CN109367741A - 一种可变形无人潜航器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船舶与海洋工程水下装备技术领域，公开了一种可变形无人潜航器。一种可变形无人潜航器包括：透水轻外壳，设置在透水轻外壳内的零浮力作业机械臂、耐压密封舱、轻外壳升降模块、压载重力调节模块、能源模块、深度测量模块，设置在透水轻外壳外的推进模块、照明与摄像模块；透水轻外壳包括：固定机壳与可升降罩；通过轻外壳升降模块实现固定机壳与可升降罩的开启、闭合；耐压密封舱内包括：通信模块、定位导航模块以及控制模块；零浮力作业机械臂可伸缩的安装在透水轻外壳内，当无人潜航器到达作业地点后，零浮力作业机械臂伸出透水轻外壳开始作业。发明满足深海科学考察、环境监测、管道检测、取样、应急搜救等应用需求。

Description

一种可变形无人潜航器及其使用方法

技术领域

本发明涉及船舶与海洋工程水下装备技术领域，具体涉及一种可变形无人潜航器。

背景技术

海洋孕育了各种神奇的生命，同时也蕴藏了丰富的各种资源。随着我国对海洋生命资源与能源资源开发的日益需求，无人潜航器的开发成为水下装备研究的重要方向之一。

目前，无人潜航器主要分为AUV(自主水下潜航器)和ROV(有缆遥控式潜水器)，AUV通常具有良好的水动力外形设计，具备快速机动航行能力，一般用于水下快速巡游探测，不具备精细作业能力。ROV由于主要针对复杂作业使用，需要搭载机械臂等附体机构，从而难以保证其水动力外形，快速机动能力差，巡航能耗高，不满足机动大范围作业需求。

因此，有必要提出一种可变形无人潜航器，既具备机械臂精准作业需求，又能在下潜上浮和巡游时保证良好的水动力外形，满足高效、大范围的机动能力。

发明内容

本发明的目的是：为满足水下高效、大范围机动地自主作业、环境监测、管道检测、取样、应急搜救等应用需求，提供一种可变形无人潜航器及其使用方法。

本发明的一个技术方案是：一种可变形无人潜航器，包括：透水轻外壳，设置在所述透水轻外壳内的零浮力作业机械臂、耐压密封舱、轻外壳升降模块、压载重力调节模块、能源模块和深度测量模块，设置在所述透水轻外壳外的推进模块、照明与摄像模块；

所述透水轻外壳包括：固定机壳与位于固定机壳上方的可升降罩；通过所述轻外壳升降模块带动所述可升降罩升降实现透水轻外壳的开启与闭合；

所述耐压密封舱内设置：用于与母船实时通信的通信模块，用于为所述无人潜航器提供航线及位置信息的定位导航模块，以及控制所述零浮力作业机械臂、所述轻外壳升降模块、所述压载重力调节模块、所述推进模块、所述照明与摄像模块的控制模块；

所述压载重力调节模块用于调节所述无人潜航器的浮力状态；

所述能源模块用于为所述零浮力作业机械臂、所述轻外壳升降模块、所述压载重力调节模块、所述推进模块、所述照明与摄像模块提供能源；

所述深度测量模块用于测量所述无人潜航器的下潜深度；

所述推进模块用于推动所述无人潜航器巡游；

所述照明与摄像模块用于为所述无人潜航器提供照明并摄制图像；

所述零浮力作业机械臂为可伸出式：所述透水轻外壳闭合时，所述零浮力作业机械臂位于透水轻外壳内部；当所述无人潜航器到达设定作业地点后，所述零浮力作业机械臂伸出所述透水轻外壳在所述控制模块控制下作业。

所述零浮力作业机械臂包括：固定安装在所述固定机壳内的根转动关节、连接所述根转动关节与前转动关节的前臂、连接所述前转动关节与上下摆动关节的中臂、连接所述上下摆动关节与水平摆动关节的后臂、连接所述水平摆动关节与机械手的旋转关节；所述零浮力作业机械臂具有左右摆动、上下俯仰和旋转三个方向自由度；其中所述根转动关节实现零浮力作业机械臂的左右摆动，所述上下摆动关节实现零浮力作业机械臂的上下俯仰，所述旋转关节实现零浮力作业机械臂的旋转。

