CN113212670A - 一种可灵活切换作业形态的跨水面穿梭型无人船 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可灵活切换作业形态的跨水面穿梭型无人船。主要由无人船主体、形态转换系统、混合动力系统与升潜转换系统构成，无人船主体内布置有多个升潜水舱，升潜水舱和升潜转换系统连接，形态转换系统和混合动力系统安装在无人船主体上，通过混合动力系统带动无人船主体运动，通过形态转换系统带动无人船主体的运动阻力，通过升潜转换系统控制各个升潜水舱内的水液面，进而调控无人船主体浮沉。本发明的无人船可通过内置升潜水舱控制无人船的沉浮，根据环境需要在表面艇、半潜与全潜三种状态进行切换，具备良好的环境适应能力与隐蔽能力，应用广泛。

Description

一种可灵活切换作业形态的跨水面穿梭型无人船
技术领域
本申请涉及智能自动设备技术领域的一种无人船结构，特别是涉及一种可灵活切换作业形态的跨水面穿梭型无人船。
背景技术
水面无人航行器是一种能够在实际海洋环境下自主航行，并完成各种任务的海上无人自主平台。与有人驾驶的舰艇相比，无人船具有形体小、隐蔽性好、航速高、机动灵活、无人员伤亡风险等诸多突出战术特点，在军用领域，无人船可执行隐蔽侦查、扫雷排爆、反潜反恐、精确打击、区域警戒等特定任务或一些高威胁系数场景任务；在民用领域，无人船可用于湖海勘测、水质采样、水文气象研究以及救援救助等工作。随着海洋战略意义的不断提升，无人船在各个领域都有着日益高涨的需求和广阔的应用前景。
常规水面无人船由于其排水量小，吃水浅，耐波性差，在恶劣海况环境下容易倾覆，难以安全航行甚至生存，无法胜任远海任务。无人船作为现代海洋无人航行平台的主要运载体形式，全天候复杂海况航行是必备的能力之一，跨水面穿梭无人航行器可针对环境态势切换航行形态以及灵活调整潜航深度，在海况条件较好，隐蔽性要求低时以滑行艇形态在水面高速航行，当海况较差或需要隐蔽时半潜或全潜进入水面以下以滑翔机形态低速潜行，可以兼顾无人航行器的高速性、安全性和隐蔽性，因此研究具备自扶正特性、能够自主完成升潜转换的环境适应能力更强的跨水面穿梭无人航行器,可突破常规水面无人航行器的应用环境限制和海况约束，打造出广域全天候的智能化海上无人自主平台，实现水面无人航行器高海况作业的常态化，并在未来海战场发挥重要作用。
发明内容
为了使无人船更好地适应不同的海洋环境，本发明提供了一种可灵活切换作业形态的跨水面穿梭型无人船，可用于隐蔽侦察、区域警戒、水文采样、救援救助等领域。
本发明所采用的技术方案是：
本发明主要由无人船主体、形态转换系统、混合动力系统与升潜转换系统构成，无人船主体内布置有多个升潜水舱，升潜水舱和升潜转换系统连接，形态转换系统和混合动力系统安装在无人船主体上，通过混合动力系统带动无人船主体运动，通过形态转换系统带动无人船主体的运动阻力，通过升潜转换系统控制各个升潜水舱内的水液面，进而调控无人船主体浮沉。
所述的形态转换系统具体包括滑翔翼、尾翼与升降式桅杆；
所述滑翔翼位于无人船主体的两侧面，根据海况环境及作业需求进行展开或收拢到无人船主体侧面开设的凹槽内，使无人船在滑行艇与滑翔机两种形态间切换；
所述尾翼位于船艉，铰接地安装在无人船主体顶面上；
所述升降式桅杆可升降收拢或者展开地位于无人船顶部，升降式桅杆上布置有雷达系统与光电视觉识别系统，在无人船在水上时通过雷达系统与光电视觉识别系统进行环境感知获得环境信息，将感知的环境信息并发送给控制系统。
