CN113212655B - 一种无人水下航行器海底驻留的吸力锚装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人水下航行器海底驻留的吸力锚装置及其控制方法，其中，吸力锚装置包括电缆绳索、吸力桶、水密电机、叶轮泵、供电及控制水密机箱、吸水管路、外置过滤器、内置过滤器、进水管路、排水口、进水口、外压力传感器、抽水T型电磁球阀、排水T型电磁球阀、内压力传感器、陀螺仪以及至位开关；UUV海底驻留的吸力锚装置的控制方法包括落锚、定锚和起锚方法。本发明的吸力锚装置具有海底驻留方便、易回收、易调整的优点，且具有很好的横向和纵向的承载力。此外，本发明的驻留方法可以使UUV具有多次海底驻留的能力，并避免UUV在海底长期驻留时由于海流作用而产生位移或被泥沙掩埋的风险。

Description

一种无人水下航行器海底驻留的吸力锚装置及其控制方法

技术领域

本发明属于水下机器人领域，涉及无人水下航行器海底驻留的吸力锚装置及及其控制方法，特别是涉及一种可以使无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle,简称UUV)海底驻留的吸力锚装置及其控制方法。

背景技术

UUV是海洋资源开发、海洋环境监测和海洋军事的重要装备。当UUV执行海洋环境监测、水下侦察、水下伏击、充当水下导航与通信节点等长期任务时，需要UUV稳定驻留在海底，使其以极低的能耗实现长时间隐蔽作业。而为了使UUV在航行时具备节能且易于操控的特性，通常将UUV设计为零浮力，若将UUV注水直接在海底进行着陆驻留，就极易受到海流的影响，使UUV漂离坐底位置。因此，设计一种能够将UUV稳定固定到海底的装置，对于UUV执行海底驻留任务而言是十分必要的。

为了将UUV稳定固定到海底，传统的做法是在UUV上安装抓力锚等装置。当UUV在航行过程中，抓力锚装置被嵌入到UUV的壳体内，以保持UUV的流线外形；当UUV需要在海底驻留时，通过壳体内的锚链释放机构释放抓力锚装置，抓力锚装置在负浮力和海流的共同作用下被嵌入到泥土中，从而使UUV稳定驻留在海底；当UUV需要启航时，由于UUV自身难于对抓力锚装置进行起锚，只能通过切断抓力锚装置的锚链来实现UUV启航。抓力锚装置的优点是结构简单、成本低，采用抓力锚装置驻留UUV也没有被泥沙掩埋的风险，缺点是UUV只能进行一次海底驻留，严重限制了UUV的使用灵活性。

为此，中国专利申请号CN106741647A公开了一种UUV海底驻留的锚泊装置及方法。该锚泊装置由液压驱动臂、可收放锚杆和抓泥铲组成。当UUV在航行过程中，锚杆和抓泥铲合为一体并在液压臂的作用下收放在UUV的两侧，以保持UUV的流线外形；当UUV需要在海底驻留时，通过液压驱动臂伸长使锚杆和抓泥铲伸出，在液压驱动臂和重力的共同作用下使抓泥铲嵌入到泥土中，从而使UUV稳定驻留在海底表面；当UUV需要从海底启航时，通过收缩液压驱动臂使锚杆带动抓泥铲从泥土中拔出，并逐渐收回锚杆和抓泥铲实现UUV海底启航。这种方法的优点从理论上可以实现UUV多次的海底驻留，缺点是UUV在海底长时间驻留时有被泥沙掩埋的风险，直接影响UUV的后续启航。

发明内容

(1)技术问题

为了实现UUV能在海底的多次驻留，并避免UUV被海底泥沙掩埋的风险，本发明提出了一种无人水下航行器海底驻留的吸力锚装置及其控制方法。

(2)技术方案

为了实现UUV能在海底的多次驻留，本发明的吸力锚装置技术方案为电缆绳索固定在吸力桶上部吸力锚装置整体质心处位置，且电缆绳索上端部分实际连接无人水下航行器，不仅负责吸力锚装置的供电，还承担锚链的作用。电缆绳索固定在吸力桶之后，再与供电及控制水密机箱连接。内置过滤器固定在吸力桶内腔顶端处，通过管路与吸力桶外部的外置过滤器和抽水T型电磁球阀连接。抽水T型电磁球阀通过吸水管路与叶轮泵连接，排水T型电磁球阀连接叶轮泵、排水口和进水管路。进水口为进水管路的末端部分，与至位开关、内压力传感器共同布置于吸力桶内腔顶端处。水密电机与叶轮泵相连接，且水密电机通过自身法兰固定于吸力桶上部。外压力传感器、供电及控制水密机箱、陀螺仪固定于吸力桶上部，与布置于吸力桶内腔顶端的至位开关、内压力传感器形成一套完整的落锚、定锚、起锚动作执行状态监测体系，保障无人水下航行器的吸力锚装置工作稳定可靠。

