CN113998082A - 一种气电混合动力水下探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气电混合动力水下探测器，该探测器设有外壳、电控系统和驱动模块、转向模块、探测模块、气体存储腔，电控系统、驱动模块、转向模块、探测模块、气体存储腔分别设置在外壳内，电控系统分别与驱动模块、转向模块、探测模块连接，气体存储腔与转向模块连接；探测模块用于感应水下障碍物并拍摄水下环境；驱动模块用于驱动水下探测器前进；气体存储腔的腔内装有液态压缩气体，转向模块包括多个单向阀通道、多个单向阀，电控系统分别与多个单向阀连接，每个单向阀通道分别与一个单向阀通道对应连接，多个单向阀分别与气体存储腔连接。本发明利用电机实现前进，利用气动实现转向、上浮及下沉，在水下探测时机动性能好。

Description

一种气电混合动力水下探测器

技术领域

本发明涉及水下探测技术领域，尤其涉及一种气电混合动力水下探测器。

背景技术

对实际水域进行水下作业之前，为了避免遇到水下未知危险，需要在非人力情况下对水下环境及生物进行勘测，以确保研究人员预知水下情况，做好相应安保措施。因此，水下探测器具有极大的应用价值。传统水下探测器基本由多个螺旋桨推进器分布排列，可分别控制前进、转向、上浮和下潜。但这类水下探测器驱动方式单一，存在机动性差、机械结构复杂和续航能力差等问题。经检索，公开号为CN107953981A的专利公开了“一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器”，虽然可解决机动性差这一问题，但该专利的机械装置通过十个鱼翼驱动机构波浪式摆动进行水下驱动，机械结构较为复杂，且十个电机耗能大，导致其续航能力差。因此有必要针对这些问题对传统的探测器进行改进，发明一种机械结构简单、机动性强以及续航能力强的水下探测器。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提出一种气电混合动力水下探测器，解决现有水下探测器机动性差、机械结构复杂以及续航能力差等问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种气电混合动力水下探测器，设有外壳、电控系统和驱动模块，还包括转向模块、探测模块、气体存储腔，所述电控系统、驱动模块、转向模块、探测模块、气体存储腔分别设置在外壳内，电控系统分别与驱动模块、转向模块、探测模块连接，气体存储腔与转向模块连接；

在外壳表面设有充气口，所述充气口与气体存储腔连接；

在外壳的前端部位中，外壳的表面设有透明区，外壳在对应透明区的内部设有探测腔室，所述探测模块设置在探测腔室内，所述探测模块用于感应水下障碍物并拍摄水下环境；

在外壳的后端部位中，设有驱动腔室，所述驱动模块设置在驱动腔室内，所述驱动模块用于驱动水下探测器前进；

气体存储腔的腔内装有液态压缩气体，转向模块包括多个单向阀通道、多个单向阀，所述电控系统分别与多个单向阀连接，每个单向阀通道分别与一个单向阀通道对应连接，多个单向阀分别与气体存储腔连接，进而与气体存储腔之间形成多路气体通道，每个单向阀通道用于将液态压缩气体转化为气态，通过将液态压缩气体排出外部以产生推动力。

作为优选的技术方案，单向阀通道的管道直径在往水下探测器外壁方向上逐渐变小。

作为优选的技术方案，所述驱动模块包括电机、传动杆、轴承和螺旋桨，电机与电控系统连接，传动杆分别与电机、螺旋桨连接，轴承设置在传动杆上，外壳在驱动腔室对应的壳表面设有传动孔，并在该传动孔处设置传动密封圈进而防止水下探测器内部渗水；

传动杆在传动孔中穿出后再与螺旋桨连接，从而通过带动螺旋桨来驱动水下探测器前进。

作为优选的技术方案，还包括压电模块，所述压电模块与电控系统连接，压电模块还与外壳连接；

外壳的两侧部位采用对称结构，压电模块分别设置在外壳的两侧部位；

所述压电模块包括压电密封圈、压电壳体、压力传感器、上极板、压电材料和下极板，整体作为球形外壳的一部分，其中压电壳体包含外部壳体和内部壳体，外部壳体由易受压材料制造，而内部壳体由耐压材料制造，两者通过螺栓连接；

