CN113212713A - 一种支持垂直发射的水下航行器及其姿态转换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持垂直发射的水下航行器及其姿态转换控制方法。所述水下航行器包括无人机发射舱门、气囊舱、气囊、高压气瓶、稳定螺旋桨、尾舵和推进螺旋桨等。所述气囊舱内设有气囊和高压气瓶，两对稳定螺旋桨设置在尾部，通孔设计便于水流流动。所述控制方法包含：步骤100，水下航行器打开气囊舱，利用高压气瓶对气囊充气，提升头部浮力使水下航行器竖直；步骤200，所述推进螺旋桨启动，将水下航行器竖直推出水面；步骤300，姿态控制器根据姿态传感器反馈的姿态信息控制两对稳定螺旋桨转速，调整推力，维持稳定的竖直状态；步骤400，无人机发射舱门打开，发射无人机。本发明以较低的成本，大大提高了无人机垂直发射的成功率。

Description

一种支持垂直发射的水下航行器及其姿态转换控制方法

技术领域

本发明属于水下航行器与无人机发射领域，特别涉及一种支持垂直发射的水下航行器及其姿态转换控制方法。

背景技术

海洋内蕴藏着大量的资源，针对海洋资源的探索和开发正在变得越来越热门，而无人水下航行器作为探索海洋的工具，由于其成本较低，功能丰富，需求量大而在近几年发展迅速。无人机技术近年来也发展迅速，其中以四旋翼无人机为代表的无人机在军事、商业和民用领域都已经得到了广泛的应用。

随着对海洋资源开发的深入，以及向着更深海域的迈进，传统的自主水下航行器虽然能够依赖于搭载的声呐、雷达等设备进行探测，但是其感知范围通常限定于水下，对于水面上的信息收集能力有限，不能满足高技术探索深海区域的需求。而无人机具有机动能力强，视野广的特点，可以广泛的搜寻水上目标，结合自主水下航行器可以实现海空一体的信息搜集，在海上资源的开发中扮演重要角色。同时自主水下航行器的隐蔽性，配合无人机发射可以在海上军事行动中目标实现监视、情报搜集、中继制导等功能，在军事领域也有一席之地。

目前水下航行器搭载无人机发射平台主要有两种方式，分别为干式发射和湿式发射。其中湿式发射一般指水下发射无人机，无人机要和水直接接触，由于海水产生的阻力非常大而且不稳定，技术上难以保障无人机的稳定起飞。干式发射指无人机在发射前被送出水面，无人机不和海水接触。目前主流的水下航行器无人机发射系统都是基于干式发射的原理。

干式发射无人机其中一种方法需要将水下航行器竖直起来伸出水面，形成通道使得无人机垂直发射。而在实际运作中，海浪对水下航行器的竖直姿态有着很大的影响，水下航行器的晃动会影响无人机发射的稳定，很可能会造成无人机的损坏，或者无人机接触海水发射失败。

发明内容

针对上述水下航行器在发射无人机时，由于海水波动等外部干扰产生的航行器姿态不稳定的问题，本发明提出了一种能够支持垂直发射无人机的水下航行器及其垂直姿态转换控制和竖直状态保持稳定的方法。

本发明提供的方案包括一种支持垂直发射的水下航行器，水下航行器具体包含：无人机发射舱门、气囊舱、气囊、高压气瓶、水下航行器主舱、水下航行器电池、稳定螺旋桨、尾舵和推进螺旋桨。

所述无人机发射舱门设置在水下航行器头部，由电机控制舱门的打开和关闭，在收到水下航行器的开关信号后能够实现打开和关闭，用于无人机发射。

所述气囊舱内设有气囊和高压气瓶，气囊及高压气瓶之间由气阀和压力传感器控制，当接收到水下航行器的充气信号后打开气阀，由高压气瓶向气囊内部充气，使得气囊张开。

所述稳定螺旋桨由两对构成，成对分层安装在水下航行器主舱后部，所对应的地方设计有通孔贯穿航行器，为了使水流能够顺利进出。

所述尾舵设置在水下航行器尾部，维持水下航行器上浮过程中的竖直姿态；所述推进螺旋桨设置在水下航行器最尾端，用于推动水下航行器上浮。

所述水下航行器主舱内设有姿态控制器、姿态传感器，控制两对稳定螺旋桨的转速，从而主动式调节水下航行器竖直姿态稳定。

本发明提供的方案还包括一种支持垂直发射的水下航行器姿态转换控制方法，具体包括如下步骤：

步骤100，所述水下航行器打开气囊舱，利用内部高压气瓶对气囊舱内的气囊进行充气，提升航行器头部的浮力，利用浮力使得航行器进入竖直状态，当水下航行器趋近于竖直状态后，尾部的两对稳定螺旋桨启动，通过步骤300辅助航行器竖直，保持水下姿态竖直稳定。

