CN102862667A - 混合型水下航行探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的混合型水下航行探测器包括同轴线依次相连的艏舱、主舱、电子控制舱和艉舱，艏舱和艉舱与外部水域相通，主舱和电子控制舱为密封舱，主舱和电子控制舱的连接处对称安装着两个机翼；艏舱内装有声纳高度计和声学收发器；主舱外套装有非接触式电能及信号传输组件；主舱内安装有姿态调整系统和浮力调节系统，浮力调节系统安装在主舱的前部，通过活塞的移动来调节浮力，活塞两侧通过滚动膜片来隔离密封；电子控制舱内安装有航行器控制用的电子设备；艉舱上固定有螺旋桨推进系统和操舵系统；本发明兼具水下滑翔器和水下自主航行器特点，还能与水下接驳平台对接进行非接触式充电和数据传输，增加了水下航行器的持续工作能力和应用范围。

Description

混合型水下航行探测器

技术领域

本发明涉及一种用于海洋观测的水下航行探测器，尤其涉及一种结合水下滑翔器和水下自主航行器特点的混合型水下航行探测器。

背景技术

目前，用于海洋自主观测的水下航行器主要有水下自主航行器（AUV）和水下滑翔器（Underwater Gliders）。水下自主航行器通常通过螺旋桨来驱动，具有自主性强和定位精度高的特点，能够在一定水域范围内进行探测，但是通常续航能力有限，不能进行长时间和大范围的探测。水下滑翔器利用浮力驱动，具有航程远、巡航时间长、隐蔽性好以及能够进行纵垂面采样的特点，但是其航行速度慢，自主性差，而且工作时难以克服较大海流的影响。

现有的相关技术存在以下不足之处：

1.通过自身携带的电池供电，数据传输在航行器浮在水面时进行（或者在航行器回收之后获取数据），不能自动充电续航，也不能在水下与海底观测网络进行数据双向传输，限制了航行器的持续工作能力和应用范围。

2.螺旋桨推进器和尾舵需要动密封，现有技术通常将动密封设计在主密封腔，一旦动密封失效，水会直接进入主密封腔导致主控系统失效，从而增加了航行器丢失的危险。

3.现有技术通常将姿态调节系统的俯仰调节机构和横滚调节机构分开布置，增大了密封腔体的体积。

4.浮力调节系统多采用液压方式，系统较为复杂，增加了重量，且安装和调试不方便。

发明内容

为了克服上述不足之处，本发明的目的是提供一种结构紧凑，能实现非接触式充电和数据传输，运行可靠的混合型水下航行探测器。

本发明的混合型水下航行探测器包括同轴线依次相连的艏舱、主舱、电子控制舱和艉舱，艏舱和艉舱与外部水域相通，主舱和电子控制舱为密封舱；艏舱内装有声纳高度计和声学收发器；主舱外套装有非接触式电能及信号传输组件，非接触式电能及信号传输组件内装有电磁耦合线圈，主舱内安装有姿态调整系统和浮力调节系统，姿态调整系统包括轴向平行安装的调节丝杠和平移导轨，调节丝杠与调节电机的转轴连接，调节丝杠上有调节螺母，平移导轨上有调节滑块，调节螺母和调节滑块分别与支架固连，在支架上固定有电池包以及带有蜗轮蜗杆减速器的偏心旋转电机，偏心旋转电机的输出轴上安装偏心旋转重物，随着偏心旋转电机的转动而转动，浮力调节系统安装在主舱内的前部，其包括紧固在固定架上的电机、由前活塞缸和后活塞缸对接组成的活塞缸，在前、后活塞缸的对接处固定有滚动膜片，滚动膜片与活塞固连，活塞与活塞杆固连，活塞杆具有内螺纹，该内螺纹与活塞丝杠拧接组成丝杠螺纹副，活塞丝杠与电机转轴相连，活塞杆上有限位槽，活塞缸端盖上有突起嵌入到活塞杆的限位槽中，前活塞缸的端部有孔，前活塞缸端部的孔与主舱上的和外界相连通的孔相对应，在前活塞缸与主舱的接触面上有密封圈；在主舱和电子控制舱的连接处对称安装着两个机翼，电子控制舱内安装有深度计、主控电路板、导航与通信组件和电子罗盘；艉舱上固定有螺旋桨推进系统和操舵系统，螺旋桨推进系统包括螺旋桨和螺旋桨驱动装置，操舵系统包括固定在艉舱上的稳定翼、可以转动的尾舵以及尾舵驱动装置。