通过在所述零浮力作业机械臂的前臂、中臂以及后臂上包裹浮力材料，使零浮力作业机械臂在水下呈零浮力状态。

本发明的另一个技术方案是：一种可变形无人潜航器的使用方法，基于上所述可变形无人潜航器，包括以下步骤：

步骤一.初始时，所述无人潜航器的透水轻外壳呈闭合状态，由工作母船携带至任务地点海域，采用起吊装置将所述无人潜航器下放至海中；

步骤二.所述控制模块控制所述压载重力调节模块调节无人潜航器的浮力，使所述无人潜航器呈负浮力状态，实现无动力下潜；

步骤三.所述深度测量模块实时测量所述无人潜航器的下潜深度，当所述无人潜航器下潜到预定深度后，所述控制模块控制所述压载重力调节模块调节所述无人潜航器的浮力，使所述无人潜航器处于零浮力状态；同时所述控制模块开启通信模块和定位导航模块；

步骤四.所述定位导航模块为所述无人潜航器提供航线；所述控制模块开启所述推进模块，使所述无人潜航器按航线巡游，直至到达作业任务点附近；所述控制模块开启所述照明与摄像模块，所述控制模块结合所述照明与摄像模块所摄像的图像控制所述推进模块，使所述无人潜航器抵达作业任务点；

步骤五.所述控制模块控制轻外壳升降模块中的两个以上液压伸缩杆同步伸长，推动可升降罩上升，开启透水轻外壳；

步骤六.所述控制模块控制所述零浮力作业机械臂向外伸出所述透水轻外壳，并控制所述零浮力作业机械臂到达设定的具体作业任务点开始作业；

步骤七.作业完毕后，所述控制模块控制所述零浮力作业机械臂收回至所述透水轻外壳内；

步骤八.所述控制模块通过控制所述轻外壳升降模块中两个以上液压伸缩杆同步收缩，带动所述可升降罩下降，使所述透水轻外壳呈闭合状态，完成当前任务；

步骤九.重复步骤四～八，进行下一任务点的作业；

步骤十.所有任务完成后，由所述控制模块控制所述压载重力调节模块调节所述无人潜航器的浮力，使所述无人潜航器呈正浮力状态，实现无动力上浮至水面；通过所述通信模块与所述工作母船通信，通报所述无人潜航器位置信息；

步骤十一.所述工作母船航行至所述无人潜航器位置，将其回收。

有益效果：

本发明中零浮力作业机械臂可伸缩的设置在透水轻外壳中，透水轻外壳具有开启与闭合的功能，巡游时，透水轻外壳闭合呈AUV整体式外形结构，具备良好水动力外形；到达指定工作地点后透水轻外壳开启，零浮力作业机械臂配合实现作业机械手的收、放，实现ROV机械臂作业能力，本发明满足深海科学考察、环境监测、管道检测、取样、应急搜救等应用需求。

附图说明

图1为本发明的外形结构示意图；

图2为本发明开启状态时的结构示意图；

图3为本发明具体的结构示意图；

图4为本发明中耐压密封舱的结构示意图；

图5为本发明的工作过程示意图。

其中：1-无人潜航器，2-零浮力作业机械臂、21-根转动关节、22-前臂、23-前转动关节、24-中臂、25-上下摆动关节、26-后臂、27-水平摆动关节、28-旋转关节、29-机械手、3-透水轻外壳、31-固定机壳、32-可升降罩、4-耐压密封舱、41-通信模块、42-定位导航模块、43-控制模块、5-轻外壳升降模块、51、52、53-液压伸缩杆、6-压载重力调节模块、7-能源模块、8-深度测量模块、9-推进模块、10-照明与摄像模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：

参见附图1-3，本实施例提供一种可变形无人潜航器，包括：透水轻外壳3，设置在透水轻外壳3内的零浮力作业机械臂2、耐压密封舱4、轻外壳升降模块5、压载重力调节模块6、能源模块7和深度测量模块8，设置在透水轻外壳3外的推进模块9、照明与摄像模块10；

