CN116039884A - 一种auv式拖曳观测平台及其使用方法 - Google Patents

一种auv式拖曳观测平台及其使用方法 Download PDF

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陈质二
张行健
俞建成
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Abstract

本发明属于新概念海洋机器人领域，具体地说是一种AUV式拖曳观测平台及其使用方法，观测平台包括AUV、拖缆及拖鱼，AUV前后两端的左右两侧分别对称安装有一对负升力舵翼，AUV的尾部安装有推进器，AUV的内部分别固定有绞车及排绳器；拖缆的一端穿过排绳器后缠绕在绞车上，拖缆的另一端由AUV的外壳穿出后与拖鱼相连，拖缆上集成有观测装置；负升力舵翼包括负升力翼及舵板，负升力翼的上表面为平面、下表面为弧面，负升力翼的后缘襟翼由可相对转动的舵板代替。本发明具有高海况适应性、移动响应快速、深层水体观测连续性、平台高安全性、敏感区域观测精细等优点。

Description

一种AUV式拖曳观测平台及其使用方法
技术领域
本发明属于新概念海洋机器人领域，具体地说是一种AUV式拖曳观测平台及其使用方法。
背景技术
随着海洋开发力度日益增加，海洋灾害对于开发的影响也日渐显著。其中，台风作为活动十分频繁的海洋灾害，对我国影响较为广泛；在中、低纬度海区，台风作为海-气相互作用的剧烈过程，会对过境海域的风场、流场及生态环境造成短时间的剧烈影响，造成海表温盐结构和叶绿素浓度的变化。现有的剖面观测方式包括船基拖曳、锚泊式浮标、自浮沉式浮标、水下滑翔机等，但由于台风下水体存在高海况和强扰流问题，以及观测方式在空间上的局限性，以上传统台风观测方法无法满足观测工作需要，均不适合进行台风水体观测。由于台风海域内人员工作安全性低，可用AUV替代人员完成相应的工作，这为解决问题提供了新的思路。同时，为了保持对台风水体的全面观测，需要一种能够对水面、水中、水下同时进行持续性观测的方式。目前尚未发现相应的技术报道或现有技术无法满足新的需求。
发明内容
针对如何对台风海域内的海面与海洋表层水体进行连续性观测的问题，满足动态海洋环境下的海洋剖面观测需求，本发明的目的在于提供一种AUV式拖曳观测平台及其使用方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明的观测平台包括AUV、拖缆及拖鱼，其中AUV前后两端的左右两侧分别对称安装有一对负升力舵翼，所述AUV的尾部安装有推进器，所述AUV的内部分别固定有绞车及排绳器；所述拖缆的一端穿过排绳器后缠绕在绞车上，所述拖缆的另一端由AUV的外壳穿出后与拖鱼相连，所述拖缆上集成有观测装置；所述负升力舵翼包括负升力翼及舵板，所述负升力翼的上表面为平面、下表面为弧面，所述负升力翼的后缘襟翼由可相对转动的舵板代替。
其中：所述AUV内设有管道，所述管道的一端与AUV外壳上开设的开口相连通，另一端延伸至所述绞车及排绳器的安装处，所述拖缆的一端缠绕在绞车上，穿过所述排绳器后进入管道中。