压电壳体在水下探测器从外到内依次设置压力传感器、上极板、压电材料和下极板，压力传感器与上极板连接，压电材料分别与上极板、下极板连接，压力传感器具体设置在外部壳体上，上极板、压电材料和下极板均设置在内部壳体，压力传感器用于感知水压信息，压电材料用于将水压变化产生的冲击能量转化为电能，并通过上极板和下极板传输到电控系统；

压电壳体在其外圈设置压电密封圈，保证压电模块水下探测器外壳之间的密封配合。

作为优选的技术方案，所述电控系统包括供电单元、通讯单元、处理器及控制器，处理器分别和供电单元、通讯单元连接，通讯单元还与控制器连接，控制器分别与多个单向阀、电机连接，供电单元包括蓄电池、电源调节器，蓄电池通过电源线分别与电机、电源调节器连接，蓄电池用于水下探测器的电能供应；

所述通讯单元采用蓝牙传输数据。

作为优选的技术方案，所述探测模块具体采用红外摄像头。

作为优选的技术方案，所述气体存储腔位于水下探测器的中心位置。

作为优选的技术方案，所述透明区采用玻璃材质。

作为优选的技术方案，单向阀分别设置在外壳上、下、左、右端的位置处；

在气体存储腔的上下端各设置单向阀通道与外界相连，用于控制水下探测器上升和下潜，其左右各设置单向阀通道与外界相连，用于控制水下探测器转向。

作为优选的技术方案，所述气体存储腔还用于在动力不足时进行上浮；

若气体存储腔内的液态压缩气体少于所设定阈值或供电单元电力不足以驱动螺旋桨时，电控系统的控制器发送控制指令打开外壳下端位置处的单向阀，放出气体产生向上的推力，推动探测器浮出水面；

待气体存储腔内充满气体且供电单元充满电后，气电混合动力水下探测器重新沉入水下，以继续作业。

作为优选的技术方案，所述外壳包含上部外壳和下部外壳，上部外壳和下部外壳通过螺栓连接，并在连接处设置外壳密封圈。

作为优选的技术方案，所述外壳采用球形形状。

作为优选的技术方案，所述充气口设置在外壳的前端上方位置。

红外摄像头和压力传感器采集到数据后，再将采集到的数据传输至处理器。处理器将接收到的数据通过计算后，再将处理后的数据传输至通讯单元。通讯单元接受到所述处理器传送过来的数据后，再将数据发送至控制器，控制器根据数据信息发出相应的指令，控制水下探测器完成相应的动作。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明提出的气电混合动力水下探测器采用气电混合驱动方式，其机械结构简单，且仅需要一个电机通过传动杆将转矩传递给螺旋桨负责探测器的前进，气体存储腔排出气体，控制器控制不同组合的单向阀的开闭实现对探测器的转向、上浮和下沉，其中通过控制单向阀的开度，可以控制气体产生的快慢，进而可以实现快速转向及上浮、下沉；且水下探测器前进所需的能量远大于姿态调整，所以利用电机实现前进、利用气动实现转向、上浮及下沉的方式能够在水下探测时具有更好的机动性能，在水下具有更高的灵活度。

(2)本发明利用气动对水下探测器进行姿态调整相对于电机控制机械结构更简单，且稳定性能好；水下探测器在水下由蓄电池供电，而压电模块可利用水下探测器外部水压变化对蓄电池进行充电，节约能源的同时可提高水下探测器的续航能力；且当电源电力不足时，控制器发送控制指令打开水下探测器最底下的单向阀，放出气体产生向上的推力，推动探测器浮出水面，当蓄电池充满电后，水下探测器重新沉入水下，以继续作业。

附图说明

图1为本发明本实施例1中气电混合动力水下探测器的结构轴测图；

图2为本发明本实施例1中气电混合动力水下探测器的下部分结构的轴测图；

图3为本发明本实施例1中气电混合动力水下探测器的下部分结构的上视图；

图4为本发明本实施例1中气电混合动力水下探测器的右视剖视图；

图5为本发明本实施例1中气电混合动力水下探测器的结构轴测图；

图6为本发明本实施例1中气电混合动力水下探测器的压电模块内部结构轴测图。

其中，1-单向阀，2-上部外壳，3-下部壳体，4-充气盖，5-外壳密封圈，6-压电模块，7-探测模块，8-电控系统，9-气体存储腔，10-电机，11-螺旋桨，12-轴承，13-传动密封圈，14-压电密封圈，15-压电壳体，16-压力传感器，17-上极板，18-压电材料，19-下极板。

