CN111301646B - 一种用于冰下探测的自主式水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于冰下探测技术领域，具体涉及一种用于冰下探测的自主式水下机器人。本发明的艇体采用立扁式外形，以浮力材作为外壳，并采用左右安装方式，可使体积最小化情况下搭载更多作业载荷，安装便捷，有效降低艇体阻力。本发明采用多波束声纳与浮力材一体化设计，在不同任务时选择用配重的浮力材替换多波束声纳，使机器人重心不变；采用多个推进器组合的推进方式，冗余推进方式可以实现高速航行和低速航行，并保障在部分推进器故障时可以正常航行。本发明可以应用于极地海洋科学研究、气候与气象服务、油气工业以及军事领域等，为极地海洋科学研究提供新颖的观测资料，提升认识极地海洋和利用极地海洋的能力。

Description

一种用于冰下探测的自主式水下机器人

技术领域

本发明属于冰下探测技术领域，具体涉及一种用于冰下探测的自主式水下机器人。

背景技术

随着温室效应的加剧，全球气候变暖，极地冰雪融化加速，极地地区在地缘战略、自然资源、航运及科研方面的价值日益凸显，但是，极区环境恶劣，频发的时空小尺度天气系统以及海冰潮汐缝、冰盖裂隙、冰雪低温等，随时可能威胁科考队员的生命，随着极地科考规模的发展和目标的提升，在科考手段中急需引入高技术装备，以满足更深层次的极地科考寻求。在资源开发方面，2014年我国石油企业在北极地区取得资源开发资格，迫切需要获取北极地区精细化的海底环境数据，为未来海洋油气管道铺设工作提供指导。为了解决上述问题，特发明了一种用于冰下探测的自主式水下机器人。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于冰下探测的自主式水下机器人。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括艇体；所述的艇体采用立扁式外形，由首部舱段、中部舱段和尾部舱段组成，各舱段间设有隔板；所述的首部舱段正前方布置有第一避碰声呐和第二避碰声呐，在第一避碰声呐上方布置有温盐深仪；所述的首部舱段的左右两侧安装有第三避碰声呐和第四避碰声呐；所述的首部舱段侧面中间位置布置有侧推器，侧推器的轴线与潜水器的纵向中心线垂直；所述的首部舱段上方布置有第一水下摄像机、第一照明灯和长基线定位声呐，首部舱段后方靠近隔板处布置有第一垂推器；所述的中部舱段上部安装有第一多波束声呐、叶绿素溶解氧仪、第二照明灯、第二水下摄像机和通讯声呐，中部舱段下部安装有第二多波束声呐、抛载、第三照明灯、第三水下摄像机和深度计，中部舱段内部安装有电池舱和控制处理舱，中部舱段后方靠近隔板处布置有第二垂推器；所述的尾部舱段上部和下部各安装一个DVL，两个DVL上下对称布置，在两个DVL之间安装有惯导装置；所述的尾部舱段外部两侧设有两个稳定翼，稳定翼上安装有主推装置；所述的艇体尾部设有垂直舵，在垂直舵的顶部安装有GPS天线和频闪灯。

本发明还可以包括：

所述的第一水下摄像机安装在艇体首部的斜上方，第一水下摄像机的轴线与水平线的夹角范围为45-70゜；所述的第二水下摄像机和第三水下摄像机安装在艇体中部的正上方和正下方，第二水下摄像机和第三水下摄像机的轴线都与水平线的夹角为90゜。

所述的安装在中部舱段的第一多波束声呐和第二多波束声呐可根据任务需要选择安装一个或都不安装，不安装多波束声呐时需用配重的浮力材安装在相应的位置上，使机器人重心不变。