根据本发明的一方面，提供了一种无人水下航行器海底驻留的吸力锚装置，包括：电缆绳索、进水管路、水密电机、外置过滤器、供电及控制水密机箱、排水T型电磁球阀、叶轮泵、吸水管路、抽水T型电磁球阀、吸力桶、排水口、进水口、至位开关以及内置过滤器，其中，吸力桶采用内桶与外桶嵌套式结构，内桶的高度大于外桶的高度，进水口位于内桶顶壁并且依次通过进水管路、排水T型电磁球阀与叶轮泵的一端口连通，内置过滤器位于内桶顶壁并且依次通过抽水T型电磁球阀、吸水管路与叶轮泵的另一端口连通，电缆绳索固定在吸力桶上部的吸力锚装置整体质心处位置，水密电机与供电及控制水密机箱分别设置在吸力桶上部电缆绳索两侧，水密电机与叶轮泵固定连接，排水口与排水T型电磁球阀一端口连通，外置过滤器与抽水T型电磁球阀一端口连通，至位开关位于内桶顶壁。

进一步地，所述吸力锚装置还包括：外压力传感器以及内压力传感器，外压力传感器位于吸力桶上部，内压力传感器位于内桶顶壁。

进一步地，所述吸力锚装置还包括：陀螺仪，陀螺仪位于吸力桶上部，并位于外置过滤器附近。

进一步地，水密电机是定子为耐压密封壳体的高速永磁同步电机，叶轮泵是单向高速离心潜水泵。

进一步地，吸水管路的直径大于进水管路的直径。

进一步地，排水T型电磁球阀、排水口以及进水管路的局部位于吸力桶的外侧。

进一步地，排水口的水平位置高于外置过滤器的水平位置。

根据本发明的另一方面，提供了一种如上所述吸力锚装置的控制方法，当所述吸力锚装置需要海底驻留时，抽水T型电磁球阀打开内置过滤器和吸水管路的通路，排水T型电磁球阀形成叶轮泵和排水口的通路，水密电机带动叶轮泵开始抽排水工作，吸力桶内部的水经过吸水管路到达叶轮泵，再通过排水口将水排出，吸力桶内外环境就此产生压力差，吸力桶在压力差的作用下向海床陷入，直至至位开关接触到海床底部的泥沙，水密电机停止抽排水动作。

进一步地，当所述吸力锚装置需要海底启航时，抽水T型电磁球阀形成外置过滤器和吸水管路的通路，排水T型电磁球阀形成叶轮泵和进水管路、进水口的通路，吸力桶外部的水经过外置过滤器、吸水管路、叶轮泵、进水管路、进水口进入吸力桶内部，此时进入吸力桶内部的水压增大，吸力桶会在此水压下，逐步从海床脱出，直至内压力传感器和外压力传感器监测到吸力桶内外水压一致，水密电机停止抽进水动作。

进一步地，当所述吸力锚装置需要海底驻留时，陀螺仪监测吸力桶的落底姿态，如果姿态未在合理范围内，无人水下航行器将把吸力锚装置重新拉起并且重新选择落锚，减小落锚失败的风险。

进一步地，，当所述吸力锚装置需要海底驻留时，供电及控制水密机箱根据至位开关回传的位移信号，或者根据外压力传感器与内压力传感器之间的压力差，决定是否二次启动水密电机带动叶轮泵开始抽排水动作。

根据本发明的实施例，“抽排水”管路体系包括内置过滤器、抽水T型电磁球阀、吸水管路、水密电机、叶轮泵、排水T型电磁球阀、排水口。抽水T型电磁球阀开通内置过滤器和吸水管路的通路，排水T型电磁球阀形成叶轮泵和排水口的通路。当水密电机带动叶轮泵工作时，吸力桶内腔的水由此排出，在内外压差作用下，吸力锚装置嵌入海床软底，直至吸力桶顶端至位开关接触到海床底部的泥沙，使水密电机停止抽水动作，落锚完成。

