CN106218840B - 一种基于涡旋运动的碟形水下航行器 - Google Patents

一种基于涡旋运动的碟形水下航行器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于涡旋运动的碟形水下航行器，采用碟状导流罩，碟状导流罩的周向设有至少一个周向推进器，碟状导流罩的垂向设有涡旋生成机构和至少一个垂向推进器。周向推进器用于驱动航行器在碟状导流罩水平面内的运动；垂向推进器用于驱动航行器在碟状导流罩垂直方向上的运动；涡旋生成机构用于产生相对于吸附面的吸附力。本发明提出一种基于涡旋吸附机制实现物体表面吸附的新技术，使得水下航行器具有牢靠的表面吸附能力；配合推进器的推进作用，航行器兼具爬行和游行全向运动能力，较现有爬行或游行水下航行器有航行速度快、运动控制敏捷的优点。根据需要搭载探测传感器和作业工具，可用于执行水下工程检测、应急搜索及施工作业等任务。

Description

一种基于涡旋运动的碟形水下航行器
技术领域
本发明属于海洋调查和监测领域，具体涉及一种基于涡旋运动的碟形水下航行器。
背景技术
自主水下航行器集传感、通信、导航、控制、能源、推进等技术于一体，是近二十年来国际海洋工程领域发展的最尖端的技术之一，由于其低成本、机动能力强及高自治性的优势，近年来已成为海洋环境三维动态观测的重要工具。
现有自主水下航行器通常有两种典型运动形式：游行和爬行。游行的水下航行器大多是细长流线型，运动时处于中性浮力或微正浮力状态，有的采用螺旋桨和控制舵分别进行驱动和姿态调整，如常规自主水下航行器，有的采用浮力调节机构和重心调节机构(或尾舵)分别进行驱动和姿态调整，如水下滑翔机。游行的水下航行器能够快速航行，但是运动控制灵敏性不高。爬行的水下航行器一般是仿生流线型，运动时处于负浮力状态，采用多足仿生、电磁吸附或真空吸附的方式实现爬行运动，因为需要多个执行机构协调控制实现爬行动作，因此爬行速度较低。现有自主水下航行器难以同时兼具高速、敏捷的游行和爬行运动能力，能够提供的表面吸附能力有限且受应用场合限制，因此不易执行快速、准确的目标搜索及水下负载作业任务。
发明内容
本发明旨在突破国内现有潜水器设计理念、技术限制及运用方式，提出一种基于涡旋运动的碟形水下航行器。该航行器基于涡旋吸附机制并配合多个推进器的推进作用，不但兼具高速、敏捷的游行和爬行运动能力，而且还能实现牢靠的静止保持及高效的全向运动。
本发明所采用的技术方案是：一种基于涡旋运动的碟形水下航行器，采用碟状导流罩，碟状导流罩的周向设有至少一个周向推进器，碟状导流罩的垂向设有涡旋生成机构和至少一个垂向推进器。
所述碟状导流罩，降低了航行器在碟状导流罩水平面内各个方向运动的阻力；
所述周向推进器，用于驱动航行器在碟状导流罩水平面内的运动；
所述垂向推进器，用于驱动航行器在碟状导流罩垂直方向上的运动；
所述涡旋生成机构，基于涡旋吸附机制为航行器提供相对于吸附面的吸附力。
进一步地，所述涡旋生成机构由半开放式杯状外壳、叶轮及其驱动机构组成，所述叶轮驱动机构与半开放式杯状外壳密封连接。
进一步地，所述叶轮采用S形叶片，S形叶片宽度由外向内至轴心逐渐缩减；所述开放式杯状外壳内轮廓设有与叶轮的叶片相配合的流路，以提高叶轮的流场控制能力。
进一步地，所述碟状导流罩设有中部槽道，垂向推进器设置在中部槽道上部，涡旋生成机构设置在中部槽道下部。
进一步地，所述周向推进器为三个或四个，沿碟状导流罩周向均匀分布；通过设置周向推进器间的推进比率，实现航行器在碟状导流罩水平面内任意方向的快速运动控制。
