CN108321598B - 一种模块化水下自治航行器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及海洋探测技术领域，特别涉及一种水下自治航行器。一种模块化水下自治航行器，它包括：探测模块、控制模块、电池模块、导航定位模块以及推进与驱动模块；本发明采用模块化设计，根据功能将整体系统分成五个模块，模块间采用标准接口依次旋转连接，连接处设有锁死结构，可实现模块间快速组装，任务展开时只需将模块连接，通过无线网络下载任务即可。用户也可根据需求增加搭载功能模块或增加电池单元，提高系统续航力和海洋探测能力。

Description

一种模块化水下自治航行器
技术领域
本发明涉及海洋探测技术领域，特别涉及一种水下自治航行器。
背景技术
海洋调查、海洋环境监测等海洋探测活动需要自治水下机器人平台携带相关仪器开展；飞机、轮船、设备等沉入海洋、江河、湖泊以及水库，需要自治水下机器人开展水下搜寻及目标定位。飞机出事后需要探测、搜寻、定位黑匣子，以便于后续打捞。MH370飞机失事事件后，自治水下机器平台人越来越受到各国重视，已经成为海洋工程的发展热点。
目前，自治水下机器人系统大多数采用流线型整体舱段结构，系统维护时需要整体开舱，维护耗费大量时间，一旦某部件损坏维修、更换耗时；功能由客户定制，不具备通用性，功能难以进行扩展，用户需求发生变化需要整体重新设计生产；系统使用时，分段运输后需要将各设备连接调试完毕才能展开作业，这往往需要数天时间；系统整体体积、重量过大，舱段采用螺丝连接，不便于运输、装配、使用，后勤保障需求较多。
发明内容
本发明的目的是：为解决一般水下自治机器人通用性差、操作使用不方便、维修替换和功能扩展难、后勤保障繁琐的问题，提供一种模块化水下自治航行器。
本发明的技术方案是：一种模块化水下自治航行器，它包括：探测模块、控制模块、电池模块、导航定位模块以及推进与驱动模块；
探测模块包括：第一壳体，安装在第一壳体内的避碰声呐、声呐微控制器以及数码摄像机；第一壳体的腹部安装有压载调节装置，肩部安装有浮力块，底部装有照明装置；浮力块与压载调节装置用于调节自治航行器头部入水姿态；
控制模块包括：第二壳体，安装在第二壳体内的控制计算机、压力传感器、磁罗盘、侧扫声呐以及内压监测器；控制计算机内搭载有自主航行控制软件以及应急系统；
电池模块包括：第三壳体，安装在第三壳体内的锂电池组、电池管理系统以及电池管理微处理器；电池管理系统用于监测锂电池组的工作状况，并通过电池管理微处理器传送至控制计算机；
导航定位模块用于为自治航行器提供位置信息，它包括：第四壳体，安装在第四壳体背部的三合一通讯背鳍，安装在第四壳体内的多波束多普勒速度仪，惯性导航系统以及导航控制微处理器；
推进与驱动模块用于为自治航行器提供航行动力，并对航行姿态进行控制，它包括：第五壳体，安装在第五壳体内的推进电机，十字舵以及姿态控制微处理器；
第一壳体、第二壳体、第三壳体、第四壳体以及第五壳体标准接口依次旋转连接，连接处设有锁死结构；
控制计算机与声呐微控制器、电池管理微处理器、压力传感器、磁罗盘、侧扫声呐、内压监测器、三合一通讯背鳍、多波束多普勒速度仪、惯性导航系统建立连接，并对数码摄像机、压载调节装置、推进电机以及十字舵进行控制。
有益效果：本发明采用模块化设计，根据功能将整体系统分成五个模块，模块间采用标准接口依次旋转连接，连接处设有锁死结构，可实现模块间快速组装，任务展开时只需将模块连接，通过无线网络下载任务即可。用户也可根据需求增加搭载功能模块或增加电池单元，提高系统续航力和海洋探测能力。
附图说明
图1是本发明的结构组成框图；
图2是本发明的外形结构示意图；
图3是本发明中相邻壳体间连接结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
