CN108622342A - 一种多级可分离式无人水下航行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级可分离式无人水下航行器，其特征在于：包括航行器外壳体，在航行器外壳体的两端分别设有航行器头部和航行器尾部，在航行器头部和尾部分别设有对接锁紧机构和柔性对接机构，所述柔性对接机构用于对接下一级的航行器头部，并通过对接锁紧机构锁紧，在航行器外壳体的尾部配置有无轴对转双浆推进器。本发明具有噪声小，体积小，灵活性高，可根据指令来进行自由分离和组合以适应多种水下任务的优点。

Description

一种多级可分离式无人水下航行器

技术领域

本发明涉及到水下航行器领域，特别涉及到一种可根据实际任务需要实现多级自由组合和分离的水下航行器，亦即所谓的多级可分离式无人水下航行器。

背景技术

无人水下航行器(UUV)是指用于水下侦察、遥控猎雷和作战等可以回收的小型水下自航载体，是一种以潜艇或水面舰船为支援平台，可长时间在水下自主远程航行的无人智能小型武器装备平台。近年来，围绕海洋开发，海洋环境保护和海洋权益维护，国际上开展了新一轮的海洋竞争。作为海洋竞争中一种重要的技术手段，无人水下航行器是占据海洋竞争制高点的有利武器，是建设海洋强国不可或缺的重要装备。因此，无人水下航行器成为国际上研究的热门课题。

目前，对无人水下航行器的研究虽取得了巨大的进步，解决了水下通讯，导航与控制，材料等问题；但仍存在结构复杂，体积较大，动力系统效率低，速度慢，电池耐久性不足，任务单一，价格昂贵等缺点，极大的限制了无人水下航行器的应用和推广。

因此，本发明提出了一种应用无轴对转双桨推进技术的多级可分离式无人水下航行器。本发明具有体积小，结构简单，造价低，能耗小，可实现水下自动分离和组合以适应不同任务等优点，弥补了传统无人水下航行器的不足之处。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种结构简单、体积小，可实现水下自动分离和组合以适应不同任务的多级可分离式无人水下航行器。

本发明所采用的技术方案为：一种多级可分离式无人水下航行器，其特征在于：包括航行器外壳体，在航行器外壳体的两端分别设有航行器头部和航行器尾部，在航行器头部和尾部分别设有对接锁紧机构和柔性对接机构，所述柔性对接机构用于对接下一级的航行器头部，并通过对接锁紧机构锁紧，在航行器外壳体的尾部配置有无轴对转双浆推进器。

按上述技术方案，在水下航行器外壳体上设有导流罩，所述无轴对转双桨推进器安设在导流罩内，在导流罩内还设有航行器十字舵装置，用于进行航行器的方向控制。

按上述技术方案，所述柔性对接机构包括在航行器尾部设置的尾部检测传感器及关节轴承罩壳，在关节轴承罩壳内设有呈球弧面配合的球弧面内圈，在球弧面内圈的外端周向设有多个锁紧销孔；所述对接锁紧机构包括在航行器头部的头部检测传感器、在航行器头部周向设置的锁紧销及驱动锁紧销伸出并与锁紧销孔对接的对接驱动装置，所述头部检测传感器和尾部检测传感器检测航行器头部和下一级航行器尾部贴紧后，控制对接驱动装置驱动锁紧销伸出并进入锁紧销孔内。

按上述技术方案，在球弧面内圈的凹腔底部底部设有电磁定位块，在航行器头部设有头部电磁定位凹槽，一节航行器和前一节航行器尾部对接过程中，通过电磁定位块与电磁定位凹槽定位。

按上述技术方案，对接驱动装置沿航行器头部周向设置的弹性锁紧销和凸轮，所述锁紧销径向滑移设置在航行器头部，所述凸轮上的凸起的个数与弹性锁紧销对应设置，所述凸轮通过驱动电机驱动旋转。

按上述技术方案，凸轮上的凸起为叶片状。

按上述技术方案，所述无轴对转双浆推进器包括推进器转子环永磁体电机和安设永磁体电机转子环上的螺旋桨前浆叶和后浆叶。

按上述技术方案，所述推进器转子环永磁体电机包括推进器转子环和定子，在推进器转子环上配置永磁体，定子上配置永磁定子绕组，所述永磁体内侧安设有润滑轴承，所述润滑轴承固定在航行器外壳体上。

