CN116654161B - 仿生水下无人航行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及深海运载装置，特别是一种仿生水下无人航行器。包括车头和车尾、以及位于车头和车尾之间的数个车厢，相邻两车厢之间通过连接机构连接，车厢上设有浮力平衡机构；连接机构包括对接杆和对接底座，对接杆和对接底座分别设置在车厢的对称的两侧面上，通过连接机构，实现相邻两车厢之间在水平方向的相互摆动。其实现了固态可燃冰的输送，提高了水合物在海底的运输效率，同时具有较好的隐蔽性。

Description

仿生水下无人航行器

技术领域

本发明涉及深海运载装置，特别是一种仿生水下无人航行器。

背景技术

我国的深海海域蕴藏着大量天然气水合物矿藏，又称为可燃冰。由于固态的天然气水合物对压强与温度的要求非常严格，目前现有的开采方案是将开采得到的固态水合物在海底直接进行可控气化，将气态的水合物输送至气化站，并由管道输送至水面矿井平台，最终再运输至陆地。

但是，我们注意到天然气水合物的固气体积比为1:164，这意味着1m³的固态天然气水合物在气化后体积将达到164m³，因此将水合物气化后再运输至陆地，会大大提高运输量。如果可以直接利用海水水压，配以温控系统来保证可燃冰的稳定，利用水下航行器直接将多个矿井开采出的固态天然气水合物集中运送至指定位置，在该指定位置处完成水合物的气化，这将大大降低单位质量水合物所占的运输空间，便于提高水合物在海底的运输效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种仿生水下无人航行器，其实现了固态可燃冰的输送，提高了水合物在海底的运输效率，同时具有较好的隐蔽性。

本发明的技术方案是：一种仿生水下无人航行器，包括车头和车尾，其中，还包括位于车头和车尾之间的数个车厢，相邻两车厢之间通过连接机构连接，车厢上设有浮力平衡机构；

连接机构包括对接杆和对接底座，对接杆和对接底座分别设置在车厢的对称的两侧面上，通过连接机构，实现相邻两车厢之间在水平方向的相互摆动。

本发明中，所述所述浮力平衡机构包括：

罩体，位于车厢的顶部表面和/或底部表面；

油囊，设置在罩体内，呈竖直方向可伸缩状，油囊的腔体中心设有可伸缩的中空管，中空管将油囊内的腔体分为液压腔体和中空腔体，液压腔体环绕在中空腔体的外侧，液压腔体内填充有液体。

向油囊的液压腔体注入液压油时，液压油将油囊撑开，油囊的高度增大，中空腔体的体积逐渐变大，中空腔体内自动变成真空状态，浮力增大；

将液压油从油囊的液压腔体内抽出时，在海水的压力作用下，油囊被压缩，此时中空腔体的体积逐渐变小，浮力减小。

所述对接杆的一端与液压马达的输出轴固定连接，对接杆的另一端固定有十字插头；

液压马达的输出轴呈竖直方向设置，液压马达机体的顶部和底部分别连接有飞轮，飞轮通过连接杆与推环连接，推环套在对接杆的外侧。

连接杆的一端与推环滑动连接，连接杆的另一端固定有抱环，抱环与飞轮连接。

所述对接底座包括：

对接插头，包括插头底座和连接板，插头底座的一端与车厢厢体转动连接，插头底座朝向对接杆的一端设有与十字插头对应的十字插槽，十字插头滑动插入十字插槽内，且十字插头与十字插槽固定连接，插头底座的水平方向的两侧对称固定有连接板，连接板与车厢厢体之间活动连接；