参见附图1、2，一种模块化水下自治航行器，它包括：探测模块1、控制模块2、电池模块3、导航定位模块4以及推进与驱动模块5；
探测模块1包括：第一壳体11，安装在第一壳体11内的避碰声呐12、声呐微控制器13以及数码摄像机14；第一壳体11的腹部安装有压载调节装置15，肩部安装有浮力块16，底部装有照明装置17；浮力块16与压载调节装置15用于调节自治航行器头部入水姿态；本例中，数码摄像机14采用高性能、低光、可变帧频数码摄像机，自带专用计算机和固态硬盘；
控制模块2包括：第二壳体21，安装在第二壳体21内的控制计算机22、压力传感器23、磁罗盘24、侧扫声呐25以及内压监测器26；控制计算机22内搭载有自主航行控制软件以及应急系统；进一步的，控制模块2还可根据需求搭载CTD、声速仪以及水声通信装置；
电池模块3包括：第三壳体31，安装在第三壳体31内的锂电池组32、电池管理系统33以及电池管理微处理器34；电池管理系统33用于监测锂电池组32的放电电流、充电电流、充电循环次数、电池电压、电池温度等信息，并通过电池管理微处理器34传送至控制计算机22；
导航定位模块4用于为自治航行器提供位置信息，它包括：第四壳体41，安装在第四壳体41背部的三合一通讯背鳍42，安装在第四壳体41内的多波束多普勒速度仪43以及惯性导航系统44以及导航控制微处理器45；第四壳体41的背部设有三合一通讯背鳍42；三合一通讯背鳍42由北斗通讯装置、无线局域网以及GPS接收机组成；导航控制微处理器45接收控制计算机22命令并将位置信息上传，利用多波束多普勒速度仪43提供的测高法，能够使本发明保持在海底上方设定的高度运动，确保侧扫声呐25扫描效果和数码摄像机14摄像质量；
推进与驱动模块5用于为自治航行器提供航行动力，并对航行姿态进行控制，它包括：第五壳体51，安装在第五壳体51内的推进电机52、十字舵53以及航行姿态控制微处理器54；航行姿态控制微处理器54接收控制计算机22控制命令对推进电机52、十字舵53进行控制并实时上传状态信息；十字舵53的四个伺服电机单独控制俯仰、偏航与横摇，十字舵53的叶片由导管保护；进一步的，推进电机52以及十字舵53为充油式，具备压力补偿功能，不受使用深度影响；
参见附图3，第一壳体11、第二壳体21、第三壳体31、第四壳体41以及第五壳体51采用标准接口依次旋转连接，连接处设有锁死结构；
控制计算机22与声呐微控制器13、电池管理微处理器34、压力传感器23、磁罗盘24、侧扫声呐25、内压监测器26、三合一通讯背鳍42、多波束多普勒速度仪43、惯性导航系统44建立连接，并对数码摄像机14、压载调节装置15、推进电机52以及十字舵53进行控制。
本发明的核心部分为控制模块2，控制模块2用于实现本发明水下运动规划与控制、各模块的通讯与状态监测、与岸基或船载控制单元的通讯、侧扫声纳控制及数据存储、水深测量、姿态感知等功能；控制模块2可通过无线网络实现任务下载，实时记录其余各模块信息，并可根据需求加装水下探测设备；控制模块2内搭载的应急处理系统，由独立的电池供电，当检测到锂电池组32电量耗尽或潜航器发生故障时，应急系统调动三合一通讯背鳍42按设定频率向预置的接收器发送方位。
本发明的工作流程为：各模块连接完毕后系统上电，导航定位模块4的惯性导航系统43启动对准，对准分为静止对准和运动对准两种模式。当本发明由岸基等固定平台布放时采用静止对准，此时静止的惯性导航系统44检测其在15～20分钟周期内惯性速度的变化情况，并精确的估计地球自转轴的方向，从而获取真北参考。当本发明由运动平台布放时启动运动对准，利用连续GPS位置和速度来辅助估计并纠正惯性导航系统北航向参考中的错误。