根据本发明的实施例，“抽进水”管路体系包括外置过滤器、抽水T型电磁球阀、吸水管路、水密电机、叶轮泵、排水T型电磁球阀、进水管路、进水口。抽水T型电磁球阀开通外置过滤器和吸水管路的通路，排水T型电磁球阀形成叶轮泵和进水管路、进水口的通路。当水密电机带动叶轮泵工作时，吸力桶外部的水由此抽进吸力桶内部，在内外压差作用下，吸力锚从海床软底脱出，直至内压力传感器和外压力传感器监测到吸力桶内外水压一致，停止水密电机和叶轮泵进行抽水动作，起锚完成。

根据本发明的实施例，在“抽排水”和“抽进水”进行中，内压力传感器和外压力传感器全程监测吸力桶内外的压力差。至位开关属于机械制动开关，当接触到吸力桶内涌入的泥沙后，供电及控制水密机箱会判断落锚到位；在定锚状态中，吸力桶如果有松脱，顶端的至位开关产生的位移会传回供电及控制水密机箱进行决策，决定是否二次启动水密电机带动叶轮泵开始抽水工作，以保证定锚稳定。

(3)有益效果

本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：

1.本发明的吸力锚装置具有海底驻留方便、易回收、易调整的优点，且具有很好的横向和纵向的承载力。

2.本发明的吸力锚装置可以嵌入到UUV的壳体内，以保持UUV在航行时的流线外形；

3.本发明的吸力锚装置可以通过UUV实现自主的落锚、定锚及起锚，实现无人水下航行器吸力锚装置的智能化。

4.本发明的驻留方法可以使UUV具有多次海底驻留的能力，并避免UUV在海底驻留时由于海流作用而产生位移或被泥沙压埋的风险。

附图说明

图1a为根据本发明实施例的吸力锚装置组成示意图；

图1b为根据本发明实施例的吸力锚装置的吸力桶半剖示意图；

图2为根据本发明实施例吸力锚装置“抽排水”时水流通路图；

图3为根据本发明实施例吸力锚装置“抽排水”时水流通路简图；

图4为根据本发明实施例吸力锚装置“抽进水”时水流通路图；

图5本根据本发明实施例吸力锚装置“抽进水”时水流通路简图；

图6为根据本发明实施例无人水下航行器落锚工作流程框图；

图7为根据本发明实施例无人水下航行器定锚状态监测流程框图；

图8为根据本发明实施例无人水下航行器起锚工作流程框图；

附图标记说明：1：电缆绳索、2：进水管路、3：水密电机、4：外压力传感器、5：外置过滤器、6：供电及控制水密机箱、7：排水T型电磁球阀、8：叶轮泵、9：吸水管路、10：抽水T型电磁球阀、11：陀螺仪、12：吸力桶、13：排水口、14：进水口、15：至位开关、16：内置过滤器、17：内压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行完整、清晰的描述，所描述内容仅作为本发明专利实施例，而不作为对本发明专利的限定。

参考附图1a和图1b，本发明专利提供了一种无人水下航行器海底驻留的吸力锚装置，包括电缆绳索1固定在吸力桶12上部吸力锚装置质心处位置，电缆绳索1上端部分实际连接无人水下航行器的卷扬机构，负责吸力锚系统供电和锚链的作用。

电缆绳索1固定在吸力桶12上，再与供电及控制水密机箱6连接。内置过滤器16固定在吸力桶12内桶内腔顶端处，通过管路与吸力桶12外部的外置过滤器5和抽水T型电磁球阀10连接。

抽水T型电磁球阀10通过吸水管路9与叶轮泵8连接，排水T型电磁球阀7连接叶轮泵8、排水口13和进水管路2。进水口14为进水管路2的末端部分，与至位开关15、内压力传感器17共同布置于吸力桶12内桶内腔顶端处。水密电机3与叶轮泵8相连接，且水密电机3通过自身法兰固定于吸力桶12上部。

需要说明的是，为了实现吸力锚装置可以嵌入到UUV的壳体内的目的，水密电机3与叶轮泵8需要具备小体积的特性。同时，叶轮泵8还需具备大流量以及高扬程的特点，从而达到可以使吸力桶12内外迅速形成压差的目的。

在实施例中水密电机是定子为耐压密封壳体的高速永磁同步电机，其额定功率为7.5KW、最大功率为8.0KW、额定电压为380V、额定电流为14.5A、额定转速为11850rpm、额定频率为367HZ、效率为95.5％、额定转矩为6.94Nm、电机净重≯9kg(≯表示不大于)。叶轮泵是高速离心潜水泵，其进口压为3.0Mpa、进出口压差为0.8Mpa、泵额定流量为320L/min、叶轮泵转速为11000rpm、叶轮泵净重≯3.5kg。

外压力传感器4、供电及控制水密机箱6、陀螺仪11固定于吸力桶12上部，与布置于吸力桶12内桶腔顶端的至位开关15、内压力传感器17形成一套完整的落锚、定锚、起锚动作执行状态监测体系。