步骤200，所述水下航行器尾部的推进螺旋桨启动，提供推力将水下航行器的头部推出水面，直至气囊位置漂浮于水平面上。

步骤300，所述水下航行器尾部的两对稳定螺旋桨启动，水下航行器通过姿态传感器得到航行器的姿态状态，将反馈得到的水下航行器姿态信息输入姿态控制器后，姿态控制器根据控制算法输出控制信号控制稳定螺旋桨的转速，产生推力维持水下航行器竖直姿态的稳定。

步骤400，当水下航行器竖直姿态稳定后，所述水下航行器头部的无人机发射舱门打开，无人机沿着垂直发射通道发射。

其中，步骤300中水下航行器竖直姿态的控制方法具体步骤如下：

步骤一：将水下航行器设定的目标稳定姿态和姿态传感器反馈的姿态数据信息共同输入到姿态控制器中。

步骤二：姿态控制器将输入的目标姿态和姿态传感器采集到的姿态数据作差；姿态控制器内部的控制算法根据作差结果判断水下航行器调整姿态所需要的两对稳定螺旋桨的相应转速，并分别对两对稳定螺旋桨输出控制信号，控制转速的大小。

步骤三：水下航行器的两对稳定螺旋桨在姿态控制器输出信号的控制下旋转，产生的推力用以抵抗海浪运动等外界干扰因素对水下航行器竖直姿态的冲击，使水下航行器的姿态稳定在竖直状态。

步骤四：水下航行器的姿态传感器采集到水下航行器的实时姿态信息，经过滤波器滤波后返回到姿态控制器输入端，再从步骤二开始循环重复，完成闭环反馈控制。

本发明的有益效果是：

1、本发明的水下航行器头部设置了充气气囊，借助浮力使得水下航行器姿态转换成竖直状态，大大减少了维持竖直姿态的成本。

2、本发明采用两对稳定螺旋桨以及姿态控制器，可以主动式应对海浪等外部干扰对水下航行器姿态的冲击，维持水下航行器的姿态稳定，提高了无人机发射的稳定性。

3、本发明的水下航行器发射无人机时，水下航行器头部露出水面一段高度，大大减少了无人机垂直发射时碰到海浪而导致发射失败的情况。

附图说明

图1为气囊充气展开后的水下航行器工作左视图。

图2为气囊充气展开后的水下航行器工作俯视图。

图3为气囊未充气时的水下航行器左视图。

图4为本发明的水下航行器的姿态转换控制方法流程图。

图5为本发明的水下航行器竖直状态的控制原理图。

图6为本发明的水下航行器发射无人机时的竖直姿态示意图。

附图中标记分别为：

1为无人机发射舱门；2为气囊；3为高压气瓶；4为水下航行器主舱；5为水下航行器电池舱；6、7为稳定螺旋桨；8为尾舵；9为推进螺旋桨；10为无人机；11为垂直发射通道；12为水下航行器保持垂直状态时水流状态；13为水面；14为气囊舱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详述。

本发明提供的一种支持垂直发射无人机的水下航行器，如图1、图2、图3所示，水下航行器包括无人机发射舱门1、气囊舱14、气囊2、高压气瓶3、水下航行器主舱4、水下航行器电池5、两对稳定螺旋桨6和7、尾舵8、推进螺旋桨9。

所述无人机发射舱门1设置在水下航行器头部，由电机控制开关，在收到水下航行器的开关信号后能够实现打开和关闭，启动时用于发射无人机10。

设置在水下航行器头部的所述气囊舱14内设有气囊2和高压气瓶3，气囊2及高压气瓶3之间由气阀和压力传感器控制。所述气囊2采用增强橡胶（例如泰国和马来西亚的3L天然胶），能够承受水下高压不会破裂。

