CN106741584A - 升力型高速海洋机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明属于海洋机器人技术领域，具体地说是一种升力型高速海洋机器人。包括主体、可折叠前翼、可折叠后翼、附体、主推进装置及侧推进装置，其中主体的两侧对称设有两个附体，两侧附体通过可折叠前翼和可折叠后翼与主体连接，所述主体的艉部设有主推进装置，两侧附体的艉部均设有侧推进装置，通过可折叠前翼和可折叠后翼的同步折叠和展开实现海洋机器人的水面航行和水下航行状态的切换。本发明具有对自身衡重要求不高、可储备较大浮力、上浮或下潜速度快、机动性能好等特点，具有良好的环境适应能力和载荷携带能力，可执行载荷运输或投送、深海科考等任务。

Description

升力型高速海洋机器人
技术领域
本发明属于海洋机器人技术领域，具体地说是一种升力型高速海洋机器人。
背景技术
海洋机器人(Unmanned Maritime Vehicles，UMV)包括水下机器人(UnmannedUnderwater Vehicles，UUV)、水面机器人(Unmanned Sur face Vehicles，USV)以及混合型海洋机器人(Hybrid Unmanned Maritime Vehicles，HUMV)。其中，水下机器人还可分为自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicles，AUV)与遥控水下机器人(RemotelyOperated Vehicles，ROV)。混合型海洋机器人被称为“第四代”海洋机器人，包括自主水下机器人(AUV)与遥控水下机器人(ROV)的混合、水面机器人(USV)和水下机器人(UUV)的混合等，代表了当前海洋机器人的重要发展趋势。兼具水下机器人水下隐蔽作业和水面机器人高速远程等优点、拥有更优性能指标、更强作业能力和更高智能自主水平的混合型海洋机器人能够执行远距离载荷投送或运输、水下搜救、海洋科考等使命任务，从而能够大幅度提高海洋工程、科学考察、海洋军事等领域无人化装备的技术水平。可以预见，更加先进的混合型海洋机器人将成为海洋机器人领域未来的主要发展方向和重要组成部分。
从水下机器人操纵性的角度来看，传统的水下机器人的主体等大部分结构对水下机器人的操纵控制几乎没有贡献，水下机器人的操纵几乎完全依靠舵提供操纵面，并设置稳定翼作为水下机器人航行稳定性的必要辅助措施。这种传统的水下机器人操纵系统最大的缺点是没有充分利用占水下机器人绝大部分体积重量的主体来提供辅助操纵能力，从而导致水下机器人的操纵性能和机动性能出现瓶颈。尤其在下潜速度方面，传统水下机器人在操作性能方面的瓶颈导致其下潜速度较慢。
从水下机器人的负载能力及方式来看，传统的水下机器人负载能力很小，并且依赖于配重来实现衡重平衡并保持微正浮力。这种传统的水下机器人对衡重参数要求严格，航行过程中必须严格保证重心与浮心的相对位置，一旦出现海水密度变化较大等情况导致浮力不够或者衡重参数发生较大变化，则必须依靠抛载等被动方式来重新调整。这导致水下机器人无法适应不同海深、不同海域的海水密度变化，且负载能力有限，限制了水下机器人未来的发展及大范围应用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种升力型高速海洋机器人。该系统属于混合型海洋机器人，可实现水面航行和水下航行两种状态，具有对自身衡重要求不高、可储备较大浮力、上浮或下潜速度快、机动性能好等特点，并具有良好的环境适应能力和载荷携带能力，可执行载荷运输或投送、深海科考等任务。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种升力型高速海洋机器人，包括主体、可折叠前翼、可折叠后翼、附体、主推进装置及侧推进装置，其中主体的两侧对称设有两个附体，两侧附体通过可折叠前翼和可折叠后翼与主体连接，所述主体的艉部设有主推进装置，两侧附体的艉部均设有侧推进装置，通过可折叠前翼和可折叠后翼的同步折叠和展开实现海洋机器人的水面航行和水下航行状态的切换。
所述主体和附体采用回转体构型，所述可折叠前翼和可折叠后翼的剖面为倒置水翼型结构。
所述可折叠前翼和可折叠后翼为可折叠机构；在水面航行时，可折叠前翼和可折叠后翼向主体的下部折叠，呈八字形布置；在水下航行时，可折叠前翼和可折叠后翼展开，与主体呈水平布置。
所述主体的内部设有热动力舱及位于热动力舱前、后端的监测仪器容置仓和声学电子舱，所述主体的艉部设有艉舵，所述主体的腹部设有侧扫声纳，所述侧扫声纳的外侧设有与主体连接的整流罩，所述整流罩为V型结构。
所述监测仪器容置仓内设有前视声纳、侧扫声纳、光纤陀螺、无线网桥、无线电台、多普勒计程仪、深度计、北斗/GPS及控制计算机。