固定套，固定设置在对接插头的外侧，固定套和对接插头之间设有间隙，推环设置在该间隙内。

所述车厢厢体内设有插孔，插头底座转动设置在插孔内；

插孔的两水平方向的外侧设有长条形凹槽，长条形凹槽与插孔连通；

连接板设置在长条形凹槽内，连接板的上表面和下表面与长条形凹槽的槽壁之间均连接有弹簧。

所述车厢内设有舱体，舱体处设有舱门，车厢的舱体与海水连通；

所述车厢上设有温度控制机构。

所述车头的两侧边对称设有翼板，翼板与车头的侧边转动连接；

所述车厢的顶部和底部分别设有伸缩板，车厢的顶部和底部设有槽体，伸缩板滑动的设置在槽体内；

所述车尾的两侧边对称设有鳍板，鳍板与车尾的侧边转动连接。

所述车厢内分别设有油箱和泵站，油箱通过泵站与液压马达连接；

所述车头处设有环境感知机构和导航定位机构；

所述车尾处设有电池组和控制机构，控制机构与环境感知机构、导航定位机构和泵站电连接。

本发明的有益效果是：

车厢的舱体与海水联通，并在舱内设计温度控制机构使车厢的温度保持恒定，借助海水的水压和恒定的温度来维持水合物的稳定；

利用相邻车厢之间的摆动实现航行器的前进，仿生鱼类的运动方式，无需使用螺旋桨驱动，因此该无人航行器在运动过程中的噪声会远低于现有的螺旋桨驱动，使该航行器具有较好的隐蔽性。

附图说明

图1是图1是本发明的结构示意图；

图2是车头的结构示意图；

图3是浮力平衡机构的剖视结构示意图；

图4是油囊的剖视结构示意图；

图5是两车厢连接处的第一结构示意图；

图6是两车厢连接处的第二结构示意图；

图7是车厢的结构示意图；

图8是对接底座的结构示意图；

图9是对接插头的结构示意图；

图10是车尾的结构示意图；

图11是实施例1中本发明处于前进状态时的结构示意图；

图12是实施例2中本发明处于前进状态时的结构示意图。

图中：1车头；2车厢；3车尾；4浮力平衡机构；5罩体；6油囊；7中空管；8液压腔体；9中空腔体；10舱门；11伸缩板；12对接杆；13对接底座；14液压马达；15十字插头；16推环；17上飞轮；18第一连杆；19第一抱环；20下飞轮；21第二连杆；22第二抱环；23固定套；24插头底座；25连接板；26十字插槽；27长条形凹槽；28弹簧；30磁性导轨；31温度控制机构；32鳍板；33翼板；34车厢连接罩。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

实施例1

如图1所示，本发明所述的仿生水下无人航行器包括车头1、车尾3、以及位于车头1和车尾3之前的数个车厢2，本实施例中，车头1与其相邻的车厢之间、相邻的两车厢之间、车尾3与其相邻的车厢之间分别通过连接机构和车厢连接罩34连接。车厢连接罩34位于连接机构的外侧，车厢连接罩34对连接机构起到了保护作用。车厢连接罩34由可伸缩的材料制成。本实施例中的车厢连接罩34采用折叠软管结构形式，因此车厢连接罩34可以自由的伸缩、拉开。

车头1位于整个航行器的最前端，车头内设有环境感知机构、导航定位机构、通讯机构等，通过环境感知机构对该航行器所处的水下环境进行实时监测，本实施例中，环境感知机构包括温度压力传感器、光学传感器、高清摄像头、侧扫声纳、流速传感器。其中，侧扫声纳可以对海底地形进行扫描成像，流速传感器可以获得航行器与水流的相对速度。通过导航定位机构，对该航行器目前所处的位置进行定位，同时指定航行器的航行目标。本实施例中，导航定位机构包括陀螺仪、加速度传感器、惯性导航模块、卫星定位模块。陀螺仪可以提供航行器的俯仰角、倾斜角等姿态数据，加速度传感器可以提供当前航行器的加速度，利用以上数据可以建立惯性坐标系，输入惯性导航模块即可实现导航。如图2所示，车头的两侧还设有翼板33，翼板33与车头本体之间转动连接，因此翼板的展开角度可调。通过通讯机构，实现了水下航行器与控制平台之间的通讯，同时也可与导航卫星进行通讯，从而获得位置信息。

