CN111572720A - 一种高速高海况可下潜的多体无人航行器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速高海况可下潜的多体无人航行器及其控制方法，该多体无人航行器包括：主船体、多个推进子船体、多个侧翼、多个水平舵、尾鳍和通信子船体；侧翼设置在主船体两侧，侧翼一端与主船体连接，侧翼另一端与推进子船体一侧连接，推进子船体另一侧与水平舵连接，尾鳍一端与主船体连接，尾鳍另一端与通信子船体连接，通信子船体与主船体通信连接；推进子船体与通信子船体均连接有推进器；主船体内部还设有压载水舱，压载水舱用于调整船体内的进排水。本发明能够实现水上航行、半潜航行和全潜航行的功能，适应高海况下的水上和水下作业需求，并最大限度保持平稳。

Description

一种高速高海况可下潜的多体无人航行器及其控制方法

技术领域

本发明涉及海上无人机航行技术领域，具体涉及一种高速高海况可下潜的多体无人航行器及其控制方法。

背景技术

随着海洋研究、开发及各种活动的不断频繁，无人船的地位日趋重要。无人船作为一种自主航行的水上航行器，可替代常规船舶进行各种恶劣环境下的探测、巡查、搜救、运输等作业。目前的无人船大多数采用常规船型设计，常规船型在高速高海况航行时，容易产生甲板上浪现象，海浪冲上甲板造成抨击的同时产生巨大的航行阻力，还容易造成船舶舱室进水，其航速、多自由度可控性、回转灵活性、稳定性、耐波性等都难以满足各种恶劣环境的使用需求，在高海况下往往无法正常作业，甚至无法保证自身安全。另一方面，目前水下无人航行器多采用类似于潜艇的单体设计，由于其体积往往较潜艇小得多，故单体设计不仅受潮流的影响较大，其多自由度控制和稳定性等都难以满足工程需要，目前的技术水平更缺乏能同时满足水上和水下高速航行和作业的有效方案。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提出一种高速高海况可下潜的多体无人航行器及其控制方法，能实现多自由度控制，具有良好的回转性，能够实现水上航行、半潜航行和全潜航行等多种功能，适应高海况下的水上和水下作业需求；水上航行时，利用多个水平舵的减摇作用，大大降低波浪对船体的影响，使其能适应高速高海况的航行状态，并最大限度保持平稳；当遇到巨浪，超出其自身耐波能力时，其可及时下潜航行，避开海面巨浪的威胁，确保船舶自身的安全；水下航行时，通过多船体与多推进器，利用空间上的多个推进力相互协调实现多自由度控制，在灵活性、稳定性、快速性方面都是单体无法比拟的。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本实施例提供一种高速高海况可下潜的多体无人航行器，包括：主船体、多个推进子船体、多个侧翼、多个水平舵、尾鳍和通信子船体；