在低速航行时，所述热动力舱为电池组充电；在高速航行时，所述热动力舱和电池组分别为主推进装置和侧推进装置提供电力。
所述热动力舱采用Li/SF6燃料，可通过闭式燃烧发电。
所述主体艏部与艉部分别设有前轴流泵和后轴流泵，所述前轴流泵和后轴流泵用于在低速航行状态下通过向上喷射提供下压力。
所述可折叠前翼内设有前舵，所述可折叠后翼内设有后舵。
所述附体内设有电池控制器及与电池控制器连接的电池组。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明可实现水面和水下两种航行状态，集成了水下机器人技术与水面机器人技术的双重特性，可在水面航行状态下布放、航渡和回收，在水下航行状态下执行预定任务。
2.本发明的可折叠前后翼采用机翼形，可使航行体具有较大正浮力，相对常规水下机器人的微正浮力设计，不仅可降低航行体由于故障而沉没的风险，同时通过前后翼在航行过程中产生的下沉力可提高适应海洋环境作用力变化的能力。
3.本发明主体艏部和艉部各有一套轴流泵，可在低速航行状态下向上喷射提供下压力，抵消航行体的浮力，解决抵消航行时舵效差的问题。
4.本发明主体和附体后部均有推进装置，可通过不同推进装置的差速实现水平面大机动能力。
5.本发明采用混合动力方式，低速航行时电池组向推进装置供电，热动力舱通过闭式燃烧发电并向电池组充电；高速航行时电池组和热动力舱一起向推进装置供电。
附图说明
图1为本发明的透视图；
图2为本发明水下航行状态的轴测图；
图3为本发明水下航行状态的俯视图；
图4为本发明水下航行状态的正视图；
图5为本发明水面航行状态的轴测图；
图6为本发明水面航行状态的俯视图；
图7为本发明水面航行状态的正视图。
其中：1为主体，2为可折叠前翼，3为可折叠后翼，4为附体，5为前舵，6为后舵，7为艉舵，8为主推进装置，9为前视声纳，10为侧扫声纳，11为前轴流泵，12为光纤陀螺，13为无线网桥，14为无线电台，15为多普勒计程仪，16为深度计，17为北斗/GPS，18为控制计算机，19为热动力舱，20为后轴流泵，21为电池控制器，22为电池组，23为声学电子舱，24为侧推进装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1-7所示，本发明提供的一种升力型高速海洋机器人，包括主体1、可折叠前翼2、可折叠后翼3、附体4、主推进装置8及侧推进装置24，其中主体1的两侧对称设有两个附体4，两侧附体4通过可折叠前翼2和可折叠后翼3与主体1连接，所述主体1的艉部设有主推进装置8，两侧附体4的艉部均设有侧推进装置24，通过可折叠前翼2和可折叠后翼3的同步折叠和展开实现海洋机器人的水面航行和水下航行状态的切换。
所述主体1和附体4采用鱼雷形的回转体构型，所述可折叠前翼2和可折叠后翼3的剖面为倒置水翼型结构。
所述可折叠前翼2和可折叠后翼3为可折叠机构；在水面航行时，可折叠前翼2和可折叠后翼3向主体1的下部折叠，呈八字形布置；在水下航行时，可折叠前翼2和可折叠后翼3展开，与主体1呈水平布置。
如图1所示，所述主体1的内部设有热动力舱19及位于热动力舱19前、后端的监测仪器容置仓和声学电子舱20，所述主体1的艉部设有艉舵7，所述主体1的腹部设有侧扫声纳10，所述侧扫声纳10的外侧设有与主体1连接的整流罩，所述整流罩为V型结构。
所述监测仪器容置仓内设有前视声纳9、侧扫声纳10、光纤陀螺12、无线网桥13、无线电台14、多普勒计程仪15、深度计16、北斗/GPS17及控制计算机18。
在低速航行时，所述热动力舱19为电池组22充电；在高速航行时，所述热动力舱19和电池组22分别为主推进装置8和侧推进装置24提供电力。
所述热动力舱19采用Li/SF6燃料，可通过闭式燃烧发电。
所述主体1的艏部与艉部分别设有前轴流泵11和后轴流泵20，所述前轴流泵11和后轴流泵20用于在低速航行状态下通过向上喷射提供下压力。所述可折叠前翼2内设有前舵5，所述可折叠后翼3内设有后舵6。所述附体4内设有电池控制器21及与电池控制器21连接的电池组22。所述主体1和附体4均为耐压壳体结构。
本发明在构型设计方面，采用主体+双侧附体+倒置水翼的设计方案，整体呈大正浮力设计。所述主体1和附体4采用鱼雷形回转体构型，可折叠前翼2、可折叠后翼3的剖面为倒置水翼形。
如图2-4所示，本发明处于水下航行状态时，可折叠前翼2和可折叠后翼3展开，附体4与主体1处于同一平面。倒置水翼在水下航行时可产生向下的压力，用以平衡预留的大正浮力。这种升力原理可以有效克服密度、压力等变化倒置的浮力变化，水翼产生的下压力随航速提高逐渐增大。
