CN104527952A - 一种微型自主式水下航行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型自主式水下航行器，包括机身、安装在机身上的推进单元和控制单元，所述机身的底面中部为导流区，所述推进单元包括多台横置在导流区周边用以控制水流进出导流区下方的双向推进器，所述机身依靠导流区与水流之间的作用力而升降。本发明的微型自主式水下航行器，不仅使运动更加灵活，还可使航行器直接垂直方向运动即上浮或下潜，动力也更加充足，并且有效简化了航行器的结构，控制过程也更简单，提高了工作效率和工作质量，本发明在上升和下沉过程中，可以没有水平的移动，从而使机身运行更平稳，定位更准确。

Description

一种微型自主式水下航行器

技术领域

本发明涉及水下航行技术，特别涉及一种微型自主式水下航行器。

背景技术

随着社会的进步和发展，人类把更多的目光集中到未知的大海中。无人水下航行器，是探索海洋、开发海洋的有力工具，正受到人们越来越多的重视。现今的水下航行器主要有两种类型。一种是开架式的水下航行器，其运行阻力大且结构不封闭，一般都需要拖带电缆，故主要是遥控航行器。另外一种是类鱼雷的流线型航行器，该类航行器虽然适合远程高速运行，但是转弯半径较大，运动不够灵活。此外，类鱼雷形航行器通常采用舵桨驱动，上浮、下潜常伴随水平方向运动，运动幅度大，难以进行准确地定位。

因此，为了解决上述推进器存在的问题，有研究者提出几种运动较灵活的水下机器人或者巡航器，公布号CN 102139749A的专利文献公开了一种水下监控机器人机构，涉及水下机器人技术等领域。它由舱体和推进装置组成；舱体主体部分为流线型耐压壳体，其上装有探照灯及监控设备；推进装置包含舱体左、右两侧的推进系统和舱体后部的推进系统。所述的舱体左右两侧的推进系统以及舱体后部的推进系统各连于连杆上，并通过转动副将连杆与舱体连接，通过控制连杆的位置以及推进系统不仅可实现机构在水中水平巡航、俯仰、转弯运动，还可以实现机构的水底着陆，对水底进行详细现察。该机构易于控制、可广泛应用于浅水环境的巡航监控以及相关的探索装置。

还有例如公开号CN 101475055A的专利文献公开了一种水下机器人，其包括带有密封舱室的机身、机身内装有水下摄像机和用于无线接收导入程序指令的控制系统，该控制系统带有电机驱动电路，该机身还活动连接有多个动力推进装置，用于输出动力的同时，使机身发生角度旋转。本发明机器人可以实现一定流速下的水中动力悬停，同时保持一定的上下倾角，以配合实现如检测作业、科学探险、无人侦查等需要。该水下机器人可以完成水体的温度、深度、声纳、及水下摄像等工作，具有轻便灵活、工作可靠等优点。

上述专利文献通过设置多个推进器，并且将推进器的转轴可变换角度，从而实现多角度灵活运动，但是设备结构变得更复杂，不仅制造成本高，而且会使控制程序更为复杂。

发明内容

本发明提供了一种微型自主式水下航行器，制造成本低、携带方便、操作简单，运动灵活，可以进入水下狭小空间，可应用在水下考察、水下检修、水下生物调查、水下作业等广泛的领域。

一种微型自主式水下航行器，包括机身、安装在机身上的推进单元和控制单元，所述机身的底面中部为导流区，所述推进单元包括多台横置在导流区周边用以控制水流进出导流区下方的双向推进器，所述机身依靠导流区与水流之间的作用力而升降。

本发明在水中使用时，横置的推进器可以实现机身的前进和后退，同时，本发明在需要上升和下沉过程中，不需要调节推进器的转轴方向，只需要同时启动导流区周边的双向推进器，此时，如果所有推进器同时将导流区下方的水流自内向外横向排出时，水流对机身的顶面产生垂直向下的推力，当推力与本发明自重的合力大于浮力时，本发明下沉；

如果所有推进器同时将外部的水流横向导入导流区下方时，水流对机身的导流区产生垂直向上的推力，当推力与浮力的合力大于本发明的自重时，本发明上浮。

本发明可以在不改变推进器转轴方向的情况下，实现上升和下沉，可以有效简化航行器的结构，控制过程也更简单，提高了工作效率和工作质量，且本发明在上升和下沉过程中，可以没有水平的移动，从而使机身定位更准确。

为了在本发明工作时，导流区下方的水流稳定，优选的，导流区周边的双向推进器在水面上的投影不超出航行器浮在水面时所占水面区域，即双向推进器在水平方向上位于航行器内，保证水流不会从机身上方进出，保证水流产生稳定的垂直动力。

为了降低制造成本，优选的，所述双向推进器的螺旋桨具有固定式转轴。由于本发明在无需改变推进器转轴方向的情况下实现机身的上升和下沉，因此可以采用固定式转轴来降低制造成本。