所述的电池舱为钛合金管，共有四个，四个电池舱采用“两上两下”布置；所述的控制处理舱安装在所有电池舱的上方。

本发明的有益效果在于：

本发明可实现自主式冰下巡航，艇体采用立扁式外形，可有效降低阻力，稳定性好，以浮力材作为外壳，并采用左右安装方式，可使体积最小化情况下搭载更多作业载荷，安装便捷，有效降低艇体阻力。本发明采用多波束声纳与浮力材一体化设计，在不同任务时选择用配重的浮力材替换多波束声纳，使机器人重心不变；采用多个推进器组合的推进方式，首部舱段安装有一个侧推器和一个垂推器，艇体中部舱段安装有一个垂推器，艇体尾部有两个稳定翼，稳定翼上安装有主推装置，冗余推进方式可以实现高速航行和低速航行，并保障在部分推进器故障时可以正常航行。本发明采用通讯声呐+长基线+惯导组合系统，通过布置在冰面的长基线和AUV上通讯声呐可以得到导航所需位置点校准信息，对惯导系统进行校准，解决了长时间后惯导系统精度降低的问题，提升了冰下定位导航精度。本发明在舱体尾部上部和下部各安装一个DVL，在近海面作业和海底作业时使用不同DVL，可以获得更准确的速度信息。本发明可以应用于极地海洋科学研究、气候与气象服务、油气工业以及军事领域等，为极地海洋科学研究提供新颖的观测资料，提升认识极地海洋和利用极地海洋的能力。

附图说明

图1为本发明的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明的目的是为了可以下潜到极地冰下1000米区域，进行自主探测作业而提供一种用于冰下探测的自主式水下机器人。

本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于冰下探测的自主式水下机器人，实现大续航、大潜深而重量最小化的机器人结构设计，以及针对极区的高精度、高可靠性导航定位，既能探测极区海冰水下特征(海冰厚度、粗糙程度等)，又能探测极区海底地形地貌(海底断崖、斜坡、底层的硬度和粗糙程度等)等环境数据，并自主采集极区海水温度和盐度等水温参数随区域和深度的变化数据，为极地海洋科学研究与海洋油气工业提供高质量的极区海洋环境数据。

一种用于冰下探测的自主式水下机器人，包括首部舱段、中部舱段、尾部舱段，所述艇体各舱段间有纵向隔板，整个艇体为立扁式外形，并采用左右安装方式，中部舱段放置五个耐压舱，由支架相连，四个耐压舱“两上两下”分布，装配电池，组成能源单元，第五个耐压舱放置在装有电池的耐压舱正上方，装有计算机处理单元，组成控制处理单元，艇体首部舱段安装避碰声呐和水下摄像机和温盐深仪，艇体中部舱段安装水下摄像机和叶绿素溶解氧仪，多波束声呐配重、艇体的叶绿素溶解氧仪、摄像机、避碰声呐和温盐深仪共同构成水下探测单元，艇体首部舱段安装有侧推器和垂推器，艇体中部舱段安装有垂推器，艇体尾部有两个稳定翼，稳定翼上安装有主推装置，艇体首部舱段安装长基线定位声呐，艇体中部舱段上部安装通讯声呐，艇体尾部舱段安装DVL和惯导，垂直舵顶部安装GPS天线，艇体的长基线定位声呐、通讯声呐、DVL、惯导和GPS共同构成水下定位导航单元。

艇体首部舱段设置有长基线定位声呐、避碰声呐、水下摄像机、照明灯、温盐深仪、侧推和垂推，所述避碰声呐有两个安装在艇体首部的正前方两个，还有两个安装在艇体首部的左右两侧，所述水下摄像机和照明灯安装在艇体首部的斜上方，所述温盐深仪安装在艇体首部的正前方，所述艇体侧推器和垂推器安装在靠近隔板处。

艇体尾部舱段设置有两个推进器、两个DVL、惯导、水平舵、垂直舵、GPS天线和频闪灯。所述推进器通过稳定翼安装在艇体外两侧，所述两个DVL上下对称布置，惯导安装在两个DVL之间，GPS天线和频闪灯布置在垂直舵顶端。

中部舱段可以上部和下部各安装一个多波速声呐，上部多波速声呐可以获得极区海冰水下特征数据，下部多波速声呐可以获得极区海底地形地貌数据，也可以根据作业任务，在中部舱段上部或下部中选择安装一个多波速声呐或选择都不安装，用配重的浮力材安装在相应的位置上，使机器人重心不变。

本发明可进行大潜深航行，也可保持近冰面航行状态，舱体贯通两个横向隔板，横向隔板用来加强艇体的整体强度，五个耐压舱为钛合金管，底部四个耐压舱为电池舱，“两上两下”型放置，上部耐压舱里面装有控制处理单元，放置在电池舱正上方，五个耐压舱采用支架固定。避碰声呐安装在艇体首部舱段的正前方和左右两侧，露出艇体与水接触，避碰声呐通过数据传输线与处理单元连接，所述水下摄像机安装在艇体首部舱段的正上方以及艇体中部正上方和正下方，水下摄像机的镜头露出艇体，舱体首部舱段水下摄像机轴线与水平线的夹角为45-70゜，水下摄像机通过数据传输线与控制处理单元连接，所述温盐深仪安装在艇体首部的正前方，温盐深仪探测单元露出艇体，温盐深仪通过数据传输线与控制处理单元连接，叶绿素溶解氧仪安装在艇体中部舱段正上方，通过数据传输线与控制处理单元连接。

