CN102126544A

CN102126544A - 一种水中自航式全方位侦测器

Info

Publication number: CN102126544A
Application number: CN201010616349XA
Authority: CN
Inventors: 邵志宇; 冯顺山; 方东洋; 段相杰; 边江楠
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2030-12-31
Also published as: CN102126544B

Abstract

本发明涉及一种能够在水中进行全方位侦测及自主航行的水中自航式全方位侦测器，属于水中航行器领域。本发明重点解决水面及水面上方长时间全方位侦测问题以及水面以下复杂环境的侦测问题。本发明的侦测器包括摄像头、照明灯、摄像头云台、控制计算机、锂电池组、电机及减速器组件、右舵面、右电动舵机、运动控制器、泵喷推进器、数据传输线、放线器、动力轴、花键套筒、左电动舵机、左舵面、铝壳体、深度传感器、惯性测量单元、无线传输电台、通信模块、透光防护罩、GPS接收机。本发明的侦测器能够接受远程监视控制终端的遥控指令或预设指令，在控制计算机及运动控制器控制下，实现水面全方位长期实时侦测及水下复杂环境的实时侦测。

Description

一种水中自航式全方位侦测器

技术领域

本发明涉及一种能够侦测水面、空中及水下情况且能够通过程序控制自主航行、自主侦测的水中自航式全方位侦测器，属于水中航行器领域。

背景技术

在民事及军事活动中，存在大量对水面、水面上方及水下情况的侦测需求，如在民用领域，对港口、码头、河道、湖泊等的水面及水下侦测、搜寻活动，在军用领域对敌方港口、码头、河道等的侦查活动等。但对于人员、船只、水下机器人等不方便或无法进入的场合，以及对于需要长时间对水面及水面上方情况进行侦测的场合，常规侦测装置难以满足需要。针对这一需求，本发明提出了一种从水面或水下运动到相应侦测位置对周围情况进行全方位侦测的侦测器。该侦测器可根据应用要求设计成采用无线或有线方式传输侦测到的图像：当航行器在水面进行侦测时，可设计成通过无线或有线方式实时传输图像信息，并接收各种控制指令；当航行器在水下侦测时，设计成通过有线方式实时传输图像信息及各种控制指令；该航行器既能够按照预先设定的控制指令要求在水面或水下自主航行，也能够根据传送到远方控制终端的图像信息通过遥控方式控制航行器在水面或水下航行。此外，该侦测器能够长期在水面执勤，对水面及水面上方进行侦测。目前国内外未见到该类型的水中自航式全方位侦测器。

发明内容

本发明目的是提供一种通过摄像头从水中对水面、空中及水下情况进行全方位侦测且能够通过程序控制自主航行、自主侦测的自航式全方位侦测器。该侦测器特点是：平均密度比水小，能够漂浮于水面进行侦测，当电量充足时能够在水面保持长达数月的侦测状态，并通过无线方式实时传送视频图像；能够在水下狭窄航道或复杂环境中航行，同时保持侦测状态，并通过有线方式实时传送视频图像；能够在预先设定的程序控制下自主航行、侦测并储存图像信息，并可在浮出水面后通过无线方式将视频图像发送出去，并接收控制指令；可通过GPS信号确定自身位置，并通过惯性测量单元确定自身姿态。