双向推进器的数量可以是两台，三台或是更多，其中，设置两台或者三台推进器虽然可以完成上述上升下沉的工作内容，但是在水平方向上的转向并不灵活，特别是只采用两台推进器时，如需完成转向，需要另外设置推进器实现，因此，为了使本发明运动更灵活，优选的，所述双向推进器设有四台，所有双向推进器的螺旋桨转轴相互平行。上述结构在使用时，可以同向推进，动力足，且可以通过改变各双向推进器的转速来实现转弯和掉头，运动灵活。

本发明的微型自主式水下航行器重量小于浮力，以保证故障时可自动浮出水面。

进一步优选的，所述双向推进器两台一组，对称布置在机身两侧，同组双向推进器分布在机身的前后方且两旋翼轴同轴布置。上述结构在使用时，当四个双向推进器都正转且转速相同时航行器前进；当四个双向推进器都反转且转速相同时航行器后退；当四个推进器都正转，机身左侧和右侧的双向推进器转速不同时，航行器边前行边转向；当四个推进器都反转，机身左侧和右侧的双向推进器转速不同时，航行器边后退边转向；当机身后方的双向推进器正转、前方的双向推进器反转且转速相同时，航行器上浮；当机身前方的双向推进器正转、后方的双向推进器反转且转速相同时，航行器上浮悬停或下潜。进一步简化本发明的结构，运动更灵活，更便于控制。

进一步优选的，所述机身为圆碟形。运行阻力小，转弯半径小，运动更加灵活。

为了进一步减小阻力，优选的，所述机身的顶面为外凸的弧形面。

为了方便控制航行器，优选的，还包括用于传递和接收外部信号的通讯模块和用于定位机身的导航模块，通讯模块与导航模块都受控于控制单元。

为了提高导航模块的定位准确性，优选的，所述导航模块包括全球定位系统、惯性导航系统、多普勒声呐计程仪以及深度计。水下航行器在任务开始前先在水面由全球定位系统确定初始位置，然后利用惯性导航系统实现自主巡航，执行相关任务；多普勒声呐计程仪测量速度，深度计测量深度，共同辅助惯性导航系统使其更加精确。

进一步优选的，所述通讯模块包括水声通讯单元和无线电通讯单元。当在水中时，使用水声通讯；浮到水面后，主要使用无线电通讯。

优选的，还包括用于探测机身周围环境的任务载荷模块，所述任务载荷模块包括前视声呐和侧扫声呐。任务载荷模块还可以增加水下摄像机、水下机械手等设备来增加本发明的使用功能。

控制单元对通讯模块、导航模块、推进单元、任务载荷模块以及电池模块进行统一控制管理，实现航行器自主巡航和自主避障，完成设定任务。

本发明中，所有用电器通过电池模块供电，电池模块位于机身下部的中间位置，保证了本发明重心在中心偏下。

本发明的有益效果：

本发明的微型自主式水下航行器，不仅使运动更加灵活，还可使航行器直接垂直方向运动即上浮或下潜，动力也更加充足，并且有效简化了航行器的结构，控制过程也更简单，提高了工作效率和工作质量，本发明在上升和下沉过程中，可以没有水平的移动，从而使机身运行更平稳，定位更准确。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的仰视示意图。

图3是本发明各组成模块关系示意图。

具体实施方式

如图1和2所示，本实施例的微型自主式水下航行器包括机身1，安装在机身上的推进单元2和控制单元3，机身1的底面中部为导流区11，推进单元2包括多台横置在导流区11周边用以控制水流进出导流区11下方的双向推进器。

双向推进器的数量可以是两台，三台或是更多，其中，设置两台或者三台推进器虽然可以完成上述上升下沉的工作内容，但是在水平方向上的转向并不灵活，特别是只采用两台推进器时，如需完成转向，需要另外设置推进器实现，因此，为了使本发明运动更灵活，本实施例中，双向推进器设有四台，分别为双向推进器21、双向推进器22、双向推进器23、双向推进器24，所有双向推进器的螺旋桨转轴相互平行。

在布置时，为了保持机身的平衡，本实施例中，双向推进器两台一组，对称布置在机身两侧，同组双向推进器分布在机身的前后方且两旋翼轴同轴布置。

由于实现机身1的上升和下沉，并不需要改变横置的双向推进器的转轴方向，因此，为了进一步简化结构，本实施例中，所有双向推进器的螺旋桨具有固定式转轴。

本实施例中，机身1为圆碟形，运行阻力小，转弯半径小，运动更加灵活。为了进一步减小阻力，机身1的顶面为外凸的弧形面。本实施例的微型自主式水下航行器重量小于浮力，以保证故障时可自动浮出水面。

本实施例中，还包括用于传递和接收外部信号的通讯模块4和用于定位机身的导航模块5，通讯模块4与导航模块5都受控于控制单元3。

导航模块5包括全球定位系统、惯性导航系统、多普勒声呐计程仪以及深度计。

通讯模块4包括水声通讯单元和无线电通讯单元。

本实施例中，还包括用于探测机身周围环境的任务载荷模块6，任务载荷模块6包括前视声呐和侧扫声呐。

本实施例完成相关任务的过程可分为3个阶段：准备阶段、任务执行阶段、返航回收阶段。

水下航行器准备阶段又可分为岸上准备和水面准备两个阶段。首先进行岸上准备，先安装电池模块7，然后再安装其他各个模块和单元，各模块和单元的连接控制关系如图3所示，安装好后上电，控制单元3启动自检程序，检查各个模块是否有异常，若有异常可直接更换相应模块。自检结束后，系统各模块都进入休眠状态。至此，岸上准备结束，开始水面准备。