按上述技术方案，所述润滑轴承为水润滑轴承。

按上述技术方案，航行器十字舵装置包括舵机构、转舵机构、舵机，所述舵机构包括舵嵌入式安装装置，舵嵌入式安装装置套设在航行器外壳体外，在舵嵌入式安装装置的四周安设有舵杆，所述舵杆的一端通过舵撑与导流罩相连，另一端下端与舵嵌入式安装装置相连，所述舵机安设在航行器壳体内，在舵杆上配置有舵叶，所述舵叶通过转舵机构传动，所述转舵机构通过舵机驱动。

本发明所取得的有益效果为：

1、本发明采用柔性对接机构及对接锁紧机构，使得航行器在必要时进行组合或分离，做到“化整为零，化零为整”，分离航行时扩大搜索范围，增强侦察能力和渗透力，组合航行时提高推进功率，节约电能，使航行器水下工作时间延长，从而达到适应多种水下任务的能力。

2、传统的航行器推进器存在驱动螺旋的转轴，该转轴阻碍了前后航行器的对接组合，本发明提出无轴对转双桨推进器，嵌入安装于航行器壳体之上，由螺栓固定，桨叶与电机推进器转子环外壁相连，推进器转子环外壁与航行器外壳体平齐。这种设计的推进效率高，推力大，可防止航行器翻转；推进器采用水润滑轴承，避免轴承润滑系统带来的复杂性；无轴对转双桨推进器在工作时噪声低，便于航行器隐蔽，不易被发现。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明柔性对接机构的立体结构示意图；

图3为本发明柔性对接机构的剖视图；

图4为本发明对接过程流程图；

图5为锁紧销驱动装置示意图；

图6为本发明两级航行器组合效果示意图；

图7为本发明无轴对转双桨推进器横截面示意图；

图8为本发明无轴对转双桨推进器立体结构示意图；

图9为本发明十字舵装置侧面示意图；

图10为本发明十字舵装置横截面示意图。

图中：1-航行器头部，2-锁紧销，3-滑翔侧翼，4-雷达天线，5-导航控制系统，6-输电线，7-蓄电池供能模块，8-导流罩，9-永磁体定子绕组，10-前桨叶，11-水润滑轴承，12-后桨叶，13-转子环，14-十字舵，15-舵固定螺栓，16-关节轴承，17-密封隔板，18-航行器尾部，19-锁紧销孔，20-关节轴承罩壳，21-球面内圈，22-锁紧销孔,23-润滑水槽，24-尾部电磁定位块，25-凸轮，26-锁紧销，27-驱动电机，28-锁紧销弹簧，29-第一级航行器，30-关节轴承柔性连接，31-第二级航行器，32-头部电磁定位凹槽，33-舵撑，34-舵叶，35-舵杆，36-舵嵌入式安装装置，37-舵叶连接部件，38-方向舵，39-升降舵，40-航行器外壳体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例提供了一种多级可分离式无人水下航行器，包括水下航行器外壳体，在航行器外壳体上设有滑翔侧翼3，在航行器外壳体内设有雷达天线4、导航控制系统5、输电线6、蓄电池供电模块7，在航行器外壳体的两端分别设有航行器头部1和航行器尾部18，航行器头部1和航行器尾部18分别通过密封隔板17与航行器外壳体密封配置，在航行器头部1和尾部18分别设有对接锁紧机构和柔性对接机构，所述柔性对接机构用于对接下一级的航行器头部，并通过对接锁紧机构锁紧，在航行器外壳体的尾部配置有无轴对转双浆推进器。

如图2-3所示，所述柔性对接机构包括在航行器尾部设置的尾部检测传感器及关节轴承罩壳20，在关节轴承罩壳20内设有呈球弧面配合的球弧面内圈21，在球弧面底部安装有电磁定位块24，球弧面内圈21的外端周向设有多个锁紧销孔22；所述对接锁紧机构包括在航行器头部1的头部检测传感器、头部电磁定位凹槽，头部凹槽摄像头、在航行器头部周向设置的锁紧销2及驱动锁紧销伸出并与锁紧销孔对接的驱动装置，所述头部检测传感器和尾部检测传感器在经过尾部电磁定位块和头部电磁定位凹槽吸和贴紧之后，会控制对接驱动装置驱动锁紧销1伸出并准确进入锁紧销孔22内，完成对接。

