CN109795653B - 一种基于可抛载足垫的自适应海底着陆器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可抛载足垫的自适应海底着陆器，属于深海探测技术领域。所述海底着陆器，包括浮力框架、支撑机构和释放机构，所述支撑机构包括：若干可伸缩支撑腿，对称布置于浮力框架底沿；调平控制系统，包括姿态传感器模块和控制主机，所述姿态传感器模块采集海底着陆器的外部姿态数据并传输给控制主机，控制主机控制调节可伸缩支撑腿长度，将海底着陆器调至水平；可抛载足垫，作为配重物设于每个可伸缩支撑腿的底端；所述释放机构包括声学释放器，所述声学释放器连接所述可抛载足垫。本发明通过设置可伸缩支撑腿，实时调整着陆器着陆时的姿态，防止其倾倒，适应各种复杂的海底环境；可抛载足垫既作为配重压载，又可以实现着底支撑作用。

Description

一种基于可抛载足垫的自适应海底着陆器

技术领域

本发明涉及深海探测技术领域，具体涉及一种基于可抛载足垫的自适应海底着陆器。

背景技术

地球表面大部分都被海水所覆盖，其覆盖面积可达到地球表面积的71％。在陆地资源日益减少的情况下，海洋资源逐渐成为了资源开发的重点，已探明的海洋矿物资源、化学资源、生物资源和海洋动力资源储量丰富。就目前人类探测到海洋平均深度达3700米左右，世界上最深的马里亚纳海沟深度更是达到了11000米左右，深海中蕴藏着丰富的资源，生存着人类尚未了解的海洋生物，为了探索深海海底，需要借助先进的海底观测技术。传统的海洋观测手段大多不可实现实时、持续、原位的大范围观测，制约着人类对海洋的认识和研究，随着科技的进步，人类对海洋探索的手段也在不断发展。

海底着陆器是一种能实现海底原位长期观测的海洋观测仪器，着陆器自身无动力系统，仅在重力作用下完成指定海域的布放，当收到回收指令后，声学释放器将压载物抛载，此时依靠浮力进行回收。

如申请公布号为CN 105910574 A的专利文献公开了一种海底底基观测平台，其包括回收系统和抛弃支架，所述回收系统包括集成安装架、第一浮球、第二浮球、三分体声学释放器、至少一个高精度压力传感器和至少一个声学测距仪；抛离支架包括位于顶部的顶部环架和环架下方的三角着陆架；三角着陆架每个脚分别设有相同规格的配重块和导流装置；平台整体在配重块和自身重力作用下下沉，三脚着陆架上的导流筒可以帮助平台平稳下沉。所述三角着陆架内部设有三脚支撑的连接组件，连接组件上设有与所述释放控制器底部活动挂钩通过钢丝绳连接的连接环。该装置结构既可以保证整体平稳下沉着陆，又可以保证回收系统的成功释放回收。

海底着陆器可以实现探测、采样以及原位实验三个功能，海底着陆器的探测功能主要是指利用着陆器作为搭载平台，将各种传感器、观测设备安装在着陆器上进行海底区域的探测；而采样功能主要是指对海底沉积物、海水和生物采样和捕捉；原位实验功能则是指着陆器在海底着陆后，将所携带安装的实验舱打开进行试验。

当前的海底着陆器多以固定式支腿为主不能实现在海底自适应调平，布放在复杂的海底地形中，可能导致着陆器发生倾斜使科研仪器不能正常工作，除此之外，海底着陆器如果布放到海底的泥土环境中，会使传统的大平面足垫陷入泥中导致着陆器难以回收。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于可抛载足垫的自适应海底着陆器，以解决现有海底着陆器存在的不能实现在海底自适应调平、回收阶段因足垫沉陷而发生回收失败的情况。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于可抛载足垫的自适应海底着陆器，包括用于装载检测仪器的浮力框架、支撑机构和释放机构，

所述支撑机构包括：

若干可伸缩支撑腿，对称布置于浮力框架底沿；

调平控制系统，包括姿态传感器模块和控制主机，所述姿态传感器模块采集海底着陆器的外部姿态数据并传输给控制主机，控制主机控制调节可伸缩支撑腿长度，将海底着陆器调至水平；