把航行器放入水中，因本实施例的重量小于浮力，航行器浮在水面上，母船或基站通过水声或无线电通讯让控制单元3启动准备程序，即启动全球定位系统确定航行器初始位置，计算最佳路径。计算完成后准备阶段结束。

准备阶段结束后，开始任务执行阶段。航行器按照事先编好的程序及计算得到的路径，开始自主巡航，以到达任务目的地。自主巡航过程中，惯性导航系统对航行器进行导航，此外多普勒声呐计程仪测量航行器速度，深度计测量当前深度，共同辅助惯性导航系统使导航更加精确；任务载荷模块6中的前视声呐和侧扫声呐对航行器周围进行扫描，若发现障碍，在导航模块5指引下执行减速或绕行避让。在快要接近任务目的地时，前视声呐和侧扫声呐还可确定任务目标的位置，使工作位置更加精确。到达任务目的地后，航行器按照事先编好的任务程序，执行相关任务，如启动水下摄像机观察水下电缆状况。

任务完成后，航行器进入返航回收阶段，即航行器在导航模块5指引下，自主巡航到母船或基站附近水面回收，因本实施例是微型水下航行器，无需特别的回收装置。需要注意的是，无论航行器处于哪个阶段，水声通讯设备都可接受来自母船或基站的简单控制命令，让控制单元3停止当前的执行任务，执行来自母船或基站的简单控制任务，例如在水下航行器任务执行阶段，母船或基站能够通过水声通讯让航行器中止任务执行，直接进入返航回收阶段。

控制单元3通过控制四个双向推进器的正反转以及旋转速度实现潜水器在水下悬停、前行、后退、上浮、下潜以及转向运动。具体实施如下：图1中箭头方向为前进方向，当四个双向推进器(21、22、23、24)都正转且转速相同时航行器前进；当四个双向推进器(21、22、23、24)都反转且转速相同时航行器后退；当四个双向推进器(21、22、23、24)都正转，但双向推进器(21、22)转速相同，双向推进器(23、24)转速相同，双向推进器(21、22)与双向推进器(23、24)转速不同时，航行器边前行边转向；当四个双向推进器(21、22、23、24)都反转，但双向推进器(21、22)转速相同，双向推进器(23、24)转速相同，双向推进器(21、22)与双向推进器(23、24)转速不同时，航行器边后退边转向；当双向推进器(21、23)正转、双向推进器(22、24)反转且转速相同时，航行器上浮；当双向推进器(21、23)反转，双向推进器(22、24)正转且转速相同时，航行器悬停或下潜。

综上所述，本实施例的微型自主式水下航行器，不仅使运动更加灵活，还可使航行器直接垂直方向运动即上浮或下潜，动力也更加充足，并且有效简化了航行器的结构，控制过程也更简单，提高了工作效率和工作质量，本发明在上升和下沉过程中，可以没有水平的移动，从而使机身运行更平稳，定位更准确。

Claims (10)

1.一种微型自主式水下航行器，包括机身、安装在机身上的推进单元和控制单元，其特征在于，所述机身的底面中部为导流区，所述推进单元包括多台横置在导流区周边用以控制水流进出导流区下方的双向推进器，所述机身依靠导流区与水流之间的作用力而升降。

2.如权利要求1所述的微型自主式水下航行器，其特征在于，导流区周边的双向推进器在水面上的投影不超出航行器浮在水面时所占水面区域。

3.如权利要求1所述的微型自主式水下航行器，其特征在于，所述双向推进器的螺旋桨具有固定式转轴。

4.如权利要求1所述的微型自主式水下航行器，其特征在于，所述双向推进器设有四台，所有双向推进器的螺旋桨转轴相互平行。

5.如权利要求4所述的微型自主式水下航行器，其特征在于，所述双向推进器两台一组，对称布置在机身两侧，同组双向推进器分布在机身的前后方且两旋翼轴同轴布置。

6.如权利要求1所述的微型自主式水下航行器，其特征在于，所述机身为圆碟形。

7.如权利要求1～6任一权利要求所述的微型自主式水下航行器，其特征在于，所述机身的顶面为外凸的弧形面。

8.如权利要求1所述的微型自主式水下航行器，其特征在于，还包括用于传递和接收外部信号的通讯模块和用于定位机身的导航模块，通讯模块与导航模块都受控于控制单元。

9.如权利要求8所述的微型自主式水下航行器，其特征在于，所述导航模块包括全球定位系统、惯性导航系统、多普勒声呐计程仪以及深度计。

10.如权利要求8所述的微型自主式水下航行器，其特征在于，所述通讯模块包括水声通讯单元和无线电通讯单元。