所述混合动力系统包括柴油发动机、电动机、螺旋桨与离合传动切换机构，螺旋桨安装在无人船主体的船艉，柴油发动机、电动机与离合传动切换机构安装在无人船主体内，柴油发动机、电动机均经离合传动切换机构和螺旋桨连接，通过离合传动切换机构切换选择柴油发动机、电动机中之一为螺旋桨提供动力源。
所述离合传动切换机构根据无人船的不同状态切换动力源进行作业：
当处于全潜状态下时，柴油发动机停止运行，通过离合传动切换机构切换将电动机和螺旋桨连接，利用电动机驱动所述螺旋桨进行水下航行，为全潜状态的无人船提供主要动力；
当处于表面艇形态与半潜状态时，电动机停止运行，通过离合传动切换机构切换将柴油发动机和螺旋桨连接，利用柴油发动机推动无人船在水面高速航行。
所述的无人船主体内布置有四个升潜水舱、两个常压舱室和一个高压舱室，其中两个升潜水舱分别位于无人船主体的船艏两侧，另外两个升潜水舱分别位于无人船主体的船艉两侧；
升潜转换系统包括单向泵、通气阀、空气开关阀、双向变量泵、船艏舷侧阀和船艉舷侧阀，两个常压舱室均经各自的单向泵和一个高压舱室连通；
船艏两侧的两个升潜水舱分别经各自的双向变量泵后和船艏舷侧阀的两端连通，船艏舷侧阀的第三端和无人船主体外界的水连通，船艏两侧的两个升潜水舱分别经各自的通气阀后连通到两个常压舱室，同时船艏两侧的两个升潜水舱和各自的通气阀之间的气管路上设置三通接口，通过三通接口引出另一路经空气开关阀连通到常压舱室；
船艉两侧的两个升潜水舱分别经各自的双向变量泵后和船艉舷侧阀的两端连通，船艉舷侧阀的第三端和无人船主体外界的水连通，船艉两侧的两个升潜水舱分别经各自的通气阀后连通到两个常压舱室，同时船艏两侧的两个升潜水舱和各自的通气阀之间的气管路上设置三通接口，通过三通接口引出另一路经空气开关阀连通到常压舱室。
所述的高压舱室自带有产生气体的装置而形成高压气体，或者经单向泵从两个常压舱室中抽取气体产生高压气体。
本发明的有益效果是：
可突破常规小型水面无人船的排水量小，吃水浅，耐波性差，在恶劣海况环境下容易倾覆的缺点。使无人船能针对不同的海况灵活调整潜航深度以及切换航行形态，增强无人船对环境的适应能力，将无人船转变为广域全天候的智能化海上无人自主平台，实现水面无人航行器高海况作业的常态化。
本发明的无人船可通过内置升潜水舱控制无人船的沉浮，根据环境需要在表面艇、半潜与全潜三种状态进行切换，具备良好的环境适应能力与隐蔽能力。
本发明能应用于隐蔽侦察、区域警戒、水文采样、救援救助等领域。
附图说明
图1为本发明一种可灵活切换作业形态的跨水面穿梭型无人船的外形结构示意图；
图2为无人船的形态说明图。左图为滑翔机形态，右图为滑行艇形态。当无人船在海面上或进行状态转换时采用滑行艇形态，在半潜或全潜状态时采用滑翔机形态。
图3为无人船的状态说明图。根据海况与作业条件的不同，无人船在表面艇、半潜与全潜三种状态间进行切换。
图4为无人船的升潜水舱分布图，图中船体内的黑色图块表示升潜水舱所在的位置。通过控制各个升潜水舱的储水量，可以改变船只的重量分布，从而实现升潜转换与动态扶正。
图5为无人船升潜系统的示意图。当升潜水舱需要注水时，图示空气开关阀关闭，海水注入图示的四个升潜水舱，将升潜水舱内空气压至两个舱室中，同时图示单向空气泵工作，将常压舱室中的空气输送至高压舱室；当升潜水舱排水时，图示空气开关阀开启，高压空气泵工作，利用高压空气将海水压出升潜水舱。
图中：无人船主体1、滑翔翼2、螺旋桨3、升降式桅杆4、桅杆密封舱5、尾翼6。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
