CN101070091A - 深海太阳能潜水器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种海洋工程技术领域的深海太阳能潜水器。包括：潜水器主体、滑翔翼或太阳能电池板、主推进器和垂直稳定尾翼；滑翔翼或太阳能电池板安装于潜水器主体背部；主推进器设置在潜水器主体的尾部中纵轴内；还包括潜水器主体外部的透水壳。透水壳内有浮力调节系统、重心调节系统和耐压舱，其靠近头部位置有测速仪、深度计、声纳应答器，而其下部靠近艏部的位置有高度计，其下部靠近尾部的位置有声纳换能器。利用太阳能产生电能作为主要驱动方式，以浮力驱动的大角度滑翔技术作为辅助驱动方式的双驱动深海太阳能潜水器，解决现存技术的深度瓶颈，能耗低，续航时间长，作业范围广的，进一步提升其深海调查能力。

Description

深海太阳能潜水器

技术领域

本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的潜水器，特别是一种深海太阳能潜水器(DSV)。

背景技术

自治水下机器人(简称AUV)技术已广泛应用于海洋调查。但常规AUV仍存在3个方面的问题，限制其在海洋调查中的应用范围，即常规AUV携带能量有限无法支持长时间大范围航行、长时间的定位导航存在累积偏差需要修正，无法与远距离平台进行实时信息交换。这使得常规AUV的任务执行时间通常只能以小时或日进行计算。针对这三方面问题，目前世界上发展出两类特殊的AUV系统，即水下滑翔器和太阳能AUV。水下滑翔器采用浮力驱动方式。和常规AUV的推进器驱动不同，浮力驱动没有外置的推进器，而是通过调节潜水器的重心以改变姿态，并配合浮力调节产生运动的推进力。这种驱动方式可以在保证高的推进效率的同时实现很低的航行速度，因此获得高的续航时间和航程。这种驱动噪音低，对外部环境的干扰小。但是水下滑翔器的不足之处是其运动轨迹必须是锯齿形的，航速很低，机动能力差，不具备定深定高和平面机动能力，并且不能携带大型仪器和支持较高速度的航行，因此其任务主要局限于水体剖面调查。

经过现有技术的文献检索发现，Solar-Powered Autonomous UnderwaterVehicle Development，(太阳能无人潜水器的研究进展)2003年发表于I nProceedings of the Thirteenth International Symposium on Unmanned UntetheredSubmersible Technology，(第十三届国际无人潜水器技术论坛会议集)中表明，目前世界上实际使用的仅有美国AUVS(Autonomous Undersea SystemsInstitute)的SAUV和SAUV2型。其重量200kg，速度1-3kn。这种系统同时携带锂离子电池和太阳能电池板，可以从太阳获取能量。SAUV通常晚上下潜工作，白天上浮充电，这种与滑翔器类似的定期上浮，提供了SAUV定期进行GPS校正以及与远距离平台进行信息交换的能力。SAUV具有水下滑翔器所没有的水平面机动能力，应用范围更广泛；其携带仪器的能力以及能够实现的航速，也远比滑翔器强。现存SAUV面临的最大局限性是其工作深度的限制。它必须周期上浮充电。对于大深度调查任务，会消耗很多能量，形成大的能量负担，也会消耗较多的时间，减少了充电或者作业时间。SAUV在运动实现方面采用的是纯推进器方式驱动，运动状态以水平运动为基准，因此不能有效克服上述矛盾。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种深海太阳能潜水器。利用太阳能产生电能作为主要驱动方式，以浮力驱动的大角度滑翔技术作为辅助驱动方式的双驱动的深海太阳能潜水器DSV，解决现存SAUV技术的深度瓶颈，在保持其原有的技术优势的前提下，实现了能耗低，续航时间长，作业范围广的新型海洋调查工具，进一步提升其深海调查能力。