如图5至图7所示，本实施例中的车厢主体呈长方体状，车厢的顶部表面和底部表面、以及车厢的两对称侧面均为平面，车厢的另外两个对称侧面均为弧形面。

车厢的顶部表面和底部表面上均设有浮力平衡机构4，通过浮力平衡机构，对车厢的浮力大小进行调节，从而平衡载荷。本实施例中，车厢的顶部表面和底部表面分别设有四个浮力平衡机构4。

如图3和图4所示，浮力平衡机构4包括罩体5和位于罩体内的油囊6，罩体5放置在车厢表面的凹槽内。

油囊6的高度沿竖直方向可伸缩，本实施例中，油囊采用了可伸缩软管的结构形式。油囊6的中心设有可伸缩的中空管7，通过设置中空管，将油囊内的腔体分为两部分，分别是油囊内壁和中空管外壁之间的液压腔体8、以及中空管内的中空腔体9，液压腔体8环绕在中空腔体9的外侧，液压腔体8内填充有液体。

油囊6的外壁与液压机构连接，因此通过液压机构可以控制液体进出油囊的液压腔体。当液压机构向液压腔体内注入液体时，油囊6的液压腔体逐渐被充满，液体逐渐将油囊6撑开，油囊伸展的同时油囊6的高度逐渐增大，此时中空腔体9内部自动变成真空状态，从而增大浮力。本实施例中，每个车厢2上的八个浮力平衡机构同时动作，使车厢所受的浮力增大。

当液压腔体内的液体被抽出并返回液压机构时，油囊6内的液体量逐渐减少，在海水的压力作用下，油囊6逐渐被压缩，油囊6被压缩的同时其高度逐渐减小，中空腔体9的体积逐渐变小，使浮力减小。

车厢2内设有舱体，一侧的弧形面处设有舱门10，舱门10可以打开和关闭，当舱门打开时，可以将载荷装入车厢或者从车厢的舱体内取出。车厢运载可燃冰的过程中，舱门10处于关闭状态。本申请中，舱门10与车厢本体之间不密封，因此车厢的舱体与海水连通，以保证固态水合物始终处于原位的海水水压状态下。

车厢的顶部表面和底部表面均设有伸缩板11，伸缩板11可伸缩的设置在车厢凹槽内。本实施例中，伸缩板内部装有丝杠与丝杠螺母，丝杠与小型电机连接，当不需要伸缩板11工作时，伸缩板在小型电机的控制下处于收缩状态，即收回至车厢内；当需要伸缩板工作时，伸缩板11在小型电机作用下伸出，且伸缩板的伸出长度可调。伸缩板上可以根据需要安装额外的仿生鱼鳍。

如图5和图6所示，本申请中的连接机构包括对接杆12和对接底座13，对接杆12和对接底座13分别设置在两相邻车厢的相对的两侧面上。对接杆12的一端与液压马达14的输出轴连接，对接杆12的另一端固定有十字插头15。本实施例中，液压马达14的机体固定在车厢2的平面侧面上，液压马达的输出轴呈竖直方向设置。液压马达的输出轴转动过程中，带动与其连接的对接杆12在水平方向内摆动，从而实现了相邻两车厢之间的相对摆动。在各车厢不断摆动的过程中，完成了航行器的前进动作。

液压马达机体的顶部和底部分别连接有飞轮。本实施例中，飞轮的中心固定有轮轴，轮轴与液压马达14的机体转动连接。飞轮通过连杆与推环16连接，推环16套在对接杆12的环形外侧。

上飞轮17通过第一连杆18与推环16的顶部连接。推环16的顶部设有滑槽，第一连杆18的一端滑动设置在推环顶部的滑槽内。本实施例中，第一连杆18的一端固定有滑块，滑块滑动设置在滑槽内。第一连杆18的另一端固定有弧形的第一抱环19，第一抱环19与上飞轮17的底部表面连接。本实施例中，第一抱环19与上飞轮17之间通过销轴连接。

