实现对大范围水域的监测和勘测，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的俯视图；

图2是图1的侧视图；

图3本发明的整体结构示意图；

图4是浮力驱动系统原理示意图。

其中：

1—1、1—2：三角机翼           2：机体罩

3：水声通信模块                4：头部罩

5：垂直固定尾舵                6：尾部罩

7—1、7—2：导管螺旋桨推进器   8：CTD传感器

9：导航模块                    10：无线发射接收天线

11：高度计                     12：俯仰调节块支撑杆

13：俯仰调节块                 14：左侧小耐压仓尾部壳体

15：中间耐压仓尾部壳体         16：液压系统

17：内皮囊                     18：外皮囊

19：左侧小耐压仓头部壳体       20：右侧小耐压仓头部壳体

21：中间耐压仓头部壳体         22：右侧小耐压仓尾部壳体

23：控制系统                   24：抛载重物

25：伺服电机                   26：高压柱塞泵

27：单向阀                     28：电磁二通阀

29：过滤器

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的混合型水下航行器做出详细说明。

本发明的混合型水下航行器，包括有：由头部罩4、机体罩2、尾部罩6连接构成的骨架，所构成的骨架为扁平形状。在机体罩2外部两侧分别对称地安装有三角机翼1—1、1—2；在机体罩2外侧底部设置有CTD传感器8；在机体罩2外侧后部设置有垂直固定尾舵5；在尾部罩6下侧设置有高度计11；在头部罩4内安装有导航模块9，所述的导航模块9是由惯性导航系统INS、多普勒计程仪DVL、全球定位系统GPS组成；在尾罩6上还设置有抛载重物24以及与其相连的释放机构。

在机体罩2内部设置有由中间耐压仓头部壳体21和中间耐压仓尾部壳体15组成的中间耐压仓，其中间耐压仓头部壳体21和中间耐压仓尾部壳体15两者之间采用O形密封圈密封；在机体罩2内部还设置有分别形成在中间耐压仓两侧的，由左侧小耐压仓尾部壳体14和左侧小耐压仓头部壳体19组成的左侧耐压仓，以及由右侧小耐压仓头部壳体20和右侧小耐压仓尾部壳体22组成的右侧耐压仓。其左侧小耐压仓尾部壳体14和左侧小耐压仓头部壳体19两者之间的采用O形密封圈密封，右侧小耐压仓头部壳体20和右侧小耐压仓尾部壳体22两者之间的采用O形密封圈密封。其中，所述的中间耐压仓、左侧耐压仓、右侧耐压仓是由密封壳体构成，并且其形状均为扁平形状。

在机体罩2内还设置有水声通信模块3，以及设置在机体罩2和中间耐压仓头部壳体21内的浮力驱动系统。所述的浮力驱动系统包括有设置在机体罩2内的外皮囊18和设置在中间耐压仓头部壳体21内的内皮囊17及液压系统16。所述的液压系统16是由伺服电机25、高压柱塞泵26、单向阀27、电磁二通阀28、过滤器29以及连通管路构成。

在中间耐压仓头部壳体21内设置有控制系统23；在中间耐压仓尾部壳体15内设置有俯仰调节块13和，固定在中间耐压仓尾部壳体15内的底部用于支撑俯仰调节块13的俯仰调节块支撑杆12，其中，俯仰调节块13是一个电池包，并套在俯仰调节块支撑杆12上；将俯仰调节块支撑杆12固定在整个滑翔器中心，在其上固定安装齿条，并用螺钉固定；俯仰调节块13作为一个质量块，并在其端部固定安装有电机和齿轮，电机由电池包供电驱动齿轮旋转，而齿轮又与固定在俯仰调节块支撑杆上的齿条啮合，从而使得俯仰调节块13可以沿着俯仰调节块支撑杆12前后运动；在尾罩6的尾部上还对称的固定连接有两个导管螺旋桨推进器7—1、7—2，即两导管螺旋桨推进器7—1、7—2对称的固定连接在航行器轴线两侧的尾罩6上。将浮力驱动系统布置在航行器的前部，这样一方而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。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，因此当俯仰调节块13沿着俯仰调节块支撑杆12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。

由头部罩4、机体罩2、尾部罩6构成的骨架的空隙间填充浮力材料并与外面水域相连通。

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。当二通阀28处于下位，即外皮囊18和内皮囊17相通，在外界水压作用下外皮囊18中的液压油经过二通阀28流到内皮囊17中时航行器的整体体积将减小，这时航行器在水中的重力将大于浮力，这时将二通阀28处于上位即外皮囊18和内皮囊17隔断，这样航行器将保持重力大于浮力，航行器整体将下沉；当二通阀处于上位，即外皮囊18和内皮囊17隔断，伺服电机25带动高压柱塞泵26工作，将内皮囊17中的液压油经过滤器29输送到外皮囊18中，航行器的总体体积将增大，这时航行器在水中的浮力将大于重力，航行器整体将上浮。当航行器在水面时，浮力系统是航行器重力大于浮力使航行器下降，在航行器下降过程中调节航行器的俯仰调节块13的位置，俯仰调节块13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滑翔角下降，这时在重力和由于攻角产生的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，浮力系统启动使航行器的浮力大于重力，航行器将向上运动，这时调节俯仰调节块13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攻角上浮，这时由于浮力和由于攻角作用产生的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下不断的重复上述下降和上升滑翔过程，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。

