CN112550571B - 一种高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋航行器技术领域，具体地说是一种高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器。包括主体、甲板组件、左片体、右片体及连接支架，其中左片体和右片体分别设置于连接支架的两端，主体设置于连接支架的下方，甲板组件设置于连接支架的上方；左片体的下方设有左推进器，右片体的下方设有右推进器。本发明具有耐波性好、波浪增阻小、机动性好、使用便捷等优点，可根据程序设定或遥控指令，机动至指定位置，并在设定范围内自守位。

Description

一种高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器

技术领域

本发明属于海洋航行器技术领域，具体地说是一种高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器。

背景技术

开发海洋资源，发展海洋经济，保护海洋环境，是发展海洋事业的主要任务，而海洋观测是研究海洋、开发海洋和利用海洋的基础。浮标和潜标是目前实施海洋定点观测的主要手段，但其存在一些使用问题，例如母船布放/回收作业受海况影响大；耐波性差，测量数据容易扰动；无法实现水面/水下数据同步测量等。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器，其具有耐波性好、波浪增阻小、机动性好、使用便捷等优点，可根据程序设定或遥控指令，机动至指定位置，并在设定范围内自守位；具备北斗短报文通信功能和无线通信数据传输功能；具备航迹预设及在线遥控更改功能，可搭载声学设备实现海洋环境的定点观测。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器，包括主体、甲板组件、左片体、右片体及连接支架，其中左片体和右片体分别设置于连接支架的两端，所述主体设置于连接支架的下方，所述甲板组件设置于连接支架的上方；所述左片体的下方设有左推进器，所述右片体的下方设有右推进器。

所述主体采用回转体构型；所述主体包括艏段、电池段和艉段，所述艏段和艉段均为框架式结构，所述电池段为整体耐压舱结构。

所述艏段包括艏段框架及浮力材和艏段水听器；

所述电池段内装有主电池组和电池导轨；

所述艉段内装有艉段水听器、水下测量分机、载荷导引装置、载荷锁紧装置和导引装置推杆。

所述甲板组件包括连接甲板及设置于所述连接甲板上的电缆机构、无线通信天线机构及抛绳器，其中连接甲板设置于所述连接支架上；所述抛绳器设置于所述连接甲板的前端；所述电缆机构设置于所述连接甲板的后端且与所述水下测量分机连接，所述电缆机构用于布放和回收所述水下测量分机。

所述电缆机构包括排缆器、绞盘、电缆及绞车驱动机构，其中绞盘可转动地设置于支撑架上且与绞车驱动机构连接；所述排缆器设置于所述连接支架的后端边缘处；所述电缆的一端缠绕于所述绞盘上，另一端经过排缆器后与所述水下测量分机连接。

所述无线通信天线机构包括天线倒伏装置、AIS信标及无线通信天线，所述无线通信天线与天线倒伏装置连接，所述天线倒伏装置用于驱动所述无线通信天线转动；所述AIS信标设置于所述无线通信天线上。

所述电缆机构的顶部设有声光报警装置、激光雷达、北斗天线、起吊点及航行灯。

所述左片体采用圆舭方艉艇型结构；

所述左片体的内部通过水密隔板分割为左片体控制舱、左片体补给电池舱及左片体主电池舱，其中左片体控制舱内装有左片体漏水传感器、控制分线盒、网络交换机、控制计算机、避碰计算机和应急电池，所述左片体控制舱下部装有左片体水听器；所述左片体补给电池舱内装有左片体补给电池组；所述左片体主电池舱内装有左片体电池组；所述左片体电池舱下部装有左推进器，上部装有左片体GPS天线。

所述右片体采用圆舭方艉艇型结构；

所述右片体的内部通过水密隔板分割为右片体控制舱、右片体补给电池舱及右片体主电池舱，其中右片体控制舱内装有右片体漏水传感器和水面测量分机，所述右片体控制舱下部装有右片体水听器；所述右片体补给电池舱内装有右片体补给电池组；所述右片体主电池舱内装有右片体电池组，所述右片体电池舱下部装有右推进器，上部装有右片体GPS天线。

所述的高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统采用闭环控制模式，控制量为航向和位置，航向保持采用航向偏差闭环控制，位置保持采用距离-速度闭环控制。