下飞轮20通过第二连杆21与推环16的底部连接。推环16的底部设有滑槽，第二连杆21的一端滑动设置在推环底部的滑槽内。本实施例中，第二连杆21的一端固定有滑块，滑块滑动设置在滑槽内。第二连杆21的另一端固定有弧形的第二抱环22，第二抱环22与下飞轮20的顶部表面连接。本实施例中，第二抱环22与下飞轮20之间通过销轴连接。

如图8和图9所示，对接底座13包括对接插头和固定套23，对接插头包括插头底座24和连接板25，连接板25对称设置在插头底座24的左、右两侧，且连接板25与插头底座24的侧壁固定连接。插头底座24的一端设置在车厢厢体内，两侧的连接板25与车厢厢体之间活动连接。

本实施例中，车厢厢体内设有插孔，插头底座24的一端可转动的设置在插孔内，插头底座的另一端朝向对接杆，且朝向对接杆的一端设有十字插槽26。插孔的两侧分别设有长条形凹槽27，长条形凹槽27与插孔连通。插头底座两侧的连接板25分别设置在两长条形凹槽27内，连接板25的上表面和下表面与相邻的凹槽侧壁之间分别通过弹簧28连接。此时，连接板25可以在长条形凹槽27内进行角度比较小的摆动，因此与连接板固定连接的插头底座24也可以有一定的转动余量。当相邻两车厢之间产生相互摆动的动作中，通过该转动余量，可以对相互摆动过程中插头底座可能会产生的转动动作产生一定的缓冲，对插头底座和与该插头底座连接的车厢起到了保护作用。

插头底座24的环形外侧设有固定套23，固定套23与车厢的平面侧壁固定连接。固定套23的环形内表面与插头底座24的环形外表面之间设有间隙，推环16设置在该间隙内。

两车厢之间发生相对摆动的过程中，相邻两车厢之间的距离也在不断地发生变化。当两车厢之间的距离增大或减小的过程中，连杆在推环16的滑槽内滑动，连杆运动过程中，与其连接的抱环的位置也会随之改变，此时抱环可以带动飞轮转动，降低了两车厢之间的距离变化对连接机构造成的冲击。

本实施例中，推环16朝向对接底座的一端呈锥形状的台阶，对应的在固定套的内表面设有锥形阶梯孔。将推环16推入固定套23和插头底座24之间的间隙内后，当推环16端部的锥形台阶运动至锥形阶梯孔内后，锥形阶梯孔处的孔肩对锥形台阶的轴肩起到了阻挡作用，从而实现了推环16与固定套23之间的连接。

插头底座24内部设有十字插槽26，十字插头15可滑动的插入十字插槽26内，并能够固定在十字插槽26内。本实施例中，十字插头15的侧面处设有数个弹性凸起，弹性凸起滑动设置在相应的孔内。对应的在十字插槽26内设有数个卡槽。当十字插头15插入十字插槽内时，在十字插槽内壁的阻挡作用下，弹性凸起被压缩在十字插头的孔内。十字插头15逐渐插入十字插槽内，当十字插头运动至弹性凸起到达卡槽处时，施加在弹性凸起上的力消失，弹性凸起在弹力的作用下被弹起，并插入卡槽内，从而实现了对接杆12与插头底座24之间的连接，此时即可完成两相邻车厢之间的连接。

每个车厢内均设有油箱和泵站，油箱内的液压油可以通过油泵抽至液压马达和浮力平衡机构处，实现了液压马达的动作、以及浮力平衡机构的浮力调节。

本实施例中，车厢另一侧的弧形面处设有磁性导轨30。当航行器驶入目的地时，将车厢引导至目的地的导轨处，目的地的导轨处也带有磁性，该导轨与磁性导轨之间产生磁吸力，从而利用该磁吸力对车厢进行引导，此外，磁性导轨上设置了定位槽，也可以使用机械臂进行抓取。