进一步地，至少一个周向推进器配有旋转驱动机构，用于改变周向推进器的推进方向，进行航行器俯仰姿态调节。
进一步地，该航行器还包括传感探测系统，用于进行水下环境观测和目标探测。
进一步地，碟状导流罩内设有至少一个耐压密封舱体，耐压密封舱体内设有电源模块、导航通信模块、系统控制模块。
所述电源模块为系统所有电子器件提供电能，并具备电能分配、监测及保护功能；
所述导航通信模块用于获取航行器的位置、姿态、速度、加速度信息，并实现与岸基控制中心的通信；
所述系统控制模块，负责与系统各外设的数据交互，对导航传感器数据进行融合处理，进行航行器的运动控制，并实现对探测传感器数据的采集、处理及存储，同时监控系统运行状态并完成异常情况处理。
进一步地，该航行器还包括与碟状导流罩可拆卸连接的中部托板，周向推进器、垂向推进器、涡旋生成机构和耐压密封舱体固定在中部托板上。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提出的水下航行器采用低阻力碟状外形，不但有效降低航行器载体平面内各个方向运动的阻力，并减少流场环境干扰利于实现静止保持，而且为涡旋生成机构提供恰当的承载空间，还方便了多个推进器的布局。
本发明基于涡旋吸附机制，利用内部叶轮旋转在半开放杯状壳体内外产生压差，获得相对于吸附面的吸附效果，使得航行器能够牢靠地吸附在物体表面。相较于电磁吸附和真空吸附，相同功耗下，涡旋吸附能力更强。因不需要直接接触就可以实现吸附效果，涡旋吸附的应用场合也更加广泛。
在涡旋吸附力作用下，进一步配合周向推进器的推进作用，航行器能够沿着吸附面进行快速敏捷的爬行运动。涡旋生成机构停止工作时，在周向和垂向多推进器的协同推进作用下，航行器也能够在水下三维空间内完成快速灵敏的游行运动。
通过合理配置周向推进器的推进比率，航行器可以实现托板平面内任意方向的敏捷运动控制，不需要借助转弯运动就可直接实现转向。配合垂向推进器的推进作用，航行器能够获得前后、侧向、上下及任意转向的全向运动能力。
本发明提出一种基于涡旋吸附机制实现物体表面吸附的新技术，使得水下航行器具有牢靠的表面吸附能力，适用于水下负载作业场合；配合推进器的推进作用，航行器兼具爬行和游行全向运动能力，较现有爬行或游行水下航行器有航行速度快、运动控制敏捷的优点。根据需要搭载探测传感器和作业工具，可用于执行水下工程检测、应急搜索及施工作业等任务。
附图说明
图1为本发明涡旋吸附原理示意图；
图2为本发明推进器布局方案示意图，(a)为周向3个推进器，(b)为周向4个推进器，(c)为垂向1个推进器；
图3为本发明碟形水下航行器结构示意图，(a)为等轴侧图，(b)为仰视图，(c)为主视图，(d)为俯视图，(e)为内部俯视图，(f)为内部仰视图；
图中，1为碟状导流罩，2为周向推进器，3为垂向推进器，4为涡旋生成机构，5为半开放式杯状外壳，6为叶轮，7为叶轮驱动机构，8为电池及电能管理舱，9为电池组，10为电能管理电路，11为导航通信舱，12为耐压密封舱体端盖，13为O形密封圈，14为耐压密封舱体圆柱形筒体，15为电路支架，16为无线通信模块，17为卫星通信模块，18为惯导模块，19为GPS定位模块，20为wifi模块，21为电子罗盘，22为多普勒计程仪，23为深度传感器，24为系统控制及数据采集舱，25为主控制电路，26为数据采集电路，27为水下摄像头，28为水下灯，29为成像声纳，30为托板，31为推进器旋转驱动机构，32为中部槽道，33为天线罩。
具体实施方式