图3为水下航行器未启动垂直发射程序的工作状态，此时气囊2未充气，收纳在气囊舱14里，此时水下航行器可以进行正常的水下探测等活动。图1和图2为气囊2充气展开后的水下航行器工作示意图。当接收到水下航行器的充气信号后，气囊舱打开，打开气阀控制高压气瓶3向气囊2内部充气，使得气囊2张开，呈环形围绕水下航行器，增大水下航行器头部的浮力使得水下航行器进入竖直状态。水下航行器主舱4内设置有水下航行器电池5，对水下航行器进行供电。水下航行器主舱4同时也是无人机存放舱，用于存放待发射的无人机10。水下航行器主舱4内还设置有姿态控制器和姿态传感器，姿态传感器用于检测水下航行器的姿态，姿态控制器内部设置有控制算法，用来控制稳定螺旋桨转速。两对稳定螺旋桨6、7成对分层安装在水下航行器主舱后部，其中一对稳定螺旋桨6设置在水下航行器上下两侧，一对稳定螺旋桨7设置在水下航行器左右两侧。在两对稳定螺旋桨的安装位置对应设置有通孔贯穿于水下航行器，使得水流能够顺利进出。围绕水下航行器尾部一周均匀设置有四个尾舵8，用以维持水下航行器上浮过程中的竖直姿态。水下航行器最尾端设置有推进螺旋桨9，用于推动水下航行器上浮，最终保持竖直姿态出水，直至气囊漂浮于水平面上。安装于水下航行器主舱的姿态传感器和姿态控制器控制两对稳定螺旋桨的转速，从而主动式调节水下航行器竖直姿态稳定。

图4为水下航行器的姿态转换控制方法流程图。水下航行器接收到垂直发射指令后，首先执行步骤100：水下航行器内部的高压气瓶3向安置在头部的气囊2充气。气囊充气展开后，水下航行器头部受到较大的上升浮力，在浮力的作用下使得水下航行器趋向竖直状态，通过步骤300启动尾部的两对稳定螺旋桨、姿态传感器和姿态控制器，辅助水下航行器进入竖直状态，保持水下姿态竖直稳定，避免上浮时姿态改变而无法顺利竖直伸出水面。

当水下航行器进入竖直状态后，执行步骤200：尾部的推进螺旋桨9启动，推动水下航行器上浮，同时尾舵8辅助水下航行器在上浮过程中维持竖直姿态，直至水下航行器的头部浮出水面。

当水下航行器头部浮出水面后，由于海浪等不稳定因素的影响，水下航行器并不能稳定的保持竖直状态，而是会经常晃动，此时执行步骤300：所述水下航行器尾部的两对稳定螺旋桨启动，水下航行器通过姿态传感器得到航行器的姿态状态，将反馈的水下航行器姿态信息输入给姿态控制器后，姿态控制器根据控制算法输出控制信号控制两对稳定螺旋桨的转速，产生推力维持水下航行器竖直姿态的稳定。步骤300中启动稳定螺旋桨是为了让航行器在头部出水后保持竖直，提供一个较为稳定的竖直发射通道。

当水下航行器能够浮在水面上保持相对稳定的竖直状态后，执行步骤400：水下航行器头部的无人机发射舱门1打开，无人机10沿着水下航行器内部的垂直发射通道11发射出去，如图6所示。同时步骤300中维持竖直状态稳定的两对稳定螺旋桨也要持续运行，以维持水下航行器的竖直稳定状态。水下航行器保持竖直状态时，稳定螺旋桨附近的水下航行器保持竖直状态时水流状态12和水面13如图6所示。

所述步骤300中控制水下航行器竖直状态稳定的控制原理图如图5所示，也是水下航行器的两对稳定螺旋桨的控制原理图。

步骤一：将水下航行器设定的目标稳定姿态和姿态传感器反馈的姿态数据信息共同输入到姿态控制器中。

步骤二：姿态控制器将输入的目标姿态和姿态传感器采集到的姿态数据作差；姿态控制器内部的控制算法根据作差结果判断水下航行器调整姿态所需要的两对稳定螺旋桨的相应转速，并分别对两对稳定螺旋桨输出控制信号，控制转速的大小。

步骤三：水下航行器的两对稳定螺旋桨在姿态控制器输出信号的控制下转动，产生的推力用以抵抗海浪运动等外界干扰因素对水下航行器竖直姿态的冲击，使水下航行器的姿态稳定在竖直状态。