本发明通过以下技术方案实现，本发明包括：潜水器主体、滑翔翼或太阳能电池板、主推进器和垂直稳定尾翼，滑翔翼或太阳能电池板安装于潜水器主体背部，主推进器设置在潜水器主体的尾部中纵轴内，还包括潜水器主体外部的透水壳，透水壳内安装有浮力调节系统、重心调节系统和耐压舱，所述的透水外壳外靠近头部位置安装有测速仪、深度计、声纳应答器，而在透水外壳的下部靠近艏部的位置安装有高度计，在透水外壳的下部靠近尾部的位置安装有声纳换能器，滑翔翼或太阳能电池板设置于透水壳顶部，垂直稳定尾翼设置于透水壳尾部背上的垂直对称面内，在垂直稳定翼的顶部安装有全球定位系统GPS/卫星接收天线、无线通信天线。

所述的滑翔翼或太阳能电池板和垂直稳定尾翼是低流体阻力翼型。

所述的主推进器是可回转的导管螺旋桨，螺旋桨的外部有导管，设置于潜水器主体的尾部的中纵轴上。

所述的透水壳是长径比在7至10之间的回转体，具有低流体阻力外形。

所述的浮力调节系统包括：常压液舱、高压液囊、泵；常压液舱具有固定浮容积，高压液囊具有可变浮容积，常压液舱、泵和高压液囊连通，常压液舱和高压液囊对称于潜水器外形垂直对称面；高压液囊位于耐压舱外的透水外壳内部，其余常压液舱、泵均位于耐压舱内靠近潜水器尾部的位置。

所述的浮力调节系统对称于潜水器外形垂直对称面，浮力调节过程中潜水器的浮心始终在此垂直对称面内。

所述的浮力调节系统通过改变潜水器的浮容积，调节潜水器的浮力。当浮容积最小时，潜水器系统具有最小负浮力，当浮容积最大时，潜水器系统具有最大正浮力，当潜水器具有某适当的中间浮容积时，潜水器系统具有零浮力。

所述的重心调节系统包括：步进电机、滑动的重物和丝杆，电机的输出轴连接丝杆，丝杆与滑动的重物相连，安装在耐压舱内中段。

所述的耐压舱内安装有运动控制计算机、姿态传感器、罗盘、导航定位计算系统、锂离子电池组、能源管理系统、重心调节系统；运动控制计算机分别与主推进器、浮力调节系统、重心调节系统、导航定位计算系统、能源管理系统、姿态传感器、罗盘、测速仪、深度计、声纳应答器、高度计、声纳换能器传感设备以及全球定位系统GPS/卫星的接收天线、无线通信天线通讯设备连接，实现全系统的综合控制。

所述的耐压舱内安装有运动控制计算机、浮力调节系统、重心调节系统、锂离子电池组、姿态传感器、罗盘；运动控制计算机由采用pc104主机及其连接的系列扩展卡组成，安装在耐压舱的前端靠近潜水器首部的位置；姿态传感器、罗盘根据导航运算的要求，安装在耐压舱的中纵轴的中点前后，固定在耐压舱内部的固定支架上；在耐压舱的中段安装有重心调节系统；尾段安装有浮力调节系统；在耐压舱内部其余的空间设有锂离子电池组，以便能够储存足够的能量支持潜水器系统工作。

所述的滑翔翼或太阳能电池板，其滑翔翼与太阳能电池板为同一体，既具有将太阳能转化为电能，储存在电池组中的功能，同时也将在滑翔运动中起到类似机翼的作用。

所述的主推进器可在水平面内进行回转，为潜水器提供前进动力，也可为潜水器提供水平改变航向所需的力矩。

所述的重心调节系统可以沿潜水器的纵轴方向移动潜水器重心。重心的纵向调节范围覆盖并宽于浮力调节时浮心的纵向变化范围，并且在重心和浮力的各种调节状态下，始终保持潜水器系统具有一定的稳性高。

所述的潜水器外形的升力焦点位于浮心和重心的后部，提供足够的纵倾静稳定性。

本发明运动控制计算机对潜水器的控制策略是这样的：潜水器定期在白天以浮力驱动的方式浮上海面，以太阳能电池为锂离子电池组充电，并与远距离平台进行通信和信息传输，GPS定位修正。充电完成之后，以浮力驱动的方式潜入海中到达工作深度，在作业点附近作水平面内机动以推进器驱动方式航行。