为解决上述技术问题，本发明的水中自航式全方位侦测器包括摄像头、照明灯、摄像头云台、控制计算机、锂电池组、电机及减速器组件、右舵面、右电动舵机、运动控制器、泵喷推进器、数据传输线、放线器、动力轴、花键套筒、左电动舵机、左舵面、铝壳体、深度传感器、惯性测量单元、无线传输电台、通信模块、透光防护罩、GPS接收机。铝壳体与透光防护罩通过密封连接构成侦测器的防水密封壳体，密封壳体外形为旋转体，底部为圆柱形，中部为倒锥形，头部透光部分为半球形；侦测器尾部为泵喷推进器，泵喷推进器的定子连接到铝壳体上，转子与动力轴的一端固连；泵喷推进器定子壳体外部固定放线器，放线器内部为数据传输线，数据传输线一端连接通信模块，另一端连接外部的监视控制终端；动力轴从铝壳体底部穿过，在铝壳体上由一对角接触轴承支撑，与铝壳体之间通过密封圈密封，在铝壳体外的一端接泵喷推进器转子，另一端接花键套筒；铝壳体内的底部为运动控制器，通过螺钉固定在铝壳体上；运动控制器上方的铝壳体上用螺钉固定左电动舵机和右电动舵机，其中左电动舵机的舵轴上通过螺钉固定左舵面，右电动舵机的舵轴上通过螺钉固定右舵面；左电动舵机与右电动舵机的舵轴与铝壳体之间采用密封圈密封；左电动舵机与右电动舵机上方的铝壳体上固定圆柱状电机及减速器组件，电机及减速器组件输出轴连接花键套筒；电机及减速器组件上方的壳体上固定圆柱状锂电池组；锂电池组的底板上固定惯性测量单元；锂电池组壳体上表面固定控制计算机、通信模块和无线传输电台组合模块；控制计算机、通信模块和无线传输电台组合模块的壳体上固定摄像头云台，摄像头云台的活动框架上安装摄像头，摄像头镜头周围的壳体上安装数个照明灯，光线方向与摄像头轴线平行；在摄像头云台侧面固定GPS接收机；在铝壳体上安装有深度传感器，深度传感器出来的导线连接到运动控制器上。从整体上看，摄像头及透光防护罩位于侦测器的头部，泵喷推进器位于侦测器的尾部。

该侦测器在水中的运动方式有两种，一种为头部在前、尾部在后、头部比尾部低的正常式运动，另一种为头部在后，尾部在前的倒拖式运动，这两种运动方式对应的泵喷推进器转子的转动方向相反。正常式运动适用于侦测器在水下的运动，适合侦测器在水下复杂环境中边侦测边运动；倒拖式运动对于侦测器在水面及水下的运动都适用，其运动控制相对简单，但由于不能对运动前方的情况进行侦测，因此适合在没有障碍物或障碍物比较规则的水面及水下运动。

在远程监视控制终端的控制下，侦测器可在水面或水下进行侦测，侦测到的视频信息通过有线或无线方式传输到远方的监视控制终端，同时，监视控制终端根据收到的视频信息给侦测器发指令，控制侦测器的侦测方向或水面及水下的运动方向。侦测器的正常式及倒拖式运动主要由泵喷推进器、左电动舵机及左舵面、右电动舵机及右舵面、电机及减速器组件在控制计算机及运动控制器的控制下完成。当侦测器需要在水中运动时，控制计算机接受远程监视控制终端的运动指令并传送给运动控制器，运动控制器控制泵喷推进器转子沿某个方向转动，同时控制左电动舵机及右电动舵机的转动，使左舵面及右舵面分别转过相应角度，形成正常式或倒拖式水中运动。在这两种方式的运动过程中，摄像头都可以对周围环境情况进行侦测，形成视频信息并传输到监视控制终端。当需要侦测水面或水下黑暗环境的情况时，通过摄像头上的照明灯为黑暗环境照明。

该侦测器能够在预先设定的程序控制下自主航行、侦测并储存图像信息，并可在浮出水面后通过无线方式将视频图像发送出去，并以无线方式接收控制指令。

泵喷推进器的定子及转子设计成能够保证当侦测器在正常速度范围内运动时，基本不产生绕侦测器纵轴的滚转力矩；当泵喷推进器产生一定程度的滚转力矩时，可通过左舵面及右舵面的差动旋转给以消除；深度传感器及惯性测量单元用来检测侦测器的深度、姿态、角速度等信息，为水中航行器的运动控制提供相关参数。

当侦测器在无遮挡的水面工作时，可通过GPS接收机接收GPS信号，为自身定位。

在动力未开的自由状态下，侦测器竖直漂浮于水中，透光防护罩部分露出水面，此时摄像头能够从半球形头部的任何一个方向对周围环境进行侦测；当水面有影响侦测的波浪时，启动泵喷推进器，使侦测器头部更高地露出水面，同时通过控制左舵面及右舵面，使侦测器在水中保持稳定，从而对周围环境进行侦测。