本发明具有以下有益效果及优点：

1、本发明各组成部分之间在结构及电气上相互独立，通过螺钉进行拆卸，便于运输。

2、本发明采用模块化设计，可以通过硬件上的简单配置，在不同航行器之间通用各模块组件，提高通用性能。

3、本发明半潜式水面三体构型方案，水线面面积分于两侧，增加横稳心高，提高复原力矩，提升侧向抗浪能力。

4、本发明主体沉于水下，减小水线面附近的湿表面积，降低兴波阻力和波浪增阻，节约能源。

5、本发明推进器布置在两侧片体下，水平面机动能力强，可实现定点长期驻守。

附图说明

图1为本发明高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器的轴测图；

图2为本发明高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器的仰视图；

图3为本发明中主体的结构示意图；

图4为本发明中甲板组件的结构示意图；

图5为本发明中左片体的结构示意图；

图6为本发明中右片体的结构示意图；

图7为本发明的驻守控制逻辑图；

图8为本发明的驻守范围原理图。

图中：1为主体，2为甲板组件，3为左片体，4为右片体，5为连接支架，6为艏段框架及浮力材，7为艏段水听器，8为主电池组，9为电池导轨，10为水下测量分机，11为载荷导引装置，12为载荷锁紧装置，13为导引装置推杆，14为连接甲板，15为声光报警装置，16为天线倒伏装置，17为排缆器，18为绞盘及电缆，19为激光雷达，20为北斗天线，21为AIS信标，22为无线通信天线，23为起吊点，24为抛绳器，25为航行灯，26为绞车驱动机构，27为左片体漏水传感器，28为控制分线盒，29为网络交换机，30为控制计算机，31为避碰计算机，32为应急电池，33为左片体补给电池组，34为左片体电池组，35为左推进器，36为左片体GPS天线，37为水面测量分机，38为右推进器，39为右片体漏水传感器，40为右片体水听器，41为右片体补给电池组，42为右片体电池组，43为右片体GPS天线，44为左片体水听器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1-2所示，本发明提供的一种高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器，包括主体1、甲板组件2、左片体3、右片体4及连接支架5，其中左片体3和右片体4分别设置于连接支架5的两端，主体1设置于连接支架5的下方，甲板组件2设置于连接支架5的上方；左片体3的下方设有左推进器35，右片体4的下方设有右推进器38。

如图3所示，本发明的实施例中，主体1采用回转体构型；主体1包括艏段、电池段和艉段，艏段和艉段均为框架式结构，电池段为整体耐压舱结构。本实施例中，艏段包括艏段框架及浮力材6和艏段水听器7；电池段内装有主电池组8和电池导轨9；艉段内装有艉段水听器、水下测量分机10、载荷导引装置11、载荷锁紧装置12和导引装置推杆13。

如图4所示，本发明的实施例中，甲板组件2包括连接甲板14及设置于连接甲板14上的电缆机构、无线通信天线机构及抛绳器24，其中连接甲板14连接在连接支架5上，抛绳器24设置于连接甲板14的前端；电缆机构设置于连接甲板14的后端且与水下测量分机10连接，电缆机构用于布放和回收水下测量分机10。

具体地，电缆机构包括排缆器17、绞盘、电缆18及绞车驱动机构26，其中绞盘可转动地设置于支撑架上且与绞车驱动机构26连接；排缆器17设置于连接甲板14的后端边缘处；电缆18的一端缠绕于绞盘上，另一端经过排缆器17后与水下测量分机10连接。排缆器17为定滑轮，用于对电缆18进行导向。

具体地，无线通信天线机构包括天线倒伏装置16、AIS信标21及无线通信天线22，无线通信天线22与天线倒伏装置16连接，天线倒伏装置16用于驱动无线通信天线22转动；AIS信标21设置于无线通信天线22上。本实施例中，天线倒伏装置16为驱动电机。

进一步地，电缆机构的顶部设有声光报警装置15、激光雷达19、北斗天线20、起吊点23及航行灯25。

如图5所示，本发明的实施例中，左片体3采用圆舭方艉艇型结构；左片体3的内部通过水密隔板分割为左片体控制舱、左片体补给电池舱及左片体主电池舱，三个舱室均为独立的水密空间。其中左片体控制舱内装有左片体漏水传感器27、控制分线盒、网络交换机、控制计算机、避碰计算机和应急电池32，左片体控制舱下部装有左片体水听器44；左片体补给电池舱内装有左片体补给电池组33；左片体主电池舱内装有左片体电池组34；左片体电池舱下部装有左推进器35，上部装有左片体GPS天线36。