参见附图3，透水轻外壳3包括：固定机壳31和位于固定机壳31上方的可升降罩32，可升降罩32与固定机壳31对接后形成透水轻外壳3；通过轻外壳升降模块5竖直升降可升降罩32，实现透水轻外壳3的开启与闭合；本例中，轻外壳升降模块5包括至少三套沿可升降罩32周向布置的液压伸缩杆51、52、53，每套液压伸缩杆的固定端与固定机壳31连接，伸缩端与可升降罩32连接。

参见附图4，耐压密封舱4布置在固定机壳31内腔的中部，耐压密封舱4内设置：用于实现与母船100实时通信的通信模块41，用于为无人潜航器1提供航线及位置信息的定位导航模块42以及用于对零浮力作业机械臂2、轻外壳升降模块5、压载重力调节模块6、推进模块9、照明与摄像模块10进行控制的控制模块43；

压载重力调节模块6设置在耐压密封舱4上部，用于调节无人潜航器1的浮力；

能源模块7设置在固定机壳31内腔的最底部，用于为零浮力作业机械臂2、轻外壳升降模块5、压载重力调节模块6、推进模块9、照明与摄像模块10提供能源；

深度测量模块8设置在固定机壳31内能源模块7的前部，用于测量无人潜航器1的下潜深度；

推进模块9布置在透水轻外壳3的尾部，用于推动无人潜航器1巡游；本例中，推进模块9包括至少一个水下矢量推进器；

照明与摄像模块10布置在透水轻外壳3的前端，用于为无人潜航器1提供照明及摄制图像；

零浮力作业机械臂2安装在透水轻外壳3内，其为可伸出式，无人潜航器1的透水轻外壳3闭合时，零浮力作业机械臂2位于透水轻外壳3内部，如图2所示，当透水轻外壳3打开，需要零浮力作业机械臂2工作时，其可伸出透水轻外壳3，如图3所示。通常当无人潜航器1到达作业地点后，透水轻外壳3打开，零浮力作业机械臂2伸出透水轻外壳3开始作业。本例中，零浮力作业机械臂2的数量为两个，左右对称布置，每个零浮力作业机械臂2具体包括：固定安装在固定机壳31内前端中部安装座上的根转动关节21、连接根转动关节21与前转动关节23的前臂22、连接前转动关节23与上下摆动关节25的中臂24、连接上下摆动关节25与水平摆动关节27的后臂26、连接水平摆动关节27与机械手29的旋转关节28；零浮力作业机械臂2具有左右摆动、上下俯仰和旋转三个方向自由度；其中根转动关节21实现零浮力作业机械臂2的左右摆动，上下摆动关节25实现零浮力作业机械臂2的上下俯仰，旋转关节28实现零浮力作业机械臂2的旋转。当需要将零浮力作业机械臂2收回至透水轻外壳3内部时，只需控制零浮力作业机械臂2的根转动关节21带动零浮力作业机械臂2向后摆动直至零浮力作业机械臂2全部位于透水轻外壳3内即可。

零浮力作业机械臂2中前臂22、中臂24以及后臂26上均包裹有浮力材料，使整个零浮力作业机械臂2在水下呈零浮力状态。

实施例2：

参见附图5，一种可变形无人潜航器的使用方法，它基于如实施例1所述的可变形无人潜航器，并包括以下步骤：

步骤一.初始时，无人潜航器1的透水轻外壳3呈闭合状态，由工作母船100携带至任务地点海域，采用起吊装置101将无人潜航器1下放至海中；

步骤二.控制模块43控制压载重力调节模块6调节无人潜航器1的浮力，使无人潜航器1呈负浮力状态，实现无动力下潜；本实施例中压载重力调节模块6为压载重力调节舱，通过向压载重力调节舱内注水，调节无人潜航器1的浮力；

步骤三.深度测量模块8实时测量无人潜航器1的下潜深度，当无人潜航器1下潜到预定深度后，控制模块43控制压载重力调节模块6调节无人潜航器1的浮力，即将压载重力调节舱内部分水排出，令无人潜航器1处于零浮力状态；同时控制模块43开启通信模块41和定位导航模块42；

