CN109774900A - 一种6000米级深海高机动自主水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下机器人技术领域，具体地说是一种6000米级深海高机动自主水下机器人，包括顶部段、中部段和底部段，顶部段包括顶部段浮力材、艏推进器和多个外部装置，其中两个艏推进器分设于顶部段艏端两侧；中部段包括框架、中部段浮力材、蒙皮、艉水平推进器、艉垂直推进器、控制舱和多个内部搭载仪器，顶部段浮力材与框架上侧固连，中部段浮力材设于框架艏艉两端，蒙皮设于框架左右两侧，两个艉水平推进器设于中部段艉端两侧，艉垂直推进器设于两个艉水平推进器之间；底部段包括保护架、底部段浮力材和多个底部仪器，保护架和底部段浮力材与框架下侧固连。本发明最深可在6000米深海中作业，机动性好且可进行AUV、ROV模式切换。

Description

一种6000米级深海高机动自主水下机器人

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，具体地说是一种6000米级深海高机动自主水下机器人。

背景技术

自主水下机器人(AUV)是用于深水观测、救助打捞、水下工程维修、海洋石油开发、海军军事建设等各种水下作业的装备，AUV的机动性和避障能力是判断AUV性能的重要指标。世界海洋中，97％海域深度小于6000米，因此一台6000米级的深海AUV可以对全世界海洋中绝大部分海域海底进行探测，但由于深海海底地形复杂多变，AUV探测时会面对很多未知因素，因此深海近海底探测AUV要求具备更加优良的机动性和避障能力。

现有技术中深海AUV面对复杂多变未知的海底地形，常因躲避不及时而发生碰撞，极易造成浮力材破损及设备损坏，从而造成深海AUV的浮力变小，重浮心变化，导致设备无法正常工作，并且也会致使深海AUV的航行控制偏差，或者因无法正常工作而使作业终止潜器上浮，这严重影响了海底探测的工作进度和深海AUV的安全作业。另外面对大深度的海底探测，如果AUV整体采用密封壳体结构，壳体厚度会很大，会造成深海AUV尺寸、重量大大增加。

另外面对各种各样的勘探或科学调查任务，AUV需要搭载相应的设备、传感器等来完成相应任务，由于体积和结构限制，现有深海AUV无法满足各种勘察任务需求，而且有时仅需要针对某一类勘探任务，无需搭载其他设备，从而要求深海AUV所搭载设备可拆卸更换，可搭载新的仪器设备且不影响AUV的航行性能，因而对于深海AUV还有可扩展性的要求。

再者由于AUV水下通讯的局限性，需要对海底数据进行实施传输、对水下潜器进行实时控制时，由于深度较深，AUV无法完成该水下任务，往往需要ROV(遥控无人潜水器)配合进行作业，因而面对一些水下任务，需要分别使用AUV和ROV才能顺利完成，这就大大的增加了潜器设备数量、保障人员数量和占用的母船空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种6000米级深海高机动自主水下机器人，最深可在6000米深海中实现近海底微地形、地貌的精细探测、坐底采样作业，具有优良的自适应航行能力、航行姿态微调能力，可进行AUV、ROV两种作业模式切换的自主水下机器人。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种6000米级深海高机动自主水下机器人，包括依次相连的顶部段、中部段和底部段，所述顶部段包括顶部段浮力材、艏推进器和多个外部装置，两个艏推进器分设于顶部段艏端两侧，所述多个外部装置设置于所述顶部段浮力材上；

所述中部段包括框架、中部段浮力材、蒙皮、艉水平推进器、艉垂直推进器、控制舱和多个内部搭载仪器，所述顶部段浮力材与所述框架上侧固连，中部段浮力材设置于所述框架艏艉两端，蒙皮设置于框架左右两侧并与中部段浮力材形成流线型，两个艉水平推进器设置于中部段艉端两侧，艉垂直推进器设置于所述两个艉水平推进器之间，所述控制舱和所述多个内部搭载仪器均固装在所述框架内，且所述各个外部装置、各个推进器、各个内部搭载仪器均通过所述控制舱控制；