侧翼设置在主船体两侧，侧翼一端与主船体连接，侧翼另一端与推进子船体一侧连接，推进子船体另一侧与水平舵连接，尾鳍一端与主船体连接，通信子船体与主船体通信连接；

推进子船体与通信子船体均连接有推进器；

所述主船体内部还设有多个压载水舱，压载水舱用于调整船体内的进排水。

作为优选的技术方案，还设有背鳍，所述背鳍设于主船体上。

作为优选的技术方案，所述尾鳍设有锁紧装置，用于锁紧通信子船体，所述通信子船体设有拖勾，所述尾鳍内部还设置有拖缆，所述拖缆与所述通信子船体的拖勾相连。

作为优选的技术方案，所述主船体采用轴对称水滴形结构的主船体。

作为优选的技术方案，所述推进子船体与通信子船体均采用水滴形结构。

作为优选的技术方案，所述推进子船体的数量设置为四个，设于所述主船体下方四周，与主船体、通信子船体构成六体无人航行器。

作为优选的技术方案，所述压载水舱数量设置为三个，分别设置在主船体前、中和后部。

作为优选的技术方案，所述推进器设置有转动导流管螺旋桨，用于改变推进器推力的方向。

作为优选的技术方案，所述主船体还设置有惯性传感器，所述惯性传感器用于检测主船体的运动姿态。

本发明还提供一种高速高海况可下潜的多体无人航行器的控制方法，包括下述步骤：

水上航行时，多体无人航行器控制压载水舱进排水，调整航行器的水上、水下和半潜航行状态，通过动态调整多个水平舵产生向上或向下的作用力，控制航行时的姿态；

改变推进子船体与通信子船体的各推进器的推力大小或者推力方向，控制航行的方向；

当检测到航行器的横摇角、纵摇角和垂荡运动中的任一个超过预设值时，判定为超出多体无人航行器自身耐波能力，多体无人航行器下潜，从水上航行状态调整为水下航行状态；

主船体下潜时，根据通信需求选择不释放通信子船体模式、有线释放通信子船体模式或无线释放通信子船体模式；

当选择不释放通信子船体模式时，多体无人航行器自主航行；

当选择有线释放通信子船体模式时，通信子船体漂浮于水面，由主船体通过有线方式拖带航行，通信子船体和主船体进行有线通信；

当选择无线释放通信子船体模式时，通信子船体脱离主船体，通信子船体单独上浮，通过自身动力航行，并通过声呐和主船体进行通信。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明具备同时适应水上航行、半潜航行和水下航行的功能，能同时满足水上作业和水下作业等多种需求。

(2)本发明当遇到大浪，超出航行器自身耐波能力时，能及时下潜，从水上航行状态调整为水下航行状态，从而避开海面大浪的威胁，确保船体自身的安全。

(3)本发明采用多体多推进的技术方案，利用空间上的多个推进力相互协调实现更多自由度的控制，在灵活性、稳定性、快速性方面都是单体无法比拟的，更容易满足高速高海况水上水下的使用需求。

(4)本发明每个推进子船体都安装有水平舵，通过控制各水平舵的舵角，利用机翼的升力原理，航行时能在主船体四周产生垂直方向的向上或向下作用力，有利于增加航行器垂直方向上的可控性，特别是高速航行时其作用力更大；通过各自控制水平舵的舵角，可使航行器水上航行时更加平稳，水下航行时除了保持平稳，不同的舵角还可以实现航行器朝上浮或下潜方向改变航向。

(5)本发明主船体采用水滴形设计，有异于常规的水面无人船，通过圆弧形设计，一方面可减少水上高速高海况航行时的上浪阻力，另一方面还可有利于迅速排水和去浪，在四个水平舵的控制作用下，航行器的水滴形外形更有利于其穿越大浪，实现平稳的航行，本发明较常规船舶更能适应高速高海况的运行状态。

(6)本发明设置了通信子船体作为远程通信的中继，其可视需要和主船体分离并漂浮于水面，一方面有利于水上水下的数据传送，另一方面也有利于随时监测水面情况。

(7)本发明主船体安装有侧翼、背鳍和尾鳍，是一种仿生鱼设计，使其更能适应水中航行状态，提高其航行稳定性。

附图说明

图1为本实施例高速高海况可下潜的多体无人航行器的整体结构示意图；

图2为本实施例高速高海况可下潜的多体无人航行器的主视示意图；

图3为本实施例高速高海况可下潜的多体无人航行器的俯视示意图；

图4为本实施例高速高海况可下潜的多体无人航行器的左视示意图；

图5为本实施例高速高海况可下潜的多体无人航行器的的水上、水下和半潜三种航行状态的示意图。

其中，1-主船体，2-推进子船体，3-通信子船体，4-侧翼，5-尾鳍，6-背鳍，7-推进器，8-水平舵。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1、图2、图3和图4所示，本实施例提供一种高速高海况可下潜的多体无人航行器，包括：主船体1、多个推进子船体2、多个侧翼4、多个水平舵8、尾鳍5和通信子船体3；

主船体1两侧通过侧翼4和推进子船体2一侧连接，上方通过尾鳍5和通信子船体3连接，推进子船体2另一侧与水平舵8连接，通信子船体3与主船体1通信连接，推进子船体2与通信子船体3的尾部均连接有推进器7；