如图6所示，本发明的实施例中，右片体4采用圆舭方艉艇型结构；右片体4的内部通过水密隔板分割为右片体控制舱、右片体补给电池舱及右片体主电池舱，三个舱室均为独立的水密空间。其中右片体控制舱内装有右片体漏水传感器39和水面测量分机37，右片体控制舱下部装有右片体水听器40；右片体补给电池舱内装有右片体补给电池组41；右片体主电池舱内装有右片体电池组42，右片体电池舱下部装有右推进器38，上部装有右片体GPS天线43。

如图2所示，本发明采用双推进形式，左推进器35和右推进器38分别布置于左片体3和右片体4底部，靠近重心，有利于增大浸深，并减小横纵摇响应下推进器的运动幅值，减小出水概率。双推进器配合使用可以实现航行器前进、后退和小半径回转，满足高精度驻守的机动需求。

本发明提供的一种高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器，其中主体1、甲板组件2、左片体3及右片体4均采用模块化设计，相互之间在结构及电气上相互独立，通过螺钉进行拆卸，便于运输。可以通过硬件上的简单配置，在不同航行器之间通用各模块组件，提高通用性能。起吊点23位于甲板顶部，与重心位置重合，可以与专用吊具配合完成快速的布放/回收。

为兼顾较低的航行阻力和较好的耐波性能，本发明借鉴水面多体船和半潜式航行器的构型特点，以水面三体船为雏形，将主体1潜于水下并采用回转体构型，左片体3和右片体4采用圆舭方艉艇型，设计出半潜式水面三体构型方案。本发明减小自由液面附近的湿表面积，降低波浪与航行器的抨击效应，从而降低兴波阻力和波浪增阻，节省能源；左片体3和右片体4位于水面，并分于两侧，与主体1由连接支架5相连，增加横向稳心高和复原力矩，提升耐波性能。本发明框架、壳体均由高强度铝合金制作，为提高其耐腐蚀性，对铝合金进行阳极化处理并喷涂防腐涂料，加装牺牲阳极，定期检查并及时修补涂料破损位置、更换牺牲阳极；其余零部件采用低电位材料或非金属材料制作，减少电化学腐蚀。

在上述实施例的基础上，本发明提供的高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器还包括控制系统，控制系统采用闭环控制模式，控制量为航向和位置，航向保持采用航向偏差闭环控制，位置保持采用距离-速度闭环控制。

如图7-8所示，本发明的控制逻辑采用闭环模式，在控制器设计中，在原有距离偏差基础上，引入前向速度量，将两者进行线性组合的目标速度作为被控量，推进器输出转速为被控对象，航行器实际位置和前向速度为输出量，同时为反馈控制量。此处假定航行器已完成航向调整，控制器中被控量与反馈控制量的关系可表示为：

(1)式中，V为目标速度，通过速度与推进器转速拟合关系，求得对应目标速度下所需转速值；v为航行器实际航行速度，可由速度传感器获得；d为距离偏差，由目标位置与实际位置相减求得，若目标位置在实际位置前方d为正值，反之为负值；k为航行速度与距离偏差的线性组合的权重分配比例，可通过试验法获得；K1、K2、K3为线性控制器作用边界值，可根据航行器水动力特性和水流速/风速调整。当距离小于K3时，推进器前进方向推力合力为零，即停止运动。

当K3≤|d|≤K2时，为避免对航行器做频繁的调整，采用如下控制策略：

式(2)理解为，距离偏差在逐渐减小时，若未小于K2，仍采用公式(1)；若距离在逐渐增大，但未大至K2时，采用公式(2)。整个过程可以描述为，进入精确驻留后，在载体坐标系下，若目标点在载体后方K1米以内，为抵消惯性带来的前向位移，航行器由前进状态提前进入倒车状态，推进器合力方向为后；反之，若航行器在目标点前方K1米内，为抵消倒车惯性，航行器由倒车状态提前进入前进状态，即推进器合力方向为前。

本发明的作业流程：

本发明在船基布放使用时，作业过程主要分为以下五个阶段：甲板备航、布放入水、航渡、自主守位测量和返航回收。

1、甲板备航

在入水前的准备工作主要包括两方面的内容，即设备检查和使命规划。设备检查包括旨在保证本发明正常工作和安全运行而对全系统实施的入水前的例行检查和准备工作，主要包括控制、导航、通信、动力、推进、声学等设备的通电和信号检测，载体外观及密封检查，浮态调整等。使命规划是指系统入水执行任务前，根据上级下达的使命要求和守位测量任务而进行的路径和任务规划，并将规划好的使命由计算机自动编译为程序下载到本发明的控制计算机。