可抛载足垫，作为配重物设于每个可伸缩支撑腿的底端；

所述释放机构包括声学释放器，所述声学释放器连接所述可抛载足垫。

本发明提供的海底着陆器整体框架由轻质的、密度比不锈钢小的铝合金管材焊接而成，能保证在足够的机械强度下，减少设备整体重量，相比较使用昂贵的钛金属材料，铝合金型材可大大降低制造加工成本；铝合金管材采用密封处理，可有效防止因海水进入管内而导致的内部腐蚀或海洋生物附着在金属管内壁。

所述浮力框架为可用于安装多种科学仪器的开放式圆柱浮球框架，浮球通过螺栓和系绳固定在框架上，采用上、中、下三层圆柱形结构设计，空间利用率可大大增加并有利于浮球和各种科学仪器安装固定及拆卸。

所述支撑机构还包括与所述浮力框架底部可拆卸组装的平台架，组装后浮力框架的垂直重心轴与支撑机构重心轴相重合；所述可伸缩支撑腿固定于所述平台架上。

海底着陆器的浮力框架与支撑机构之间采用螺栓固定连接，方便拆卸运输。浮力框架在上，支撑机构在下，固定之后不会发生相对移动，且浮力框架的垂直重心轴与支撑机构重心轴相重合，整体结构上浮心高于重心，保证在水流影响下整体不会发生倾覆，提升了布放时的可靠性。

本发明通过设置可伸缩支撑腿，实时调整海底着陆器在海底着陆时的姿态，避免发生倾倒。所述可伸缩支撑腿由调平控制系统控制调节。所述调平控制系统整体封装于密封的腔体中，并固定在平台架上。

所述调平控制系统包括姿态传感器模块和控制主机，两者通过信号电路连接，将采集的外部倾角数据传输到控制主机上进行处理。

所述调平控制系统还包括与每个可伸缩支撑腿连接的传动机构以及驱动传动机构工作的伺服电机，所述伺服电机接收控制主机信号驱动对应的传动机构工作调节可伸缩支撑腿长度。

本发明通过在可伸缩支撑腿末端配置可抛载足垫，既可以实现配重压载，也可以作为海底着陆器着底支撑，可使主体着陆器不与海底泥土直接接触，从而保证着陆器的顺利回收。

声学释放器与可抛载足垫连接，当声学释放器收到释放信号，脱钩将可抛载足垫抛载，通过浮球提供的浮力完成海底着陆器的回收。

本发明通过在声学释放器与可抛载足垫之间设置足垫抛载机构，实现两者的连接与断开。

所述释放机构还包括安装于每个可伸缩支撑腿的末端的足垫抛载机构，所述足垫抛载机构包括：

固定杆，与所述可抛载足垫固定连接；

固定杆夹套，所述固定杆自由端套设于固定杆夹套内；

销轴，包括本体和直径大于本体直径的扩展段，所述本体穿设于固定杆夹套侧壁，用于固定固定杆，所述固定杆自由端具有供销轴本体穿过的通孔；所述本体位于固定杆夹套与扩展段之间的外周套设有压缩弹簧；

L型弯钩，其折弯处被固定，一自由端通过弹性拉绳与所述声学释放器连接，当弹性拉绳处于拉紧状态，另一自由端抵靠销轴的扩展段并压紧压缩弹簧；当弹性拉绳处于放松状态，所述压缩弹簧反弹将所述销轴从固定杆夹套内推出。

当弹性拉绳与声学释放器连接时，弹性拉绳处于拉紧状态，当声学释放器释放弹性拉绳后，即为放松状态。所述足垫抛载机构利用拉紧的弹性拉绳固定L型弯钩，其末端将销轴压制住，同时令弹簧保持压缩状态，销轴固定住固定杆，令可抛载足垫与海底着陆器之间保持固定，当弹性拉绳放松时，L型弯钩的压制力不足以保持弹簧压缩，使弹簧拉伸将销轴弹出，使可抛载足垫脱钩释放。

