CN109319070A - 一种水下目标隐蔽追踪仿生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水下目标隐蔽追踪仿生装置，包括感知段、控制段和动力段三部分，在发现水中目标后，吸附在该目标的外壳上对其进行长期有效的隐蔽追踪，记录被追踪目标的辐射噪声并与特定装置通信反馈目标的特性，本发明仿生设计降低了该仿生装置的自辐射噪声，提高了该仿生装置的隐蔽能力，吸盘的设计使得该仿生装置可以吸附在目标的外壳上，提高了该仿生装置对被追踪目标的追踪能力，搭载的主被动声纳允许该仿生装置记录目标的辐射噪声，并将目标的特性信息传输至已有反潜平台，提高了该仿生装置对已有反潜平台的补充能力，包含环境信息传感器组使得该仿生装置即使没有追踪到目标，亦可以采集海洋环境信息，提高了该仿生装置的利用率。

Description

一种水下目标隐蔽追踪仿生装置
技术领域
本发明涉及水下仿生领域，尤其是一种水下目标的仿生装置。
背景技术
为了防范敌方潜艇在我国海域活动，经常需要投入大量的资源进行反潜作业。目前采用较多的是在关键海域布放水下反潜网络，并在可疑海域投放声纳浮标进行反潜。但是受敌方潜艇隐身降噪技术的制约，这些反潜手段的效率较低，难以掌握目标运动的精准信息，往往会使得敌方潜艇在被发现后再次逃脱。由于现有反潜平台的缺陷，需要发展一种不受目标辐射噪声制约的探测装置，用以增强对水下隐身目标的探测能力，弥补现有平台的缺陷，配合现有平台进行反潜。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种水下目标隐蔽追踪仿生装置，旨在配合现有反潜平台在发现水中目标后，吸附在该目标的外壳上对其进行长期有效的隐蔽追踪，记录被追踪目标的辐射噪声并可以与特定装置通信反馈目标的特性，甚至可以在特定情况下发射特殊的声信号暴露敌方目标的位置信息，进而形成对敌方水中目标强有力的探测追踪能力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提出的水下目标隐蔽追踪仿生装置，包括感知段、控制段和动力段三部分，感知段、控制段和动力段依次相连。
所述感知段包含感知段外壳，环境信息传感器组和三维姿态传感器，其中，环境信息传感器组安装在感知段外壳外，三维姿态传感器安装在感知段外壳内；
所述控制段包含控制段外壳，仿生平衡装置，中央处理单元、驱动电路控制板、电源模块和仿生沉浮装置，其中，仿生平衡装置和吸盘安装在控制段外壳外，中央处理单元、驱动电路控制板、电源模块和仿生沉浮装置安装在控制段外壳内；
所述动力段包含动力段外壳，动力装置安装在动力段外壳内；
所述环境信息传感器组包含温度传感器、盐度传感器、压力传感器，各传感器间协同工作，对水下目标隐蔽追踪仿生装置周边海域的环境信息进行监测。
所述三维姿态传感器在水下采集水下目标隐蔽追踪仿生装置的姿态信息，传输给中央处理单元进行处理。
所述仿生平衡装置由仿生背鳍和仿生胸鳍组成，仿生背鳍包括仿生背鳍襟翼和仿生背鳍舵机；仿生胸鳍包括仿生胸鳍襟翼和仿生胸鳍舵机；仿生背鳍和仿生胸鳍配合使用，通过仿生背鳍舵机和仿生胸鳍舵机转动，带动仿生背鳍襟翼和仿生胸鳍襟翼摆动并形成特定的姿态，来控制水下目标隐蔽追踪仿生装置的平衡。
所述仿生沉浮装置由电机、油囊和活塞组成，通过电机转动，带动活塞运动改变油囊的体积，从而改变水下目标隐蔽追踪仿生装置的浮力，控制水下目标隐蔽追踪仿生装置的沉浮。