无人船具有跨水面功能，能根据海况在表面艇、半潜、全潜三种状态中切换。如图1所示，无人船主要由无人船主体1、滑翔翼2、螺旋桨3、柴油发动机、升降式桅杆4、桅杆密封舱5、尾翼6构成。
主要由无人船主体1、形态转换系统、混合动力系统与升潜转换系统构成，无人船主体1内布置有多个升潜水舱，形态转换系统、混合动力系统与升潜转换系统也均装在无人船主体1内或上，升潜水舱和升潜转换系统连接，形态转换系统和混合动力系统安装在无人船主体1上，通过混合动力系统带动无人船主体1运动，通过形态转换系统带动无人船主体1的运动阻力，通过升潜转换系统控制各个升潜水舱内的水液面，进而调控无人船主体1浮沉。
无人船主体1能实现的工作情况分为表面艇、半潜、全潜三种不同状态，如图3所示，分别是：
当海况恶劣，或是需要执行隐蔽任务时，通过升潜转换系统控制无人船下潜成为全潜状态，悬浮于水下约10m深，以保护设备并提高隐蔽性。
当海况较好，无人船需要进行快速移动时，通过升潜转换系统控制无人船上浮成为表面艇状态，在水面上快速移动。
当海况较差，且无人船需要进行较快速移动时，通过升潜转换系统控制无人船进入半潜状态，能在减小环境影响的同时在水面保持较快速移动。
同时，无人船主体1外表面呈流线体型，能有效减小在水面和水中行驶时的阻力。
进一步地，无人船主体1具备密封能力，能有效在半潜与全潜状态下保护船体内部各结构。
形态转换系统具体包括滑翔翼2、尾翼6与升降式桅杆4，通过滑翔翼2、尾翼6与升降式桅杆4控制无人船的外形，使无人船适应表面艇、半潜、全潜三种不同状态；
滑翔翼2位于无人船主体1的两侧面，根据海况环境及作业需求进行展开或收拢到无人船主体1侧面开设的凹槽内，使无人船在滑行艇与滑翔机两种形态间切换，如附图2所示；
无人船在半潜或全潜状态下，滑翔翼2展开，无人船处于滑行艇形态，使无人船在水中平稳滑行；无人船在表面艇状态下，滑翔翼2收拢，无人船处于滑翔机形态，减少空气阻力以适应高速航行的需要。
尾翼6位于船艉，铰接地安装在无人船主体1顶面上；尾翼6采用垂直尾翼，具有转向功能，用于控制无人船在水下的转向。
无人船在表面艇与半潜状态下，尾翼6保持与无人船主体1的行进方向平行，以减少空气阻力；无人船在全潜状态下，尾翼6根据无人船主体1行进方向需求进行转向，用以控制无人船在水下的前进方向。
升降式桅杆4通过升降折叠机构可升降收拢或者展开地位于无人船顶部，升降式桅杆4上布置有雷达系统与光电视觉识别系统，在无人船在水上时通过雷达系统与光电视觉识别系统进行环境感知获得环境信息，将感知的环境信息并发送给控制系统。
桅杆根据无人船的形态切换升降形态：
无人船在表面艇状态与半潜状态时，升降式桅杆4自动升起进行环境感知，以满足态势感知和目标辨识需求；
无人船在全潜状态时，升降式桅杆4收入无人船主体1并进行密封，保护雷达系统与光电视觉识别系统的传感器设备并减小无人船在水下行驶受到的阻力；
以及在恶劣天气情况下以及根据作业需求需进行高隐蔽度任务下，升降式桅杆4收入无人船主体1。
混合动力系统包括柴油发动机、电动机、螺旋桨3与离合传动切换机构，用于根据无人船的不同状态提供动力；螺旋桨3安装在无人船主体1的船艉，柴油发动机、电动机与离合传动切换机构安装在无人船主体1内，柴油发动机、电动机均经离合传动切换机构和螺旋桨3连接，通过离合传动切换机构切换选择柴油发动机、电动机中之一为螺旋桨3提供动力源。
柴油发动机为表面艇状态与半潜状态下的无人船提供主要动力，螺旋桨3提供辅助动力，满足无人船对于快速航行的需求。电动机为全潜状态下的无人船提供主要动力。