该侦测器可以没有无线传输电台，或者当侦测器只需要侦测水面情况时，可以没有放线器及数据传输线，而只通过通信模块及无线传输电台以无线方式传输数据。

有益效果：

①该侦测器可长时间对水面、空中及水下环境进行全方位侦测监视；②可对水下复杂环境进行侦测及搜寻，水下及水面运动灵活；③体积小，重量轻，携带方便，易于维护。

附图说明

图1是本发明一种水中自航式全方位侦测器的纵向剖视图；

图2是本发明一种水中自航式全方位侦测器的外形三视图；

图3、图4分别是本发明一种水中自航式全方位侦测器在水面侦测时的状态；

图5是本发明一种水中自航式全方位侦测器在水面运动并侦测时的状态；

图6、图7、图8分别是本发明一种水中自航式全方位侦测器在水下以不同方式运动并侦测时的状态。

图中：1-摄像头、2-照明灯、3-摄像头云台、4-控制计算机、5-锂电池组、6-电机及减速器组件、7-右舵面、8-右电动舵机、9-运动控制器、10-泵喷推进器、11-数据传输线、12-放线器、13-动力轴、14-花键套筒、15-左电动舵机、16-左舵面、17-铝壳体、18-深度传感器、19-惯性测量单元、20-无线传输电台、21-通信模块、22-透光防护罩、23-GPS接收机。

具体实施方式

参见图1，本发明的水中自航式全方位侦测器包括：摄像头1、照明灯2、摄像头云台3、控制计算机4、锂电池组5、电机及减速器组件6、右舵面7、右电动舵机8、运动控制器9、泵喷推进器10、数据传输线11、放线器12、动力轴13、花键套筒14、左电动舵机15、左舵面16、铝壳体17、深度传感器18、惯性测量单元19、无线传输电台20、通信模块21、透光防护罩22、GPS接收机23。铝壳体17与透光防护罩20用螺钉连接成一体，构成侦测器的防水密封壳体，铝壳体17与透光防护罩20之间的搭接处加防水密封圈防水；侦测器尾部为泵喷推进器10，泵喷推进器10的定子通过螺钉连接到铝壳体17上，泵喷推进器10的转子用螺钉固定在动力轴13的一端，用于输出转子的旋转运动；泵喷推进器10的定子上用螺钉固定放线器12，放线器12内部为数据传输线11，数据传输线11一端连接通信模块19，另一端连接远方的监视控制终端；当侦测器在水中运动时，放线器12放出数据传输线11，与远方的监视控制终端保持数据传输；动力轴13通过一对角接触轴承支撑在铝壳体17的底部，与铝壳体17之间通过密封圈密封防水；动力轴13在铝壳体17外的一端接泵喷推进器10的转子，另一端接花键套筒14；铝壳体17内部底端安装运动控制器9，用螺钉固定在铝壳体17上；运动控制器9上方的铝壳体17上用螺钉固定左电动舵机15和右电动舵机8，左电动舵机15的舵轴上用螺钉固定左舵面16，右电动舵机8的舵轴上用螺钉固定右舵面7；左电动舵机15与右电动舵机8的舵轴与铝壳体17之间采用密封圈密封防水；左电动舵机15与右电动舵机8上方的铝壳体17上用螺钉固定圆柱形的电机及减速器组件6，电机及减速器组件6输出轴连接花键套筒14，通过花键套筒14及动力轴13为泵喷推进器10的转子提供动力；电机及减速器组件6上方的铝壳体17上用螺钉固定圆柱形的锂电池组5；锂电池组5的底板上用螺钉固定惯性测量单元19，惯性测量单元19引出的导线连接到运动控制器9上，用于测量侦测器的运动姿态、角速度等信息；锂电池组5壳体的上表面用螺钉固定控制计算机4、通信模块19和无线传输电台18构成的组合模块，用于有线及无线数据的传输及侦测器的运动控制；控制计算机4、通信模块19和无线传输电台18构成的组合模块的壳体上用螺钉固定摄像头云台3，摄像头云台3的活动框架上安装摄像头1，摄像头1镜头周围的壳体上安装数个照明灯2，照明灯2光线方向与摄像头1的轴线平行，用来在黑暗环境中照明；在摄像头云台3的侧面固定GPS接收机21，用来接收GPS信号，为侦测器定位；在铝壳体17上用螺钉固定深度传感器18，深度传感器18引出的导线连接到运动控制器9上，用来测量侦测器的所处的深度。