所述中央处理单元分别与电路控制板、电源模块、三维姿态传感器、功率放大器和环境信息传感器组相连接，是水下目标隐蔽追踪仿生装置的核心，用于处理和存储数据。
所述电源模块分别与中央处理单元、驱动电路控制板、三维姿态传感器、功率放大器和环境信息传感器组相连接，并为中央处理单元、驱动电路控制板、三维姿态传感器、功率放大器和环境信息传感器组提供电源，用于保障水下目标隐蔽追踪仿生装置的正常运行。
所述驱动电路控制板分别与中央处理单元、电源模块、仿生背鳍舵机、仿生胸鳍舵机、活塞和动力装置相连接，用于驱动中央处理单元、电源模块、仿生背鳍舵机、仿生胸鳍舵机、活塞和动力装置工作。
所述动力装置由两节舵机组成，两节舵机串联连接，分别为主舵机和从舵机，主舵机和从舵机转动，带动动力段外壳摆动形成特定的角度，为水下目标隐蔽追踪仿生装置提供动力。
所述感知段还包含主被动声纳模块，其中主被动声纳模块包含收发合置声纳和功率放大器两部分，所述收发合置声纳监测被追踪目标的辐射噪声，也发射特定声信号暴露被追踪目标；所述功率放大器用于对收发合置声纳的信号进行滤波和放大。
所述控制段上设置一个吸盘，吸盘产生吸力，使水下目标隐蔽追踪仿生装置吸附在被追踪目标的外壳上。
本发明的有益效果在于：
1)仿生设计降低了该仿生装置的自辐射噪声，提高了该仿生装置的隐蔽能力；
2)包含吸盘的设计使得该仿生装置可以吸附在目标的外壳上，提高了该仿生装置对被追踪目标的追踪能力；
3)搭载的主被动声纳允许该仿生装置记录目标的辐射噪声，并将目标的特性信息传输至已有反潜平台，提高了该仿生装置对已有反潜平台的补充能力；
4)包含环境信息传感器组使得该仿生装置即使没有追踪到目标，亦可以采集海洋环境信息，提高了该仿生装置的利用率。
附图说明
图1是本发明水下目标隐蔽追踪仿生装置外部结构示意图，其中图1(a)为本发明水下目标隐蔽追踪仿生装置的主视图，图1(b)为本发明水下目标隐蔽追踪仿生装置的俯视图，图1(c)为本发明水下目标隐蔽追踪仿生装置的左视图。
图2是本发明水下目标隐蔽追踪仿生装置内部结构示意图。
图3是本发明水下目标隐蔽追踪仿生装置动力段局部细节图。
图4是本发明水下目标隐蔽追踪仿生装置吸附在敌方目标外壳时的示意图。
图5是本发明水下目标隐蔽追踪仿生装置的电路连接图。
其中，1-感知段外壳，2-收发合置声纳，3-功率放大器，4-环境信息传感器组，5-三维姿态传感器，6-控制段外壳，7-中央处理单元，8-电源模块，9-驱动电路控制板，10-步进电机，11-联轴器，12-丝杠，13-活塞，14-油囊，15-仿生背鳍舵机，16-仿生胸鳍舵机，17-仿生背鳍襟翼，18-仿生胸鳍襟翼，19-吸盘，20-动力段外壳，21-主舵机，22-从舵机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明提出的水下目标隐蔽追踪仿生装置，包括感知段、控制段和动力段三部分，感知段、控制段和动力段依次相连。
所述感知段包含感知段外壳，环境信息传感器组和三维姿态传感器，其中，环境信息传感器组安装在感知段外壳外，三维姿态传感器安装在感知段外壳内；
所述控制段包含控制段外壳，仿生平衡装置，中央处理单元、驱动电路控制板、电源模块和仿生沉浮装置，其中，仿生平衡装置和吸盘安装在控制段外壳外，中央处理单元、驱动电路控制板、电源模块和仿生沉浮装置安装在控制段外壳内；
所述动力段包含动力段外壳，动力装置安装在动力段外壳内；
