CN110341917A - 水下无人自主航行器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水下无人自主航行器，包括航行器本体和岸上操作终端，航行器本体包括独立密封并组装一体的头段、中段、尾段和至少一个智能控制器；智能控制器包括一个独立供电、可与所述岸上操作终端无线连接的成品移动通信终端，移动通信终端设置在水密壳体内；智能控制器所集成的功能模块包括电池、显示屏、WIFI通信单元、无线移动通信单元、卫星定位单元、姿态传感器、电子罗盘、存储模块、计算单元、视频单元和音频单元；在头段壳体、中段壳体或尾段壳体及水密壳体内设置有若干传感器；本发明装置利用高集成度的商品化智能移动通信终端，高度集成了包括水下无人自主航行器所需的绝大部分传感器和通信单元，其集成度高、价格低、易于模块化。
Description
技术领域
本发明涉及水下探测器技术领域，具体涉及一种水下无人自主航行器。
背景技术
水下无人自主航行器是一种综合了自动控制和其他先进计算技术的任务控制器，集成了传感器、计算机软件、能量储存、动力与推进，以及各类新材料与新工艺。可广泛用于海洋工程、海洋监测等领域。
水下无人自主航行器的研制始于50年代，早期主要用于海上石油与天然气的开发等，军用方面主要用于打捞试验丢失的海底武器(如鱼雷)，后来在水雷战中作为灭雷工具得到了较大的发展。随着计算机技术、人工智能技术、微电子技术、小型导航设备、指挥与控制硬件、逻辑与软件技术的突飞猛进，水下无人自主航行器得到了大力发展，日益受到各国海洋技术部门的重视。
目前水下无人自主航行器的设计大都采用集成开发的方式，利用现有的各类硬件模块进行搭接，航行器的各舱段之间相互连通。如此设计的缺点有：（1）各段依靠段间的水密措施进行水密，极容易因装配不当、运输等原因产生问题，影响水密性能；（2）段与段之间导线繁多，不便于拆卸及维护；（3）升级改造工作量大；（4）若搭载额外设备则需重新改造电路和修改程序，软件硬件机械接口均未标准化；（5）航行器上所采用的各类传感器都是从市场上采购，体积大，集成度低，价格高，可靠性不易保障；（6）开发平台使用门槛高，不利于用户二次开发。（7）各类智能算法不易为用户及时升级。
发明内容
本发明的目的是提供一种水下无人自主航行器，解决现有技术中存在的问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
水下无人自主航行器，包括航行器本体和岸上操作终端，所述航行器本体包括独立密封并组装一体的头段、中段、尾段和至少一个智能控制器；所述头段包括头段壳体；所述中段包括中段壳体；所述尾段包括尾段壳体、设置在尾段壳体内的动力推进单元和尾段壳体外的鳍舵；
所述智能控制器包括一个独立供电、可与所述岸上操作终端无线连接的成品移动通信终端，移动通信终端设置在水密壳体内；所述智能控制器所集成的功能模块包括电池、显示屏、WIFI通信单元、无线移动通信单元、卫星定位单元、姿态传感器、电子罗盘、存储模块、计算单元、视频单元和音频单元；在所述头段壳体、中段壳体或尾段壳体及水密壳体内设置有若干传感器；在所述头段壳体、中段壳体或尾段壳体内设置有电池单元；所述智能控制器连接并控制电池单元、动力推进单元和若干传感器；所述电池单元为智能控制器、动力推进单元和若干传感器提供电能。
进一步的，所述智能控制器设置多个，多个智能控制器分别固定在头段、中段或尾段的内部或外部，多个智能控制器之间通过WIFI无线连接进行通信组网。
进一步的，其特征在于，所述若干传感器包括但不限于深度传感器、高度传感器、多普勒计程仪、侧扫声呐或多波束声呐；所述深度传感器、高度传感器、多普勒计程仪、侧扫声呐或多波束声呐均通过WIFI无线连接所述智能控制器。
进一步的，所述动力推进单元包括推进控制模块、调速控制模块、电机、螺旋桨和若干舵机；所述舵机包括至少一个水平舵机和一个垂直舵机；所述推进控制模块分别与舵机和调速控制模块连接，所述调速控制模块连接电机，电机通过转动轴连接螺旋桨；推进控制模块通过WIFI无线连接所述智能控制器。
进一步的，所述中段壳体通过透明或半透明材质制成，在中段壳体内嵌入信息显示单元，所述信息显示单元包括若干LED灯带；信息显示单元通过WIFI无线连接所述智能控制器。
进一步的，所述电池单元为为一体式结构，一体式结构的电池单元分别与动力推进单元、智能控制器和若干传感器电气连接。
进一步的，所述电池单元为分体式结构，分体式结构的电池单元分别装配在动力推进单元和若干传感器上。