具体实施方式

在本公开的描述中，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公开和简化描述，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公开的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在该词前面的元素或者物件涵盖出现在该词后面列举的元素或者物件及其等同，而不排除其他元素或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，否则术语“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公开中的具体含义。此外，下面所描述的本公开不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

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

实施例1

本实施例提出了一种气电混合动力水下探测器，设有外壳、电控系统和驱动模块，还包括转向模块、探测模块、气体存储腔，电控系统、驱动模块、转向模块、探测模块、气体存储腔分别设置在外壳内，电控系统分别与驱动模块、转向模块、探测模块连接，气体存储腔与转向模块连接；

在本实施例中，外壳包含上部外壳和下部外壳，上部外壳和下部外壳通过螺栓连接，并在连接处设置外壳密封圈，从而防止水渗入上部外壳和下部外壳之间的连接间隙。

在本实施例中，气体存储腔位于水下探测器的中心位置。在外壳表面设有充气口，充气口与气体存储腔连接。具体地，充气口设置在外壳的前端上方位置，并相应地在充气口上设置充气盖。

在本实施例中，探测模块、驱动模块、压电模块均设置在下部外壳。

在下部外壳的前端部位中，外壳的表面设有透明区，外壳在对应透明区的内部设有探测腔室，探测模块设置在探测腔室内，探测模块用于感应水下障碍物并拍摄水下环境。探测模块具体采用红外摄像头，透明区采用玻璃材质。

在下部外壳的后端部位中，设有驱动腔室，驱动模块设置在驱动腔室内，驱动模块用于驱动水下探测器前进；

驱动模块包括电机、传动杆、轴承和螺旋桨，电机与电控系统连接，传动杆分别与电机、螺旋桨连接，轴承设置在传动杆上，外壳在驱动腔室对应的壳表面形成的缺口，该缺口为传动孔，并在该传动孔处设置传动密封圈进而防止水下探测器内部渗水，该传动密封圈采用圆形；

传动杆在传动孔中穿出后再与螺旋桨连接，从而通过带动螺旋桨来驱动水下探测器前进。

气体存储腔的腔内装有液态压缩气体，转向模块包括多个单向阀通道、多个单向阀，电控系统分别与多个单向阀连接，每个单向阀通道分别与一个单向阀通道对应连接，多个单向阀分别与气体存储腔连接，进而与气体存储腔之间形成多路气体通道，每个单向阀通道用于将液态压缩气体转化为气态，通过将液态压缩气体排出外部以产生推动力。单向阀通道的管道直径在往水下探测器外壁方向上逐渐变小。实际应用时，本领域技术人员可根据实际情况采用液氮等液态压缩气体进行存储。

在本实施例中，气电混合动力水下探测器还包括压电模块，压电模块与电控系统连接，压电模块还与外壳连接；

外壳的两侧部位采用对称结构，压电模块分别设置在下部外壳的两侧部位。在本实施例中，压电模块用于检测压力，进而紧密配合水下探测器的作业。

压电模块包括压电密封圈、压电壳体、压力传感器、上极板、压电材料和下极板，其整体嵌入外壳并作为球形外壳的一部分，其中压电壳体包含外部壳体和内部壳体，外部壳体由易受压材料制造，而内部壳体由耐压材料制造，两者通过螺栓连接，其中易受压材料采用低碳钢，耐压材料采用高碳钢，本领域技术人员可根据实际情况替换为其它材料。

压电壳体在水下探测器从外到内依次设置压力传感器、上极板、压电材料和下极板，压力传感器与上极板连接，压电材料分别与上极板、下极板连接，压力传感器具体设置在外部壳体上，上极板、压电材料和下极板均设置在内部壳体。

