CN116424529B - 一种水下潜航器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下潜航器及其控制方法，涉及水下舰艇技术领域。所述潜航器包括可折叠翼机构、俯仰姿态调节机构、横滚姿态调节机构、浮力驱动调节机构、尾部推进器以及控制模块。所述可折叠翼机构呈伞状，包括若干太阳能翼板，所述潜航器通过所述控制模块控制所述可折叠翼机构进行折叠或伸展的不同姿态变换可形成三种工作模式，分别为水面漂航工作模式、水下滑翔工作模式以及悬停驻留工作模式。本发明中潜航器通过改变可折叠翼机构的张角大小，进行姿态变换，并与俯仰姿态调节机构、横滚姿态调节机构以及浮力驱动调节机构相配合，实现多种工作模式的组合与切换，提高了对海洋的观测范围与观测维度。

Description

一种水下潜航器及其控制方法

技术领域

本发明涉及水下舰艇技术领域，尤其涉及一种水下潜航器及其控制方法。

背景技术

海洋观测作为认识海洋、走进海洋的主要途径，承担着海洋科学领域重大前沿发现和科学瓶颈突破的重任。目前的海洋观测平台按照观测主要包括固定型观测平台和活动型观测平台两类，其中固定型观测平台一般在固定的位置上进行测量，而活动型观测平台主要进行动态观测。

按照观测的维度，海洋观测平台可以分为海气界面观测平台、剖面观测平台等。目前海气界面观测平台主要有系泊浮标、漂流浮标、水面无人艇、波浪滑翔机等，剖面观测平台的典型代表有Argo浮标和水下滑翔机，载人潜水器HOV，自治水下机器人AUV和有缆遥控机器人ROV即可进行剖面观测，又能满足海底观测需求。以上各平台性能的优缺点各异，海气界面平台普遍存在运维成本高、应用场景与观测范围有限等缺陷，Argo可实现远距离漂移，但其不具备自主航行能力。水下滑翔机运行周期长，可实现远距离机动，但其无法进行悬停并且能源无法得到补充。HOV可海底精细作业，但其成本高无法长时间观测。AUV 可自主机动，但携带能源有限。ROV活动范围小，工作需要母船支持，作业成本高。现有的海洋观测平台均具有突出的特点，但对于透明海洋迫切的观测需求并无法满足，无法实现对海气界面与海洋剖面进行连续统一观测，对海洋的观测范围与观测维度有限。

发明内容

针对上述海洋观测平台对海洋的观测范围与观测维度有限的问题，本发明提供了一种水下潜航器及其控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种水下潜航器，所述潜航器包括可折叠翼机构、俯仰姿态调节机构、横滚姿态调节机构、浮力驱动调节机构、尾部推进器以及控制模块，所述控制模块分别与所述可折叠翼机构、俯仰姿态调节机构、横滚姿态调节机构、浮力驱动调节机构以及尾部推进器控制连接，所述可折叠翼机构呈伞状，由若干太阳能翼板组成，各所述太阳能翼板外设置有若干辅助推进器，相邻所述太阳能翼板之间相互铰接形成有折痕。

一种水下潜航器的控制方法，应用于如上述所述的一种水下潜航器，所述潜航器通过所述可折叠翼机构沿折痕处，进行折叠或伸展的不同姿态变换可形成三种工作模式，分别为水面漂航工作模式、水下滑翔工作模式以及悬停驻留工作模式，具体步骤包括：S1：所述潜航器处于水面漂航工作模式时，所述可折叠翼机构沿折痕变形成伸展状态，并且所述浮力驱动调节机构调整为正浮力状态，所述俯仰姿态调节机构调整重心下移，使所述潜航器的艏部上仰，所述潜航器利用所述可折叠翼机构漂浮在水面上，进行数据采集与数据传输；S2：当所述潜航器从水面漂航工作模式切换为水下滑翔工作模式时，所述浮力驱动调节机构调整为负浮力状态，并且所述俯仰姿态调节机构调整重心上移，使所述潜航器的艏部下俯潜入水中；S3：所述潜航器处于水下滑翔工作模式时，所述可折叠翼机构沿折痕变形成折叠状态，可进行向上滑翔与向下滑翔之间的交替转换，所述可折叠翼机构通过翼面提供滑翔过程中所需的升力；S4：当所述潜航器从水下滑翔工作模式切换为悬停驻留工作模式时，所述俯仰姿态调节机构调整重心下移，使所述潜航器的艏部上仰；S5：所述潜航器处于悬停驻留工作模式时，所述可折叠翼机构沿折痕变形成半开合状态，所述浮力驱动调节机构调整为零浮力状态，进行数据采集。

进一步地，S1中，所述潜航器漂浮在水面上时通过太阳能进行能源补充，并利用所搭载的传感器进行数据采集；S3中，所述潜航器在进行向上滑翔或向下滑翔时，利用所搭载的传感器进行数据采集。