本实施例中，车厢的弧形侧面处设有避障雷达和姿态陀螺仪。通过避障雷达对车厢外部的情况进行监测，实现车厢的避障。通过姿态陀螺仪对车厢的姿态进行实时监测，并将监测到的车厢姿态及时传递至整个装置的控制机构处。另外，车厢上还设有温度控制机构31，通过温度控制机构，实现了对车厢舱体内的温度的监测及控制，使舱体内的温度保持在恒定的状态。在车厢舱体内的水合物始终处于原位海水水压下，并通过温度控制机构对水合物所处环境的温度进行控制，保证了车厢在对可燃冰运输的过程中，可燃冰始终处于稳定的固体状态。

如图10所示，车尾3呈鱼尾状，车尾内设有电池组和控制机构，车尾的两侧面上对称设有鳍板32，鳍板32与车尾3转动连接。本申请中，通过调节车头翼板33的摆动角度、伸缩板11的伸出长度、以及车尾鳍板32的摆动角度，对整个航行器的姿态进行调节。

通过控制机构，对车头处的环境感知机构和导航控制机构进行数据传输及控制、对车厢处的避障雷达和姿态陀螺仪进行数据传输和控制、以及车厢上的浮力平衡机构的控制，从而对该无人航行器的行进方向、各车厢之间的摆动角度、车头翼板、车厢伸缩板、车尾鳍板进行控制，实现了对该航行器行进方向、行进速度、以及姿态的控制。并根据车厢的载荷情况，对浮力平衡机构进行进出油的控制，使整个航行器处于平衡的状态。

本实施例中的无人航行器在航行过程中采用仿鳗鲡模式，也就是说，该航行器的各个相邻车厢之间均设有一定的摆动角度，如图11所示。在该模式下，航行器始终处于正弦波的摆动状态。本实施例对鳗鲡的运动方式进行了仿形，在各个车厢之间不断的摆动过程中，实现了航行器的前进。

大部分的鱼运动方式大抵相同：利用尾部和身躯肌肉的收缩进行有规律的左右扭动，专业上称为身体/尾鳍推进模式。不同的鱼，扭动的幅度大小和频率不太一样，但核心都是在于扭动。鱼鳍的摆动在游动时也起到一定的作用，主要是调整方向，最主要的动力还是来自于身躯的扭动，特别是当鱼快速移动的时候。在鱼的游动过程中，鱼体的肌肉会按从头至尾的顺序进行收缩，身体逐个部位弯曲，产生向后的运动波，进而推动水流产生向前的推力。鳗鲡之类的长条鱼摆动幅度比较大，利用肌肉收缩为动力产生的波浪式运动越明显，因此鳗鲡的运动方式主要依靠躯体的波浪式运动。本实施例中的航行器就是对鳗鲡的运动形式进行了模拟和仿生。

本申请中的航行器主要用于固定天然气水合物的水下运输。在水合物采矿点，可燃冰开采出来后，使用机械臂将固态可燃冰依次装入各车厢的舱体内，根据开采出来的可燃冰数量决定所采用的车厢数量。矿石装入车厢内后，将车头、车厢和车尾之间通过连接机构连接起来，车厢内的液压机构动作，液压马达动作，使各相邻车厢之间产生相对摆动，与鱼类的前进方式一样，在各个车厢不断摆动的过程中，实现了整个航行器的前进。当航行器到达指定位置，例如海底的气化站和中间站时，首先对航行器的姿态进行调整，将航行器由仿生运动时的正弦波姿态调整为“一”字形姿态，然后通过磁性导轨和目的地的导轨处之间的磁力，将车厢引入导轨，此时两车厢之间的连接机构动作，使车厢之间相互分离，分离后单个的车厢携带着水合物矿石，在导轨的引导下进入气化加工车间，对车厢内的水合物矿石进行卸载。结束后，储存车厢，等待后续任务。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例中的无人航行器在航行过程中采用仿鲹科模式。如图12所示，本实施例中的车厢分为两组，每组车厢包括数个单独的车厢。在航行器航行过程中，两组车厢之间处于摆动状态，而每组车厢中所包含的各个车厢之间呈“一”字形姿态，也就说，每组车厢中所包含的各个车厢之间不会产生相对摆动，始终沿同一方向运动。