下面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具体的工作原理，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提供的一种基于涡旋运动的碟形水下航行器，采用碟状导流罩1，碟状导流罩1的周向设有至少一个周向推进器2，碟状导流罩1的垂向设有涡旋生成机构4和至少一个垂向推进器3。
所述碟状导流罩1，降低了航行器在碟状导流罩水平面内各个方向运动的阻力；
所述周向推进器2，用于驱动航行器在碟状导流罩水平面内的运动；
所述垂向推进器3，用于驱动航行器在碟状导流罩垂直方向上的运动；
所述涡旋生成机构4，基于涡旋吸附机制为航行器提供相对于吸附面的吸附力。
进一步地，所述涡旋生成机构4由半开放式杯状外壳5、叶轮6及其驱动机构7组成，所述叶轮驱动机构7与半开放式杯状外壳5密封连接；如图1所示，其中，Fb：浮力；Fg：重力；Fa：推进力；Ff：摩擦力；Fv：吸附力。
进一步地，所述叶轮6采用S形叶片，S形叶片宽度由外向内至轴心逐渐缩减；所述开放式杯状外壳5内轮廓设有与叶轮6的叶片相配合的流路，以提高叶轮的流场控制能力。
进一步地，如图2中(c)所示所述碟状导流罩1设有中部槽道32，垂向推进器3设置在中部槽道32上部，涡旋生成机构4设置在中部槽道32下部。
进一步地，如图2中(a)、(b)所示，所述周向推进器2为三个或四个，沿碟状导流罩1周向均匀分布；通过设置周向推进器2间的推进比率，实现航行器在碟状导流罩水平面内任意方向的快速运动控制。
进一步地，至少一个周向推进器2配有旋转驱动机构31，用于改变周向推进器2的推进方向，进行航行器俯仰姿态调节。
进一步地，该航行器还包括传感探测系统，用于进行水下环境观测和目标探测。
进一步地，碟状导流罩1内设有至少一个耐压密封舱体，耐压密封舱体内设有电源模块、导航通信模块、系统控制模块。
所述电源模块为系统所有电子器件提供电能，并具备电能分配、监测及保护功能；
所述导航通信模块用于获取航行器的位置、姿态、速度、加速度信息，并实现与岸基控制中心的通信；
所述系统控制模块，负责与系统各外设的数据交互，对导航传感器数据进行融合处理，进行航行器的运动控制，并实现对探测传感器数据的采集、处理及存储，同时监控系统运行状态并完成异常情况处理。
进一步地，该航行器还包括与碟状导流罩1可拆卸连接的中部托板30，周向推进器2、垂向推进器3、涡旋生成机构4和耐压密封舱体固定在中部托板30上。
实施例1
本实施例中，航行器采用一个周向推进器2，为了实现航行器载体平面内的航向控制，还需要增加控制舵结构。
实施例2
本实施例中，航行器采用两个周向推进器2，可以实现航行器载体平面内任意方向的运动控制，但运动控制灵敏性不及三个或四个周向推进器2的情形。
实施例3
本实施例中，航行器采用两个或两个以上垂向推进器3，分别置于碟状导流罩1的顶部和底部，此时碟状导流罩1不需要开设中部槽道32，航行器也可以实现上下方向的运动控制。
实施例4
本实施例中，航行器的碟状导流罩1设有中部槽道32，中部槽道32内置一个垂向推进器3，并采用沿碟状导流罩1周向均匀分布的三个或四个周向推进器2，航行器能够实现前后、左右、上下及任意转向的快速运动控制，四个周向推进器2的结构相较于三个周向推进器2的结构，系统运动控制更容易但系统结构略复杂。
实施例5
本实施例中，耐压密封舱体具体包括：电池及电能管理舱8、导航通信舱11、系统控制及数据采集舱24。三个耐压密封舱体通过水密电缆进行连接，完成相互之间的电能和信号传输。
所述耐压密封舱体由圆柱形筒体14和两侧端盖12组成，两侧端盖通过紧固件与圆柱形筒体固定连接，并通过O形圈13密封。
