CN111483577B - 一种全海深作业型无人潜水器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种全海深作业型无人潜水器，包括中部主体和结构相同的右、左舷浮体；有中部主体框架连接右、左舷浮体框架，右、左舷浮体框架连接右、左舷浮体浮力材料及右、左舷浮体轻外壳以构成左舷浮体；中部主体框架及右、左舷浮体相对于中部主体框架的中纵竖向剖面呈对称结构设置；右、左舷浮体相对中部主体向上凸出；右、左舷浮体浮心位置处于同一水平高度并且高于中部主体浮心位置，中部主体浮心位置高于中部主体的重心位置；潜水器整体的浮心位置高于潜水器整体的重心位置；潜水器的所有操控设备都布置在中部主体框架上；操控设备包括电池系统、电子控制舱、观通系统、定位系统、推进系统和抛载系统；中部主体的下侧底部固连底脚。
Description
技术领域
本发明涉及水下工程装备技术领域，尤其涉及全海深作业型无人潜水器方案及系统。
背景技术
在海洋深度位于6500-11000米的区域称为深渊区，深渊区所特有的生态学、生物学和地质学等深渊科学问题是海洋科学的前沿和热点。要研究深渊，首先需要可在深渊区作业的海洋工程装备下潜至该区域进行作业。其中，无人潜水器可独立完成水下取样、观测、各类传感器、功能设备的搭载平台等功能，其通过光纤等方式进行长距离操控或预编程作业，而不需要搭载水下作业人员，而是其经济性和安全性较高，是深海探测中应用最为广泛的装备之一。
当前大深度或全海深无人潜水器大多为单体结构，由提供浮力的浮体、提供设备支撑的框架结构、电子控制舱、功能设备、传感器和作业工具等系统组成，这些设备各以某种特定外形通过机械连接构成一体。传统上，通常采用单体形式将上述系统结合成一个整体，由浮力材料或轻外壳塑成潜水器的外部线型，所有的结构件和电子控制舱等布置在潜水器内部，如国内潜龙系列潜水器等。单体类型的深海潜水器主要优点可将各个系统构成一个整体，结构紧凑度高，线型便于设计为流线型外形，在水体中运动时水阻较小。然而，单体型深海潜水器存在可拓展设备搭载能力弱、有效载荷低、自身回复力矩小以及系统维护不方便诸多缺陷。深海潜水器的搭载能力是其核心技术指标，深海作业特别是全海深潜水器海上科考作业由于单次下潜投入大，尽可能地提高设备搭载能力对于深海潜水器的经济性具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是，克服现有技术的深海无人单体潜水器所存在的可拓展设备搭载能力弱、有效载荷低、自身回复力矩小稳定性差以及系统维护不方便的缺陷，提供一种多体结构式、回复力矩大、稳定性强、拓展搭载能力高、便于维修的潜水器装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种全海深作业型无人潜水器，包括中部主体，其特征是，中部主体的右、左两侧分别固定连接有结构相同的右舷浮体和左舷浮体；中部主体的外部有中部主体轻外壳，中部主体当中有中部主体框架，中部主体框架的右侧通过右舷连接框架连接右舷浮体框架，右舷浮体框架上连接右舷浮体浮力材料以及右舷浮体轻外壳以构成右舷浮体；中部主体框架的左侧通过左舷连接框架连接左舷浮体框架，左舷浮体框架上连接左舷浮体浮力材料以及左舷浮体轻外壳以构成左舷浮体；右舷连接框架以及左舷连接框架各有前段、中段及后段三段；