进一步的，所述电池单元包括锂离子电池模块、电量监测模块和电源控制模块；所述锂离子电池模块的正负极与电量监测模块连接，正极通过电源控制模块与外部用电设备连接，所述电量监测模块通过RS232接口与电源控制模块连接；所述电源控制模块通过WIFI无线连接所述智能控制器。
进一步的，所述无线移动通信单元为4G通信单元或433MHz通信模块；所述卫星定位单元为GPS定位系统或北斗定位系统。
进一步的，所述头段壳体采用双参数平方根多项式圆头线型；所述尾段壳体采用双参数平方根多项式尖尾线型。
本发明的有益效果：
1.本发明装置利用高集成度的商品化智能移动通信终端，高度集成了包括水下无人自主航行器所需的绝大部分传感器和通信单元。由于该设计基于大量的货架产品，所以其集成度高、价格低、易于模块化。
2.该设计将各个舱段独立密封处理，各段内部除电源线之外，完全无任何信号线连接。若情况需要，各段也可自配电池，实现完全无线路连接，而是通过标准的WiFi接口进行联通，使得各段之间拆卸组装极其方便，操作上手容易，彻底解决了由于装配不合理造成的漏水和沉没事件，还有利于标准化和模块化的生产，更适合于搭载其他设备，如:侧扫声呐等各类传感器等。
附图说明
图1为本发明一个实施例的整体结构外观示意图；
图2为本发明一个实施例的信息传输示意框图；
图3为本发明一个实施例的电池单元组成结构示意框图；
图4为本发明一个实施例的推进控制单元组成结构示意框图；
图中，1-头段，2-中段，3-尾段，4-鳍舵。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
参见图1和图2，本实施例公开一种水下无人自主航行器，包括航行器本体和岸上操作终端，航行器本体包括独立密封并组装一体的头段1、中段2、尾段3和至少一个智能控制器（图中未示出）；头段1包括头段壳体；中段2包括中段壳体；尾段3包括尾段壳体、设置在尾段壳体内的动力推进单元和壳体外部的鳍舵4；该智能控制器为一个独立供电、可与岸上操作终端无线连接的移动通信终端，移动通信终端配套有水密壳体。该智能控制器集成的模块包括但不限于电池、显示屏、WIFI通信单元、无线移动通信单元、卫星定位单元（GPS定位系统或北斗定位系统）、姿态传感器、电子罗盘单元、存储模块、计算单元、视频单元、音频单元等；在头段壳体、中段壳体或尾段壳体及水密壳体内设置有若干传感器。
在本实施例中，智能控制器是一部具备4G通信的智能移动通信终端，该智能移动通信终端通过水密壳体水平安装在中段壳体上部不高于10cm的位置。需要说明的是，在另一个实施例中，可以设置多个智能控制器，即将多部具备4G通信的智能移动通信终端，将分别固定在头段、中段或尾段的内部或外部，多部智能移动通信终端之间通过WIFI无线连接进行通信组网，以实现更为复杂的智能、并行处理功能。它们之间可以事先确定控制关系，也可以自主决定控制关系。
在中段壳体内设置了电池单元、本实施例中，电池单元为为一体式结构，一体式结构的电池单元分别与动力推进单元、智能控制器和若干传感器电气连接并为它们 提供电能；参见图3，该电池单元具体包括锂离子电池、电量监控模块和电源控制模块（基于ESP32主控芯片），锂离子电池通过电量监控模块获得其电量，通过其RS232接口与电源控制模块连接，电源控制模块中包含磁控开关，磁控开关控制电池的正极的导通；电源控制模块通过WIFI连接智能控制器。电池单元提供航行器各段所需的电源，同时监测锂离子电池的电量信息，控制各路电源的开与关。需要指出的是，在其他实施例中，电池单元也可以也可以化整为零，为分体式结构，分别装配在动力推进单元和若干传感器上。
岸上操作终端是一个独立供电的、与智能控制器相同或类似的成品移动通信终端。在本实施例中，智能控制器与岸上操作终端采用现有技术中已经成熟的4G网络连接，在近距离时通过WIFI连接，但是，并不意味本发明装置仅能采用这两种网络连接，本领域技术人员亦可采用其他无线连接方式达到岸上操作终端与自主航行器无线连接的目的。
在头段壳体、中段壳体或尾段壳体及水密壳体内设置有若干传感器。若干传感器包括但不限于深度传感器、多普勒计程仪、侧扫声呐等，可以完成各种不同的拓展功能；深度传感器、多普勒计程仪、侧扫声呐均通过WIFI无线连接智能控制器。
参见图4，动力推进单元包括推进控制模块（基于ESP32主控芯片的控制电路）、调速控制模块、电机、螺旋桨和舵机；推进控制模块负责控制舵机，并通过设置调速控制模块的参数来控制电机和螺旋桨。在本实施例中，舵机设置四个，包括两个水平舵机和两个垂直舵机；推进控制模块通过IO及驱动电路与四个舵机连接，推进控制模块通过RS232与调速控制模块连接，可以根据指令调节电机的转速和转向；调速控制模块通过WIFI连接智能控制器。