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。航行器尾部的导管螺旋桨推进器7—1和7—2在电机带动下开始旋转，且两个导管螺旋桨推进器的叶片旋向做成一个左旋，一个右旋，使导管螺旋桨推进器旋转方相反，使得推进器的推力都向后但产生的旋转力矩可以相互抵消，若两导管螺旋桨推进器的转速相同则推进器工作不会带来航行器的横滚，只会产生向前的推力。在AUV模式下，航行器的俯仰调节仍然依靠中间耐压仓15中的俯仰调节块13在俯仰调节块支撑杆12上的移动来实现，当俯仰调节块13向头部方向移动则航行器在导管螺旋桨推进器的作用下将头部向下以一定攻角向下航行，当仰调节系统13向尾部方向移动则航行器在导管螺旋桨推进器的作用下将头部向上以一定攻角向上航行。在AUV模式下，航行器的侧转控制依靠两个导管螺旋桨推进器的不同转速控制来实现，具体实现方式如下：当航行器向左侧航行时，需要控制导管螺旋桨推进器7—1和7—1的转速，使得右侧导管螺旋桨推进器7—2的转速大于左侧导管螺旋桨推进器7—1的转速，这是由于导管螺旋桨推进器7—2的推力大于导管螺旋桨推进器7—1的推力，故会产生一个向左的侧转转距，在这个转距的作用下航行器将会以一定的回转半径实现侧转，在这个过程过航行器会产生一定的横滚，但在垂直固定尾舵的稳定作用下，航行器在一定范围内不会出现失稳。航行器向右侧回转的过程和向左侧回转过程相同，但这是要导管螺旋桨推进器7—1的转速大于导管螺旋桨推进器7—2的转速。

当航行器在静止时，调整航行器的俯仰调节块13沿着俯仰调节块支撑杆12向尾部移动到最下端，航行器将会头部向上，尾部向下垂直在立在水中，这时若两个导管螺旋桨推进器7—1、7—2以相同转速旋转推进航行器，则航行器将实现在水域中的垂直上升，相反将航行器俯仰调节块13沿着俯仰调节块支撑杆12向头部移动到最上端，然后两个导管螺旋桨推进器7—1、7—2以相同转速旋转推进航行器则会实现航行器的垂直下降。

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控制系统23来实现，其中导航系统器件由惯性导航系统(INS)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(CANController)的8位单片机，成功的包含并增强了PHILIPS半导体公司独立的SJA1000CAN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，使液压油在液压系统16的作用下由内皮囊17流向外皮囊18，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24的机构打开，抛载重物24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 (10)

1.一种混合型水下航行器，包括有：由头部罩(4)、机体罩(2)、尾部罩(6)构成的骨架；分别安装在机体罩(2)外部两侧的三角机翼(1—1、1—2)；设置在机体罩(2)外侧后部的垂直固定尾舵(5)；设置在机体罩(2)内部的由中间耐压仓头部壳体(21)和中间耐压仓尾部壳体(15)组成的中间耐压仓；设置在机体罩(2)和中间耐压仓头部壳体(21)内的浮力驱动系统；其特征在于，还有：设置在尾部罩(6)下侧的高度计(11)；安装在头部罩(4)内的导航模块(9)；设置在机体罩(2)内部并分别形成在中间耐压仓两侧的由左侧小耐压仓尾部壳体(14)和左侧小耐压仓头部壳体(19)组成的左侧耐压仓，以及由右侧小耐压仓头部壳体(20)和右侧小耐压仓尾部壳体(22)组成的右侧耐压仓；设置在机体罩(2)内的水声通信模块(3)；设置在中间耐压仓头部壳体(21)内的控制系统(23)；设置在中间耐压仓尾部壳体(15)内的俯仰调节块(13)，和固定在中间耐压仓尾部壳体(15)内的底部用于支撑俯仰调节块(13)的俯仰调节块支撑杆(12)；对称的固定连接在尾罩(6)的尾部上的两个导管螺旋桨推进器(7—1、7—2)。

2.根据权利要求1所述的混合型水下航行器，其特征在于，在机体罩(2)外侧底部还设置有CTD传感器(8)。

3.根据权利要求1所述的混合型水下航行器，其特征在于，在尾罩(6)上还设置有抛载重物(24)以及与其相连的释放机构。

4.根据权利要求1所述的混合型水下航行器，其特征在于，所述的中间耐压仓、左侧耐压仓、右侧耐压仓是由密封壳体构成。

5.根据权利要求1所述的混合型水下航行器，其特征在于，由头部罩(4)、机体罩(2)、尾部罩(6)构成的骨架的空隙间填充浮力材料并与外面水域相连通。

6.根据权利要求1所述的混合型水下航行器，其特征在于，所述的浮力驱动系统包括有设置在机体罩(2)内的外皮囊(18)和设置在中间耐压仓头部壳体(21)内的内皮囊(17)及液压系统(16)。

7.根据权利要求6所述的混合型水下航行器，其特征在于，所述的液压系统(16)是由伺服电机(25)、高压柱塞泵(26)、单向阀(27)、电磁二通阀(28)、过滤器(29)以及连通管路构成。

8.根据权利要求1所述的混合型水下航行器，其特征在于，所述的导航模块(9)是由惯性导航系统INS、多普勒计程仪DVL、全球定位系统GPS组成。

9.根据权利要求1所述的混合型水下航行器，其特征在于，所述的中间耐压仓、左侧耐压仓、右侧耐压仓均为扁平形状。

10.根据权利要求1所述的混合型水下航行器，其特征在于，所述的由头部罩(4)、机体罩(2)、尾部罩(6)构成的骨架为扁平形状。

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