2、布放入水

当母船航行至目标海域时，开始布放本发明。布放时，一名母船操作人员使用专用工具配合吊车作业，并由其余两名人员负责牵引止荡。吊车缓慢把本发明释放到水面，入水后，操作人员实施脱钩动作，完成布放。

3、航渡

本发明按程序规定的路径、速度、航向航行，直至到达预定的目标驻守点。本发明具有试验航路的校正功能，航渡过程中可接收无线通信指令切换到备用路径或返航。本发明可预先规划并存储任意数量的航路信息，航渡过程中可实现路径在线自主重规划。

4、自主守位测量

本发明到达目标守位点后，根据规划的路径航行并同时打开水面测量分机37和水下测量分机10。为了保证守位精度，期间可按程序设定自主进行差分GPS信号接收以进行定位，本发明实时抗流动力定位，始终保证在目标守位点一定范围内进行海洋环境测量工作。在目标测量期间，本发明可接收无线通信指令切换到下一目标海域或返航。

在航渡和测量工作期间，本发明对各设备工作状态和环境参数进行实时监控和故障诊断，如发生无法继续执行任务或可能导致安全隐患的故障时，本发明将进入应急处理流程，在水面进行示位、等待回收。

5、返航回收

当本发明完成任务后，航行器尾部绞车开始收绳，将水下测量分机10进行回收，然后自主返航至预定回收点，抛射缆绳到母船甲板。母船操作人员使用专用回收工具，配合吊车完成回收作业。

本发明的主体1采用回转体构型，潜于水下，左片体3和右片体4采用圆舭方艉艇型，置于水面，主体1与左片体3、右片体4由连接支架5相连，形成半潜式水面三体构型方案，增加稳心高，提升侧向抗浪能力，并减小兴波阻力，节省能源。为了实现定点长期精准驻守控位，本发明的控制系统采用闭环控制模式，在航行器航行至目标位置后，在无动力情况下，航行器航向和位置会随风和水流实时发生变化，因此，航行器需要根据位姿测量数据调整驱动值，以补偿扰动影响，此过程中，控制量为航向和位置。航向保持采用航向偏差闭环控制；位置保持采用距离-速度闭环控制。运动过程中，下达推进器转速后，推进器并非瞬间达到目标转速；推进器转速为零时，航行器依然会受惯性影响航行一段距离。导致航行器速度近乎为零时位置并非处于目标点，因此引入前向速度反馈控制环，以航行器实际航速作为控制因子，与距离偏差进行线性组合，即可兼顾惯性和水流的影响，又可起到提前“刹车”的作用。

本发明具有耐波性好、波浪增阻小、机动性好、使用便捷等优点，可根据程序设定或遥控指令，机动至指定位置，并在设定范围内自守位；具备北斗短报文通信功能和无线通信数据传输功能；具备航迹预设及在线遥控更改功能，主要用于搭载声学设备实现海洋环境的定点观测。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。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、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器，其特征在于，包括主体(1)、甲板组件(2)、左片体(3)、右片体(4)及连接支架(5)，其中左片体(3)和右片体(4)分别设置于连接支架(5)的两端，所述主体(1)设置于连接支架(5)的下方，所述甲板组件(2)设置于连接支架(5)的上方；所述左片体(3)的下方设有左推进器(35)，所述右片体(4)的下方设有右推进器(38)；

所述主体(1)采用回转体构型；所述主体(1)包括艏段、电池段和艉段，所述艏段和艉段均为框架式结构，所述电池段为整体耐压舱结构；

所述高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器的控制逻辑采用闭环模式，在控制器设计中，在原有距离偏差基础上，引入前向速度量，将两者进行线性组合的目标速度作为被控量，推进器输出转速为被控对象，航行器实际位置和前向速度为输出量，同时为反馈控制量；此处假定航行器已完成航向调整，控制器中被控量与反馈控制量的关系可表示为：