所述电池及电能管理舱8，内置电池组9及电能管理电路10。
所述系统控制及数据采集舱24，内置主控制电路25及数据采集电路26。
所述导航通信舱11，内置GPS定位模块19、惯导模块18、电子罗盘21、深度传感器23和各种通信终端，所述通信终端包括：wifi模块20、无线通信模块16、卫星通信模块17；外置的多普勒计程仪22通过水密电缆与导航通信舱11内的惯导模块18相连，或者通过水密电缆与系统控制及数据采集舱24的主控制电路25相连。其中：
-GPS定位模块19，当航行器位于水面时，用于获得航行器的位置信息；
-惯导模块18，用于获得航行器的姿态和加速度信息，对加速度信息进行积分获得航行器的速度和位置信息；
-电子罗盘21，用于获得航行器的姿态信息；
-多普勒计程仪22，用于获得航行器的速度信息及离底高度信息；
-深度传感器23，用于获得航行器的深度信息；
-wifi模块20，用于岸基控制中心与航行器之间的近距离(50米以内)数据传输，如控制代码下传及采集数据上传，传输速率最快；
-无线通信模块16，用于岸基控制中心与航行器之间的中等距离(1000米以内)数据传输，如控制指令下传及航行器运行状态上报，传输速率介于wifi和卫星通信之间；
-卫星通信模块17，用于岸基控制中心与航行器之间的远距离(大于1000米)数据传输，如应急处理指令下传及航行器位置信息上报，传输速率最慢。
所述GPS定位模块19和各种通信终端的天线密封在天线罩33内，天线罩33固定在导航通信舱11的圆柱形筒体14上。
所述深度传感器23固定在导航通信舱11的端盖12上，所述多普勒计程仪22固定在托板30上。
所述耐压密封舱体内的电子器件通过电路支架15固定在耐压密封舱体端盖上。
实施例6
本实施例中，航行器的传感探测系统可以为水下摄像头27、水下灯28及成像声纳29，通过连接件固定在托板30上，并分别通过水密电缆与电池及电能管理舱8、系统控制及数据采集舱24相连接。
本发明一种基于涡旋运动的碟形水下航行器工作原理为：
基于涡旋运动的碟形水下航行器利用涡旋生成机构4的叶轮6旋转在半开放杯状壳体5内外产生压差，获得相对于吸附面的吸附效果，使得航行器能够牢靠地吸附在物体表面，适合执行水下负载作业任务。
在涡旋吸附力作用下，进一步配合周向推进器2的推进作用，航行器能够沿着吸附面进行快速敏捷的爬行运动。涡旋生成机构4停止工作时，在周向推进器2和垂向推进器3的协同推进作用下，航行器也能够在水下三维空间内完成快速灵敏的游行运动。
不论爬行运动还是游行运动，通过合理配置周向推进器2的推进比率，航行器可以实现载体平面内任意方向的敏捷运动控制，不需要借助转弯运动就可直接实现转向。配合垂向推进器3的推进作用，航行器能够获得前后、侧向、上下及任意转向的全向运动能力，有利于进行快速准确的水下目标搜索。此外，对于大范围的深度调节，可借助推进器旋转驱动机构31改变周向推进器2的推进方向，通过控制航行器的俯仰姿态实现深度调节。
在航行器运行过程中，电池组9通过电能管理电路10为系统各功能器件正常工作提供能源。当航行器位于水面时，可通过wifi模块20、无线通信模块16及卫星通信模块17完成航行器与岸基控制中心之间不同距离的数据传输。GPS定位模块19、惯导模块18、电子罗盘21、多普勒计程仪22、深度传感器23等导航模块，提供航行器的位置、姿态和速度等导航信息用于航行器的运动控制。此外，水下摄像头27和成像声纳29的视觉和成像信息一方面通过数据采集电路26完成数据的采集、处理及存储，另一方面通过特征识别算法提取视觉和成像特征信息也可用于航行器的运动控制。主控制电路25根据岸基控制中心的控制指令、导航信息、视觉和成像特征信息，结合一定的控制算法，分别向周向推进器2、推进器旋转驱动机构31、垂向推进器3及涡旋生成机构4发送控制指令，完成准确的运动控制，可靠执行观测和探测任务。