本发明中，艏舱是传感器舱，其中声纳高度计用于测量航行器与海底的距离，声学收发器集成了超短基线定位（USBL）功能，用于与水下接驳平台水声通信和超短基线定位，水下接驳平台实时告知水下航行器的相对方位，然后水下航行器启用自动回航程序，实现与水下接驳平台对接。对接后，水下航行器的非接触式电能及信号传输组件与水下接驳平台的对应组件轴向套置，利用电磁耦合的原理实现非接触式的电能和信号传输。

主舱内的姿态调整系统包含了横滚角调节装置和俯仰角调节装置。其中，偏心旋转电机和随着偏心旋转电机转动而转动的偏心旋转重物组成横滚角调节装置，偏心旋转电机带的蜗轮蜗杆减速器，起到锁定偏心重物偏心角的作用。固定在支架上的电池包和横滚角调节装置和支架组成平移组件，可在调节丝杠和平移导轨上平移，构成了俯仰角调节装置，通过平移组件的纵向移动来实现航行器重心的移动，从而实现俯仰角的调节。整个横滚角调节装置作为平移组件的一部分参与了重心的移动，增加了重心移动的灵敏度。浮力调节系统中的电机带动活塞丝杠转动，转换为活塞在活塞缸内的移动，从而改变活塞缸进水和排水的体积；活塞两侧通过滚动膜片来隔离密封，从而有效防止水通过活塞进入水下航行器内部。

电子控制舱内的深度计用于测量外部水压进而换算得到航行器所在的深度，主控电路板实现混合型水下航行探测器的信号采集及控制，导航与通信组件实现航行器的GPS导航和无线通信，电子罗盘实现航行器航向角、俯仰角和横滚角3个姿态角的测量。

与现有技术相比，本发明取得了以下的有益效果：

1.本发明能够与水下接驳平台对接，进行非接触式充电和数据传输，增加了水下航行器的持续工作能力；此外，若将水下接驳平台与海底观测网相连，则可以通过海底观测网络与水下航行器进行数据交互，使水下航行器成为海底观测网络的一个移动节点，可以满足海底立体观测的需求；当海面上有冰覆盖或者海面上海况复杂时（如台风），此时能够在水下进行充电和数据传输则可以扩大水下航行器的应用范围。

2.螺旋桨驱动装置和尾舵驱动装置独立于主腔体外单独密封，即使动密封失效，不会导致主腔体进水，也不会危及到关键的主控系统，从而增加了航行器的工作可靠性。

3.横滚角调节装置作为俯仰角调节机构中平移组件的一部分，该方式结构紧凑，且增加了平移组件的重量，增加了航行器重心移动的灵敏度。

4.浮力调节系统通过蜗轮蜗杆减速和丝杠螺母传动的方式实现活塞的移动，从而吸水和排水进行浮力调节，该方式具有结构简单和紧凑的特点，且活塞处使用滚动膜片将水和内部腔体完全隔离，增加了可靠性。

5.该航行器结合了水下滑翔器和水下自主航行器两者特点，在需要远航程或者隐蔽性的场合采用滑翔模式运行，在需要精确定位或者需要克服海流影响时采用水下自主航行器（AUV）模式运行，并且能够与基于海底观测网络的水下接驳平台对接，进行非接触式充电和数据传输。该发明具有可靠性高、结构紧凑的技术效果。

附图说明

图1为本发明的整体外观示意图；

图2为本发明的整体组装示意图；

图3为本发明的浮力调节系统结构示意图；

图4为本发明的浮力调节系统带局部剖视的示意图；

图中，艏舱1，主舱2，非接触式电能及信号传输组件3，电子控制舱4，机翼5，艉舱6，螺旋桨7，尾舵8，稳定翼9，声学收发器10，声纳高度计11，偏心旋转重物12，偏心旋转电机14，主控电路板15，螺旋桨驱动装置17，尾舵驱动装置18，导航与通信组件19，深度计20，电子罗盘22，调节电机24，调节丝杠25，支架26，调节螺母27，电池包28，调节滑块29，平移导轨30，浮力调节系统31，电机32，活塞丝杠33，活塞杆34，活塞缸端盖35，后活塞缸36，前活塞缸37，固定架38，滚动膜片39，活塞40，密封圈41。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