离合传动切换机构根据无人船的不同状态切换动力源进行作业：
当处于全潜状态下时，柴油发动机停止运行，通过离合传动切换机构切换将电动机和螺旋桨3连接，利用电动机驱动螺旋桨3进行水下航行，为全潜状态的无人船提供主要动力；
当处于表面艇形态与半潜状态时，电动机停止运行，通过离合传动切换机构切换将柴油发动机和螺旋桨3连接，利用柴油发动机推动无人船在水面高速航行。
如图4和图5所示，无人船主体1内布置有四个升潜水舱、两个常压舱室和一个高压舱室，其中两个升潜水舱分别位于无人船主体1的船艏两侧，另外两个升潜水舱分别位于无人船主体1的船艉两侧，升潜水舱分布于无人船主体1船艏的两侧与船艉的两侧，如图4所示；两个常压舱室可以分别位于高压舱室的两侧，两个常压舱室和高压舱室位于无人船主体1内的中部；
升潜转换系统包括单向泵、通气阀、空气开关阀、双向变量泵、船艏舷侧阀和船艉舷侧阀，两个常压舱室均经各自的单向泵和一个高压舱室连通；用于控制船体在表面艇、半潜、全潜三种不同状态间切换。
船艏两侧的两个升潜水舱的底部分别经各自的双向变量泵后和三通的船艏舷侧阀的两端连通，船艏舷侧阀的第三端和无人船主体1外界的水连通，船艏两侧的两个升潜水舱的顶部分别经各自的通气阀后连通到两个常压舱室，同时船艏两侧的两个升潜水舱和各自的通气阀之间的气管路上设置三通接口，通过三通接口引出另一路经空气开关阀连通到常压舱室；
船艉两侧的两个升潜水舱的底部分别经各自的双向变量泵后和三通的船艉舷侧阀的两端连通，船艉舷侧阀的第三端和无人船主体1外界的水连通，船艉两侧的两个升潜水舱的顶部分别经各自的通气阀后连通到两个常压舱室，同时船艏两侧的两个升潜水舱和各自的通气阀之间的气管路上设置三通接口，通过三通接口引出另一路经空气开关阀连通到常压舱室。
高压舱室自带有产生气体的装置而形成高压气体，或者经单向泵从两个常压舱室中抽取气体产生高压气体。
当无人船下降时，打开舷侧阀，通过双向变量泵将无人船主体1外界的水泵入升潜水舱内，打开通气阀、关闭空气开关阀、关闭单向泵，升潜水舱内空气经通气阀进入常压舱室中，使得升潜水舱内的体积更多被水占据，提升水位，增加无人船的重量从而使无人船下沉；
当无人船上升时，关闭通气阀、打开空气开关阀，可打开单向泵，高压舱室经单向泵从两个常压舱室中抽取气体产生高压气体，或者高压舱室通过自带有产生气体的装置而形成高压气体，高压舱室的较高压气体经空气开关阀进入升潜水舱内，升潜水舱内的水经双向变量泵抽取到无人船主体1外界，使得升潜水舱内的体积更多被空气占据，降低水位，减小无人船的重量从而使无人船下沉。
进而控制升潜水舱根据海况及作业需求调整储水量，从而调整无人船在表面艇、半潜与全潜三种航行状态间进行切换。
当船体倾斜程度与预期不符时，通过无人船安装的陀螺仪检测倾斜度，然后单独对各个升潜水舱进行动态控制，控制无人船不同位置的升潜水舱浮力，进而调整无人船整体自动回正。
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 (6)

1.一种可灵活切换作业形态的跨水面穿梭型无人船，其特征在于：主要由无人船主体(1)、形态转换系统、混合动力系统与升潜转换系统构成，无人船主体(1)内布置有多个升潜水舱，升潜水舱和升潜转换系统连接，形态转换系统和混合动力系统安装在无人船主体(1)上，通过混合动力系统带动无人船主体(1)运动，通过形态转换系统带动无人船主体(1)的运动阻力，通过升潜转换系统控制各个升潜水舱内的水液面，进而调控无人船主体(1)浮沉。