优选的，所述销轴的扩展段成半圆形，所述L型弯钩的与所述扩展段接触的一端设有滚轮。

优选的，所述弹性拉绳的一端卷收在卷收器内，以保持弹性拉绳始终是拉紧状态，所述卷收器与所述声学释放器的固定钩连接，所述声学释放器安装于支撑机构的顶部。

所述的卷收器可随可伸缩支撑腿的收缩或延长而卷收或释放部分弹性拉绳，但始终保持伸出的弹性拉绳是拉紧状态。

优选的，所述声学释放器为两个，平行布置于支撑机构的顶部，两固定钩之间连接有拉绳，所有卷收器串联于所述拉绳上。

本发明采用并联双声学释放器结构配置，只要其中一个声学释放器脱钩，串联在拉绳上的卷收器即掉落，那么与其连接的弹性拉绳就为放松，保证着陆器的顺利回收。

优选的，所述可伸缩支撑腿上设有用于绕设所述弹性拉绳的转向轮。弹性拉绳沿着陆器框架布线，整体结构更简洁。

所述可抛载足垫包括配重块和承载台，所述可伸缩支撑腿的自由端搭载在所述承载台上，所述固定杆与所述配重块固定连接。

优选的，所述配重块与所述承载台之间设有若干连接杆。设计连接杆一方面可以防止因海底泥土层过厚，导致着陆器本体的支撑腿陷入泥土中；另一方面有利于提高稳性，使着陆器的恢复力矩增大。

具体地，所述的可抛载足垫，采用两个圆台设计，两个圆台之间使用四个圆柱焊接成整体，上部圆台直径较小，承接伸缩腿下端，下部圆台直径较大、长度较高，当可抛载足垫与海底地面接触时，可抛载足垫既作为足垫对海底着陆器起支撑作用，又作为压载物海底着陆器能顺利下沉布放。由于可抛载足垫的高度较高，可有效防止海底着陆器沉陷到泥土中而无法顺利回收。

优选的，所述平台架的外沿对称设有止荡勾，可有效的控制布放时着陆器的摆动幅度。

本发明具备的有益效果：

1、本发明提供的海底着陆器采用了浮球和配重物的结构设计，可有效控制海底着陆器布放时下降的速度和回收时上浮的速度，有利于降低海底着陆器在着陆时形成的瞬间冲击力，保护了着陆器平台所携带的科研设备，同时也避免了对观测环境的破坏；

采用浮力框架在上，支撑机构及配重物在下的设计方案，保证了浮心在上重心在下，可有效防止在布放过程中海底着陆器受到水流的影响发生倾覆。

2、本发明通过设置可伸缩支撑腿，实时调整着陆器着陆时的姿态，防止其倾倒，适应各种复杂的海底环境，当遇到海底地形复杂不平坦时，调平控制系统调节各可伸缩支撑腿将着陆器调至水平。

3、在本发明中，将配重物设计成安装在支撑腿末端作为可抛载足垫。既作为配重压载，又可以实现足垫的着底支撑作用。可抛载足垫设计的高度较高、底部面积略小，可有效防止海底着陆器着陆后，泥土的承载力不足而导致着陆器沉陷难以回收。

4、本发明可以作为海洋观测平台搭载各种实验仪器和观测设备，也可作为深海探测器的海底基站，可以达到中继站的效果。

附图说明

图1为基于可抛载足垫的自适应海底着陆器的结构示意图。

图2为海底着陆器调平控制系统的示意图。

图3为海底着陆器自适应调平工作流程图。

图4为海底着陆器的可抛载足垫结构示意图。

图5为海底着陆器的足垫抛载机构示意图。

图6为海底着陆器的声学释放器安装示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1-6所示，本实施例提供的一种基于可抛载足垫的自适应海底着陆器，包括浮力框架1、支撑机构2和释放机构。

浮力框架1为可用于安装多种科学仪器的开放式圆柱浮球框架，浮球11通过螺栓和系绳固定在框架上，框架采用上、中、下三层圆柱形结构设计，空间利用率可大大增加并有利于浮球和各种科学仪器安装固定及拆卸。

支撑机构2包括：

与浮力框架1底部可拆卸组装的平台架21，组装后浮力框架1的垂直重心轴与支撑机构重心轴相重合；浮力框架1与平台架21之间采用螺栓固定连接，方便拆卸运输；平台架21的外沿对称设有四个止荡勾211，可有效的控制布放时着陆器的摆动幅度；

四根对称设置于平台架21上的可伸缩支撑腿22；

调平控制系统23，包括姿态传感器模块231、控制主机232、以及与每个可伸缩支撑腿22连接的传动机构233以及驱动传动机构工作的伺服电机234，姿态传感器模块231与控制主机232通过信号电路连接，控制主机232通过信号电路连接伺服电机234。姿态传感器模块231采集海底着陆器的外部姿态(倾角)数据并传输给控制主机232进行处理，控制主机232经运算处理后将结果通过电路反馈驱动伺服电机234工作，通过传动机构233调节可伸缩支撑腿22长度，将海底着陆器调至水平。调平控制系统23整体封装于密封的腔体中并固定在平台架21上，可有效避免因海水和生物附着导致的机构失效。