所述底部段包括保护架、底部段浮力材和多个底部仪器，所述保护架和底部段浮力材与所述框架下侧固连，所述多个底部仪器置于底部段浮力材上，且所述各个底部仪器通过所述控制舱控制。

所述顶部段浮力材上设有多个安装孔，所述多个外部装置分别安装在不同的安装孔中；所述框架内设有下支架平板，所述控制舱及多个内部搭载仪器通过所述下支架平板支承；所述底部段浮力材上设有多个容置孔，所述多个底部仪器分别置于不同的容置孔中。

所述多个内部搭载仪器包括前视声呐、深水罗经、油补偿器、电机驱动器、电池、充油分线盒、声通讯机主机和超短电子舱。

所述多个外部装置包括声通讯信标、频闪灯、无线电、铱星GPS和超短信标，其中所述声通讯信标与所述声通讯机主机配合，所述超短新标与所述超短电子舱配合。

所述多个底部仪器包括下潜抛载、照相机、激光仪、多普勒计程仪、上浮抛载和闪光灯，其中所述下潜抛载和上浮抛载均吸附有压铁，且所述下潜抛载和上浮抛载通过所述控制舱控制释放压铁。

所述顶部段设有起吊环，且所述起吊环通过一个槽钢与框架固定连接并设置于所述顶部段浮力材上侧。

所述顶部段浮力材上设有光纤，所述框架内设有通过所述控制舱控制的充油分线盒，所述光纤与所述充油分线盒相连。

所述两个艏推进器均头端朝上且向内倾斜。

所述两个艉水平推进器水平设置且尾端向内倾斜，所述艉垂直推进器垂直设置且尾端朝下。

本发明的优点与积极效果为：

1、本发明设有五个推进器，在竖直面的三个推进器可以控制深海AUV实现悬停，水平方向的两个推进器可以有效的控制深海AUV的转艏运动，使本发明具有很高的机动性。

2、本发明采用模块化设计，包括顶部段、中部段和底部段，其中进行日常设备维护、操作时，仅需将中部段两侧蒙皮拆卸掉，将下支架平板作为操作平台，不必拆卸浮力材，维护操作更方便更高效。

3、本发明顶部段、中部段首部和底部段尾部主要有大块的浮力材组成，该部分的空间可用于替换、搭载新增加的设备，具有位置、摆放方向要求的设备同样可以满足替换要求，具有很强的扩展性。

4、本发明底部段外侧设有保护架，在发生碰撞、海底进行坐底采样作业时，可以有效的保护深海AUV本体，减少浮力材、仪器设备等的破损，在岸上时可作为支撑架而不必使用转运平台等对深海AUV进行支撑。

5、本发明通过位于顶部段尾端内部的光纤与母船连接，可实现AUV和ROV两种作业模式的切换，可将海底数据实时传输到母船，母船可对本发明进行实时控制，使深海AUV具有更强的作业能力。

6、本发明最大作业深度为6000米，可在世界海洋中97％海域内进行作业，具有广泛的作业区域。

附图说明

图1为本发明的外部示意图，

图2为图1中本发明的内部结构示意图，

图3为图1中本发明的剖视图。

其中，101为艏推进器，102为艉水平推进器，103为艉垂直推进器，2为声通讯信标，3为频闪灯，4为起吊环，5为无线电、6为铱星GPS，7为超短信标，8为浮力材，801为顶部段浮力材，802为中部段浮力材，803为底部段浮力材，9为蒙皮，10为保护架，11为框架，12为声通讯机主机，13为充油分线盒，14为电池舱，15为下支架平板，16为电机驱动器，17为控制舱，18为油补偿器，19为深水罗经，20为前视声呐，21为下潜抛载，22为照相机，23为激光仪，24为多普勒计程仪，25为上浮抛载，26为闪光灯，27为光纤，28为超短电子舱，100为顶部段，200为中部段，300为底部段。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～3所示，本发明采用分段式模块化设计，包括依次相连的顶部段100、中部段200和底部段300，本发明的流线型主体和空隙处由浮力材8所填充，以保证本发明的流线造型和提供必要的正浮力，如图1和图3所示，所述浮力材8包括顶部段浮力材801、中部段浮力材802、底部段浮力材803，所述浮力材8为本领域公知技术。