中部主体框架相对于中纵竖向剖面呈对称结构设置；右舷浮体和左舷浮体相对于所述的中部主体框架的中纵竖向剖面呈对称结构设置；右舷浮体和左舷浮体相对于中部主体的高度为向上凸出一定高度的结构设置；
右舷浮体浮心和左舷浮体浮心位置处于同一水平高度并且高于中部主体浮心位置，中部主体浮心位置高于中部主体的重心位置；潜水器整体的浮心位置高于潜水器整体的重心位置；
潜水器的所有操控设备都布置在中部主体框架上；操控设备包括电池系统、电子控制舱、观通系统、定位系统、推进系统和抛载系统；电池系统布置在中部主体框架的底层；电子控制舱布置在中部主体框架的中间层，电子控制舱中各设备之间用各种不同型号的水密电缆连接在一起；观通系统布置在中部主体的顶层；定位系统布置在中部主体框架的尾端；推进系统包括垂向推进器和水平推进器，在潜水器尾部对应于后段右舷连接框架及后段左舷连接框架部位的中间大开口处对称布置水平推进器各一台，在潜水器中部对应于中段右舷连接框架及中段左舷连接框架后侧部位对称布置垂向推进器各一台，水平推进器和垂向推进器的布置方向分别对应于潜水器整体重心的垂向和纵向坐标；抛载系统在潜水器中部对应于中段右舷连接框架及中段左舷连接框架前侧部位对称各布置一套；中部主体的下侧底部固定连接有平时可以用于潜水器存放系固以及在海底工作需要时可以让潜水器坐底作为支撑的底脚。
上述中纵竖向剖面，指中间的纵向同时沿竖向的剖面，具体指潜水器中间的纵向及竖向的剖面。
由于潜水器为对称结构设置，以及右舷浮体和左舷浮体相对于中部主体的高度为向上凸出一定高度的结构设置，这就能够从结构上保证右舷浮体浮心和左舷浮体浮心位置处于同一水平高度并且高于中部主体浮心位置，又因为在中部主体的舱内部安装时将比重大的部件例如电池系统安装在中部主体靠近舱底的位置，因之可保证中部主体浮心位置高于中部主体的重心位置；进而可证明潜水器从结构上保证潜水器整体的浮心位置高于潜水器整体的重心位置。
优选方案，所述右舷浮体浮力材料是由中空玻璃微珠与环氧树脂通过一定配比组成并分别根据右舷浮体的流线型要求，同时按照采用从中间沿纵向竖直对分两半，然后分别从两侧安装在右舷浮体框架上的要求制成的成型构件；左舷浮体浮力材料的结构与右舷浮体浮力材料的结构对应相同。
优选方案，右舷浮体浮力材料及左舷浮体浮力材料的外表面喷涂防腐蚀油漆。
优选方案，分别固定在右舷浮体浮力材料和左舷浮体浮力材料的顶部的右舷浮体轻外壳及左舷浮体轻外壳，具有降低潜水器水下运动阻力以提高推进效率的流线型外形。
优选方案，中部主体的外部包裹有中部主体轻外壳，中部主体轻外壳包括外部壳板和内部构架，前者形成潜水器外形及安装维护通道；后者为外部壳板提供支撑，并固定在中部主体框架上。
优选方案，所述各类框架选用钛合金、铝合金或不锈钢材料制成的型材，并通过焊接、螺栓连接构成一体。
优选方案，所述布置在中部主体的顶层的观通系统包括高清摄像机、普清摄像机、微光摄像机、水下灯依次安装固定在中部主体的顶层。
优选方案，所述布置在中部主体框架的尾端的定位系统包括超短基线、无线信标、频闪信标、铱星定位，依次安装固定在中部主体框架的尾端。
优选方案，右舷浮体、左舷浮体及中部主体的外形面为上下对称结构。
本发明的有益效果是：
1、潜水器采用了三体结构，相比现有技术的单体结构具有更好的稳定性和超常的纠正倾斜的回复力，在海上遭遇风浪时，潜水器的生存能力更强；