压力传感器用于感知水压信息，压电材料用于将水压变化产生的冲击能量转化为电能，并通过上极板和下极板传输到电控系统；

压电壳体在其外圈设置压电密封圈，保证压电模块水下探测器外壳之间的密封配合。

电控系统包括供电单元、通讯单元、处理器及控制器，处理器分别和供电单元、通讯单元连接，通讯单元还与控制器连接，控制器分别与多个单向阀、电机连接，供电单元包括蓄电池、电源调节器，蓄电池通过电源线分别与电机、电源调节器连接，蓄电池用于水下探测器的电能供应，通讯单元采用蓝牙传输数据。

在本实施例中，单向阀分别设置在外壳上、下、左、右端的位置处。在气体存储腔的上下端各设置单向阀通道与外界相连，用于控制水下探测器上升和下潜；其左右各设置单向阀通道与外界相连，用于控制水下探测器转向。

实际应用时，红外摄像头和压力传感器采集到数据后，再将采集到的数据传输至处理器。处理器将接收到的数据通过计算后，再将处理后的数据传输至通讯单元。通讯单元接受到处理器传送过来的数据后，再将数据发送至控制器，控制器根据数据信息发出相应的指令，控制水下探测器完成相应的动作。

在本实施例中，控制器用于控制单向阀的开口状态，进而控制水下探测器完成相应的动作，以此辅助水下探测器执行上浮、下沉、转向的操作。

在水下探测器中，探测腔室、驱动腔室在内部空间中相互连通，并通过电线进行连接以及传输。

在压电壳体中，其外部壳体和水下探测器的下部外壳连接，并在该连接处形成外圈，压电密封圈围绕外圈进行贴合设置，从而保证压电模块水下探测器的外壳之间的密封配合。

本实施例气电混合动力水下探测器的使用过程如下：

气电混合动力水下探测器在水下时通过电控系统的供电单元使电机转动，进而驱动螺旋桨使其整体向前运动。单向阀的开关通过电源线与电控系统连接，当气电混合动力水下探测器需要进行上浮和下沉时，电控系统可分别控制其下方和上方单向阀通道末端的单向阀打开，气体存储腔内的液态压缩气体从腔内流出后，经过单向阀通道温度慢慢升高，液态压缩气体将转为气态。由于单向阀通的管道直径在往水下探测器外壁方向上逐渐变小，可实现对气体的加压，从而产生更大推动力。同样的，当气电混合动力水下探测器需要转向时，电控系统可分别控制左右两侧四个单向阀通道末端单向阀的开关来实现。

利用电机实现前进，利用气动实现转向、上浮及下沉使气电混合动力水下探测器具有较好的机动性。并且当气电混合动力水下探测器进行上浮和下沉时，由于其所处环境的水压产生变化，压电模块的外部壳体将受到由于水压变化产生的冲击，压电材料将冲击能量转化为电能，并通过上极板和下极板传输到电控系统。

在本实施例中，压电材料采用压电晶体、压电陶瓷、压电聚合物中的任一种，不同部位的压电材料本领域技术人员可根据实际情况进行混搭，此处不做限定。当对压电材料施加压力，它便会产生电位差，从而利用探测器与水下的压力差转换为自身的电能，使气电混合动力水下探测器节约能源的同时可提高续航能力。

若气体存储腔内的液态压缩气体少于所设定阈值或供电单元电力不足以驱动螺旋桨时，电控系统的控制器发送控制指令打开水下探测器最底下的单向阀，放出气体产生向上的推力，推动探测器浮出水面，当气体存储腔内充满气体且供电单元充满电后，气电混合动力水下探测器重新沉入水下，以继续作业。

此外，红外摄像头用于感应障碍物并拍摄水下环境，压力传感器用于感知水压信息，两者采集到数据后，将采集到的数据传输至处理器，处理器将接收到的数据通过计算后，将处理后的数据传输至通讯单元。通讯单元接受到处理器传送过来的数据后，再数据发送至控制器，控制器根据数据信息发出相应的指令，控制水下探测器完成相应的动作。

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)

1.一种气电混合动力水下探测器，设有外壳、电控系统和驱动模块，其特征在于，还包括转向模块、探测模块、气体存储腔，所述电控系统、驱动模块、转向模块、探测模块、气体存储腔分别设置在外壳内，电控系统分别与驱动模块、转向模块、探测模块连接，气体存储腔与转向模块连接；