参照图1、图2、图3和图4，本发明的混合型水下航行探测器包括同轴线依次相连的艏舱1、主舱2、电子控制舱4和艉舱6，艏舱1和艉舱6与外部水域相通，主舱2和电子控制舱4为密封舱；艏舱1内装有声纳高度计11和声学收发器10；

主舱2外套装有非接触式电能及信号传输组件3，非接触式电能及信号传输组件3内装有电磁耦合线圈，并灌注绝缘油实现内外压平衡式密封；在混合型水下航行器与水下接驳平台对接后，非接触式电能及信号传输组件3与水下接驳平台的对应组件轴向套置，利用电磁耦合的原理实现非接触式的电能和信号传输。

主舱2内安装有姿态调整系统和浮力调节系统，姿态调整系统包括轴向平行安装的调节丝杠25和平移导轨30，调节丝杠25与调节电机24的转轴连接，调节丝杠25上有调节螺母27，平移导轨30上有调节滑块29，调节螺母27和调节滑块29分别与支架26固连，在支架26上固定有电池包28以及带有蜗轮蜗杆减速器的偏心旋转电机14，偏心旋转电机14的输出轴上安装偏心旋转重物12，随着偏心旋转电机14的转动而转动；上述偏心旋转电机14和随着偏心旋转电机14转动而转动的偏心旋转重物12组成横滚角调节装置，偏心旋转电机带的蜗轮蜗杆减速器，起到锁定偏心重物偏心角的作用。固定在支架26上的电池包28和横滚角调节装置和支架26组成平移组件，可在调节丝杠25和平移导轨30上平移，构成了俯仰角调节装置，通过调节电机24带动调节丝杠25转动，转换为平移组件的纵向移动来实现航行器重心的移动，从而实现俯仰角的调节。整个横滚角调节装置作为平移组件的一部分参与了重心的移动，增加了重心移动的灵敏度。

浮力调节系统31安装在主舱2内的前部，其包括紧固在固定架38上的电机32、由前活塞缸37和后活塞缸36对接组成的活塞缸，在前、后活塞缸的对接处固定有滚动膜片39，滚动膜片39与活塞40固连，活塞40与活塞杆34固连，活塞杆34具有内螺纹，该内螺纹与活塞丝杠33拧接组成丝杠螺纹副，活塞丝杠33与电机32转轴相连，活塞杆34上有限位槽，活塞缸端盖35上有突起嵌入到活塞杆34的限位槽中，从而限制了活塞杆34只能沿轴向移动，而不能跟随活塞丝杠33转动，电机32带动活塞丝杠33转动，活塞丝杠33的转动通过所述丝杠螺纹副转换为活塞40在活塞缸内的移动，从而改变活塞缸进水和排水的体积；活塞两侧通过滚动膜片39来隔离密封，从而有效防止水通过活塞进入水下航行器内部；前活塞缸37的端部有孔，前活塞缸37端部的孔与主舱2上的和外界相连通的孔相对应，在前活塞缸37与主舱2的接触面上有密封圈41；

主舱2和电子控制舱4的连接处对称安装着两个机翼5，电子控制舱4内安装有深度计20、主控电路板15、导航与通信组件19和电子罗盘22；

深度计20用于测量外部水压进而换算得到航行器所在的深度，主控电路板15实现混合型水下航行探测器的信号采集及控制，导航与通信组件19实现航行器的GPS导航和无线通信，电子罗盘22实现航行器航向角、俯仰角和横滚角3个姿态角的测量。

艉舱6上固定有螺旋桨推进系统和操舵系统。螺旋桨推进系统包括螺旋桨7和螺旋桨驱动装置17，螺旋桨驱动装置17采用单独的腔体密封，电源和控制信号通过水密缆连接到电子控制腔4，螺旋桨电机的输出转矩通过磁耦合联轴器传递给螺旋桨。操舵系统包括固定在艉舱上的稳定翼9、可以转动的尾舵8以及尾舵驱动装置18。稳定翼内封装有GPS天线和无线通信天线，天线信号通过水密射频缆连接到电子控制腔4，与电子控制腔中的导航通信组件19电连接；尾舵驱动装置18采用单独的腔体密封，电源和控制信号通过水密缆连接到电子控制腔4，尾舵驱动电机带有蜗轮蜗杆减速器，既有减速增矩的作用，又能够对尾舵的转角进行自锁。