如图1～3所示，所述顶部段100包括顶部段浮力材801、艏推进器101、起吊环4、光纤27和多个外部装置，两个艏推进器101分别位于顶部段100艏端的两侧，所述艏推进器101轴线与潜器纵切面呈一定角度，也即所述两个艏推进器101均头端朝上且向内倾斜，所述顶部段浮力材801通过螺栓与框架11相固定连接，如图2所示，所述起吊环4位于本发明重心延长线处，所述起吊环4通过槽钢与框架11固定连接并设置于顶部段浮力材801上侧，所述起吊环4两侧设有筋板以加强起吊点的强度，本发明在布放和回收过程中为单点起吊，减少绳子的数量和绳子的缠绕工序，更方便本发明的布放、回收。

如图1和图3所示，在所述顶部段浮力材801上设有多个安装孔，所述多个外部装置分别安装在不同的安装孔中，所述多个外部装置包括声通讯信标2、频闪灯3、无线电5、铱星GPS6、超短信标7，其中所述无线电5和铱星GPS6用于本发明浮出水面后与母船联系发送数据，以确定本发明所在位置信息，所述频闪灯3用于本发明夜间浮出水面后示位，所述声通讯信标2和超短信标7分别与设置于中部段200的声通讯主机12和超短电子舱28配合使用，所述各个外部装置均为本领域公知技术。所述各个外部装置均通过所述控制舱17控制。

如图3所示，所述光纤27位于铱星GPS6和超短信标7中间处，并置于顶部段浮力材801上的一个安装孔中，并与中部段200内的充油分线盒13相连。当本发明为AUV作业模式时，光纤27留在顶部段浮力材801内，以减小航行阻力，当本发明为ROV作业模式时，将光纤27从所述容置孔取出并与母船光纤连接，以实现本发明的ROV作业模式，将海底探测数据实时传输到母船，母船可以对本发明进行实时控制，本发明可在AUV、ROV两种作业模式中进行切换，以适应不同勘探、科考调查任务。

如图1～3所示，所述中部段200包括框架11、中部段浮力材802、蒙皮9、艉水平推进器102、艉垂直推进器103、控制舱17和多个内部搭载仪器，所述顶部段浮力材801与所述框架11上侧固连，中部段浮力材802设置于所述框架11艏艉两端，所述蒙皮9位于中部段200左右两侧且安装在所述框架11上用于补形，使其与中部段浮力材802保持流线造型。两个艉水平推进器102水平设置于中部段200艉端的两侧，且艉水平推进器102轴线与潜器水平中轴线呈有一定角度，并且所述艉水平推进器102尾端向内倾斜，该配置方式相比推进器轴线沿潜器水平中轴线的配置方式，相对浮心的力矩更大，垂直潜器纵切面的方向有力的分量，使本发明在水平面内有更高的机动性和更好的转艏性能，所述艉垂直推进器103垂直设置于所述两个艉水平推进器102之间且尾端朝下，所述顶部段100艏端的两个艏推进器101与所述艉垂直推进器103相配合使本发明可以实现悬停，在垂直方向上具有良好的机动性和较高的垂向速度。在所述框架11内设有控制舱17，所述控制舱17为本发明的控制系统，用于传达本发明任务使命和控制本发明的航行，所述艏推进器101、艉水平推进器102和艉垂直推进器103均通过所述控制舱17控制。另外当需要对本发明进行操作、维修、日常保养时，仅需将两侧蒙皮9卸掉，以下支架平板15为操作平台，无需拆卸浮力材8即可直接进行操作，使得本发明操作维护更加方便。