对准完毕后布放入水，这时操控台通过无线网络将规划好的任务文件装载至控制模块2并启动任务。本发明开展任务时可通过水声通信实时监测工作状态，任务异常时可通过水声通信终止任务。正常执行任务时，控制模块2实时采集各模块信息、控制推进与驱动模块5调节姿态，并根据导航定位模块4提供的位置信息沿规划路径运动。同时侧扫声呐25及其它负载模块开展水下探测，探测模块1中的避碰声呐12开启避碰模式。任务执行完毕后回收本发明，可通过无线局域或有线网络下载内部数据，分析任务执行情况，总体任务完成后即可分段拆卸、装箱。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模块化水下自治航行器，其特征在于：它包括：探测模块(1)、控制模块(2)、电池模块(3)、导航定位模块(4)以及推进与驱动模块(5)；
所述探测模块(1)包括：第一壳体(11)，安装在所述第一壳体(11)内的避碰声呐(12)、声呐微控制器(13)以及数码摄像机(14)；所述第一壳体(11)的腹部安装有压载调节装置(15)，肩部安装有浮力块(16)，底部装有照明装置(17)；所述浮力块(16)与所述压载调节装置(15)用于调节所述自治航行器头部入水姿态；
所述控制模块(2)包括：第二壳体(21)，安装在所述第二壳体(21)内的控制计算机(22)、压力传感器(23)、磁罗盘(24)、侧扫声呐(25)以及内压监测器(26)；所述控制计算机(22)内搭载有自主航行控制软件以及应急系统；
所述电池模块(3)包括：第三壳体(31)，安装在所述第三壳体(31)内的锂电池组(32)、电池管理系统(33)以及电池管理微处理器(34)；所述电池管理系统(33)用于监测所述锂电池组(32)的工作状况，并通过所述电池管理微处理器(34)传送至所述控制计算机(22)；
所述导航定位模块(4)用于为所述自治航行器提供位置信息，它包括：第四壳体(41)，安装在所述第四壳体(41)背部的三合一通讯背鳍(42)，安装在所述第四壳体(41)内的多波束多普勒速度仪(43)，惯性导航系统(44)以及导航控制微处理器(45)；所述导航控制微处理器(45)接收所述控制计算机(22)命令并将位置信息上传；
所述推进与驱动模块(5)用于为所述自治航行器提供航行动力，并对航行姿态进行控制，它包括：第五壳体(51)，安装在所述第五壳体(51)内的推进电机(52)，十字舵(53)以及航行姿态控制微处理器(54)；所述航行姿态控制微处理器(54)接收所述控制计算机(22)控制命令对所述推进电机(52)、所述十字舵(53)进行控制并实时上传状态信息；
所述第一壳体(11)、所述第二壳体(21)、所述第三壳体(31)、所述第四壳体(41)以及所述第五壳体(51)采用标准接口依次旋转连接，连接处设有锁死结构；
所述控制计算机(22)与所述声呐微控制器(13)、所述电池管理微处理器(34)、所述压力传感器(23)、所述磁罗盘(24)、所述侧扫声呐(25)、所述内压监测器(26)、所述三合一通讯背鳍(42 )、所述多波束多普勒速度仪(43 )、所述惯性导航系统(44 )建立连接，并对所述数码摄像机(14)、所述压载调节装置(15)、所述推进电机(52)以及所述十字舵(53)进行控制。
2.如权利要求1所述的一种模块化水下自治航行器，其特征在于：所述控制模块(2)内还设有CTD、声速仪以及水声通信装置。
3.如权利要求1或2所述的一种模块化水下自治航行器，其特征在于：所述三合一通讯背鳍(42)包括：北斗通讯装置、无线局域网以及GPS接收机。
4.如权利要求1或2所述的一种模块化水下自治航行器，其特征在于：所述推进电机(52)以及所述十字舵(53)为充油式，具备压力补偿功能。
5.如权利要求1或2所述的一种模块化水下自治航行器，其特征在于：所述应急系统启动后，调动所述三合一通讯背鳍(42)按设定频率向预置的接收器发送方位。
6.如权利要求1或2所述的一种模块化水下自治航行器，其特征在于：所述电池管理系统(33)用于监测所述锂电池组(32)的放电电流、充电电流、充电循环次数、电池电压、电池温度信息。
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