步骤四：水下航行器的姿态传感器采集到水下航行器的实时姿态信息，经过滤波器滤波后返回到姿态控制器输入端，再从步骤二开始循环重复，完成闭环反馈控制。

Claims (7)

1.一种支持垂直发射无人机的水下航行器，包括无人机发射舱门、气囊舱、气囊、高压气瓶、水下航行器主舱、水下航行器电池、稳定螺旋桨、尾舵和推进螺旋桨，其特征在于：

所述无人机发射舱门设置在水下航行器头部，在收到水下航行器控制信号后打开，用于无人机发射；

所述气囊舱内设有气囊和高压气瓶，所述气囊及高压气瓶之间由气阀和压力传感器控制，当接收到水下航行器的充气信号后打开气阀，由高压气瓶向气囊内部充气，使得气囊张开；

所述稳定螺旋桨由两对构成，成对分层安装在水下航行器主舱后部；

所述尾舵设置在水下航行器尾部，维持水下航行器上浮过程中的竖直姿态；所述推进螺旋桨设置在水下航行器最尾端，用于推动水下航行器上浮；

所述水下航行器主舱内设有姿态控制器、姿态传感器、水下航行器电池、无人机。

2.根据权利要求1所述的一种支持垂直发射无人机的水下航行器，其特征在于：

所述气囊舱设置在水下航行器头部。

3.根据权利要求1所述的一种支持垂直发射无人机的水下航行器，其特征在于：

所述的两对稳定螺旋桨分别设置在水下航行器上下两侧和左右两侧，且在安装稳定螺旋桨处设置有贯穿水下航行器的通孔。

4.根据权利要求1所述的一种支持垂直发射无人机的水下航行器，其特征在于：

所述气囊采用增强橡胶，能够承受水下高压不会破裂；在不工作时气囊收纳在气囊舱中，工作时气囊充气展开，呈环形围绕水下航行器，使得水下航行器进入竖直状态。

5.根据权利要求1所述的一种支持垂直发射无人机的水下航行器，其特征在于：

所述姿态控制器与稳定螺旋桨相连接，用以控制稳定螺旋桨的转速。

6.一种支持垂直发射的水下航行器姿态转换控制方法，其特征在于：

所述方法包含以下步骤：

步骤100，所述水下航行器打开气囊舱，利用内部高压气瓶对位于气囊舱的气囊进行充气，利用浮力使得水下航行器进入竖直状态，当水下航行器趋近于竖直状态后，两对稳定螺旋桨启动，利用步骤300中控制方法辅助水下航行器竖直；

步骤200，所述水下航行器尾部的推进螺旋桨启动，提供推力将水下航行器的头部推出水面，使得气囊漂浮在水平面上；

步骤300，所述水下航行器尾部的两对稳定螺旋桨启动，水下航行器通过姿态传感器得到水下航行器的姿态状态，将反馈的水下航行器姿态信息输入到姿态控制器后，姿态控制器根据控制算法输出控制信号控制两对稳定螺旋桨的转速，保持水下航行器竖直姿态的稳定；

步骤400，当水下航行器竖直姿态稳定后，所述无人机发射舱门打开，无人机沿着垂直发射通道进行发射。

7.根据权利要求6所述的一种支持垂直发射的水下航行器姿态转换控制方法，其特征在于：

所述步骤300中水下航行器竖直姿态的控制方法具体步骤如下：

步骤一：将水下航行器设定的目标稳定姿态和姿态传感器反馈的姿态数据信息共同输入到姿态控制器中；

步骤二：姿态控制器将输入的目标姿态和姿态传感器采集到的姿态数据作差；姿态控制器内部的控制算法根据作差结果判断水下航行器调整姿态所需要的两对稳定螺旋桨的相应转速，并分别对两对稳定螺旋桨输出控制信号，控制转速的大小；

步骤三：水下航行器的两对稳定螺旋桨在姿态控制器输出信号的控制下旋转，产生的推力用以抵抗外界干扰因素对水下航行器竖直姿态的冲击，使水下航行器的姿态稳定在竖直状态；

步骤四：水下航行器的姿态传感器采集到水下航行器的实时姿态信息，经过滤波器滤波后返回到姿态控制器输入端，再从步骤二开始循环重复，完成闭环反馈控制。

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