2.根据权利要求1所述的一种可灵活切换作业形态的跨水面穿梭型无人船，其特征在于：所述的形态转换系统具体包括滑翔翼(2)、尾翼(6)与升降式桅杆(4)；
所述滑翔翼(2)位于无人船主体(1)的两侧面，根据海况环境及作业需求进行展开或收拢到无人船主体(1)侧面开设的凹槽内，使无人船在滑行艇与滑翔机两种形态间切换；
所述尾翼(6)位于船艉，铰接地安装在无人船主体(1)顶面上；
所述升降式桅杆(4)可升降收拢或者展开地位于无人船顶部，升降式桅杆(4)上布置有雷达系统与光电视觉识别系统，在无人船在水上时通过雷达系统与光电视觉识别系统进行环境感知获得环境信息，将感知的环境信息并发送给控制系统。
3.根据权利要求1所述的一种可灵活切换作业形态的跨水面穿梭型无人船，其特征在于：所述混合动力系统包括柴油发动机、电动机、螺旋桨(3)与离合传动切换机构，螺旋桨(3)安装在无人船主体(1)的船艉，柴油发动机、电动机与离合传动切换机构安装在无人船主体(1)内，柴油发动机、电动机均经离合传动切换机构和螺旋桨(3)连接，通过离合传动切换机构切换选择柴油发动机、电动机中之一为螺旋桨(3)提供动力源。
4.根据权利要求3所述的一种可灵活切换作业形态的跨水面穿梭型无人船，其特征在于：所述离合传动切换机构根据无人船的不同状态切换动力源进行作业：
当处于全潜状态下时，柴油发动机停止运行，通过离合传动切换机构切换将电动机和螺旋桨(3)连接，利用电动机驱动所述螺旋桨(3)进行水下航行，为全潜状态的无人船提供主要动力；
当处于表面艇形态与半潜状态时，电动机停止运行，通过离合传动切换机构切换将柴油发动机和螺旋桨(3)连接，利用柴油发动机推动无人船在水面高速航行。
5.根据权利要求1所述的一种可灵活切换作业形态的跨水面穿梭型无人船，其特征在于：
所述的无人船主体(1)内布置有四个升潜水舱、两个常压舱室和一个高压舱室，其中两个升潜水舱分别位于无人船主体(1)的船艏两侧，另外两个升潜水舱分别位于无人船主体(1)的船艉两侧；
升潜转换系统包括单向泵、通气阀、空气开关阀、双向变量泵、船艏舷侧阀和船艉舷侧阀，两个常压舱室均经各自的单向泵和一个高压舱室连通；
船艏两侧的两个升潜水舱分别经各自的双向变量泵后和船艏舷侧阀的两端连通，船艏舷侧阀的第三端和无人船主体(1)外界的水连通，船艏两侧的两个升潜水舱分别经各自的通气阀后连通到两个常压舱室，同时船艏两侧的两个升潜水舱和各自的通气阀之间的气管路上设置三通接口，通过三通接口引出另一路经空气开关阀连通到常压舱室；
船艉两侧的两个升潜水舱分别经各自的双向变量泵后和船艉舷侧阀的两端连通，船艉舷侧阀的第三端和无人船主体(1)外界的水连通，船艉两侧的两个升潜水舱分别经各自的通气阀后连通到两个常压舱室，同时船艏两侧的两个升潜水舱和各自的通气阀之间的气管路上设置三通接口，通过三通接口引出另一路经空气开关阀连通到常压舱室。
6.根据权利要求5所述的一种可灵活切换作业形态的跨水面穿梭型无人船，其特征在于：所述的高压舱室自带有产生气体的装置而形成高压气体，或者经单向泵从两个常压舱室中抽取气体产生高压气体。
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Inventor after: Lv Xiaowen

Inventor after: Chen Zheng

Inventor after: Zhang Minjie

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