可抛载足垫24，作为配重物设于每个可伸缩支撑腿22的底端；可抛载足垫24包括配重块241和承载台242，具体地，配重块241和承载台242为圆台设计，上部承载台242直径较小承接可伸缩支撑腿22下端，下部配重块241直径较大、长度较高，两个圆台之间使用四个圆柱连接杆243焊接成整体。可抛载足垫24与海底地面接触时既作为足垫对海底着陆器起支撑作用，又作为压载物海底着陆器能顺利下沉布放。由于可抛载足垫的高度较高，可有效防止海底着陆器沉陷到泥土中而无法顺利回收。

释放机构包括声学释放器3，声学释放器3连接可抛载足垫24，当声学释放器3收到释放信号，脱钩将可抛载足垫24抛载，通过浮球提供的浮力完成海底着陆器的回收。

具体地，声学释放器3与可抛载足垫24之间设置足垫抛载机构4，实现可抛载足垫24与着陆器主体之间的固定和抛载。

足垫抛载机构4包括：

固定杆41，与可抛载足垫的配重块241固定连接；

固定杆夹套42，固定杆41的自由端套设于固定杆夹套42内；

销轴43，包括本体431和直径大于本体直径的扩展段432，扩展段432成半圆形。本体431穿设于固定杆夹套42侧壁，用于固定固定杆41，固定杆41自由端具有供销轴本体穿过的通孔；本体位于固定杆夹套42与扩展段432之间的外周套设有压缩弹簧44；

L型弯钩45，其折弯处被固定，一自由端通过弹性拉绳5与声学释放器3连接，当弹性拉绳5处于拉紧状态，另一自由端抵靠销轴的扩展段432并压紧压缩弹簧44；当弹性拉绳5处于放松状态，压缩弹簧44反弹将销轴43从固定杆夹套42内推出。L型弯钩45的与扩展段432半球面接触的一端设有滚轮451。

足垫抛载机构4利用拉紧的弹性拉绳5固定L型弯钩45，其末端将销轴43压制住，同时令压缩弹簧44保持压缩状态，销轴43固定住固定杆41，令可抛载足垫与海底着陆器之间保持固定，当弹性拉绳放松时，L型弯钩54的压制力不足以保持弹簧压缩，使弹簧拉伸将销轴43弹出，使可抛载足垫24脱钩释放。

具体地，弹性拉绳5的一端卷收在卷收器6内，以保持弹性拉绳5始终是拉紧状态，卷收器6与声学释放器3的固定钩连接，声学释放器3安装于平台架21。优选的，声学释放器3为两个，利用卡扣平行布置于平台架21的顶部，两固定钩之间连接有拉绳7，四个卷收器6串联于拉绳7上，每个卷收器6伸出的弹性拉绳5绕过相应支撑腿上的转向轮8与对应的足垫抛载机构4内的L型弯钩45连接。采用并联双声学释放器结构配置，只要其中一个声学释放器脱钩，串联在拉绳上的卷收器即掉落，那么与其连接的弹性拉绳就为放松。

本实施例提供的海底着陆器整体框架由轻质的、密度比不锈钢小的铝合金管材焊接而成，能保证在足够的机械强度下，减少设备整体重量，相比较使用昂贵的钛金属材料，铝合金型材可大大降低制造加工成本；铝合金管材采用密封处理，可有效防止因海水进入管内而导致的内部腐蚀或海洋生物附着在金属管内壁。

具体实施时，首先在上部的浮力框架1安装科学仪器，在安装固定好各个设备后将外部的浮球11通过螺栓和系绳固定在浮力框架1上；其次将调平控制系统23、释放机构等设备安装在支撑机构上。待海上试验开始前，将两部分组装成一体，通过计算配重，选择合适的配重抛载足垫和浮球数量进行装配。投放时将该海底着陆器的四个止荡勾211系好，调离船体由船上投入水中，海底着陆器可根据预定的速度到达海底工作。当回收时，从水面的声学释放器甲板单元向海底着陆器释放声学信号来启动声学释放器3放松卷收器6抛载压载物即可抛载足垫24，由于抛载后的海底着陆器受到正浮力作用，可以完成上浮回收。