步骤四.定位导航模块42为无人潜航器1提供航线，使无人潜航器1按设定航线行进；控制模块43开启推进模块9，使无人潜航器1按航线巡游，直至到达作业任务点附近；控制模块43开启照明与摄像模块10，控制模块43结合照明与摄像模块10所摄图像精确控制推进模块9的功率使无人潜航器1抵达作业任务点；

步骤五.无人潜航器1抵达作业任务点后，控制模块43控制轻外壳升降模块5中的液压伸缩杆同步伸长，推动可升降罩32上升，开启透水轻外壳3；

步骤六.控制模块43控制零浮力作业机械臂2向外伸出透水轻外壳3，具体过程为：控制模块43控制零浮力作业机械臂2的根转动关节21、前转动关节23转动，带动前臂22、中臂24以及后臂26向外向前运动，并最终到达透水轻外壳3前方，通过进一步精细控制根转动关节21、前转动关节23、上下摆动关节25、水平摆动关节27、旋转关节28令机械手29达到具体作业部位开始作业；

步骤七.作业完毕后，控制模块43控制零浮力作业机械臂2收回至透水轻外壳3内，具体过程为：控制模块43控制上下摆动关节25、水平摆动关节27转动，令前臂22、中臂24以及后臂26处于水平状态，之后控制模块43控制根转动关节21、前转动关节23令带动前臂22、中臂24以及后臂26向侧后方收回，最终收至透水轻外壳3内部；

步骤八.控制模块43通过控制轻外壳升降模块5带动可升降罩32下降，使透水轻外壳3呈闭合状态，完成当前任务；

步骤九.重复步骤四～八，进行下一任务点的作业；

步骤十.所有任务完成后，控制模块43控制压载重力调节模块6调节无人潜航器1的浮力，即控制压载重力调节舱内水全部排出，使无人潜航器1处于正浮力状态，实现无动力上浮至水面；通过通信模块41与工作母船100通信，通报无人潜航器1当前位置信息(无人潜航器1当前位置信息由定位导航模块42获得)；

步骤十一.工作母船100航行至无人潜航器1位置，将其回收。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种可变形无人潜航器，其特征在于，包括：透水轻外壳(3)，设置在所述透水轻外壳(3)内的零浮力作业机械臂(2)、耐压密封舱(4)、轻外壳升降模块(5)、压载重力调节模块(6)、能源模块(7)和深度测量模块(8)，设置在所述透水轻外壳(3)外的推进模块(9)、照明与摄像模块(10)；

所述透水轻外壳(3)包括：固定机壳(31)与位于固定机壳(31)上方的可升降罩(32)；通过所述轻外壳升降模块(5)带动所述可升降罩(32)升降实现透水轻外壳(3)的开启与闭合；

所述耐压密封舱(4)内设置：用于与母船(100)实时通信的通信模块(41)，用于为所述无人潜航器(1)提供航线及位置信息的定位导航模块(42)，以及控制所述零浮力作业机械臂(2)、所述轻外壳升降模块(5)、所述压载重力调节模块(6)、所述推进模块(9)、所述照明与摄像模块(10)的控制模块(43)；

所述压载重力调节模块(6)用于调节所述无人潜航器(1)的浮力状态；

所述能源模块(7)用于为所述零浮力作业机械臂(2)、所述轻外壳升降模块(5)、所述压载重力调节模块(6)、所述推进模块(9)、所述照明与摄像模块(10)提供能源；

所述深度测量模块(8)用于测量所述无人潜航器(1)的下潜深度；

所述推进模块(9)用于推动所述无人潜航器(1)巡游；

所述照明与摄像模块(10)用于为所述无人潜航器(1)提供照明并摄制图像；

所述零浮力作业机械臂(2)为可伸出式：所述透水轻外壳(3)闭合时，所述零浮力作业机械臂(2)位于透水轻外壳(3)内部；当所述无人潜航器(1)到达设定作业地点后，所述零浮力作业机械臂(2)伸出所述透水轻外壳(3)在所述控制模块(43)控制下作业。