侧推器安装在艇体首部，所述两个垂推器分别安装在艇体首部和中部，艇体尾部安装两个水平稳定翼，提高艇体航行时的抗干扰能力。

机器人采用多波束声纳与浮力材一体化设计，中部舱段可以上部和下部各安装一个多波速声呐，也可以根据作业任务，在中部舱段上部或下部中选择安装一个多波速声呐或选择都不安装，用配重的浮力材安装在相应的位置上，使机器人重心不变。

本发明采用立扁式结构外形，以浮力材作为外壳，并采用左右安装方式。所述舱体尾部上部和下部各安装一个DVL，可在不同深度得到装置速度信息，所述长基线定位声呐安装在艇体首部，可以通过冰面长基线得到装置相对位置信息，所述通讯声呐可以通过船基得到海冰旋转和移动信息，所述深度计安装在艇体中部舱段，可以获得装置的深度信息，所述GPS安装在艇体尾部舱段的垂直舵顶部，可以得到装置的初始位置信息，所述惯导安装在艇体尾部，可以在航行中得到装置加速度和姿态信息。

艇体的艇型采用立扁型形式，可以减小艇体的水平面投影轮廓，降低开凿冰层的难度。

艇体采用浮力材作为外壳，并采用左右安装方式，可以显著提升机器人的浮力，增加工作载荷，根据机器人设备分布情况，采用左右安装方式更加安全和便捷。

艇体前后有两个横向隔板，以加强艇体的整体强度，耐压舱均为钛合金材料，满足大潜深的强度要求，四个耐压舱装载电池，提供足够的能源，满足长续航要求。

侧推器安装在艇体首部，配合双主推装置完成艇体的侧向控制，两个垂推器安装在艇体首部和中部的后端，可实现抵冰观察冰层底部的冰貌，艇体尾部有两个稳定翼，主推进装置安装在稳定翼上，提高艇体航行时的抗干扰能力和可靠性。

机器人尾部舱体上部和下部各安装一个DVL，根据近海面作业和海底作业的不同情况，使用不同DVL，可以在不同深度下得到机器人的更准确的速度信息。

机器人采用多波束声纳与浮力材一体化设计，中部舱段可以上部和下部各安装一个多波速声呐，上部多波速声呐可以获得极区海冰水下特征数据，下部多波速声呐可以获得极区海底地形地貌数据，也可以根据作业任务，在中部舱段上部或下部中选择安装一个多波速声呐或选择都不安装，用配重的浮力材安装在相应的位置上，使机器人重心不变。

机器人采用通讯声呐+长基线+惯导组合的定位导航系统，在海冰上呈四边形布置4个长基线声纳标，间隔1km左右，机器人接受长基线声纳定位信息，得到相对坐标系下位置，结合由通讯声纳提供的船基观测到的海冰旋转和移动信息，将相对位置信息由相对坐标系向大地坐标系解算，获得冰下导航所需位置点校准信息，实现AUV航行位置信息的修正，相比传统惯导定位导航系统，提升了极地导航精度。

避碰声呐安装在艇体首部的正前方和左右两侧，能有效探测监控装置前方的情况，将采集到的信息通过数据传输线传递给处理单元。一部水下水下摄像机安装在艇体首部的正上方，水下摄像机的轴线与水平线的夹角为45-70゜，另外两部水下摄像机安装在艇体中部正上方和正下方，实现实时大范围观察水下情况，水下摄像机通过数据传输线与处理单元连接。

四个电池舱为钛合金管，由支架固定在中部舱段下部，电池组放在电池舱内，电池舱通过导线与避碰声呐、多波束声呐、水下摄像机、长基线定位声呐、通讯声呐、侧推器、垂推器、GPS、DVL、深度计、主推进装置连接，为这些设备供电。控制处理单元耐压舱固定在电池舱正上方。