本发明的浮力驱动方式航行状态主要应用于垂直面内上浮和下潜机动。当潜水器需要下潜时，浮力调节系统减少潜水器的浮容积，使其处于负浮力状态，同时重心调节系统调节潜水器重心，使潜水器产生负的纵倾角(抬头为正)，潜水器在负浮力和升力的联合作用下，建立起前进和下潜速度，并达到稳定的航行状态。当潜水器到达设定深度时，浮力调节系统增加潜水器的浮容积，使其处于零浮力状态，同时重心调节系统调节潜水器重心，使潜水器没有纵倾角，则潜水器可在设定深度，用推进器驱动进行水平面机动作业。当潜水器上浮时，浮力调节系统增加潜水器的浮容积，使其处于正浮力状态，同时重心调节系统调节潜水器重心，使潜水器产生正的纵倾角(抬头为正)，潜水器在正浮力和升力的联合作用下，建立起前进和上升速度，并达到稳定的航行状态。当潜水器到达海面时，浮力调节系统使其处于零浮力状态，同时重心调节系统调节潜水器重心，使潜水器没有纵倾角，则潜水器可在海面，用推进器驱动进行水平面机动作业和充电。在垂直面内的潜浮运动过程中，系统只需要适时调整重心分布，能量消耗非常少，解决了太阳能AUV深度变化耗时长，能耗大的弊病，实现潜水器的远程航行和长的续航时间。

本发明以推进器驱动方式航行时，整个潜水器外形只有推进器是活动部件，并且浮力调节装置调节潜水器使之处于零浮力状态。此时，潜水器通过推进器产生的沿纵轴方向的推力，和水平面内的偏航力矩，通过对重心的调节，改变潜水器主翼平面的空间姿态。通过对主翼平面空间姿态以及主翼平面内推力和偏航力矩的联合控制，实现潜水器的空间机动。

本发明增加了太阳能电池，可以通过反复的充电过程实现高的航程和续航时间；增加了重心调节系统和浮力调节系统，可以通过浮力驱动的大角度滑翔运动方式，实现了高速低耗的潜水器垂直面机动运动；通过推进器驱动实现高的机动性。整个系统设计结构紧凑，阻力小，简单可靠并且成本低廉。本发明建立了一套能够真正实现长时间大深度的海洋调查系统，具有非常广阔的使用价值。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意侧视图。

图2是本发明的整体结构示意首视图。

图3是本发明的整体结构示意尾视图。

图4是本发明的整体结构示意俯视图。

图5是本发明仪器舱内部分结构示意图。

其中，潜水器主体-1，滑翔翼或太阳能电池板-2，主推进器-3，垂直稳定尾翼-4，测速仪-5，深度计-6，声纳应答器-7，高度计-8，声纳换能器-9，全球定位系统GPS/卫星接收天线-10，无线通信系统-11，运动控制计算机-12，浮力调节系统-13，重心调节系统-14，锂离子电池组-15，透水壳-16，耐压舱-17，常压液舱-18、泵-19、高压液囊-20、步进电机-21、丝杆-22、滑动的重物-23、姿态传感器-24、罗盘-25。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如附图1所示，本实施例包括：潜水器主体1，滑翔翼或太阳能电池板2，主推进器3和垂直稳定尾翼4，潜水器主体1的外部是整流用的透水壳16，透水壳16内部是重心调节系统14、浮力调节系统13和耐压舱17。透水壳16是长径比在7至10之间的回转体，具有低流体阻力外形。滑翔翼或太阳能电池板2和垂直稳定尾翼4具有低流体阻力翼型。滑翔翼或太阳能电池板2设置于透水壳16顶部，呈现背负状态。在潜水器主体1透水外壳16上安装有声纳应答器7、声纳换能器9、高度计8、深度计6、测速仪5等传感器设备。垂直稳定尾翼4设置于透水壳16尾部的背部上层的垂直对称面内，在稳定翼的顶部安装有全球定位系统GPS/卫星的接收天线10、无线通信的天线11。主推进器3设置在潜水器主体1的尾部中纵轴内。