2.如权利要求1所述的可变形无人潜航器，其特征在于，所述零浮力作业机械臂(2)包括：固定安装在所述固定机壳(31)内的根转动关节(21)、连接所述根转动关节(21)与前转动关节(23)的前臂(22)、连接所述前转动关节(23)与上下摆动关节(25)的中臂(24)、连接所述上下摆动关节(25)与水平摆动关节(27)的后臂(26)、连接所述水平摆动关节(27)与机械手(29)的旋转关节(28)；所述零浮力作业机械臂(2)具有左右摆动、上下俯仰和旋转三个方向自由度；其中所述根转动关节(21)实现零浮力作业机械臂(2)的左右摆动，所述上下摆动关节(25)实现零浮力作业机械臂(2)的上下俯仰，所述旋转关节(28)实现零浮力作业机械臂(2)的旋转。

3.如权利要求1或2所述的可变形无人潜航器，其特征在于，通过在所述零浮力作业机械臂(2)的前臂(22)、中臂(24)以及后臂(26)上包裹浮力材料，使零浮力作业机械臂(2)在水下呈零浮力状态。

4.如权利要求1或2所述的可变形无人潜航器，其特征在于，所述轻外壳升降模块(5)包括两个以上液压伸缩杆，所述液压伸缩杆的固定端与所述固定机壳(31)连接，伸缩端与所述可升降罩(32)连接。

5.如权利要求1或2所述的可变形无人潜航器，其特征在于，所述压载重力调节模块6为压载重力调节舱，通过向所述压载重力调节舱内注/排水，实现无人潜航器(1)浮力的调节。

6.如权利要求1或2所述的可变形无人潜航器，其特征在于，所述推进模块(9)包括一个以上水下矢量推进器。

7.一种可变形无人潜航器的使用方法，它基于如权利要求1-6中任意一项所述的可变形无人潜航器，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一.初始时，所述无人潜航器(1)的透水轻外壳(3)呈闭合状态，由工作母船(100)携带至任务地点海域，采用起吊装置(101)将所述无人潜航器(1)下放至海中；

步骤二.所述控制模块(43)控制所述压载重力调节模块(6)调节无人潜航器(1)的浮力，使所述无人潜航器(1)呈负浮力状态，实现无动力下潜；

步骤三.所述深度测量模块(8)实时测量所述无人潜航器(1)的下潜深度，当所述无人潜航器(1)下潜到预定深度后，所述控制模块(43)控制所述压载重力调节模块(6)调节所述无人潜航器(1)的浮力，使所述无人潜航器(1)处于零浮力状态；同时所述控制模块(43)开启通信模块(41)和定位导航模块(43)；

步骤四.所述定位导航模块(42)为所述无人潜航器(1)提供航线；所述控制模块(43)开启所述推进模块(9)，使所述无人潜航器(1)按航线巡游，直至到达作业任务点附近；所述控制模块(43)开启所述照明与摄像模块(10)，所述控制模块(43)结合所述照明与摄像模块(10)所摄像的图像控制所述推进模块(9)，使所述无人潜航器(1)抵达作业任务点；

步骤五.所述控制模块(43)控制轻外壳升降模块(5)中的两个以上液压伸缩杆同步伸长，推动可升降罩(32)上升，开启透水轻外壳(3)；

步骤六.所述控制模块(43)控制所述零浮力作业机械臂(2)向外伸出所述透水轻外壳(3)，并控制所述零浮力作业机械臂(2)到达设定的具体作业任务点开始作业；

步骤七.作业完毕后，所述控制模块(43)控制所述零浮力作业机械臂(2)收回至所述透水轻外壳(3)内；

步骤八.所述控制模块(43)通过控制所述轻外壳升降模块(5)中两个以上液压伸缩杆同步收缩，带动所述可升降罩(32)下降，使所述透水轻外壳(3)呈闭合状态，完成当前任务；

步骤九.重复步骤四～八，进行下一任务点的作业；

步骤十.所有任务完成后，由所述控制模块(43)控制所述压载重力调节模块(6)调节所述无人潜航器(1)的浮力，使所述无人潜航器(1)呈正浮力状态，实现无动力上浮至水面；通过所述通信模块(41)与所述工作母船(100)通信，通报所述无人潜航器(1)位置信息；

步骤十一.所述工作母船(100)航行至所述无人潜航器(1)位置，将其回收。