以上对本发明的具体实施例进行描述。需要理解的是，本发明不局限于上述特定实施方式，本领域工作人员可以在权利要求的范围内作出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种基于涡旋运动的碟形水下航行器，其特征在于：采用碟状导流罩(1)，碟状导流罩(1)的周向设有至少一个周向推进器(2)，碟状导流罩(1)的垂向设有涡旋生成机构(4)和至少一个垂向推进器(3)；
所述碟状导流罩(1)，降低了航行器在碟状导流罩水平面内各个方向运动的阻力；
所述周向推进器(2)，用于驱动航行器在碟状导流罩水平面内的运动；
所述垂向推进器(3)，用于驱动航行器在碟状导流罩垂直方向上的运动；
所述涡旋生成机构(4)，基于涡旋吸附机制为航行器提供相对于吸附面的吸附力，其由半开放式杯状外壳(5)、叶轮(6)及其驱动机构(7)组成，所述叶轮驱动机构(7)与半开放式杯状外壳(5)密封连接；叶轮(6)旋转产生相对于吸附面的吸附力的同时，与吸附面之间维持一定的间隙(34)。
2.根据权利要求1所述的一种基于涡旋运动的碟形水下航行器，其特征在于：所述叶轮(6)采用S形叶片，S形叶片宽度由外向内至轴心逐渐缩减；所述开放式杯状外壳(5)内轮廓设有与叶轮(6)的叶片相配合的流路，以提高叶轮的流场控制能力。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种基于涡旋运动的碟形水下航行器，其特征在于：所述碟状导流罩(1)设有中部槽道(32)，垂向推进器(3)设置在中部槽道(32)上部，涡旋生成机构(4)设置在中部槽道(32)下部。
4.根据权利要求1-2任一项所述的一种基于涡旋运动的碟形水下航行器，其特征在于：所述周向推进器(2)为三个或四个，沿碟状导流罩(1)周向均匀分布；通过设置周向推进器(2)间的推进比率，实现航行器在碟状导流罩水平面内任意方向的快速运动控制。
5.根据权利要求1-2任一项所述的一种基于涡旋运动的碟形水下航行器，其特征在于：至少一个周向推进器(2)配有旋转驱动机构(31)，用于改变周向推进器(2)的推进方向，进行航行器俯仰姿态调节。
6.根据权利要求1-2任一项所述的一种基于涡旋运动的碟形水下航行器，其特征在于：该航行器还包括传感探测系统，用于进行水下环境观测和目标探测。
7.根据权利要求6所述的一种基于涡旋运动的碟形水下航行器，其特征在于：碟状导流罩(1)内设有至少一个耐压密封舱体，耐压密封舱体内设有电源模块、导航通信模块、系统控制模块；
所述电源模块为系统所有电子器件提供电能，并具备电能分配、监测及保护功能；
所述导航通信模块用于获取航行器的位置、姿态、速度、加速度信息，并实现与岸基控制中心的通信；
所述系统控制模块，负责与系统各外设的数据交互，对导航传感器数据进行融合处理，进行航行器的运动控制，并实现对探测传感器数据的采集、处理及存储，同时监控系统运行状态并完成异常情况处理。
8.根据权利要求7所述的一种基于涡旋运动的碟形水下航行器，其特征在于：该航行器还包括与碟状导流罩(1)可拆卸连接的中部托板(30)，周向推进器(2)、垂向推进器(3)、涡旋生成机构(4)和耐压密封舱体固定在中部托板(30)上。
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