在本实施例中，主船体1上部前端安装有背鳍6，本实施例的主船体安装有侧翼、背鳍和尾鳍，是一种仿生鱼设计，使其更能适应水中航行状态，提高其航行稳定性。

在本实施例中，主船体1内部设置有前(首)、中、后(尾)三个压载水舱，压载水舱用于调整船体内的进排水，从而改变航行器的重力大小和重心位置，若头部压载水舱单独进水，则头部首倾；若尾部压载水舱单独进水，则尾倾，三个压载水舱同时进水或者排水，则航行器整体下沉或者上浮。本实施例通过压载水舱的进排水来实现航行器的下潜、上浮及纵倾调整，以适应航行器的水上、水下和半潜三种航行状态，压载水舱分布在主船体内部的前(首)、中、后(尾)位置，是为了在调节自身重力的同时，也能调节重心的纵向位置。

在本实施例中，主船体1采用轴对称水滴形设计，推进子船体与通信子船体均采用水滴形结构，船体及子船体通过圆弧形设计，一方面可减少高速高海况航行的上浪阻力，另一方面还可有利于迅速排水和去浪，在水平舵的控制作用下，航行器的水滴形外形更有利于其穿越大浪，实现平稳的航行，相对于常规船舶更能适应高速高海况的运行状态。

在本实施例中，推进子船体的数量设置为四个，设于主船体下方四周(前后左右)，与主船体、通信子船体构成六体无人航行器，采用六体多推进技术，利用空间上的多个推进力相互协调实现更多自由度的控制，在灵活性、稳定性、快速性方面都是单体无法比拟的，更容易满足高速高海况水上水下的使用需求。当然，本实施例推进子船体的数量也可以设置为六个、八个等，利用空间上的多个推进力相互协调实现更多自由度的控制，可以在满足高速高海况水上水下的使用需求下进行调整。

在本实施例中，推进子船体和通讯子船体构成的空间多维推进系统较传统船舶或潜艇的单一推进和尾部推进方式更灵活，可实现多维的控制。第一种方式，可通过控制各推进器推力的大小来控制航行器的航向，如：增加右侧推进器的推力，减少左侧推进器的推力(或左侧倒车)，航行器即实现左转；增加上部通讯子船体的推进力，航行器即可实现朝下回转等。第二种方式，本实施例除了通过改变各推进器推力大小来控制航向外，还可采用可回转推进装置，通过改变各推进器推力方向来控制航行器的航向。例如，采用转动导流管螺旋桨，通过控制导流管的方向来改变推进器推力的方向，从而实现航行器的转向。

在本实施例中，推进子船体侧边安装的水平舵能够沿顺时针或逆时针转动一定舵角(水平舵的舵角可设置调节范围为正负35度左右，根据实际情况进行动态调整)，利用机翼的升力原理，航行时能在主船体四周产生4个向上或向下的作用力，以控制航行器的姿态。例如，当航行器航行中受波浪或水流作用产生右倾时，可通过控制右侧水平舵舵角为正攻角(导边朝上)，以产生向上的作用力；左侧水平舵为负攻角产生向下的作用了，即产生回复力矩以抗衡船体的右倾。航行器产生首倾也是一样道理，可通过首部水平舵正攻角产生向上作用力，尾部水平舵负攻角产生向下作用力以抗衡首倾。总的来说，就是通过控制4个水平舵的舵角大小和方向(即控制4个水平舵产生的升力的大小和方向)来控制航行器的姿态，其可抗衡(补偿)航行器的横摇、纵摇和升沉等运动，使航行器航行更加平稳。

在本实施例中，压载水舱是通过调节自身的重量和重心来调节下潜、上浮和纵倾的，在水下平稳航行时，航行器一般调节成零浮力和零纵倾。需改变深度时，一方面可通过改变4个水平舵的舵角，从而产生向上或向下的升力，以实现航行器向上或向下的变向；另一方面也可以直接通过控制压载水舱的进排水实现航行器的上升和下降；当然也可以两者联动起来，实现多参数快速控制。如图5所示，在本实施例中，尾鳍上设置有锁紧装置，通信子船体通过拖缆拉紧并锁紧于尾鳍上，通信子船体安装有监测系统，同时是航行器的通信终端，负责发射和接收远程信号，当主船体下潜时，可根据需要选择不释放通信子船体、有线释放通信子船体和无线释放通信子船体三种模式。

不释放通信子船体模式为航行器自主航行模式，通过自身智能系统进行自主航行，采用这种模式的目的有多种，例如出于军事上的隐匿的目的、临时避浪下潜、不需要监测水面情况或不需要远程通信等。