侦测器在水中的运动方式有两种，一种为头部在前、尾部在后、头部比尾部低的正常式运动，如图8所示；另一种为头部在后，尾部在前的倒拖式运动，如图5、图6及图7所示；这两种运动方式对应的泵喷推进器10转子的转动方向相反。正常式运动适用于侦测器在水下的运动，适合侦测器在水下复杂环境中边侦测边运动；倒拖式运动对于侦测器在水面及水下的运动都适用，其运动控制相对简单，但由于不能对运动前方的情况进行侦测，因此适合在没有障碍物或障碍物比较规则的水面及水下运动。

该侦测器的作用过程为，在远程监视控制终端的控制下，侦测器可在水面或水下进行侦测，侦测到的视频信息通过通信模块21、放线器12及数据传输线11以有线方式传输到远方的监视控制终端，或通过通信模块21及无线传输电台20以无线方式传输到远方的监视控制终端，同时，监视控制终端根据收到的视频信息给侦测器发指令，控制侦测器的侦测方向或水面及水下的运动方向。侦测器的正常式及倒拖式运动主要由泵喷推进器10、左电动舵机15及左舵面16、右电动舵机8及右舵面7、电机及减速器组件6在控制计算机4及运动控制器9的控制下完成。当侦测器需要在水中运动时，控制计算机4接受远程监视控制终端的运动指令并传送给运动控制器9，运动控制器9控制泵喷推进器10的转子沿某个方向转动，同时控制左电动舵机15及右电动舵机8的转动，使左舵面16及右舵面7分别转过相应角度，形成正常式或倒拖式水中运动，并保持运动的稳定性。在这两种方式的运动过程中，摄像头都可以对周围环境进行侦测，形成视频信息并传输到监视控制终端。当需要侦测水面或水下黑暗环境的情况时，通过摄像头1上的照明灯2为黑暗环境照明。

泵喷推进器10的定子及转子设计成能够保证当侦测器在正常速度范围内运动时，基本不产生绕侦测器纵轴的滚转力矩；当泵喷推进器10产生一定程度的滚转力矩时，可通过左舵面16及右舵面7的差动旋转给以消除；深度传感器18及惯性测量单元19用来检测侦测器的深度、姿态、角速度等信息，为水中航行器的运动控制提供相关参数。

当侦测器在无遮挡的水面工作时，可通过GPS接收机23接收GPS信号，为自身定位。

该侦测器的基本外形参见图2，其头部为半球形，尾部为推进器及放线器，中部为由曲线绕纵轴线旋转生成的回转体。

参见图3，在动力未开的自由状态下，侦测器竖直漂浮于水中，透光防护罩22露出水面，此时摄像头能够从半球形头部的任何一个方向对周围环境进行侦测。

参见图4，当水面有影响侦测的波浪时，启动泵喷推进器10，使侦测器头部更高地露出水面，同时通过控制左舵面16及右舵面7，使侦测器在水中保持稳定，从而对周围环境进行侦测。

该侦测器可以没有无线传输电台20，而只通过通信模块21、放线器12及数据传输线11以有线方式传输数据，或者当侦测器只需要侦测水面情况时，可以没有放线器12及数据传输线11，而只通过通信模块21及无线传输电台20以无线方式传输数据。