所述环境信息传感器组包含温度传感器、盐度传感器、压力传感器，各传感器间协同工作，对水下目标隐蔽追踪仿生装置周边海域的环境信息进行监测。
所述三维姿态传感器在水下采集水下目标隐蔽追踪仿生装置的姿态信息，传输给中央处理单元进行处理。
所述仿生平衡装置由仿生背鳍和仿生胸鳍组成，仿生背鳍包括仿生背鳍襟翼和仿生背鳍舵机；仿生胸鳍包括仿生胸鳍襟翼和仿生胸鳍舵机；仿生背鳍和仿生胸鳍配合使用，通过仿生背鳍舵机和仿生胸鳍舵机转动，带动仿生背鳍襟翼和仿生胸鳍襟翼摆动并形成特定的姿态，来控制水下目标隐蔽追踪仿生装置的平衡。
所述仿生沉浮装置由电机、油囊和活塞组成，通过电机转动，带动活塞运动改变油囊的体积，从而改变水下目标隐蔽追踪仿生装置的浮力，控制水下目标隐蔽追踪仿生装置的沉浮。
所述中央处理单元分别与电路控制板、电源模块、三维姿态传感器、功率放大器和环境信息传感器组相连接，是水下目标隐蔽追踪仿生装置的核心，用于处理和存储数据。
所述电源模块分别与中央处理单元、驱动电路控制板、三维姿态传感器、功率放大器和环境信息传感器组相连接，并为中央处理单元、驱动电路控制板、三维姿态传感器、功率放大器和环境信息传感器组提供电源，用于保障水下目标隐蔽追踪仿生装置的正常运行。
所述驱动电路控制板分别与中央处理单元、电源模块、仿生背鳍舵机、仿生胸鳍舵机、活塞和动力装置相连接，用于驱动中央处理单元、电源模块、仿生背鳍舵机、仿生胸鳍舵机、活塞和动力装置工作。
所述动力装置由两节舵机组成，两节舵机串联连接，分别为主舵机和从舵机，主舵机和从舵机转动，带动动力段外壳摆动形成特定的角度，为水下目标隐蔽追踪仿生装置提供动力。
所述感知段还包含主被动声纳模块，其中主被动声纳模块包含收发合置声纳和功率放大器两部分，所述收发合置声纳监测被追踪目标的辐射噪声，也发射特定声信号暴露被追踪目标；所述功率放大器用于对收发合置声纳的信号进行滤波和放大。
所述控制段上设置一个吸盘，吸盘产生吸力，使水下目标隐蔽追踪仿生装置吸附在被追踪目标的外壳上。
结合参照图1和图2所示，一种水下目标隐蔽追踪仿生装置，包括感知段外壳(1)、收发合置声纳(2)、功率放大器(3)、环境信息传感器组(4)、三维姿态传感器(5)、控制段外壳(6)、中央处理单元(7)、电源模块(8)、驱动电路控制板(9)、步进电机(10)、联轴器(11)、丝杠(12)、活塞(13)、油囊(14)、仿生背鳍舵机(15)、仿生胸鳍舵机(16)、仿生背鳍襟翼(17)、仿生胸鳍襟翼(18)、吸盘(19)、动力段外壳(20)、主舵机(21)、从舵机(22)。
所述感知段外壳(1)、控制段外壳(6)和动力段外壳(20)应当配合使用，共同保护所述仿生装置的内部器件。同时它们应当具有一定的减阻设计，提高所述仿生装置的航行效率。所述感知段外壳(1)应当具有一定的开孔，保证所述收发合置声纳(2)和环境信息传感器组(4)的表面穿出；所述控制段外壳(6)应当具有一定的开孔，保证所述油囊(14)的表面穿出，并可以自如的改变体积；所述动力段外壳(20)可以摆动，其局部细节图如图3所示。
所述收发合置声纳(2)可以在发射和接收状态中来回切换。一般情况下所述收发合置声纳(2)处于接收状态，采集被追踪目标的辐射噪声和所述仿生装置周围海域的噪声信息。当处于特定情况时，所述收发合置声纳(2)切换到发射状态，发射目标的辐射噪声特性信息，暴露被追踪目标的位置信息。