参考附图1b，本发明专利中的吸力锚装置中，吸力桶12分为内桶与外桶的嵌套式结构，内外层高度采用阶梯布置，在保证落锚过程中所受的海床土质阻力较小的前提下，尽可能增大无人水下航行器在定锚状态下的抗拉稳定性。

参考附图2和附图3，分别为吸力锚装置“抽排水”时水流通路图和水流通路简图，水流流向如图中箭头所示。

当UUV需要在海底驻留时，此时吸力锚装置的抽水T型电磁球阀10打开内置过滤器16和吸水管路9的通路，排水T型电磁球阀7形成叶轮泵8和排水口13的通路。

水密电机3带动叶轮泵8开始抽水工作，吸力桶12内部的水经过吸水管路9到达叶轮泵8，再通过排水口13将水排出，吸力桶12内外环境就此产生压力差，深入海床一定深度的吸力桶12在压力差的作用下向海床陷入，直至吸力桶12顶端至位开关15接触到海床底部的泥沙，使水密电机3停止抽水动作，落锚过程结束。

参考附图4和附图5，分别为吸力锚装置“抽进水”时水流通路图和水流通路简图，水流流向如图中箭头所示。

当UUV需要启航时，此时吸力锚装置的抽水T型电磁球阀10形成外置过滤器5和吸水管路9的通路，排水T型电磁球阀7形成叶轮泵8和进水管路2、进水口14的通路。

如图5所示，吸力桶12外部的水经过外置过滤器5、吸水管路9、叶轮泵8、进水管路2、进水口14进入吸力桶12内部，由此水流形成环形通路，可以保证吸力锚装置启航时的稳定性。此时进入吸力桶12内部的水将内压增大，吸力桶12会在此压力下，逐步从海床脱出，直至内压力传感器17和外压力传感器4监测到吸力桶12内外水压一致，停止水密电机3和叶轮泵8抽水，完成起锚。

吸水管路9的直径可设置成大于进水管路2的直径。

需要说明的是，排水T型电磁球阀7和抽水T型电磁球阀10并非代表排水T型电磁球阀7仅在排水时使用，抽水T型电磁球阀10仅在抽水时使用，这样的命名旨在将二者区分开。排水T型电磁球阀7也可称为第一电磁球阀或者第一电磁阀，抽水T型电磁球阀10可以称为第二电磁球阀或者第二电磁阀。

参考附图6、附图7和附图8，无人水下航行器海底驻留的方法包括落锚、定锚和起锚方法。

参考附图6，无人水下航行器到达任务海域，放下电缆绳索1进行落锚，依靠吸力锚整体自重，吸力桶12边缘会陷入软质海床一定的深度，同时陀螺仪11感知吸力锚整体姿态，如果姿态未在合理范围内，航行器将把吸力锚重新拉起重新选择落锚。

如果陀螺仪11检测到吸力桶12姿态在合理范围内，此时抽水T型电磁球阀10打开内置过滤器16和吸水管路9的通路，排水T型电磁球阀7形成的叶轮泵8和排水口13的通路。

水密电机3带动叶轮泵8开始抽水工作，吸力桶12内部的水经过吸水管路9到达叶轮泵8，再通过排水口13将水排出。

吸力桶12内外环境就此产生压力差，深入海床一定深度的吸力桶12在压力差的作用下向海床陷入，直至吸力桶12顶端至位开关15接触到海床底部的泥沙，使水密电机3停止抽水动作，落锚过程结束。

参考附图7，无人水下航行器在定锚状态持续中，如果吸力桶12外部的间隙水渗入吸力桶12内部过多、或者无人水下航行器随水流产生的拉力过大，使吸力锚在海床陷入的深度有所松脱时，吸力桶12顶端至位开关15产生的位移会传回供电及控制水密机箱6进行决策，决定是否二次启动水密电机3带动叶轮泵8开始抽水工作(重复附图6中抽排水步骤)，保证定锚的稳固。

根据本发明的其它实施例，供电及控制水密机箱6也可以根据外压力传感器4与内压力传感器17之间的压力差，决定是否二次启动水密电机3带动叶轮泵8开始抽水工作(重复附图6中抽排水步骤)，保证定锚的稳固。