当选择有线释放通信子船体时，尾鳍上的锁紧装置松开，通信子船体在自身浮力作用下上浮，同时把尾鳍内部的拖缆拉出。通信子船体漂浮于水面，由主船体通过拖缆拖带航行，通信子船体同时通过拖缆和主船体进行信息通信。

当选择，尾鳍上的锁紧装置松开，通信子船体上的拖缆拖钩也自动解扣，通信子船体单独上浮，通过自身动力航行，并通过声呐和主船体进行通信。

由于远程信号和卫星信号不利于直接传送到水下，释放水面通信子船体，一方面有利于其作为远程通信信号的中继，把接收到的水面信号通过拖缆或声呐传送给主船体，另一方面也有利于随时监测水面的活动情况。

在本实施例中，航行器还设置有惯性传感器，当遇到大浪，惯性传感器测量到航行器的横摇角、纵摇角和垂荡运动中任一个过大，超出航行器自身耐波能力时，航行器就会及时下潜，从水上航行状态调整为水下航行状态，从而避开海面大浪的威胁，确保船体自身的安全。

本实施例具备同时适应水上航行、半潜航行和水下航行的功能，能同时满足水上作业和水下作业等多种需求。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高速高海况可下潜的多体无人航行器，其特征在于，包括：主船体、多个推进子船体、多个侧翼、多个水平舵、尾鳍和通信子船体；

侧翼设置在主船体两侧，侧翼一端与主船体连接，侧翼另一端与推进子船体一侧连接，推进子船体另一侧与水平舵连接，尾鳍一端与主船体连接，通信子船体与主船体通信连接；

推进子船体与通信子船体均连接有推进器；

所述主船体内部还设有多个压载水舱，压载水舱用于调整船体内的进排水。

2.根据权利要求1所述的高速高海况可下潜的多体无人航行器，其特征在于，还设有背鳍，所述背鳍设于主船体上。

3.根据权利要求1所述的高速高海况可下潜的多体无人航行器，其特征在于，所述尾鳍设有锁紧装置，用于锁紧通信子船体，所述通信子船体设有拖勾，所述尾鳍内部还设置有拖缆，所述拖缆与所述通信子船体的拖勾相连。

4.根据权利要求1所述的高速高海况可下潜的多体无人航行器，其特征在于，所述主船体采用轴对称水滴形结构的主船体。

5.根据权利要求1所述的高速高海况可下潜的多体无人航行器，其特征在于，所述推进子船体与通信子船体均采用水滴形结构。

6.根据权利要求1或5所述的高速高海况可下潜的多体无人航行器，其特征在于，所述推进子船体的数量设置为四个，设于所述主船体下方四周，与主船体、通信子船体构成六体无人航行器。

7.根据权利要求1所述的高速高海况可下潜的多体无人航行器，其特征在于，所述压载水舱数量设置为三个，分别设置在主船体前、中和后部。

8.根据权利要求1所述的高速高海况可下潜的多体无人航行器，其特征在于，所述推进器设置有转动导流管螺旋桨，用于改变推进器推力的方向。

9.根据权利要求1所述的高速高海况可下潜的多体无人航行器，其特征在于，所述主船体还设置有惯性传感器，所述惯性传感器用于检测主船体的运动姿态。

10.根据权利要求1-9任一项所述的高速高海况可下潜的多体无人航行器的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

水上航行时，多体无人航行器控制压载水舱进排水，调整航行器的水上、水下和半潜航行状态，通过动态调整多个水平舵产生向上或向下的作用力，控制航行时的姿态；

改变推进子船体与通信子船体的各推进器的推力大小或者推力方向，控制航行的方向；

当检测到航行器的横摇角、纵摇角和垂荡运动中的任一个超过预设值时，判定为超出多体无人航行器自身耐波能力，多体无人航行器下潜，从水上航行状态调整为水下航行状态；

主船体下潜时，根据通信需求选择不释放通信子船体模式、有线释放通信子船体模式或无线释放通信子船体模式；

当选择不释放通信子船体模式时，多体无人航行器自主航行；

当选择有线释放通信子船体模式时，通信子船体漂浮于水面，由主船体通过有线方式拖带航行，通信子船体和主船体进行有线通信；

当选择无线释放通信子船体模式时，通信子船体脱离主船体，通信子船体单独上浮，通过自身动力航行，并通过声呐和主船体进行通信。

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