如图5-7所示，本发明处于水面航行状态时，可折叠前翼2和可折叠后翼3折叠，呈八字形布置。升力型高速海洋机器人变为类似小水线面双体船(SWATH)的结构形式，保证水面航行的耐波性，从而能大幅降低升力型高速海洋机器人布放和回收的风险。
在推进器和操纵面布局方面，本发明采用了主体1和两侧附体4三部推进装置组成分布式推进，强化机动性的同时可以减小推进装置的尺度。可折叠前翼2和可折叠后翼3上分别有前舵5和后舵6，在水下航行时强化了垂直面机动能力，而在水面航行时变结构前后翼折叠后，前后舵演变为方向舵，强化了舵向控制能力。在水下低速航行状态时，本发明主体1艏部和艉部各有一套轴流泵，可在低速航行状态下向上喷射提供下压力，抵消航行体的浮力，强化垂直面机动能力。通过这种射流+舵的新型操纵技术，减少航行体受航速的影响，解决传统的槽道推进器随航速的增加效率急剧下降，而低速情况下舵效较差的问题，确保本发明在低中高航速下具有较高机动性。
在能源动力方面，本发明采用电池组+热动力的混合动力模式，其中热动力采用Li/SF6燃料可以在水下通过闭式燃烧发电。本发明低速巡航时采用电池组供电，热动力为电池组充电，保障了航续航力；高速巡航时采用热动力和电池组一同供电，保证了大功率推进需要。热动力与电池组全部满功率输出时即可达到最大航速。
综上所述，本发明提供的升力型高速海洋机器人可通过水翼和轴流泵提供较大下压力，增强机器人的垂直面机动性能，并能够通过高速航行实现快速下潜；升力型高速海洋机器人可通过主体和附体上的推进装置差速实现水平面的机动性能，从而得到更好的操纵性能和机动性能。
升力型高速海洋机器人可在航行过程中通过调整航行速度和前后舵来调整水翼产生的下压力，从而满足航行过程中的衡重要求；此外，在低速航行时，升力型高速海洋机器人还可通过轴流泵向上喷射水流产生下压力。因此升力型高速海洋机器人可具有较大的负载能力，并可适应较大的海水密度变化。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种升力型高速海洋机器人，其特征在于：包括主体(1)、可折叠前翼(2)、可折叠后翼(3)、附体(4)、主推进装置(8)及侧推进装置(24)，其中主体(1)的两侧对称设有两个附体(4)，两侧附体(4)通过可折叠前翼(2)和可折叠后翼(3)与主体(1)连接，所述主体(1)的艉部设有主推进装置(8)，两侧附体(4)的艉部均设有侧推进装置(24)，通过可折叠前翼(2)和可折叠后翼(3)的同步折叠和展开实现海洋机器人的水面航行和水下航行状态的切换。
2.根据权利要求1所述的升力型高速海洋机器人，其特征在于：所述主体(1)和附体(4)采用回转体构型，所述可折叠前翼(2)和可折叠后翼(3)的剖面为倒置水翼型结构。
3.根据权利要求1所述的升力型高速海洋机器人，其特征在于：所述可折叠前翼(2)和可折叠后翼(3)为可折叠机构；在水面航行时，可折叠前翼(2)和可折叠后翼(3)向主体(1)的下部折叠，呈八字形布置；在水下航行时，可折叠前翼(2)和可折叠后翼(3)展开，与主体(1)呈水平布置。
4.根据权利要求1所述的升力型高速海洋机器人，其特征在于：所述主体(1)的内部设有热动力舱(19)及位于热动力舱(19)前、后端的监测仪器容置仓和声学电子舱(20)，所述主体(1)的艉部设有艉舵(7)，所述主体(1)的腹部设有侧扫声纳(10)，所述侧扫声纳(10)的外侧设有与主体(1)连接的整流罩，所述整流罩为V型结构。
5.根据权利要求4所述的升力型高速海洋机器人，其特征在于：所述监测仪器容置仓内设有前视声纳(9)、侧扫声纳(10)、光纤陀螺(12)、无线网桥(13)、无线电台(14)、多普勒计程仪(15)、深度计(16)、北斗/GPS(17)及控制计算机(18)。
6.根据权利要求4所述的升力型高速海洋机器人，其特征在于：在低速航行时，所述热动力舱(19)为电池组(22)充电；在高速航行时，所述热动力舱(19)和电池组(22)分别为主推进装置(8)和侧推进装置(24)提供电力。
7.根据权利要求4所述的升力型高速海洋机器人，其特征在于：所述热动力舱(19)采用Li/SF6燃料，可通过闭式燃烧发电。
8.根据权利要求1所述的升力型高速海洋机器人，其特征在于：所述主体(1)艏部与艉部分别设有前轴流泵(11)和后轴流泵(20)，所述前轴流泵(11)和后轴流泵(20)用于在低速航行状态下通过向上喷射提供下压力。
9.根据权利要求1所述的升力型高速海洋机器人，其特征在于：所述可折叠前翼(2)内设有前舵(5)，所述可折叠后翼(3)内设有后舵(6)。
10.根据权利要求1所述的升力型高速海洋机器人，其特征在于：所述附体(4)内设有电池控制器(21)及与电池控制器(21)连接的电池组(22)。
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