所述功率放大器(3)具有输入信号滤波和放大的能力，应当与所述收发合置声纳(2)配合使用。当所述收发合置声纳(2)处于接收状态时，所述功率放大器3对所述收发合置声纳(2)接收到的信号进行滤波和放大，之后传给中央处理单元(7)进行处理；当所述收发合置声纳(2)处于发射状态时，所述功率放大器(3)将来自所述中央处理单元(7)的信号进行放大，之后传给收发合置声纳(2)发射。
所述环境信息传感器组(4)包含深度传感器、盐度传感器、温度传感器，可以用来获取所述仿生装置周围的海洋环境信息。
所述三维姿态传感器(5)用来采集所述仿生装置的姿态信息。
所述中央处理单元(7)用来控制所述功率放大器(3)、所述环境信息传感器组(4)、所述三维姿态传感器(5)、所述驱动电路控制板(9)工作，是所述仿生装置的核心。
所述电源模块(8)用来给所述仿生装置提供能量。所述电源模块(8)应当具有较高的电池容量，保证所述仿生装置可以工作较长时间。
所述驱动电路控制板(9)用来控制所述步进电机(10)、仿生背鳍舵机(15)、仿生胸鳍舵机(16)、吸盘(19)、主舵机(21)和从舵机(22)工作，受到所述中央处理单元(7)的直接控制。
所述步进电机(10)、联轴器(11)、丝杠(12)、活塞(13)和油囊(14)应当配合使用，通过驱动所述步进电机(10)转动来改变所述活塞(13)的位置，进而控制所述油囊(14)中的油量来改变所述油囊(14)的体积，控制所述仿生装置的深度变化。
所述仿生背鳍舵机(15)、所述仿生胸鳍舵机(16)、所述仿生背鳍襟翼(17)和所述仿生胸鳍襟翼(18)应当配合使用，通过驱动所述仿生背鳍舵机(15)转动带动所述仿生背鳍襟翼(17)摆动，通过驱动所述仿生胸鳍舵机(16)转动带动所述仿生胸鳍襟翼(18)摆动，保持所述仿生装置的平衡。
所述吸盘(19)可以控制所述仿生装置吸附在被追踪目标上。当所述驱动电路控制板(9)产生控制信号后，所述吸盘(19)产生吸力，吸附在被追踪目标上，如图4所示。
所述主舵机(21)和所述从舵机(22)应当配合使用。所述主舵机(21)作为第一节舵机，所述从舵机(22)作为第二节舵机，通过两个舵机转动可以带动所述动力段外壳摆动，为所述仿生装置提供前进动力。
所述仿生装置的电路连接方式如图5所示。
具体的，从所述水下目标隐蔽追踪仿生装置发现敌方目标开始。特定信号1是指来自外界装置的声信号，包含了要求暴露被追踪目标的指令。特定信号2是指来自所述仿生装置的声信号，包含了目标方位信息。当所述收发合置声纳(2)处于接收模式，监听到了来自敌方目标的辐射噪声时，中央处理单元(7)对功率放大器(3)、环境信息传感器组(4)和三维姿态传感器(5)的输出信号进行处理，对目标方位和距离信息进行估算，解算出追踪目标的所需的运动参数。当驱动电路控制板(9)接收到所述运动参数后，驱动步进电机(10)、仿生背鳍舵机(15)、仿生胸鳍舵机(16)、主舵机(21)和从舵机(22)协同工作，控制所述仿生装置追踪敌方目标。
在追踪敌方目标的过程中，收发合置声纳(2)仍处于接收模式。中央处理单元(7)不断处理来自功率放大器(3)、环境信息传感器(4)和三维姿态传感器(5)的信息，通过驱动电路控制板(9)调整所述仿生装置姿态，不断追踪敌方目标，并将来自功率放大器(3)处理后的目标噪声信息记录下来。
当接近敌方目标时，中央处理单元(7)发出控制信号，驱动电路控制板(9)激活吸盘(19)，控制所述仿生装置吸附在被追踪目标的外壳上。待所述仿生装置吸附在了目标外壳后，中央处理单元(7)发出控制信号，关闭所述仿生装置全部动力，保留吸盘(19)和处于接收模式的收发合置声纳(2)、功率放大器(3)、环境信息传感器组(4)工作，仍然记录来自功率放大器(3)处理后的目标辐射噪声，并实时检测是否含有特定信号1。