与仿鳗鲡模式的运动方式相比，仿鲹科模式的无人航行器在运动过程中可以实现更高的航速以及机动性，而仿鳗鲡模式的无人航行器可以实现倒车动作。

其他同实施例1。

以上对本发明所提供的仿生水下无人航行器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种仿生水下无人航行器，包括车头和车尾，其特征在于，还包括位于车头和车尾之间的数个车厢，相邻两车厢之间通过连接机构连接，车厢上设有浮力平衡机构；

连接机构包括对接杆和对接底座，对接杆和对接底座分别设置在车厢的对称的两侧面上，通过连接机构，实现相邻两车厢之间在水平方向的相互摆动；

所述浮力平衡机构包括：

罩体，位于车厢的顶部表面和/或底部表面；

油囊，设置在罩体内，呈竖直方向可伸缩状，油囊的腔体中心设有可伸缩的中空管，中空管将油囊内的腔体分为液压腔体和中空腔体，液压腔体环绕在中空腔体的外侧，液压腔体内填充有液体；

向油囊的液压腔体注入液压油时，液压油将油囊撑开，油囊的高度增大，中空腔体的体积逐渐变大，且中空腔体内自动变成真空状态，浮力增大；

将液压油从油囊的液压腔体内抽出时，在海水的压力作用下，油囊被压缩，此时中空腔体的体积逐渐变小，浮力减小；

所述对接杆的一端与液压马达的输出轴固定连接，对接杆的另一端固定有十字插头；

液压马达的输出轴呈竖直方向设置，液压马达机体的顶部和底部分别连接有飞轮，飞轮通过连接杆与推环连接，推环套在对接杆的外侧；

连接杆的一端与推环滑动连接，连接杆的另一端固定有抱环，抱环与飞轮连接；

所述对接底座包括：

对接插头，包括插头底座和连接板，插头底座的一端与车厢厢体转动连接，插头底座朝向对接杆的一端设有与十字插头对应的十字插槽，十字插头滑动插入十字插槽内，且十字插头固定在十字插槽内，插头底座的水平方向的两侧对称固定有连接板，连接板与车厢厢体之间活动连接；

固定套，固定设置在对接插头的外侧，固定套和对接插头之间设有间隙，推环设置在该间隙内；

所述车厢厢体内设有插孔，插头底座转动设置在插孔内；

插孔的两水平方向的外侧设有长条形凹槽，长条形凹槽与插孔连通；

连接板设置在长条形凹槽内，连接板的上表面和下表面与长条形凹槽的槽壁之间均连接有弹簧；

所述车厢内设有舱体，舱体处设有舱门，车厢的舱体与海水连通；

所述车厢上设有温度控制机构。

2.根据权利要求1所述的仿生水下无人航行器，其特征在于，

所述车头的两侧边对称设有翼板，翼板与车头的侧边转动连接；

所述车厢的顶部和底部分别设有伸缩板，车厢的顶部和底部设有槽体，伸缩板滑动的设置在槽体内；

所述车尾的两侧边对称设有鳍板，鳍板与车尾的侧边转动连接。

3.根据权利要求1所述的仿生水下无人航行器，其特征在于，

所述车厢内分别设有油箱和泵站，油箱通过泵站与液压马达连接；

所述车头处设有环境感知机构和导航定位机构；

所述车尾处设有电池组和控制机构，控制机构与环境感知机构、导航定位机构和泵站电连接。