2、两侧浮体与中部主体间采用了框架式连接结构，既方便增加浮力材料，扩大潜水器储备浮力，从而增加可变载荷能力，也增大了设备布置空间。同时，由于采用了轻外壳包裹，轻外壳仅起到构成外形作用，当需要进一步增加布置空间时，还可以拆除轻外壳以增大设备搭载能力。
3、操控设备的电池系统、电子控制舱、观通系统、定位系统、推进系统和抛载系统以及浮体相对独立，维护简便，浮体由于其内部无电气设备，一旦组装完成，几乎不需要拆卸。
附图说明
图1是本发明一种全海深作业型无人潜水器一种实施例立体示意图；
图2是一种实施例的俯视示意图；
图3是一种实施例潜水器主体去除轻外壳后的剖视示意图；
图4是潜水器框架后视示意图；
图5是各部件浮力、浮心与潜水器的重心关系示意图；
图6是潜水器倾斜后的各部件浮力、浮心与潜水器的重心关系示意图。
图中：中部主体1；右舷浮体2；左舷浮体3；中部主体框架4；右舷连接框架5；右舷浮体框架6；右舷浮体浮力材料7；右舷浮体轻外壳8；左舷连接框架9；左舷浮体框架10；左舷浮体浮力材料11；左舷浮体轻外壳12；右舷浮体浮心13；左舷浮体浮心14；中部主体浮心15；整体重心16；电池系统17；电子控制舱18；观通系统19；定位系统20；推进系统21；抛载系统22；垂向推进器23；水平推进器24；底脚25；中部主体轻外壳26；维护通道27；中纵竖向剖面28；后段右舷连接框架31；后段左舷连接框架32；中段右舷连接框架33；中段左舷连接框架34；
右舷浮体浮力F右；左舷浮体浮力F左；中部主体浮力F中；潜水器总重力G总；经过G总的纵竖截面为M0；F右与M0面的距离L右0；F左与M0面的距离L左0；F中与M0面的距离L中0；右舷浮体浮心与潜水器整体重心的连线与截面M0的夹角α右0；左舷浮体浮心与潜水器整体重心的连线与截面M0的夹角α左0；中部主体浮心与潜水器整体重心的连线与截面M0的夹角α中0；经过G总的纵竖截面为M1；F右与M1的距离L右1；F左与M1的距离L左1；F中与M1的距离L中1；右舷浮体浮心与潜水器整体重心的连线与纵竖截面的夹角α右1；左舷浮体浮心与潜水器整体重心的连线与纵竖截面的夹角α左1；中部主体浮心与潜水器整体重心的连线与纵竖截面的夹角α中1。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种全海深作业型无人潜水器，包括中部主体1，中部主体1的右、左两侧分别固定连接有结构相同的右舷浮体2和左舷浮体3；中部主体1的外部有中部主体轻外壳26，中部主体1当中有中部主体框架4，中部主体框架4的右侧通过右舷连接框架5连接右舷浮体框架6，右舷浮体框架6上连接右舷浮体浮力材料7以及右舷浮体轻外壳8以构成右舷浮体2；中部主体框架4的左侧通过左舷连接框架9连接左舷浮体框架10，左舷浮体框架10上连接左舷浮体浮力材料11以及左舷浮体轻外壳12以构成左舷浮体3；右舷连接框架5以及左舷连接框架9各有前段、中段及后段三段；
中部主体框架4相对于中纵竖向剖面28呈对称结构设置；右舷浮体2和左舷浮体3相对于所述的中部主体框架的中纵竖向剖面28呈对称结构设置；右舷浮体2和左舷浮体3相对于中部主体1的高度为向上凸出一定高度的结构设置；
右舷浮体浮心13和左舷浮体浮心14位置处于同一水平高度并且高于中部主体浮心15位置，中部主体浮心15位置高于中部主体1的重心位置；潜水器整体的浮心位置高于潜水器整体重心16位置；因此本无人潜水器具有无条件稳定性。