参考附图8，无人水下航行器起锚时，抽水T型电磁球阀10形成外置过滤器5和吸水管路9的通路，排水T型电磁球阀7形成的叶轮泵8和进水管路2、进水口14的通路。

吸力桶12外部的水经过外置过滤器5、吸水管路9、叶轮泵8、进水管路2、进水口14进入吸力桶12内部。

此时进入吸力桶12内部的水将内压增大，吸力桶12会在此压力下，逐步从海床脱出，直至内压力传感器17和外压力传感器4监测到吸力桶12内外水压一致，停止水密电机3和叶轮泵8抽水，完成起锚。

最终，无人水下航行器卷扬机收回电缆绳索1，将吸力锚装置收入其底部腔体内。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种无人水下航行器海底驻留的吸力锚装置，其特征在于，所述吸力锚装置包括：电缆绳索(1)、进水管路(2)、水密电机(3)、外置过滤器(5)、供电及控制水密机箱(6)、排水T型电磁球阀(7)、叶轮泵(8)、吸水管路(9)、抽水T型电磁球阀(10)、吸力桶(12)、排水口(13)、进水口(14)、至位开关(15)以及内置过滤器(16)，其中，吸力桶(12)采用内桶与外桶嵌套式结构，内桶的高度大于外桶的高度，进水口(14)位于内桶顶壁并且依次通过进水管路(2)、排水T型电磁球阀(7)与叶轮泵(8)的一端口连通，内置过滤器(16)位于内桶顶壁并且依次通过抽水T型电磁球阀(10)、吸水管路(9)与叶轮泵(8)的另一端口连通，电缆绳索(1)固定在吸力桶(12)上部的吸力锚装置整体质心处位置，水密电机(3)与供电及控制水密机箱(6)分别设置在吸力桶(12)上部电缆绳索(1)两侧，水密电机(3)与叶轮泵(8)固定连接，排水口(13)与排水T型电磁球阀(7)一端口连通，外置过滤器(5)与抽水T型电磁球阀(10)一端口连通，至位开关(15)位于内桶顶壁；水密电机(3)是定子为耐压密封壳体的高速永磁同步电机，叶轮泵(8)是单向高速离心潜水泵。

2.根据权利要求1所述的吸力锚装置，其特征在于，所述吸力锚装置还包括：外压力传感器(4)以及内压力传感器(17)，外压力传感器(4)位于吸力桶(12)上部，内压力传感器(17)位于内桶顶壁。

3.根据权利要求1所述的吸力锚装置，其特征在于，所述吸力锚装置还包括：陀螺仪(11)，陀螺仪(11)位于吸力桶(12)上部，并位于外置过滤器(5)附近。

4.根据权利要求1所述的吸力锚装置，其特征在于，吸水管路(9)的直径大于进水管路(2)的直径。

5.根据权利要求1所述的吸力锚装置，其特征在于，排水T型电磁球阀(7)、排水口(13)以及进水管路(2)的局部位于吸力桶(12)的外侧。

6.一种如权利要求1-5任一所述吸力锚装置的控制方法，其特征在于，当所述吸力锚装置需要海底驻留时，抽水T型电磁球阀(10)打开内置过滤器(16)和吸水管路(9)的通路，排水T型电磁球阀(7)形成叶轮泵(8)和排水口(13)的通路，水密电机(3)带动叶轮泵(8)开始抽排水动作，吸力桶(12)内部的水经过吸水管路(9)到达叶轮泵(8)，再通过排水口(13)将水排出，吸力桶(12)内外环境就此产生压力差，吸力桶(12)在压力差的作用下向海床陷入，直至至位开关(15)接触到海床底部的泥沙，水密电机(3)停止抽排水动作。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，当所述吸力锚装置需要海底启航时，抽水T型电磁球阀(10)形成外置过滤器(5)和吸水管路(9)的通路，排水T型电磁球阀(7)形成叶轮泵(8)和进水管路(2)、进水口(14)的通路，吸力桶(12)外部的水经过外置过滤器(5)、吸水管路(9)、叶轮泵(8)、进水管路(2)、进水口(14)进入吸力桶(12)内部，此时进入吸力桶(12)内部的水压增大，吸力桶(12)会在此水压下，逐步从海床脱出，直至内压力传感器(17)和外压力传感器(4)监测到吸力桶(12)内外水压一致，水密电机(3)停止抽进水动作。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，当所述吸力锚装置需要海底驻留时，陀螺仪(11)监测吸力桶(12)的落底姿态，如果姿态未在合理范围内，无人水下航行器将把吸力锚装置重新拉起并且重新选择落锚。

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，当所述吸力锚装置需要海底驻留时，供电及控制水密机箱(6)根据至位开关(15)回传的位移信号，或者根据外压力传感器(4)与内压力传感器(17)之间的压力差，决定是否二次启动水密电机(3)带动叶轮泵(8)开始抽排水动作。

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