(1)式中，V为目标速度，通过速度与推进器转速拟合关系，求得对应目标速度下所需转速值；v为航行器实际航行速度，可由速度传感器获得；d为距离偏差，由目标位置与实际位置相减求得，若目标位置在实际位置前方d为正值，反之为负值；k为航行速度与距离偏差的线性组合的权重分配比例，可通过试验法获得；K1、K2、K3为线性控制器作用边界值，可根据航行器水动力特性和水流速/风速调整；当距离小于K3时，推进器前进方向推力合力为零，即停止运动；

当K3≤|d|≤K2时，为避免对航行器做频繁的调整，采用如下控制策略：

式(2)为，距离偏差在逐渐减小时，若未小于K2，仍采用公式(1)；若距离在逐渐增大，但未大至K2时，采用公式(2)；整个过程为，进入精确驻留后，在载体坐标系下，若目标点在载体后方K1米以内，为抵消惯性带来的前向位移，航行器由前进状态提前进入倒车状态，推进器合力方向为后；反之，若航行器在目标点前方K1米内，为抵消倒车惯性，航行器由倒车状态提前进入前进状态，即推进器合力方向为前。

2.根据权利要求1所述的高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器，其特征在于，所述艏段包括艏段框架及浮力材(6)和艏段水听器(7)；

所述电池段内装有主电池组(8)和电池导轨(9)；

所述艉段内装有艉段水听器、水下测量分机(10)、载荷导引装置(11)、载荷锁紧装置(12)和导引装置推杆(13)。

3.根据权利要求2所述的高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器，其特征在于，所述甲板组件(2)包括连接甲板(14)及设置于所述连接甲板(14)上的电缆机构、无线通信天线机构及抛绳器(24)，其中连接甲板(14)设置于所述连接支架(5)上；所述抛绳器(24)设置于所述连接甲板(14)的前端；所述电缆机构设置于所述连接甲板(14)的后端且与所述水下测量分机(10)连接，所述电缆机构用于布放和回收所述水下测量分机(10)。

4.根据权利要求3所述的高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器，其特征在于，所述电缆机构包括排缆器(17)、绞盘、电缆(18)及绞车驱动机构(26)，其中绞盘可转动地设置于支撑架上且与绞车驱动机构(26)连接；所述排缆器(17)设置于所述连接支架(5)的后端边缘处；所述电缆(18)的一端缠绕于所述绞盘上，另一端经过排缆器(17)后与所述水下测量分机(10)连接。

5.根据权利要求3所述的高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器，其特征在于，所述无线通信天线机构包括天线倒伏装置(16)、AIS信标(21)及无线通信天线(22)，所述无线通信天线(22)与天线倒伏装置(16)连接，所述天线倒伏装置(16)用于驱动所述无线通信天线(22)转动；所述AIS信标(21)设置于所述无线通信天线(22)上。

6.根据权利要求3所述的高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器，其特征在于，所述电缆机构的顶部设有声光报警装置(15)、激光雷达(19)、北斗天线(20)、起吊点(23)及航行灯(25)。

7.根据权利要求1所述的高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器，其特征在于，所述左片体(3)采用圆舭方艉艇型结构；

所述左片体(3)的内部通过水密隔板分割为左片体控制舱、左片体补给电池舱及左片体主电池舱，其中左片体控制舱内装有左片体漏水传感器(27)、控制分线盒、网络交换机、控制计算机、避碰计算机和应急电池(32)，所述左片体控制舱下部装有左片体水听器(44)；所述左片体补给电池舱内装有左片体补给电池组(33)；所述左片体主电池舱内装有左片体电池组(34)；所述左片体电池舱下部装有左推进器(35)，上部装有左片体GPS天线(36)。

8.根据权利要求1所述的高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器，其特征在于，所述右片体(4)采用圆舭方艉艇型结构；

所述右片体(4)的内部通过水密隔板分割为右片体控制舱、右片体补给电池舱及右片体主电池舱，其中右片体控制舱内装有右片体漏水传感器(39)和水面测量分机(37)，所述右片体控制舱下部装有右片体水听器(40)；所述右片体补给电池舱内装有右片体补给电池组(41)；所述右片体主电池舱内装有右片体电池组(42)，所述右片体电池舱下部装有右推进器(38)，上部装有右片体GPS天线(43)。

9.根据权利要求1所述的高海况下可长期驻守的小型无人水面航行器，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统采用闭环控制模式，控制量为航向和位置，航向保持采用航向偏差闭环控制，位置保持采用距离-速度闭环控制。

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