如图2所示，所述框架11内设有下支架平板15，所述控制舱17及多个内部搭载仪器通过所述下支架平板15支承并固装在所述框架11内，所述多个内部搭载仪器包括前视声呐20、深水罗经19、油补偿器18、电机驱动器16、电池14、充油分线盒13、声通讯机主机12和超短电子舱28，其中所述前视声呐20扫描前方障碍物，用于本发明实时避障，所述油补偿器18用于保持油管等充油系统的内外压平衡，所述电机驱动器16用于控制各个推进器的运行，所述电池14为本发明的能源系统，为充油式内外压平衡电池，相比较传统电池可以耐住更高的压力，所述充油分线盒13用于不同系统间线路的转接，顶部段100上的光纤27即与所述充油分线盒13相连，所述深水罗经19与多普勒计程仪24配合使用，构成组合惯性导航系统，用于指示本发明姿态位置与导航，所述声通讯机主机12与设置于顶部段100的声通讯信标2配合使用，用于水下与母船进行通讯，所述超短电子舱28与设置于顶部段100的超短新标7配合使用，为水下导航定位系统，用于本发明水下的导航定位。所述各个内部搭载仪器均为本领域公知技术，且所述各个内部搭载仪器均通过所述控制舱17控制。

如图1～3所示，所述底部段300包括位于外侧的保护架10、底部段浮力材803和多个底部仪器，其中所述保护架10和底部段浮力材803与所述框架11下侧固连，本发明在近海底航行时如遇到突起物躲避不及时或是坐底作业时，所述保护架10可以有效保护本发明的底部段浮力材803和底部仪器设备免受损坏，本发明在岸上时，所述保护架10可以起到支撑架的作用，不必再使用木托等其他保障支撑设备，减少了保障设备的数量，操作维护更加方便。

如图3所示，在所述底部段浮力材803上设有多个容置孔，所述多个底部仪器分别置于不同的容置孔中。所述多个底部仪器包括由艏端到艉端依次设置的下潜抛载21、照相机22、激光仪23、多普勒计程仪24、上浮抛载25和闪光灯26，其中所述下潜抛载21和上浮抛载25均吸附有压铁，当本发明吊放入水中需要下潜到指定深度时，本发明靠自身重力产生的负浮力无动力螺旋下潜，当本发明达到指定航行深度时，下潜抛载21抛弃压铁，实现零浮力在该航行深度航行，在本发明完成任务回收或出现故障无法浮至水面时，上浮抛载25抛弃压铁，重力减小产生正浮力，本发明靠自身浮力上浮至水面。所述照相机22、激光仪23和闪光灯26为光学设备，用于海底拍照，所述多普勒计程仪24用于测量本发明相对于水底的航速和累计航程，与深水罗经19配合使用，构成组合惯性导航系统。所述各个底部仪器均为本领域公知技术，且所述各个底部仪器均通过所述控制舱17控制。

如图3所示，顶部段浮力材801占据顶部段100的绝大部分空间且空间较大，当需要搭载新仪器设备时可以将部分顶部段浮力材801取下安放新的仪器设备，中部段浮力材802的首端和底部段浮力材803尾端同样占据了很大空间，需要搭载新仪器设备时，同样可以将中部段浮力材802的首端和底部段浮力材803尾端卸下，用于安放新的仪器设备，另外有方向位置摆放要求的新仪器设备同样可以在本发明上进行搭载，比如在进行坐底作业或处于ROV作业模式时，可在浮力材803尾端处搭载海水、泥土采样设备以满足科考任务，新搭载的仪器设备可以固定连接在框架11和下支架平板15上，因此本发明具有优良的可扩展性。

本发明的工作原理为：

首先本发明从作业母船吊放入水中，由于下潜抛载21吸附压铁的原因，本发明产生负浮力进行无动力螺旋下潜，当达到预定深度范围时，下潜抛载21抛弃压铁，本发明为零浮力，通过控制舱17传达任务使用，控制推进器实现深海AUV的航行控制，所搭载仪器设备进行工作，在预定深度范围内执行探测、调查任务，在完成任务后，自主航行到预定回收点，上浮抛载25抛弃压铁，深海AUV产生正浮力，上浮至水面，频闪灯3亮起，无线电5和铱星GPS6发送位置信息，等待回收。母船接近后，起吊回收。