当中央处理单元(7)在功率放大器(3)传入的信号中发现了所述特定信号1后，将收发合置声纳(2)转为发射模式，并将目标辐射噪声特性信息传输至已有反潜平台，在提高已有反潜平台对目标辨识能力的同时，暴露被吸附目标的位置，引导附近的其他装置追踪和打击被吸附目标。

Claims (3)

1.一种水下目标隐蔽追踪仿生装置，其特征在于：
所述的水下目标隐蔽追踪仿生装置，包括感知段、控制段和动力段三部分，感知段、控制段和动力段依次相连；
所述感知段包含感知段外壳，环境信息传感器组和三维姿态传感器，其中，环境信息传感器组安装在感知段外壳外，三维姿态传感器安装在感知段外壳内；
所述控制段包含控制段外壳，仿生平衡装置，中央处理单元、驱动电路控制板、电源模块和仿生沉浮装置，其中，仿生平衡装置和吸盘安装在控制段外壳外，中央处理单元、驱动电路控制板、电源模块和仿生沉浮装置安装在控制段外壳内；
所述动力段包含动力段外壳，动力装置安装在动力段外壳内；
所述环境信息传感器组包含温度传感器、盐度传感器、压力传感器，各传感器间协同工作，对水下目标隐蔽追踪仿生装置周边海域的环境信息进行监测；
所述三维姿态传感器在水下采集水下目标隐蔽追踪仿生装置的姿态信息，传输给中央处理单元进行处理；
所述仿生平衡装置由仿生背鳍和仿生胸鳍组成，仿生背鳍包括仿生背鳍襟翼和仿生背鳍舵机；仿生胸鳍包括仿生胸鳍襟翼和仿生胸鳍舵机；仿生背鳍和仿生胸鳍配合使用，通过仿生背鳍舵机和仿生胸鳍舵机转动，带动仿生背鳍襟翼和仿生胸鳍襟翼摆动并形成特定的姿态，来控制水下目标隐蔽追踪仿生装置的平衡；
所述仿生沉浮装置由电机、油囊和活塞组成，通过电机转动，带动活塞运动改变油囊的体积，从而改变水下目标隐蔽追踪仿生装置的浮力，控制水下目标隐蔽追踪仿生装置的沉浮；
所述中央处理单元分别与电路控制板、电源模块、三维姿态传感器、功率放大器和环境信息传感器组相连接，是水下目标隐蔽追踪仿生装置的核心，用于处理和存储数据；
所述电源模块分别与中央处理单元、驱动电路控制板、三维姿态传感器、功率放大器和环境信息传感器组相连接，并为中央处理单元、驱动电路控制板、三维姿态传感器、功率放大器和环境信息传感器组提供电源，用于保障水下目标隐蔽追踪仿生装置的正常运行；
所述驱动电路控制板分别与中央处理单元、电源模块、仿生背鳍舵机、仿生胸鳍舵机、活塞和动力装置相连接，用于驱动中央处理单元、电源模块、仿生背鳍舵机、仿生胸鳍舵机、活塞和动力装置工作；
所述动力装置由两节舵机组成，两节舵机串联连接，分别为主舵机和从舵机，主舵机和从舵机转动，带动动力段外壳摆动形成特定的角度，为水下目标隐蔽追踪仿生装置提供动力。
2.根据权利要求1所述的水下目标隐蔽追踪仿生装置，其特征在于：
所述感知段还包含主被动声纳模块，其中主被动声纳模块包含收发合置声纳和功率放大器两部分，所述收发合置声纳监测被追踪目标的辐射噪声，也发射特定声信号暴露被追踪目标；所述功率放大器用于对收发合置声纳的信号进行滤波和放大。
3.根据权利要求1所述的水下目标隐蔽追踪仿生装置，其特征在于：
所述控制段上设置一个吸盘，吸盘产生吸力，使水下目标隐蔽追踪仿生装置吸附在被追踪目标的外壳上。
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