本发明的工作过程如下：

水下航行器工作在滑翔器模式时，航行器通过调整浮力来驱动航行。当航行器处于水面上时，通过调整平移组件的位置，使航行器的整体重心在浮心的前方，同时，浮力调节系统31工作，使航行器处于负浮力状态，航行器开始下潜，由于负浮力和攻角的存在，机翼上产生向前的力分量，使航行器沿前下方运动；当航行器到达一定深度时，浮力调节系统31工作，将活塞缸内的水排出，使航行器处于正浮力状态，并通过移动平移组件的位置，使航行器的整体重心在浮心的后方，类似的，由于正浮力和攻角的存在，机翼上产生向前的力分量，航行器沿前上方运动。航行器不断重复这样的下潜和上浮的运动，实现锯齿形的运动轨迹。

当水下航行器工作在AUV模式时，航行器通过螺旋桨7来驱动航行。此时通过浮力调节系统31使航行器处于零浮力状态，螺旋桨7旋转则可以推动航行器前进，调整俯仰角调节装置，可以实现航行器以不同的俯仰角前进，若航行器需要改变航向角，则通过尾舵驱动装置18带动尾舵8偏转来实现。

当水下航行器需要与水下接驳平台对接进行充电和数据传输时，先使航行器驶入水下接驳平台的有效通信范围内，这时水下航行器切换到AUV工作模式，并通过声学收发器10与与水下接驳平台水声通信，水下接驳平台实时告知水下航行器的相对方位，然后水下航行器启用自动回航程序，不断调整自身的姿态和航行速度，实现与水下接驳平台对接。对接后，水下航行器通过非接触式电能及信号传输组件3，从接驳平台获取电能充电，并实现信号传输。充电和信号传输完毕后，螺旋桨7反转，航行器驶出水下接驳平台，之后，水下航行器可以选择滑翔器模式或者AUV模式执行新的任务。

Claims (1)

1.混合型水下航行探测器，其特征在于：包括同轴线依次相连的艏舱（1）、主舱（2）、电子控制舱（4）和艉舱（6），艏舱（1）和艉舱（6）与外部水域相通，主舱（2）和电子控制舱（4）为密封舱；艏舱（1）内装有声纳高度计（11）和声学收发器（10）；主舱（2）外套装有非接触式电能及信号传输组件（3），非接触式电能及信号传输组件（3）内装有电磁耦合线圈，主舱（2）内安装有姿态调整系统和浮力调节系统，姿态调整系统包括轴向平行安装的调节丝杠（25）和平移导轨（30），调节丝杠（25）与调节电机（24）的转轴连接，调节丝杠（25）上有调节螺母（27），平移导轨（30）上有调节滑块（29），调节螺母（27）和调节滑块（29）分别与支架（26）固连，在支架（26）上固定有电池包（28）以及带有蜗轮蜗杆减速器的偏心旋转电机（14），偏心旋转电机（14）的输出轴上安装偏心旋转重物（12），随着偏心旋转电机（14）的转动而转动，浮力调节系统（31）安装在主舱（2）内的前部，其包括紧固在固定架（38）上的电机（32）、由前活塞缸（37）和后活塞缸（36）对接组成的活塞缸，在前、后活塞缸的对接处固定有滚动膜片（39），滚动膜片（39）与活塞（40）固连，活塞（40）与活塞杆（34）固连，活塞杆（34）具有内螺纹，该内螺纹与活塞丝杠（33）拧接组成丝杠螺纹副，活塞丝杠（33）与电机（32）转轴相连，活塞杆（34）上有限位槽，活塞缸端盖（35）上有突起嵌入到活塞杆（34）的限位槽中，前活塞缸（37）的端部有孔，前活塞缸（37）端部的孔与主舱（2）上的和外界相连通的孔相对应，在前活塞缸（37）与主舱（2）的接触面上有密封圈（41）；在主舱（2）和电子控制舱（4）的连接处对称安装着两个机翼（5），电子控制舱（4）内安装有深度计（20）、主控电路板（15）、导航与通信组件（19）和电子罗盘（22）；艉舱（6）上固定有螺旋桨推进系统和操舵系统，螺旋桨推进系统包括螺旋桨（7）和螺旋桨驱动装置（17），操舵系统包括固定在艉舱上的稳定翼（9）、可以转动的尾舵（8）以及尾舵驱动装置（18）。

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