Claims (9)

1.一种6000米级深海高机动自主水下机器人，其特征在于：包括依次相连的顶部段(100)、中部段(200)和底部段(300)，所述顶部段(100)包括顶部段浮力材(801)、艏推进器(101)和多个外部装置，两个艏推进器(101)分设于顶部段(100)艏端两侧，所述多个外部装置设置于所述顶部段浮力材(801)上；

所述中部段(200)包括框架(11)、中部段浮力材(802)、蒙皮(9)、艉水平推进器(102)、艉垂直推进器(103)、控制舱(17)和多个内部搭载仪器，所述顶部段浮力材(801)与所述框架(11)上侧固连，中部段浮力材(802)设置于所述框架(11)艏艉两端，蒙皮(9)设置于框架(11)左右两侧并与中部段浮力材(802)形成流线型，两个艉水平推进器(102)设置于中部段(200)艉端两侧，艉垂直推进器(103)设置于所述两个艉水平推进器(102)之间，所述控制舱(17)和所述多个内部搭载仪器均固装在所述框架(11)内，且所述各个外部装置、各个推进器、各个内部搭载仪器均通过所述控制舱(17)控制；

所述底部段(300)包括保护架(10)、底部段浮力材(803)和多个底部仪器，所述保护架(10)和底部段浮力材(803)与所述框架(11)下侧固连，所述多个底部仪器置于底部段浮力材(803)上，且所述各个底部仪器通过所述控制舱(17)控制。

2.根据权利要求1所述的6000米级深海高机动自主水下机器人，其特征在于：所述顶部段浮力材(801)上设有多个安装孔，所述多个外部装置分别安装在不同的安装孔中；所述框架(11)内设有下支架平板(15)，所述控制舱(17)及多个内部搭载仪器通过所述下支架平板(15)支承；所述底部段浮力材(803)上设有多个容置孔，所述多个底部仪器分别置于不同的容置孔中。

3.根据权利要求1或2所述的6000米级深海高机动自主水下机器人，其特征在于：所述多个内部搭载仪器包括前视声呐(20)、深水罗经(19)、油补偿器(18)、电机驱动器(16)、电池(14)、充油分线盒(13)、声通讯机主机(12)和超短电子舱(28)。

4.根据权利要求3所述的6000米级深海高机动自主水下机器人，其特征在于：所述多个外部装置包括声通讯信标(2)、频闪灯(3)、无线电(5)、铱星GPS(6)和超短信标(7)，其中所述声通讯信标(2)与所述声通讯机主机(12)配合，所述超短新标(7)与所述超短电子舱(28)配合。

5.根据权利要求1或2所述的6000米级深海高机动自主水下机器人，其特征在于：所述多个底部仪器包括下潜抛载(21)、照相机(22)、激光仪(23)、多普勒计程仪(24)、上浮抛载(25)和闪光灯(26)，其中所述下潜抛载(21)和上浮抛载(25)均吸附有压铁，且所述下潜抛载(21)和上浮抛载(25)通过所述控制舱(17)控制释放压铁。

6.根据权利要求1所述的6000米级深海高机动自主水下机器人，其特征在于：所述顶部段(100)设有起吊环(4)，且所述起吊环(4)通过一个槽钢与框架(11)固定连接并设置于所述顶部段浮力材(801)上侧。

7.根据权利要求1所述的6000米级深海高机动自主水下机器人，其特征在于：所述顶部段浮力材(801)上设有光纤(27)，所述框架(11)内设有通过所述控制舱(17)控制的充油分线盒(13)，所述光纤(27)与所述充油分线盒(13)相连。

8.根据权利要求1所述的6000米级深海高机动自主水下机器人，其特征在于：所述两个艏推进器(101)均头端朝上且向内倾斜。

9.根据权利要求1所述的6000米级深海高机动自主水下机器人，其特征在于：所述两个艉水平推进器(102)水平设置且尾端向内倾斜，所述艉垂直推进器(103)垂直设置且尾端朝下。