无人潜水器的所有操控设备都布置在中部主体框架上；操控设备包括电池系统17、电子控制舱18、观通系统19、定位系统20、推进系统21和抛载系统22；电池系统17布置在中部主体框架4的底层，它是潜水器的主要动力来源，根据潜水器水下作业用电需求进行配置，电池质量最大，安装在底部有利于降低整个装置的重心位置；电子控制舱18布置在中部主体框架4的中间层，是潜水器的“大脑”，用于水下电力分配、信号控制等，电子控制舱18中各设备之间用各种不同型号的水密电缆连接在一起；观通系统19布置在中部主体1的顶层，包括高清摄像机、普清摄像机、微光摄像机、水下灯，用于进行水下照明和摄像；定位系统20依次序布置在中部主体框架4的尾端，包括超短基线、无线信标、频闪信标、铱星定位，可以提供潜水器水下位置以及返回海面后发射和接收信号，使母船能尽快定位并回收潜水器；推进系统21包括垂向推进器23和水平推进器24，用于提供水下运动，在潜水器尾部对应于后段右舷连接框架31及后段左舷连接框架32部位的中间大开口处对称布置水平推进器24各一台，作为潜水器作业巡航时的动力源，在潜水器中部对应于中段右舷连接框架33及中段左舷连接框架34后侧部位对称布置垂向推进器23各一台，用于作业时高度方向的微调，水平推进器24和垂向推进器23的布置方向分别对应于潜水器整体重心16的垂向和纵向坐标；抛载系统22是潜水器系统应急安全的唯一末端执行机构，遭遇系统故障或损伤时，如光纤通信中断、耐压罐漏水或绝缘明显下降、计算机工作异常等，将严重威胁到潜水器设备安全，则应立即抛弃全部压载物，快速返回至水面，等待回收，抛载系统22在潜水器中部对应于中段右舷连接框架33及中段左舷连接框架34前侧部位对称各布置一套；潜水器作业时，可根据工作深度的不同，配置不同的压载量，相应的调整两侧浮力材料数量与之平衡；中部主体1的下侧底部固定连接有在平时可以用于潜水器存放系固以及在海底工作需要时可以让潜水器坐底作为支撑的底脚25。
中部主体1沿纵向为流线型构造，而其横截面近似为椭圆形或长圆形，所以其浮心处在中部主体1的中部横截面位置，而中部主体1内部的各系统零部件布置连接时遵循较重的例如电池之类零部件，都固定在中部主体1靠近底部的中间位置，可以保证重心在接近或偏向中部主体的底部中心部位，因此也可以保证重心低于浮心。
因为浮心位置主要决定于右舷浮体2和左舷浮体3的浮心位置，右舷浮体2和左舷浮体3相对于中部主体1的高度呈向上凸出一定高度的结构设置；右舷浮体浮心13和左舷浮体浮心14位置处于同一水平高度并且高于中部主体浮心15位置高度，中部主体浮心15位置高度高于中部主体1的重心位置高度；潜水器整体浮心位置高于潜水器整体重心16的位置，所以潜水器具有无条件稳性。且由于潜水器采用三体结构，具有更高的回复力矩。
右舷浮体浮力材料7和左舷浮体浮力材料11固定在浮体框架上，内部无电气设备和电缆。浮力材料的作用提供潜水器所需的浮力，深海潜水器浮力材料的基本原材料由中空玻璃微珠与环氧树脂通过一定配比组成，并满足环境压力要求，还需根据右舷浮体2及左舷浮体3的流线型要求，结构上按照采用从中间沿纵向竖直对分两半，然后分别从两侧安装在右舷浮体框架6及左舷浮体框架10上的要求制成的成型构件；左舷浮体浮力材料11的结构与右舷浮体浮力材料7的结构对应相同。
右舷浮体浮力材料7及左舷浮体浮力材料11的外表面喷涂防腐蚀油漆。