本实施例提供的海底着陆器一使用实例如下所述：随着人类对深海和深渊的探测需求不断增加，载人潜航器和无人航行器的下潜极限可能无法到达，海底着陆器技术越发成为海底观测技术的热点。海底着陆器可以拍摄海底生活的各种生物图像，同时可以捕获海底生物样品。海底着陆器作为深海观测的新型技术手段，承担着探测、采样和原位试验的三个任务，可以作为海底观测网的小型终端。

本实施例提供的海底着陆器另一使用实例如下所述：水下机器人发展日益加快，但是限制水下机器人、潜航器的电源问题难以解决，本着陆器可以携带电池，将着陆器变成水下移动工作设备的基站，为机器人、潜航器充电、上传下载数据及命令。作为基站的深海着陆器，可采用使用干电池储存电量，在无工作设备访问时进入休眠模式，一旦有工作设备靠近时，则进入工作状态，鉴于水下不易于进行实体接口对接，水下基站采用无线数据传输通信和无线电能传输的工作模式，考虑到无线电能传输过程中有电磁干扰，故两种工作状态分别执行。

Claims (9)

1.一种基于可抛载足垫的自适应海底着陆器，其特征在于，包括用于装载检测仪器的浮力框架、支撑机构和释放机构，

所述支撑机构包括：

若干可伸缩支撑腿，对称布置于浮力框架底沿；

调平控制系统，包括姿态传感器模块和控制主机，所述姿态传感器模块采集海底着陆器的外部姿态数据并传输给控制主机，控制主机控制调节可伸缩支撑腿长度，将海底着陆器调至水平；

可抛载足垫，作为配重物设于每个可伸缩支撑腿的底端；

所述释放机构包括声学释放器，所述声学释放器连接所述可抛载足垫；

所述释放机构还包括安装于每个可伸缩支撑腿的末端的足垫抛载机构，所述足垫抛载机构包括：

固定杆，与所述可抛载足垫固定连接；

固定杆夹套，所述固定杆自由端套设于固定杆夹套内；

销轴，包括本体和直径大于本体直径的扩展段，所述本体穿设于固定杆夹套侧壁，用于固定固定杆，所述固定杆自由端具有供销轴本体穿过的通孔；所述本体位于固定杆夹套与扩展段之间的外周套设有压缩弹簧；

L型弯钩，其折弯处被固定，一自由端通过弹性拉绳与所述声学释放器连接，当弹性拉绳处于拉紧状态，另一自由端抵靠销轴的扩展段并压紧压缩弹簧；当弹性拉绳处于放松状态，所述压缩弹簧反弹将所述销轴从固定杆夹套内推出；

所述弹性拉绳的一端卷收在卷收器内，以保持弹性拉绳始终是拉紧状态，所述卷收器与所述声学释放器的固定钩连接。

2.如权利要求1所述的基于可抛载足垫的自适应海底着陆器，其特征在于，所述支撑机构还包括与所述浮力框架底部可拆卸组装的平台架，组装后浮力框架的垂直重心轴与支撑机构重心轴相重合；所述可伸缩支撑腿固定于所述平台架上。

3.如权利要求1所述的基于可抛载足垫的自适应海底着陆器，其特征在于，所述调平控制系统还包括与每个可伸缩支撑腿连接的传动机构以及驱动传动机构工作的伺服电机，所述伺服电机接收控制主机信号驱动对应的传动机构工作调节可伸缩支撑腿长度。

4.如权利要求1所述的基于可抛载足垫的自适应海底着陆器，其特征在于，所述销轴的扩展段成半圆形，所述L型弯钩的与所述扩展段接触的一端设有滚轮。

5.如权利要求1所述的基于可抛载足垫的自适应海底着陆器，其特征在于，所述声学释放器安装于支撑机构的顶部。

6.如权利要求5所述的基于可抛载足垫的自适应海底着陆器，其特征在于，所述声学释放器为两个，平行布置于支撑机构的顶部，两固定钩之间连接有拉绳，所有卷收器串联于所述拉绳上。

7.如权利要求5所述的基于可抛载足垫的自适应海底着陆器，其特征在于，所述可伸缩支撑腿上设有用于绕设所述弹性拉绳的转向轮。

8.如权利要求1所述的基于可抛载足垫的自适应海底着陆器，其特征在于，所述可抛载足垫包括配重块和承载台，所述可伸缩支撑腿的自由端搭载在所述承载台上，所述固定杆与所述配重块固定连接。

9.如权利要求8所述的基于可抛载足垫的自适应海底着陆器，其特征在于，所述配重块与所述承载台之间设有若干连接杆。

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