Claims

1.一种水中自航式全方位侦测器，包括摄像头(1)、照明灯(2)、摄像头云台(3)、控制计算机(4)、锂电池组(5)、电机及减速器组件(6)、右舵面(7)、右电动舵机(8)、运动控制器(9)、泵喷推进器(10)、数据传输线(11)、放线器(12)、动力轴(13)、花键套筒(14)、左电动舵机(15)、左舵面(16)、铝壳体(17)、深度传感器(18)、惯性测量单元(19)、无线传输电台(20)、通信模块(21)、透光防护罩(22)、GPS接收机(23)；其特征在于：铝壳体(17)与透光防护罩(20)用螺钉连接成一体，构成水中侦测器的防水密封壳体，铝壳体(17)与透光防护罩(20)之间的搭接处加防水密封圈防水；水中侦测器尾部为泵喷推进器(10)，泵喷推进器(10)的定子通过螺钉固定到铝壳体(17)上，泵喷推进器(10)的转子用螺钉固定在动力轴(13)的一端；泵喷推进器(10)的定子上用螺钉固定放线器(12)，放线器(12)内部为数据传输线(11)，数据传输线(11)一端连接通信模块(19)，另一端连接远方的监视控制终端；动力轴(13)通过一对角接触轴承支撑在铝壳体(17)的底部，与铝壳体(17)之间通过密封圈密封防水，动力轴(13)在铝壳体(17)外的一端接泵喷推进器(10)的转子，另一端接花键套筒(14)；铝壳体(17)内部的底端安装运动控制器(9)，用螺钉固定在铝壳体(17)上；运动控制器(9)上方的铝壳体(17)上用螺钉固定左电动舵机(15)和右电动舵机(8)，左电动舵机(15)的舵轴上用螺钉固定左舵面(16)，右电动舵机(8)的舵轴上用螺钉固定右舵面(7)；左电动舵机(15)与右电动舵机(8)的舵轴与铝壳体(17)之间采用密封圈密封防水；左电动舵机(15)与右电动舵机(8)上方的铝壳体(17)上用螺钉固定圆柱形的电机及减速器组件(6)，电机及减速器组件(6)输出轴连接花键套筒(14)；电机及减速器组件(6)上方的铝壳体(17)上用螺钉固定圆柱形的锂电池组(5)；锂电池组(5)的底板上用螺钉固定惯性测量单元(19)，惯性测量单元(19)引出的导线连接到运动控制器(9)上；锂电池组(5)的壳体上表面用螺钉固定控制计算机(4)、通信模块(19)和无线传输电台(18)构成的组合模块；控制计算机(4)、通信模块(19)和无线传输电台(18)构成的组合模块的壳体上用螺钉固定摄像头云台(3)，摄像头云台(3)的活动框架上安装摄像头(1)，摄像头(1)镜头周围的壳体上安装数个照明灯(2)，照明灯(2)光线方向与摄像头(1)的轴线平行；在摄像头云台(3)的侧面用螺钉固定GPS接收机(21)；在铝壳体(17)上用螺钉深度传感器(18)，深度传感器(18)引出的导线连接到运动控制器(9)上；该侦测器可以没有无线传输电台(20)，而只通过通信模块(21)、放线器(12)及数据传输线(11)以有线方式传输数据；或者当水中侦测器只需要侦测水面情况时，可以没有放线器(12)及数据传输线(11)，而只通过通信模块(21)及无线传输电台(20)以无线方式传输数据；该侦测器能够在预先设定的程序控制下自主航行、侦测并储存图像信息，并可在浮出水面后通过无线方式将视频图像发送出去，并以无线方式接收控制指令。

2.在动力未开的自由状态下，该侦测器竖直漂浮于水中，透光防护罩(22)露出水面，此时摄像头能够从半球形头部的任何一个方向对周围环境进行侦测；当水面有影响侦测的波浪时，启动泵喷推进器(10)，使水中侦测器头部更高地露出水面，同时通过控制左舵面(16)及右舵面(7)使水中侦测器在水中保持稳定，从而对周围环境进行侦测；该侦测器在水中的运动方式有两种，一种为头部在前、尾部在后、头部比尾部低的正常式运动，另一种为头部在后，尾部在前的倒拖式运动，这两种运动方式对应的泵喷推进器转子的转动方向相反。