进一步地，S3中，所述潜航器处于所述水下滑翔工作模式时，所述潜航器仅在需要快速机动的情况下，所述尾部推进器与辅助推进器才进行启动。

进一步地，S3中，当所述潜航器向上滑翔时，所述浮力驱动调节机构调整为正浮力状态，所述俯仰姿态调节机构调整重心下移，使所述潜航器的艏部上仰，向上进行滑翔；当所述潜航器向下滑翔时，所述浮力驱动调节机构调整为负浮力状态，所述俯仰姿态调节机构调整重心上移，使所述潜航器的艏部下俯，向下进行滑翔。

进一步地，S5中，所述尾部推进器与辅助推进器各呈周期性运行，保证所述潜航器稳定在水中。

进一步地，所述俯仰姿态调节机构的配重块与所述横滚姿态调节机构的配重块均为电池。

进一步地，所述水面漂航工作模式、水下滑翔工作模式以及悬停驻留工作模式，不同工作模式之间可根据需要任意进行切换。

本发明的有益效果是：本发明中潜航器通过改变可折叠翼机构的张角大小，进行姿态变换，并与俯仰姿态调节机构、横滚姿态调节机构以及浮力驱动调节机构相配合，实现多种工作模式的组合与切换，提高了对海洋的观测范围与观测维度。

附图说明

图1所示为本发明一种实施方式的工作模式图。

图2所示为图1实施方式中的一种水下潜航器的结构示意图。

图3所示为图2中可折叠翼机构的结构示意图。

附图标记说明：1、水面漂航工作模式；2、水下滑翔工作模式；3、悬停驻留工作模式。

具体实施方式

本发明公开了一种水下潜航器及其控制方法，控制方法可应用于具有可折叠机构的水下潜航器，通过变换潜航器的姿态进入不同的工作模式，对不同深度的海洋进行观测，以下结合附图对本发明的一种实施方式作具体描述。

需要注意的是，本发明中水下潜航器的控制方法适用的其中一种水下潜航器如图2、图3所示，图2、图3中所示的水下潜航器仅为举例说明，本发明同样也适用于其他具有类似可折叠翼机构的水下潜航器。

如图2与图3所示，潜航器包括可折叠翼机构、俯仰姿态调节机构、横滚姿态调节机构、浮力驱动调节机构、尾部推进器、应急抛载系统以及控制模块，控制模块分别与可折叠翼机构、俯仰姿态调节机构、横滚姿态调节机构、浮力驱动调节机构尾部推进器以及应急抛载系统控制连接。俯仰姿态调节机构与横滚姿态调节机构的配重块均为电池，电池与各部连接提供动力。可折叠翼机构由若干太阳能翼板组成，相邻的太阳能翼板之间相互铰接形成折痕，可折叠翼机构呈伞状沿折痕处进行折叠或伸展。各太阳能翼板外侧设置有若干辅助推进器。潜航器通过控制模块控制所述可折叠翼机构进行折叠或伸展的不同姿态变换可形成三种工作模式，分别为水面漂航工作模式1、水下滑翔工作模式2以及悬停驻留工作模式3。

如图1所示，第一步，潜航器处于水面漂航模式时，控制模块控制可折叠翼机构沿折痕处变形，改变张角变为最大使可折叠翼机构进行伸展成展开状态，浮力驱动调节机构通过电机与液压泵，将内油囊中的液压油泵出到外油囊调整为正浮力状态，同时俯仰姿态调节机构将配重块向潜航器的艉部移动，调整潜航器的重心下移使得艏部上仰，潜航器利用可折叠翼机构漂浮在水面上通过太阳能进行能源补充，并开展海气界面数据采集，同时进行数据传输。

第二步，当潜航器从水面漂航工作模式1切换为水下滑翔工作模式2时，浮力驱动调节机构通过电机和液压泵，将外油囊中的液压油泵回到内油囊中调整为负浮力状态，同时俯仰姿态调节机构将配重块向潜航器的艏部移动，调整潜航器的重心上移使得艏部下俯来潜入水中。

第三步，潜航器处于水下滑翔工作模式2时，控制模块控制可折叠翼机构张角变为最小，使其呈折叠状态，提供滑翔过程中所需的升力。潜航器在水下滑翔工作模式2时，可进行向上滑翔与向下滑翔之间的交替变换，对海洋剖面进行充分观测。潜航器外搭载有若干传感器，通过传感器进行数据采集。

当向下滑翔时，浮力驱动调节机构调整为负浮力状态，俯仰姿态调节机构调整潜航器的重心上移，使潜航器的艏部下俯，向下进行滑翔。当潜航器向下滑翔至最大深度时，浮力驱动调节机构调整为正浮力状态，俯仰姿态调节机构调整重心下移，使潜航器的艏部上仰，向上进行滑翔。当潜航器向上滑翔至合适深度后，可重新进行向下滑翔。潜航器在滑翔的过程中，尾部推进器与辅助推进器不启动，仅通过可折叠翼机构的翼面提供滑翔过程中的所需升力。潜航器仅在需要快速机动的情况下，尾部推进器与辅助推进器才同时进行启动，提供推进力。