在外壳表面设有充气口，所述充气口与气体存储腔连接；

在外壳的前端部位中，外壳的表面设有透明区，外壳在对应透明区的内部设有探测腔室，所述探测模块设置在探测腔室内，所述探测模块用于感应水下障碍物并拍摄水下环境；

在外壳的后端部位中，设有驱动腔室，所述驱动模块设置在驱动腔室内，所述驱动模块用于驱动水下探测器前进；

气体存储腔的腔内装有液态压缩气体，转向模块包括多个单向阀通道、多个单向阀，所述电控系统分别与多个单向阀连接，每个单向阀通道分别与一个单向阀通道对应连接，多个单向阀分别与气体存储腔连接，进而与气体存储腔之间形成多路气体通道，每个单向阀通道用于将液态压缩气体转化为气态，通过将液态压缩气体排出外部以产生推动力。

2.根据权利要求1所述的气电混合动力水下探测器，其特征在于，单向阀通道的管道直径在往水下探测器外壁方向上逐渐变小。

3.根据权利要求1所述的气电混合动力水下探测器，其特征在于，所述驱动模块包括电机、传动杆、轴承和螺旋桨，电机与电控系统连接，传动杆分别与电机、螺旋桨连接，轴承设置在传动杆上，外壳在驱动腔室对应的壳表面设有传动孔，并在该传动孔处设置传动密封圈进而防止水下探测器内部渗水；

传动杆在传动孔中穿出后再与螺旋桨连接，从而通过带动螺旋桨来驱动水下探测器前进。

4.根据权利要求1所述的气电混合动力水下探测器，其特征在于，还包括压电模块，所述压电模块与电控系统连接，压电模块还与外壳连接；

外壳的两侧部位采用对称结构，压电模块分别设置在外壳的两侧部位；

所述压电模块包括压电密封圈、压电壳体、压力传感器、上极板、压电材料和下极板；

压电壳体在水下探测器从外到内依次设置压力传感器、上极板、压电材料和下极板，压力传感器与上极板连接，压电材料分别与上极板、下极板连接；

压力传感器用于感知水压信息，压电材料用于将水压变化产生的冲击能量转化为电能，并通过上极板和下极板传输到电控系统；

压电壳体在其外圈设置压电密封圈。

5.根据权利要求4所述的气电混合动力水下探测器，其特征在于，所述电控系统包括供电单元、通讯单元、处理器及控制器，处理器分别和供电单元、通讯单元连接，通讯单元还与控制器连接，控制器分别与多个单向阀、电机连接，供电单元包括蓄电池、电源调节器，蓄电池分别与电机、电源调节器连接，蓄电池用于水下探测器的电能供应；

所述通讯单元采用蓝牙传输数据。

6.根据权利要求5所述的气电混合动力水下探测器，其特征在于，所述探测模块具体采用红外摄像头。

7.根据权利要求1所述的气电混合动力水下探测器，其特征在于，所述气体存储腔位于水下探测器的中心位置。

8.根据权利要求1所述的气电混合动力水下探测器，其特征在于，所述外壳包含上部外壳和下部外壳，上部外壳和下部外壳通过螺栓连接，并在连接处设置外壳密封圈。

9.根据权利要求4所述的气电混合动力水下探测器，其特征在于，单向阀分别设置在外壳上、下、左、右端的位置处；

在气体存储腔的上下端各设置单向阀通道与外界相连，用于控制水下探测器上升和下潜，其左右各设置单向阀通道与外界相连，用于控制水下探测器转向。

10.根据权利要求9所述的气电混合动力水下探测器，其特征在于，所述气体存储腔还用于在动力不足时进行上浮；

若气体存储腔内的液态压缩气体少于所设定阈值或供电单元电力不足以驱动螺旋桨时，电控系统的控制器发送控制指令打开外壳下端位置处的单向阀，放出气体产生向上的推力，推动探测器浮出水面；

待气体存储腔内充满气体且供电单元充满电后，气电混合动力水下探测器重新沉入水下，以继续作业。

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