耐压舱17内有锂离子电池组15和重心调节系统14。重心调节系统14包括步进电机21，滑动重物23和丝杆22。步进电机21的输出轴连接丝杆22，丝杆22连接滑动重物23。步进电机21正反转带动重物23沿潜水器纵轴方向运动，最终使潜水器重心沿纵轴方向前进和后退。重心的纵向调节范围覆盖并宽于浮力调节时浮心的纵向变化范围。

浮力调节系统13包括常压液舱18、高压液囊20、泵19、常压液舱18具有固定浮容积，高压液囊20具有可变浮容积，常压液舱18、泵19和高压液囊20连通，内部是用于浮力调节的高比重液体。浮力调节系统13利用泵19将高比重液体在常压液舱18和高压液囊20之间调拨，当液体充满常压液舱18时，潜水器系统具有最小负浮力，当液体充满高压液囊20并使之达到最大浮容积时，潜水器系统具有最大正浮力，当液体按适当比例分布于常压液舱19和高压液囊20中时，潜水器系统具有零浮力。常压液舱18和高压液囊20对称于潜水器外形垂直对称面，浮力调节过程中潜水器的浮心始终在此垂直对称面内。

在重心和浮力的各种调节状态下，始终保持潜水器系统具有一定的稳性高。潜水器外形的升力焦点位于浮心和重心的后部，提供足够的纵倾静稳定性。

耐压舱17内还设置有运动控制计算机12、姿态传感器24、罗盘25等传感器设备。运动控制计算机12连接主推进器3、浮力调节系统13、重心调节系统14、导航定位计算系统、能源管理系统、姿态传感器24、罗盘25、声纳换能器7、9、高度计8、深度计6、测速仪5等传感器设备以及全球定位系统GPS/卫星接收天线10、无线通信的天线11等通讯设备，实现全系统的综合控制。

运动控制计算机12对潜水器的控制策略是这样的：潜水器定期在白天以浮力驱动的方式浮上海面，以太阳能电池为锂离子电池组充电，并与远距离平台进行通信和信息传输，GPS定位修正。充电完成之后，以浮力驱动的方式潜入海中到达工作深度，在作业点附近作水平面内机动以推进器驱动方式航行。

本实施例的浮力驱动方式航行状态主要应用于垂直面内上浮和下潜机动。当潜水器需要下潜时，浮力调节系统13减少潜水器的浮容积，使其处于负浮力状态，同时重心调节系统14调节潜水器重心，使潜水器产生负的纵倾角(抬头为正)，潜水器在负浮力和升力的联合作用下，建立起前进和下潜速度，并达到稳定的航行状态。当潜水器到达设定深度时，浮力调节系统13增加潜水器的浮容积，使其处于零浮力状态，同时重心调节系统14调节潜水器重心，使潜水器没有纵倾角，则潜水器可在设定深度，用推进器驱动进行水平面机动作业。当潜水器上浮时，浮力调节系统13增加潜水器的浮容积，使其处于正浮力状态，同时重心调节系统14调节潜水器重心，使潜水器产生正的纵倾角(抬头为正)，潜水器在正浮力和升力的联合作用下，建立起前进和上升速度，并达到稳定的航行状态。当潜水器到达海面时，浮力调节系统13使其处于零浮力状态，同时重心调节系统14调节潜水器重心，使潜水器没有纵倾角，则潜水器可在海面，用推进器驱动进行水平面机动作业和充电。在垂直面内的潜浮运动过程中，系统只需要适时调整重心分布，能量消耗非常少，解决了太阳能AUV深度变化耗时长，能耗大的弊病，实现潜水器的远程航行和长的续航时间。

当以推进器3驱动方式航行时，整个潜水器外形只有推进器是活动部件，并且浮力调节装置调节潜水器使之处于零浮力状态。此时，潜水器通过推进器3产生的沿纵轴方向的推力，和水平面内的偏航力矩，通过对重心的调节，改变潜水器主翼平面的空间姿态。通过对主翼平面空间姿态以及主翼平面内推力和偏航力矩的联合控制，实现潜水器的空间机动。

Claims (10)