图5为对接驱动装置，由凸轮25、锁紧销26、和驱动电机27、锁紧销弹簧28组成，各个锁紧销26沿航行器头部周向设置，并径向滑移设置在航行器头部，凸轮上的凸起为叶片状，所述凸轮上的叶片状的凸起的个数与弹性锁紧销对应设置，所述凸轮通过驱动电机驱动旋转。在岸地指挥端下达航行器对接指令到前一节航行器的尾部和后一节航行器的头部结合之前，此过程中锁紧销还处于收缩状态，直到尾部传感器和头部传感器经过尾部电磁定位块24和头部电磁定位凹槽32吸合贴紧之后，锁紧销驱动装置会控制驱动电机使凸轮25逆时针转动，凸轮转动时会使位于根部的锁紧销的滚子向上滑动，从而使锁紧销26弹出，弹簧锁紧销弹簧28也由伸长状态变为被压缩状态；凸轮与滚子接触的面经过计算与滚子形成特殊角度，以便锁紧销滚子与斜面形成自锁，致使锁紧销在伸出状态下保持位置稳定。当岸地指挥端下达分离指令时，锁紧销驱动电机27在遥控指令下会使凸轮25顺时针转动，使处于顶端的锁紧销26被压缩的锁紧销弹簧28弹回原位置，锁紧销26缩回，分离完成。

下面结合图1-6说明演示多级航行器组合对接过程，对接过程流程图如图4所示。其头部顶端摄像头，摄像头会将实施情况传到岸上控制端，岸上控制端通过光视觉引导处理计算机对前后两节航行器的相对位置进行粗调整，来尽量保证后一节航行器和前一节航行器尾部对准并保持水平。水下航行器通过雷达天线4接收到组合航行命令，导航控制系统5下达组合航行指令。此时航行器头部1在岸上控制端对水下对周边环境和两节航行器相对位置的实时的观测下，接受到运动指令，逐步向另一级航行器的尾部18处的关节轴承16靠近，此时尾部电磁定位块24和头部电磁定位凹槽25在靠近过程中会通电产生磁力，在近距离时会使尾部电磁定位块24和头部电磁定位凹槽32会吸合贴紧，此时锁紧销的出销位置与锁紧孔的位置对准，待安装于航行器头部1和尾部18处的传感器检测到两者贴紧后，安装于航行器头部1的驱动装置通电动作使锁紧销2从锁紧销孔中伸出，插入另一极航行器尾部18处的柔性对接机构16的锁紧销孔22中，待头部传感器检测到锁紧销到达理想位置后，驱动驱动装置停止工作，并固定到相应位置不动，至此两级航行器固定组合在一起，组合后的效果如图6所示。

如图5-6所示为航行器无轴对转双桨推进器结构图，所述无轴对转双浆推进器包括推进器转子环永磁体电机和安设在推进器转子环13上的螺旋桨前浆叶10和后浆叶12。其中，推进器转子环永磁体电机采用现有的永磁体电机。所述推进器转子环永磁体电机包括推进器转子环13、定子、永磁体定子和永磁体，所述永磁体内侧安设有水润滑轴承11，永磁体定子绕组被安装在定子里面，与转子同轴心，所述润滑轴承11固定在航行器外壳体上。螺旋桨前桨叶10和后桨叶12固定在推进器转子环13外壁并向外伸出，并将螺旋前后桨叶10，12包裹在导流罩8内；所述推进器转子环的外壁与航行器外壳体外壁齐平，减少航行时的阻力。所述水润滑轴承11采用海水进行润滑，安装在推进器转子环13的内侧，用来承受转子和叶片的重力，并传递桨叶旋转产生的推力；无轴对转双桨推进器与水下航行器壳体之间采用嵌入式的安装方式，航行器壳体分段与推进器对接并密封，由螺栓进行固定。工作时，推进器转子环13带动螺旋桨前后桨叶10，12旋转，产生的推力通过推进器转子环13两端的轴承传递到航行器体上，推动航行器前进或后退。与一般推进器相比，无轴对转双桨推进器具有结构紧凑、占用空间小、推进效率高、振动噪声小等优点。而且，由于采用两套完全水润滑轴承11，避免了润滑油泄漏污染的风险，减少了海洋污染物的排放。