所述铰车、排绳器及开口均位于AUV的浸水舱段，所述管道为圆柱形管道，所述开口为圆形开口、开设于AUV外壳的上表面，所述管道的轴向中心线在AUV的竖直对称面上，所述开口与AUV的质心在水平面的投影重合。
所述舵板的前端通过转轴转动安装于负升力翼上，所述转轴延伸至AUV内部，并与所述AUV内部安装的电机输出端相连，所述舵板的后端在电机的驱动下实现抬起或落下。
所述AUV的外形呈扁平状。
所述拖鱼上设有T型连接头，所述T型连接头的T型横边与拖鱼转动连接，T型竖边与所述拖缆的另一端相连。
所述T型连接头的T型横边通过轴承转动安装于拖鱼的下部，所述T型连接头以拖鱼的左右方向进行转动。
所述拖鱼的两翼对称设置于拖鱼的左右两侧，两翼之间具有夹角，所述拖鱼两翼的翼型均为三角翼。
所述拖鱼前端安装有通信天线。
本发明AUV式拖曳观测平台的使用方法，包括以下步骤：
A.所述AUV入水前，所述绞车收紧拖缆并保持张紧，使所述拖鱼紧贴AUV的外壳顶部；
B.所述AUV入水后，保持所述拖鱼紧贴在AUV的外壳顶部，携带所述拖鱼航行至工作海域；
C.所述AUV内的绞车转动放松拖缆，所述拖缆在拖鱼所受浮力及水动力升力作用下经过管道被拖出，直至所述拖鱼运动至海面；
D.所述AUV通过推进器及负升力舵翼控制观测平台整体的深度与航速，使所述拖鱼维持在海面或维持在距海面设定水深的深度，并受拖曳跟随AUV航行；
E.所述拖缆在航行过程中维持张紧姿态，跨度从所述拖鱼所处海面或所处水下深度到AUV所在深度，所述拖缆上的观测装置进入工作状态，开始进行剖面观测工作；
F.完成观测工作后，所述绞车转动回收拖缆，所述拖缆在绞车的拉力作用下收回AUV内部，通过所述管道和排绳器缠绕至绞车的绞盘；
G.所述拖鱼由拖缆拉至AUV外壳顶部复位，所述绞车张紧拖缆，通过所述拖缆的拉力维持拖鱼位置稳定、并紧贴AUV外壳顶部，拖曳观测平台重新进入运输状态。
本发明的优点与积极效果为：
本发明具有高海况适应性、移动响应快速、深层水体观测连续性、平台高安全性、敏感区域观测精细等优点，AUV施放拖鱼后也可用于水下多设备通讯，适用于台风运动路径跟踪、台风生成机理研究、水下多设备信息交互、隐匿卫星通讯、高海况环境观测等场合，应用前景广阔，具有较高的军事、经济和社会效益，解决了高海况下海洋剖面观测安全性差、精度低、时效性不强的问题。
附图说明
图1为本发明观测平台的立体结构示意图；
图2为本发明观测平台的主视剖视图；
图3为图2中I处的局部放大图；
图4为本发明观测平台中拖鱼的结构示意图；
图5为本发明观测平台中负升力舵翼的结构示意图；
其中：1为AUV(无缆水下机器人)，2为拖缆，3为拖鱼，4为管道，5为绞车，6为排绳器，7为T型连接头，8为轴承，9为通信天线，10为负升力翼，11为舵板，12为推进器，13为负升力舵翼。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1～5所示，本发明的观测平台包括从上至下依次连接的拖鱼3、拖缆2及AUV1，其中AUV1前端的左右两侧对称安装一对负升力舵翼13，后两端的左右两侧对称安装一对负升力舵翼13，后端的负升力舵翼13尺寸大于前端的负升力舵翼13尺寸；AUV1的尾部安装有推进器12，AUV1的内部支撑架上分别固定有绞车5及排绳器6；拖缆2的一端穿过排绳器6后缠绕在绞车5上，拖缆2的另一端由AUV1的外壳穿出后与拖鱼3相连，拖缆2上集成有观测装置；本实施例的观测装置观测所需的传感器，例如水温传感器、水深传感器或水质组合传感器等，可观测水体温度盐度等情况，各传感器观测到的信号通过拖缆2传递给AUV1；负升力舵翼13包括负升力翼10及舵板11，负升力翼10的上表面为平面、下表面为弧面，负升力翼10的后缘襟翼由可相对转动的舵板11代替。