第四步，当潜航器从水下滑翔工作模式2切换为悬停驻留工作模式3时，俯仰姿态调节机构将配重块向潜航器的艉部移动，调整潜航器的重心下移导致艏部上仰。

第五步，潜航器处于悬停驻留工作模式3时，控制模块控制可折叠翼机构沿折痕变形，改变张角大小，使可折叠翼机构呈半开合状态，浮力驱动调节机构调整为零浮力状态，并通过尾部推进器与辅助推进器各呈周期性运行，使得潜航器稳定在一定的深度范围内。

潜航器根据需要可在水面漂航工作模式1、水下滑翔工作模式2以及悬停驻留工作模式3之间，进行任意切换，以下结合附图对本发明的另一种实施方式作具体描述。

当潜航器需要利用太阳能补充能量或进行传输数据时，可从水下滑翔工作模式2或悬停驻留工作模式3切换为水面漂航工作模式1。浮力驱动调节机构通过电机和液压泵将内油囊中的液压油泵入到外油囊，调整潜航器为正浮力状态。控制模块控制可折叠翼机构张角变为最大，使可折叠翼机构伸展成展开状态，同时俯仰姿态调节机构将配重块向潜航器的艉部移动，调整潜航器的重心下移，使艏部上仰并浮到水面。

当潜航器处于在水面漂航工作模式1、水下滑翔工作模式2以及悬停驻留工作模式3任意工作模式下时，若遇到紧急情况，可通过应急抛载系统进行应急抛载来保证设备安全。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种水下潜航器的控制方法，所述潜航器包括可折叠翼机构、俯仰姿态调节机构、横滚姿态调节机构、浮力驱动调节机构、尾部推进器以及控制模块，所述控制模块分别与所述可折叠翼机构、俯仰姿态调节机构、横滚姿态调节机构、浮力驱动调节机构以及尾部推进器控制连接，所述可折叠翼机构呈伞状，由若干太阳能翼板组成，各所述太阳能翼板外均设置有辅助推进器，相邻所述太阳能翼板之间相互铰接形成有折痕，其特征在于：所述潜航器通过所述可折叠翼机构沿折痕处，进行折叠或伸展的不同姿态变换可形成三种工作模式，分别为水面漂航工作模式（1）、水下滑翔工作模式（2）以及悬停驻留工作模式（3），具体步骤包括：

S1：所述潜航器处于水面漂航工作模式（1）时，所述可折叠翼机构沿折痕变形成伸展状态，并且所述浮力驱动调节机构调整为正浮力状态，所述俯仰姿态调节机构调整重心下移，使所述潜航器的艏部上仰，所述潜航器利用所述可折叠翼机构漂浮在水面上，进行数据采集与数据传输；

S2：当所述潜航器从水面漂航工作模式（1）切换为水下滑翔工作模式（2）时，所述浮力驱动调节机构调整为负浮力状态，并且所述俯仰姿态调节机构调整重心上移，使所述潜航器的艏部下俯潜入水中；

S3：所述潜航器处于水下滑翔工作模式（2）时，所述可折叠翼机构沿折痕变形成折叠状态，可进行向上滑翔与向下滑翔之间的交替转换，所述可折叠翼机构通过翼面提供滑翔过程中所需的升力；

S4：当所述潜航器从水下滑翔工作模式（2）切换为悬停驻留工作模式（3）时，所述俯仰姿态调节机构调整重心下移，使所述潜航器的艏部上仰；

S5：所述潜航器处于悬停驻留工作模式（3）时，所述可折叠翼机构沿折痕变形成半开合状态，所述浮力驱动调节机构调整为零浮力状态，进行数据采集。

2.根据权利要求1所述的一种水下潜航器的控制方法，其特征在于：S1中，所述潜航器漂浮在水面上时通过太阳能进行能源补充，并利用所搭载的传感器进行数据采集；

S3中，所述潜航器在进行向上滑翔或向下滑翔时，利用所搭载的传感器进行数据采集。

3.根据权利要求1所述的一种水下潜航器的控制方法，其特征在于：S3中，所述潜航器处于所述水下滑翔工作模式（2）时，所述潜航器仅在需要快速机动的情况下，所述尾部推进器与辅助推进器才进行启动。

4.根据权利要求1所述的一种水下潜航器的控制方法，其特征在于：S3中，当所述潜航器向上滑翔时，所述浮力驱动调节机构调整为正浮力状态，所述俯仰姿态调节机构调整重心下移，使所述潜航器的艏部上仰，向上进行滑翔；

当所述潜航器向下滑翔时，所述浮力驱动调节机构调整为负浮力状态，所述俯仰姿态调节机构调整重心上移，使所述潜航器的艏部下俯，向下进行滑翔。

5.根据权利要求1所述的一种水下潜航器的控制方法，其特征在于：S5中，所述尾部推进器与辅助推进器各呈周期性运行，保证所述潜航器稳定在水中。

6.根据权利要求1所述的一种水下潜航器的控制方法，其特征在于：所述俯仰姿态调节机构的配重块与所述横滚姿态调节机构的配重块均为电池。

7.根据权利要求1所述的一种水下潜航器的控制方法，其特征在于：所述水面漂航工作模式（1）、水下滑翔工作模式（2）以及悬停驻留工作模式（3），不同工作模式之间可根据需要任意进行切换。