本实施例中，如图9-10所示为航行器十字舵系统，包括舵装置、转舵机构、舵机。所述舵装置包括舵嵌入式安装装置舵撑33，舵叶34，舵杆35。舵装置采用嵌入式安装方式，通过嵌入式安装装置36卡套在航行器外壳体40上，并由螺栓固定。4个舵杆35互成90°均布于嵌入式安装装置36上，舵杆33伸出航行器外壳体40外，舵撑33与导流罩8相连，用以支撑导流罩。所述转舵机构为舵柄式,舵柄为长柄或菱形钢块，与舵杆35相连带动舵杆转动。所述舵机为电动舵机，位于航行器壳体之内，舵机通电动作通过舵柄式转舵机构带动舵杆35转动，舵叶34随舵杆35转动，改变水动力矩，控制航行器方向。竖直方向的两个舵为方向舵38，水平方向的两舵为升降舵39。方向舵38和水平舵39各有一套舵机和转舵机构，方向舵舵叶的转动为航行器提供转动力矩，升降舵舵叶的转动产生使航行器上浮或下潜的水动力矩，两者相互配合即可实现航行器在水下多个方向的运动。方向舵用于控制航行器水平面内的方向稳定性和回转性，升降舵控制航行器垂直面内的回转性和运动稳定性，两者各由一套舵机和转舵机构驱动，保证航行器在水下平稳的航行。

Claims (10)

1.一种多级可分离式无人水下航行器，其特征在于：包括航行器外壳体，在航行器外壳体的两端分别设有航行器头部和航行器尾部，在航行器头部和尾部分别设有对接锁紧机构和柔性对接机构，所述柔性对接机构用于对接下一级的航行器头部，并通过对接锁紧机构锁紧，在航行器外壳体的尾部配置有无轴对转双浆推进器。

2.根据权利要求1所述的水下航行器，其特征在于：在水下航行器外壳体上设有导流罩，所述无轴对转双桨推进器安设在导流罩内，在导流罩内还设有航行器十字舵装置，用于进行航行器的方向控制。

3.根据权利要求1或2所述的水下航行器，其特征在于：所述柔性对接机构包括在航行器尾部设置的尾部检测传感器及关节轴承罩壳，在关节轴承罩壳内设有呈球弧面配合的球弧面内圈，在球弧面内圈的外端周向设有多个锁紧销孔；所述对接锁紧机构包括在航行器头部的头部检测传感器、在航行器头部周向设置的锁紧销及驱动锁紧销伸出并与锁紧销孔对接的对接驱动装置，所述头部检测传感器和尾部检测传感器检测航行器头部和下一级航行器尾部贴紧后，控制对接驱动装置驱动锁紧销伸出并进入锁紧销孔内。

4.根据权利要求3所述的水下航行器，其特征在于：在球弧面内圈的凹腔底部底部设有电磁定位块，在航行器头部设有头部电磁定位凹槽，一节航行器和前一节航行器尾部对接过程中，通过电磁定位块与电磁定位凹槽定位。

5.根据权利要求3所述的水下航行器，其特征在于：对接驱动装置沿航行器头部周向设置的弹性锁紧销和凸轮，所述锁紧销径向滑移设置在航行器头部，所述凸轮上的凸起的个数与弹性锁紧销对应设置，所述凸轮通过驱动电机驱动旋转。

6.根据权利要求5所述的水下航行器，其特征在于：凸轮上的凸起为叶片状。

7.根据权利要求1或2所述的水下航行器，其特征在于：所述无轴对转双浆推进器包括推进器转子环永磁体电机和安设永磁体电机转子环上的螺旋桨前浆叶和后浆叶。

8.根据权利要求4所述的水下航行器，其特征在于：所述推进器转子环永磁体电机包括推进器转子环和定子，在推进器转子环上配置永磁体，定子上配置永磁定子绕组，所述永磁体内侧安设有润滑轴承，所述润滑轴承固定在航行器外壳体上。

9.根据权利要求5所述的水下航行器，其特征在于：所述润滑轴承为水润滑轴承。

10.根据权利要求2所述的水下航行器，其特征在于：航行器十字舵装置包括舵机构、转舵机构、舵机，所述舵机构包括舵嵌入式安装装置，舵嵌入式安装装置套设在航行器外壳体外，在舵嵌入式安装装置的四周安设有舵杆，所述舵杆的一端通过舵撑与导流罩相连，另一端下端与舵嵌入式安装装置相连，所述舵机安设在航行器壳体内，在舵杆上配置有舵叶，所述舵叶通过转舵机构传动，所述转舵机构通过舵机驱动。