本实施例的AUV1的外形呈扁平状，外壳采用铝合金材料制成，具有较强的动力和操纵性，从而克服拖缆2及拖鱼3所受的阻力和水动力，且具有较好的定深性能。AUV1内设有管道4，管道4的一端与AUV1外壳上开设的开口相连通，另一端延伸至绞车5及排绳器6的安装处，拖缆2的一端缠绕在绞车5上，穿过排绳器6后进入管道4中。本实施例的铰车5、排绳器6及开口均位于AUV1的浸水舱段，管道4为圆柱形管道，用于为拖缆2提供路径导向，开口为圆形开口、开设于AUV1外壳的上表面，管道4的轴向中心线在AUV1的竖直对称面上，开口与AUV1的质心在水平面的投影重合。
本实施例的舵板11的前端通过转轴转动安装于负升力翼10上，转轴延伸至AUV1内部，并与AUV1内部安装的电机输出端相连，舵板11的后端在电机的驱动下实现抬起或落下。
本实施例的拖鱼3上设有T型连接头7，T型连接头7的T型横边通过轴承8转动安装于拖鱼3的下部，T型连接头7以拖鱼3的左右方向为转轴进行转动，T型竖边与拖缆2的另一端相连。拖鱼3的两翼对称设置于拖鱼3的左右两侧，两翼之间具有夹角(夹角可为120～180°)，拖鱼3两翼的翼型均为三角翼，用于抵消拖缆2所受升力，并维持拖缆2工作张紧状态。拖鱼3前端安装有通信天线9，拖鱼3可通过拖缆2与AUV1进行通信，AUV1可借助通信天线9进行卫星通讯。本实施例的拖鱼3主体采用鱼雷式外形，拖鱼3采用铝合金材料制成，提供浮力和升力，用于抵消拖缆2的重力，维持拖缆2的姿态。
相对于现有技术，本发明针对包括台风下水体的动态海洋环境下的剖面观测需求，提出了一种基于AUV的拖曳观测平台。本发明AUV式拖曳观测平台的使用方法，包括以下步骤：
A.AUV1入水前，绞车5收紧拖缆2并保持张紧，使拖鱼3紧贴AUV1的外壳顶部，并靠近AUV1外壳上的开口位置；
B.AUV1入水后，保持拖鱼3紧贴在AUV1的外壳顶部，携带拖鱼3航行至工作海域；
C.AUV式拖曳观测平台航行至工作海域，通过推进器12及负升力舵翼13调整深度与速度，AUV1内的绞车5转动放松拖缆2，拖缆2在拖鱼3所受浮力及水动力升力作用下经过管道4被拖出，直至拖鱼3运动至海面；
D.AUV1通过推进器12及负升力舵翼13控制观测平台整体的深度与航速，使拖鱼3维持在海面或维持在距海面设定水深的深度，并受拖曳跟随AUV1以工作航速航行；
E.在工作航速下，拖缆2在航行过程中维持张紧姿态，跨度从拖鱼3所处海面或所处水下深度到AUV1所在深度，拖缆2上的观测装置进入工作状态，开始进行剖面观测工作；
F.AUV式拖曳观测平台完成观测工作后，绞车5转动回收拖缆2，拖缆2在绞车5的拉力作用下收回AUV1内部，通过管道4和排绳器6缠绕至绞车5的绞盘；
G.拖鱼3由拖缆2拉至AUV1外壳顶部复位，绞车5张紧拖缆2，通过拖缆2的拉力维持拖鱼3位置稳定、并紧贴AUV1外壳顶部，拖曳观测平台重新进入运输状态。