右舷浮体浮力材料7和左舷浮体浮力材料11顶部分别固定有右舷浮体轻外壳8及左舷浮体轻外壳12，其功能是塑造流线型外形，降低潜水器水下运动阻力，提高推进效率。
为了减少水下运动阻力，中部主体1包裹在中部主体轻外壳26内。中部主体轻外壳26包括外部壳板和内部构架，前者形成潜水器外形及必要的安装维护通道27；后者为外部壳板提供支撑，并固定在潜水器框架上。中部主体轻外壳26可降低潜水器水下运动阻力，提高推进效率；还可起到保护主体设备以及美观等作用。中部主体轻外壳26可采用3D打印、吸塑以及机加工等工艺，可用ABS、尼龙、光敏树脂等多种材料。
全部框架选用钛合金、铝合金或不锈钢材料制成的型材，并通过焊接、螺栓连接构成一体。
由于封闭器件在海水中的浮力大小仅仅决定于该器件的封闭外形的容积，所以右舷浮体2、左舷浮体3以及中部主体1所受到的浮力值是确定的。由于右舷浮体2与左舷浮体3以及中部主体1在结构上的各种对称性，因此可以按以下假设的浮心位置对本潜水器的动态平衡进行定性分析，即不妨假设右舷浮体2、左舷浮体3及中部主体浮心15都处在各自的中纵轴线上，而且是固定的。由此可知，在装置的横截面上，右舷浮体浮心13、左舷浮体浮心14和中部主体浮心15三者构成一个以中部主体浮心15为顶点且顶点在下方的钝角等腰三角形。右舷浮体浮心13、左舷浮体浮心14和潜水器整体重心16三者构成又一个以潜水器整体重心16为顶点且顶点在下方的钝角等腰三角形。
潜水器的运动状态不外是整体随着整体重心16的牵连移动，以及各部位相对于重心的转动，潜水器的转动主要是横摇和纵摇，因为潜水器各部件为流线型结构，而且其长度远大于宽度，所以更重要的是横摇为主。下面就以潜水器横摇为例做稳定性分析。
记右舷浮体浮力、左舷浮体浮力和中部主体的浮力为F右、F左、F中，其中F右＝F左＝定值；潜水器总重力为G总；在安装并调试完毕后，G总的位置即整体重心16是确定的。记经过G总的纵竖截面为M0；当潜水器处于水平状态时，F右、F左、F中与M0面的距离为L右0、L左0、L中0。记右舷浮体浮心13、左舷浮体浮心14和中部主体浮心15与潜水器整体重心16的连线与截面M0的夹角分别为α右0、α左0、α中0。其中α右0＝α左0、α中0＝0，α右0+α左0为定值。L右＝L左；L中＝0；力矩F右*L右＝F左*L左；F中*L中＝0。参见附图5。
假设潜水器由于外力作用向左侧倾斜，此时F右、F左、F中、G总大小和方向不变，标记经过G总的纵竖截面为M1，F右、F左、F中与M1的距离为L右1、L左1、L中1。右舷浮体浮心13、左舷浮体浮心14和中部主体浮心15与潜水器整体重心16的连线与纵竖截面的夹角分别记为α右1、α左1、α中1，α右1+α左1＝α右0+α左0；由于潜水器向左侧倾斜造成α右1减小而α左1和α中1同步增大，使得L右1减小而L左1和L中1增大，因此力矩F右1*L右1减小而F左1*L左1和F中1*L中1同时增大，如此即造成左侧向上回复力矩，而且右侧向上的力矩则大为衰减，迫使潜水器向右侧倾斜转动，而且如果外力使潜水器向左倾斜越大，则潜水器向右的恢复力矩也就越大，因为F右1*L右1的减小与F左1*L左1和F中1*L中1两项的增大同时发生，使得这种增大的规律带有一种加速状态，即潜水器具备极强的回复力矩和稳定性。