垂直舵顶端安装GPS天线和频闪灯，GPS为机器人导航，提供初始位置信息，通过数据传输线与控制处理单元连接，频闪灯在夜间示位。

本发明提供的这种用于冰下探测的自主式水下机器人，可实现自主式冰下巡航，艇体采用立扁式外形，可有效降低阻力，稳定性好，以浮力材作为外壳，并采用左右安装方式，可使体积最小化情况下搭载更多作业载荷，安装便捷，有效降低艇体阻力；所述机器人采用多波束声纳与浮力材一体化设计，在不同任务时选择用配重的浮力材替换多波束声纳，使机器人重心不变；所述机器人采用多个推进器组合的推进方式，首部舱段安装有一个侧推器和一个垂推器，艇体中部舱段安装有一个垂推器，艇体尾部有两个稳定翼，稳定翼上安装有主推装置，冗余推进方式可以实现高速航行和低速航行，并保障在部分推进器故障时可以正常航行；所述定位系统采用通讯声呐+长基线+惯导组合系统，通过布置在冰面的长基线和AUV上通讯声呐可以得到导航所需位置点校准信息，对惯导系统进行校准，解决了长时间后惯导系统精度降低的问题，提升了冰下定位导航精度；所述机器人舱体尾部上部和下部各安装一个DVL，在近海面作业和海底作业时使用不同DVL，可以获得更准确的速度信息。本探测装置可以应用于极地海洋科学研究、气候与气象服务、油气工业以及军事领域等，为极地海洋科学研究提供新颖的观测资料，提升认识极地海洋和利用极地海洋的能力。

如图1所示，一种用于冰下探测的自主式水下机器人，包括第一避碰声呐1、第二避碰声呐2、第三避碰声呐3、温盐深仪4、第一照明灯5、第一水下摄像机6、长基线定位声呐7、侧推器8、第一垂推器9、第一多波束声呐配重10、叶绿素溶解氧仪11、第二照明灯12、第二水下摄像机13、通讯声呐14、控制处理舱15、电池舱16、第二横隔板17、第一DVL18、稳定翼19、GPS天线20、频闪灯21、第一横隔板22、第二多波束声呐配重23、抛载24、第三照明灯25、第三水下摄像机26、深度计27、第二垂推器28、第二DVL29、惯导装置30、主推进装置31。

本发明既可以进行海底地探测，也可以进行近海面冰貌探测，能够进行长续航、大潜深自主作业，包括立扁式艇体，浮力材外壳，所述艇体首部舱段正前方安装第一避碰声呐1和第二避碰声呐2，侧面中间安装第三避碰声呐3和侧推器8，上部安装温盐深仪4、第一照明灯5、第一水下摄像机6、长基线定位声呐7，后部安装第一垂推器9。所述艇体中部舱段上部安装第一多波束声呐配重10、叶绿素溶解氧仪11、第二照明灯12、第二水下摄像机13和通讯声呐14，中部舱段下部安装第二多波束声呐配重23、抛载24、第三照明灯25、第三水下摄像机26和深度计27，中部舱段内部安装电池舱16、控制处理舱15和第二垂推器28，所述艇体尾部舱段安装有第一DVL18、第二DVL29、惯导装置30和稳定翼19，主推装置31安装在稳定翼19上，所述舱体尾部垂直舵的顶部安装有GPS天线20和频闪灯21，所述舱体前部舱段和舱体中部舱段之间安装第一横隔板22，所述舱体中部舱段和舱体尾部舱段之间安装第二横隔板16。

第一避碰声呐1和第二避碰声呐2安装在艇体首部的前方，第三避碰声呐3安装在艇体首部侧面中间，与水接触，第一避碰声呐1和第二避碰声呐2负责艇体前方的区域，第三避碰声呐3负责艇体侧面的区域，通过数据传输线与控制处理单元15连接。

第一水下摄像机6安装在艇体首部的正上方，水下摄像机6的轴线与水平线的夹角为45-70゜，所述第二水下摄像机13和第三水下摄像机26安装在艇体中部的正上方和正下方，水下摄像机13和26的轴线都与水平线的夹角为90゜，以获得较大的视野，实时监测水下冰层和水底的情况，图像信号由数据传输线传递给控制处理单元15。

侧推器8水平安装在艇体首部管道的中间位置，轴线与潜水器的纵向中心线垂直，提高潜水器的转向性能。

电池舱16为钛合金管，“两上两下”布置，电池组放在电池舱16内，电池舱16通过导线与第一避碰声呐1、第二避碰声呐2、第三避碰声呐3、温盐深仪4、第一照明灯5、第一水下摄像机6、长基线定位声呐7、侧推器8、第一垂推器9、第一多波束声呐配重10、叶绿素溶解氧仪11、第二照明灯12、第二水下摄像机13、通讯声呐14、控制处理舱15、第一DVL18、GPS天线20、频闪灯21、第二多波束声呐配重23、抛载24、第三照明灯25、第三水下摄像机26、深度计27、第二垂推器28、第二DVL29、惯导装置30、主推进装置31连接，为这些设备供电。