1.一种深海太阳能潜水器，包括：潜水器主体(1)、滑翔翼或太阳能电池板(2)、主推进器(3)和垂直稳定尾翼(4)；滑翔翼或太阳能电池板(2)安装于潜水器主体(1)背部，主推进器(3)设置在潜水器主体(1)的尾部中纵轴内，其特征在于，还包括潜水器主体(1)外部的透水壳(16)，透水壳(16)内安装有浮力调节系统(13)、重心调节系统(14)和耐压舱(17)，所述的透水外壳(16)外靠近头部位置安装有测速仪(5)、深度计(6)、声纳应答器(7)，而在透水外壳(16)的下部靠近艏部的位置安装有高度计(8)，在透水外壳(16)的下部靠近尾部的位置安装有声纳换能器(9)，滑翔翼或太阳能电池板(2)设置于透水壳(16)顶部，垂直稳定尾翼(4)设置于透水壳(16)尾部背上的垂直对称面内，在垂直稳定翼(4)的顶部安装有全球定位系统GPS/卫星接收天线(10)、无线通信天线(11)。

2.如权利要求1所述的深海太阳能潜水器，其特征是，所述的滑翔翼或太阳能电池板(2)和垂直稳定尾翼(4)是低流体阻力翼型。

3.如权利要求1所述的深海太阳能潜水器，其特征是，所述的主推进器(3)是可回转的导管螺旋桨，螺旋桨的外部有导管，设置于潜水器主体(1)的尾部的中纵轴上。

4.如权利要求1所述的深海太阳能潜水器，其特征是，所述的透水壳(16)是长径比在7至10之间的回转体，具有低流体阻力外形。

5.如权利要求1所述的深海太阳能潜水器，其特征是，所述的浮力调节系统(13)包括：常压液舱(18)、高压液囊(20)、泵(19)，常压液舱(18)具有固定浮容积，高压液囊(20)具有可变浮容积，常压液舱(18)、泵(19)和高压液囊(20)连通，常压液舱(18)和高压液囊(20)对称于潜水器外形垂直对称面；高压液囊(20)位于耐压舱(17)外的透水外壳(16)内部，常压液舱(18)、泵(19)均位于耐压舱内靠近潜水器尾部的位置。

6.如权利要求1或者5所述的深海太阳能潜水器，其特征是，所述的浮力调节系统(13)对称于潜水器外形垂直对称面。

7.如权利要求1所述的深海太阳能潜水器，其特征是，所述的重心调节系统(14)包括：步进电机(21)、滑动的重物(23)和丝杆(22)，电机(21)的输出轴连接丝杆(22)，丝杆(22)与滑动的重物(23)相连，安装在耐压舱(17)内中段。

8.如权利要求1所述的深海太阳能潜水器，其特征是，所述的耐压舱(17)内安装有运动控制计算机(12)、姿态传感器(24)、罗盘(25)、导航定位计算系统、锂离子电池组(15)、能源管理系统、重心调节系统(14)；运动控制计算机(12)分别与主推进器(3)、浮力调节系统(13)、重心调节系统(14)、导航定位计算系统、能源管理系统、姿态传感器(24)、罗盘(25)、测速仪(5)、深度计(6)、声纳应答器(7)、高度计(8)、声纳换能器(9)传感设备以及全球定位系统GPS/卫星的接收天线(10)、无线通信天线(11)通讯设备相连接。

9.如权利要求1或者8所述的深海太阳能潜水器，其特征是，所述的耐压舱(17)内安装有运动控制计算机(12)、浮力调节系统(13)、重心调节系统(14)、锂离子电池组(15)、姿态传感器(24)、罗盘(25)，运动控制计算机(12)安装在耐压舱(17)的前端靠近潜水器首部的位置；姿态传感器(24)、罗盘(25)安装在耐压舱(17)的中纵轴的中点前后，固定在耐压舱(17)内部的固定支架上；在耐压舱(17)的中段安装有重心调节系统(14)，其尾段安装有浮力调节系统(13)，在耐压舱(17)内部其余的空间设有锂离子电池组(15)。

10.如权利要求9所述的深海太阳能潜水器，其特征是，所述的运动控制计算机(12)包括pc104主机及其与pc104主机连接的系列扩展卡。

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