如附图6所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种全海深作业型无人潜水器，包括中部主体，其特征是，中部主体的右、左两侧分别固定连接有结构相同的右舷浮体和左舷浮体；中部主体的外部有中部主体轻外壳，中部主体当中有中部主体框架，中部主体框架的右侧通过右舷连接框架连接右舷浮体框架，右舷浮体框架上连接右舷浮体浮力材料以及右舷浮体轻外壳以构成右舷浮体；中部主体框架的左侧通过左舷连接框架连接左舷浮体框架，左舷浮体框架上连接左舷浮体浮力材料以及左舷浮体轻外壳以构成左舷浮体；右舷连接框架以及左舷连接框架各有前段、中段及后段三段；
中部主体框架相对于中纵竖向剖面呈对称结构设置；右舷浮体和左舷浮体相对于所述的中部主体框架的中纵竖向剖面呈对称结构设置；右舷浮体和左舷浮体相对于中部主体的高度为向上凸出一定高度的结构设置；
右舷浮体浮心和左舷浮体浮心位置处于同一水平高度并且高于中部主体浮心位置，中部主体浮心位置高于中部主体的重心位置；潜水器整体的浮心位置高于潜水器整体的重心位置；
潜水器的所有操控设备都布置在中部主体框架上；操控设备包括电池系统、电子控制舱、观通系统、定位系统、推进系统和抛载系统；电池系统布置在中部主体框架的底层；电子控制舱布置在中部主体框架的中间层，电子控制舱中各设备之间用各种不同型号的水密电缆连接在一起；观通系统布置在中部主体的顶层；定位系统布置在中部主体框架的尾端；推进系统包括垂向推进器和水平推进器，在潜水器尾部对应于后段右舷连接框架及后段左舷连接框架部位的中间大开口处对称布置水平推进器各一台，在潜水器中部对应于中段右舷连接框架及中段左舷连接框架后侧部位对称布置垂向推进器各一台，水平推进器和垂向推进器的布置方向分别对应于潜水器整体重心的垂向和纵向坐标；抛载系统在潜水器中部对应于中段右舷连接框架及中段左舷连接框架前侧部位对称各布置一套；中部主体的下侧底部固定连接有平时用于潜水器存放系固以及在海底工作需要时让潜水器坐底作为支撑的底脚；
所述右舷浮体浮力材料是由中空玻璃微珠与环氧树脂通过一定配比组成并分别根据右舷浮体的流线型要求，同时按照采用从中间沿纵向竖直对分两半，然后分别从两侧安装在右舷浮体框架上的要求制成的成型构件；左舷浮体浮力材料的结构与右舷浮体浮力材料的结构对应相同；
右舷浮体浮力材料及左舷浮体浮力材料的外表面喷涂防腐蚀油漆；
分别固定在右舷浮体浮力材料和左舷浮体浮力材料的顶部的右舷浮体轻外壳及左舷浮体轻外壳，具有降低潜水器水下运动阻力以提高推进效率的流线型外形；
中部主体的外部包裹有中部主体轻外壳，中部主体轻外壳包括外部壳板和内部构架，前者形成潜水器外形及安装维护通道；后者为外部壳板提供支撑，并固定在中部主体框架上；
右舷浮体、左舷浮体及中部主体的外形面为上下对称结构。
2.根据权利要求1所述的一种全海深作业型无人潜水器，其特征是，所述各类框架选用钛合金、铝合金或不锈钢材料制成的型材，并通过焊接、螺栓连接构成一体。
3.根据权利要求2所述的一种全海深作业型无人潜水器，其特征是，所述布置在中部主体的顶层的观通系统包括高清摄像机、普清摄像机、微光摄像机、水下灯依次安装固定在中部主体的顶层。
4.根据权利要求3所述的一种全海深作业型无人潜水器，其特征是，所述布置在中部主体框架的尾端的定位系统包括超短基线、无线信标、频闪信标、铱星定位，依次安装固定在中部主体框架的尾端。
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