Claims (10)

1.一种AUV式拖曳观测平台，其特征在于：包括AUV(1)、拖缆(2)及拖鱼(3)，其中AUV(1)前后两端的左右两侧分别对称安装有一对负升力舵翼(13)，所述AUV(1)的尾部安装有推进器(12)，所述AUV(1)的内部分别固定有绞车(5)及排绳器(6)；所述拖缆(2)的一端穿过排绳器(6)后缠绕在绞车(5)上，所述拖缆(2)的另一端由AUV(1)的外壳穿出后与拖鱼(3)相连，所述拖缆(2)上集成有观测装置；所述负升力舵翼(13)包括负升力翼(10)及舵板(11)，所述负升力翼(10)的上表面为平面、下表面为弧面，所述负升力翼(10)的后缘襟翼由可相对转动的舵板(11)代替。
2.根据权利要求1所述的AUV式拖曳观测平台，其特征在于：所述AUV(1)内设有管道(4)，所述管道(4)的一端与AUV(1)外壳上开设的开口相连通，另一端延伸至所述绞车(5)及排绳器(6)的安装处，所述拖缆(2)的一端缠绕在绞车(5)上，穿过所述排绳器(6)后进入管道(4)中。
3.根据权利要求2所述的AUV式拖曳观测平台，其特征在于：所述铰车(5)、排绳器(6)及开口均位于AUV(1)的浸水舱段，所述管道(4)为圆柱形管道，所述开口为圆形开口、开设于AUV(1)外壳的上表面，所述管道(4)的轴向中心线在AUV(1)的竖直对称面上，所述开口与AUV(1)的质心在水平面的投影重合。
4.根据权利要求1所述的AUV式拖曳观测平台，其特征在于：所述舵板(11)的前端通过转轴转动安装于负升力翼(10)上，所述转轴延伸至AUV(1)内部，并与所述AUV(1)内部安装的电机输出端相连，所述舵板(11)的后端在电机的驱动下实现抬起或落下。
5.根据权利要求1所述的AUV式拖曳观测平台，其特征在于：所述AUV(1)的外形呈扁平状。
6.根据权利要求1所述的AUV式拖曳观测平台，其特征在于：所述拖鱼(3)上设有T型连接头(7)，所述T型连接头(7)的T型横边与拖鱼(3)转动连接，T型竖边与所述拖缆(2)的另一端相连。
7.根据权利要求6所述的AUV式拖曳观测平台，其特征在于：所述T型连接头(7)的T型横边通过轴承(8)转动安装于拖鱼(3)的下部，所述T型连接头(7)以拖鱼(3)的左右方向进行转动。
8.根据权利要求1所述的AUV式拖曳观测平台，其特征在于：所述拖鱼(3)的两翼对称设置于拖鱼(3)的左右两侧，两翼之间具有夹角，所述拖鱼(3)两翼的翼型均为三角翼。
9.根据权利要求1所述的AUV式拖曳观测平台，其特征在于：所述拖鱼(3)前端安装有通信天线(9)。
10.一种权利要求1至9任一权利要求AUV式拖曳观测平台的使用方法，其特征在于：包括以下步骤
A.所述AUV(1)入水前，所述绞车(5)收紧拖缆(2)并保持张紧，使所述拖鱼(3)紧贴AUV(1)的外壳顶部；
B.所述AUV(1)入水后，保持所述拖鱼(3)紧贴在AUV(1)的外壳顶部，携带所述拖鱼(3)航行至工作海域；
C.所述AUV(1)内的绞车(5)转动放松拖缆(2)，所述拖缆(2)在拖鱼(3)所受浮力及水动力升力作用下经过管道(4)被拖出，直至所述拖鱼(3)运动至海面；
D.所述AUV(1)通过推进器(12)及负升力舵翼(13)控制观测平台整体的深度与航速，使所述拖鱼(3)维持在海面或维持在距海面设定水深的深度，并受拖曳跟随AUV(1)航行；
E.所述拖缆(2)在航行过程中维持张紧姿态，跨度从所述拖鱼(3)所处海面或所处水下深度到AUV(1)所在深度，所述拖缆(2)上的观测装置进入工作状态，开始进行剖面观测工作；
F.完成观测工作后，所述绞车(5)转动回收拖缆(2)，所述拖缆(2)在绞车(5)的拉力作用下收回AUV(1)内部，通过所述管道(4)和排绳器(6)缠绕至绞车(5)的绞盘；
G.所述拖鱼(3)由拖缆(2)拉至AUV(1)外壳顶部复位，所述绞车(5)张紧拖缆(2)，通过所述拖缆(2)的拉力维持拖鱼(3)位置稳定、并紧贴AUV(1)外壳顶部，拖曳观测平台重新进入运输状态。
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