在本实施例中，中段壳体内还嵌入有信息显示单元，此时，中段壳体需采用透明或半透明的材料制成，信息显示单元包括若干LED灯带，信息显示单元通过WIFI连接智能控制器，智能控制器可控制其显示状态，通过指令可实现多种颜色和明暗变化效果。
发明人对航行器线型进行了一体化的设计，以阻力最小作为一体化设计的目标函数，其他各方面的要求作为约束条件进行设计。头段壳体外形采用双参数平方根多项式圆头线型，尾段壳体外形采用双参数平方多项式尖尾线型；头段壳体、尾段壳体均通过6061-T6镁铝合金材料机械加工而成，具有优良的承压能力。
本发明水下无人自主航行器的各个功能单元均可与智能控制器通过WIFI通信连接，它们通信时可以选用一个服务器多个客户端的形式，其中控制单元是服务器,各个单元是客户端；也可以反向连接，各个单元是服务器，控制单元是客户端；当然，也可选用其他连接形式。
综上所述，本发明航行器采用段与段之间无线通信设计，各模块装配检测极其方便；段与段之间无信号线连接，便于拆卸及维护；升级改造工作便捷；本发明接口标准化，若搭载额外设备不需重新改造电路，开发程序量极少；航行器上所采用的各类传感器集成度高，体积小，价格便宜；本发明的智能控制器可以直接选用智能手机，采用开源的安卓平台，利于用户二次开发。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.水下无人自主航行器，包括航行器本体和岸上操作终端，其特征在于，所述航行器本体包括独立密封并组装一体的头段、中段、尾段和至少一个智能控制器；所述头段包括头段壳体；所述中段包括中段壳体；所述尾段包括尾段壳体、设置在尾段壳体内的动力推进单元和尾段壳体外的鳍舵；
所述智能控制器包括一个独立供电、可与所述岸上操作终端无线连接的成品移动通信终端，移动通信终端设置在水密壳体内；所述智能控制器所集成的功能模块包括电池、显示屏、WIFI通信单元、无线移动通信单元、卫星定位单元、姿态传感器、电子罗盘、存储模块、计算单元、视频单元和音频单元；在所述头段壳体、中段壳体或尾段壳体及水密壳体内设置有若干传感器；在所述头段壳体、中段壳体或尾段壳体内设置有电池单元；所述智能控制器连接并控制电池单元、动力推进单元和若干传感器；所述电池单元为智能控制器、动力推进单元和若干传感器提供电能。
2.根据权利要求1所述水下无人自主航行器，其特征在于，所述智能控制器设置多个，多个智能控制器分别固定在头段、中段或尾段的内部或外部，多个智能控制器之间通过WIFI无线连接进行通信组网。
3.根据权利要求1或2所述水下无人自主航行器，其特征在于，所述若干传感器包括但不限于深度传感器、高度传感器、多普勒计程仪、侧扫声呐或多波束声呐；所述深度传感器、高度传感器、多普勒计程仪、侧扫声呐或多波束声呐均通过WIFI无线连接所述智能控制器。
4.根据权利要求3所述水下无人自主航行器，其特征在于，所述动力推进单元包括推进控制模块、调速控制模块、电机、螺旋桨和若干舵机；所述舵机包括至少一个水平舵机和一个垂直舵机；所述推进控制模块分别与舵机和调速控制模块连接，所述调速控制模块连接电机，电机通过转动轴连接螺旋桨；推进控制模块通过WIFI无线连接所述智能控制器。
5.根据权利要求4所述水下无人自主航行器，其特征在于，所述中段壳体通过透明或半透明材质制成，在中段壳体内嵌入信息显示单元，所述信息显示单元包括若干LED灯带；信息显示单元通过WIFI无线连接所述智能控制器。
6.根据权利要求5所述水下无人自主航行器，其特征在于，所述电池单元为为一体式结构，一体式结构的电池单元分别与动力推进单元、智能控制器和若干传感器电气连接。
7.根据权利要求5所述水下无人自主航行器，其特征在于，所述电池单元为分体式结构，分体式结构的电池单元分别装配在动力推进单元和若干传感器上。
8.根据权利要求6所述水下无人自主航行器，其特征在于，所述电池单元包括锂离子电池模块、电量监测模块和电源控制模块；所述锂离子电池模块的正负极与电量监测模块连接，正极通过电源控制模块与外部用电设备连接，所述电量监测模块通过RS232接口与电源控制模块连接；所述电源控制模块通过WIFI无线连接所述智能控制器。
9.根据权利要求8所述水下无人自主航行器，其特征在于，所述无线移动通信单元为4G通信单元或433MHz通信模块；所述卫星定位单元为GPS定位系统或北斗定位系统。
10.根据权利要求9所述水下无人自主航行器，其特征在于，所述头段壳体采用双参数平方根多项式圆头线型；所述尾段壳体采用双参数平方根多项式尖尾线型。
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