机器人工作时需开凿冰面，由人工布放到指定冰区水域，依靠综合导航系统完成巡航探测。航行时避碰声呐负责水下区域避障，海底地形地貌由舱体中段下方水下摄像机负责，极区海冰水下特征由舱体中部正上方水下摄像机和舱体前部水下摄像机负责,温盐深仪和深度计负责采集极区海水温度和盐度等水温参数随区域和深度的变化数据，完成探测任务后自主返航。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，或直接或间接运用在其他相关技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。

综上：本发明提供一种用于冰下探测的自主式水下机器人，机器人能够进行长续航、大潜深自主作业，对海底地貌和近海面冰貌进行探测，采用立扁式结构外形，以浮力材作为外壳，并采用左右安装方式，艇体中部舱段安装五个钛合金耐压舱，底部四个耐压舱为电池舱，“两上两下”型放置，上部耐压舱内装有控制处理单元，安装在电池舱正上方，艇体首部安装避碰声呐、长基线定位声呐、水下摄像机、垂推器和侧推器，艇体中部舱段上部安装有通讯声呐、多波束声呐配、重灯、水下摄像机、叶绿素溶解氧仪，艇体中部舱段下部安装有灯、水下摄像机、多波束声呐配、深度计、抛载，中部舱段后端有一个垂推器，艇体尾部安装上下两个DVL和惯导，艇体尾部外侧有两个稳定翼和两个主推进装置，尾部垂直舵顶部安装GPS和频闪灯，本发明提供的这种用于冰下探测的自主式水下机器人，实现大续航、大潜深、重量轻量化的机器人结构设计，实现针对极区的高精度、高可靠性的导航定位，既能探测极区海冰水下特征(海冰厚度、粗糙程度等)，又能探测极区海底地形地貌(海底断崖、斜坡、底层的硬度和粗糙程度等)等环境数据，并自主采集极区海水温度和盐度等水温参数随区域和深度的变化数据，为极地海洋科学研究与海洋油气工业提供高质量的极区海洋环境数据。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于冰下探测的自主式水下机器人，其特征在于：包括艇体；所述的艇体采用立扁式外形，由首部舱段、中部舱段和尾部舱段组成，各舱段间设有隔板；所述的首部舱段正前方布置有第一避碰声呐和第二避碰声呐，在第一避碰声呐上方布置有温盐深仪；所述的首部舱段的左右两侧安装有第三避碰声呐和第四避碰声呐；所述的首部舱段侧面中间位置布置有侧推器，侧推器的轴线与潜水器的纵向中心线垂直；所述的首部舱段上方布置有第一水下摄像机、第一照明灯和长基线定位声呐，首部舱段后方靠近隔板处布置有第一垂推器；所述的中部舱段上部安装有第一多波束声呐、叶绿素溶解氧仪、第二照明灯、第二水下摄像机和通讯声呐，中部舱段下部安装有第二多波束声呐、抛载、第三照明灯、第三水下摄像机和深度计，中部舱段内部安装有电池舱和控制处理舱，中部舱段后方靠近隔板处布置有第二垂推器；所述的尾部舱段上部和下部各安装一个DVL，两个DVL上下对称布置，在两个DVL之间安装有惯导装置；所述的尾部舱段外部两侧设有两个稳定翼，稳定翼上安装有主推装置；所述的艇体尾部设有垂直舵，在垂直舵的顶部安装有GPS天线和频闪灯；所述的第一水下摄像机安装在艇体首部的斜上方，第一水下摄像机的轴线与水平线的夹角范围为45-70゜；所述的第二水下摄像机和第三水下摄像机安装在艇体中部的正上方和正下方，第二水下摄像机和第三水下摄像机的轴线都与水平线的夹角为90゜。

2.根据权利要求1所述的一种用于冰下探测的自主式水下机器人，其特征在于：所述的安装在中部舱段的第一多波束声呐和第二多波束声呐可根据任务需要选择安装一个或都不安装，不安装多波束声呐时需用配重的浮力材安装在相应的位置上，使机器人重心不变。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于冰下探测的自主式水下机器人，其特征在于：所述的电池舱为钛合金管，共有四个，四个电池舱采用“两上两下”布置；所述的控制处理舱安装在所有电池舱的上方。

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