CN116834936A - 一种双航态无人航行器以及航态切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双航态无人航行器以及航态切换方法，属于海洋航行器技术领域，无人航行器包括流线型的壳体，壳体内部设置姿态调节单元，壳体的一端为水下导流头部，壳体的另一端为水上导流头部，还包括充水腔，充排水组件，主动推进器，收展侧翼总成；充水腔设于壳体内部；充排水组件用于对充水腔内充水或者将充水腔中的水排出；主动推进器靠近水下导流头部设置，主动推进器用于对无人航行器施以指向水上导流头部的水动推进力；收展侧翼总成安装于壳体侧部，收展侧翼总成具有收合和展开姿态。本双航态的无人航行器通过创新的设计和优化，克服了现有水面和水下无人航行器的单一航态问题，提供了更灵活、高效和多功能的海洋无人航行平台。

Description

一种双航态无人航行器以及航态切换方法

技术领域

本发明属于海洋无人航行器技术领域，尤其涉及一种双航态无人航行器以及航态切换方法。

背景技术

海洋无人航行器是指不需要人员操控或驾驶的自主航行器，通过预先设定的导航路径、传感器和自主控制系统来执行各种任务。这些航行器广泛应用于海洋研究、海洋勘测、资源勘探、海洋监测、海洋环境保护、海底地形测绘等领域。海洋无人航行器可以根据其功能和设计特点分为多种类型，其中包括：海面无人航行器：这类航行器在水面上自主航行，类似于遥控艇。它们通常用于海洋监测、测量、水质采样等任务，也可配备相机和传感器进行数据收集和监测。水下无人航行器：这类航行器是用于在水下执行任务的自主潜水船只。它们可以在海底进行地形测绘、资源勘探、海洋生物研究等任务，也被广泛用于水下探测和海底考古学。

水面航行与水下航行是两种截然不同的航行状态。为了满足未来海洋多空间立体联合观测的需求，现有水面和水下无人航行器技术存在一些局限性。水面无人航行器主要基于小型船舶的技术体系，而水下无人航行器则借鉴鱼雷和潜艇的技术体系。然而，这两类无人航行器都只能在各自的航行空间中连续工作，无法在水面和水下之间自由切换航态。

实现无人航行器在水面与水下两种航态下均可适航，需要解决一系列技术问题。首先，航行器的总体外形设计必须克服水面和水下航行带来的不同水动力、水阻力和操纵特性差异。同时，驱动方式也是关键问题，现有的水面无人航行器通常采用螺旋桨或水动力推进系统，但这些方式在水下效率会受到限制，需要研发新型的驱动方式，使其能够在水面和水下都能高效推进和驱动。此外，航行器在水面与水下两种状态下的浮力和重力平衡要求不同，现有的设计通常只针对单一航态的平衡。

综上所述，要实现无人航行器在水面与水下双航态适航，需要在结构设计、驱动方式、衡重特性调节、能源供应与续航能力等方面进行全面的创新与突破。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种解决目前水面与水下无人航行器航态单一、双航态适航性、驱动方式、衡重特性调节性能不佳的双航态无人航行器以及航态切换方法。

本发明是这样实现的，一种双航态无人航行器，包括流线型的壳体，所述壳体内部设置姿态调节单元，其特征在于：所述壳体的一端为水下导流头部，所述壳体的另一端为水上导流头部，还包括充水腔，充排水组件，主动推进器，收展侧翼总成；所述充水腔设于所述壳体内部；所述充排水组件用于对所述充水腔内充水或者将所述充水腔中的水排出；所述主动推进器靠近所述水下导流头部设置，所述主动推进器用于对无人航行器施以指向所述水上导流头部的水动推进力；所述收展侧翼总成安装于所述壳体侧部，所述收展侧翼总成具有收合和展开姿态。

在上述技术方案中，优选的，所述水下导流头部的前端为导流圆弧构造，所述水上导流头部的前端为锥状构造。

在上述技术方案中，优选的，所述水下导流头与所述水上导流头部之间设有环向间隔设置的N条型线，所述型线向所述水上导流头部的方向呈聚拢状。

在上述技术方案中，优选的，所述壳体包括位于前部的密封壳体以及位于后部的透水壳体，所述水下导流头部设于所述密封壳体的前端，所述水上导流头部设于所述透水壳体的后端。

在上述技术方案中，优选的，所述密封壳体的内部为所述充水腔，所述充水腔内部设置耐压功能舱，所述姿态调节单元设置于所述耐压功能舱中。

在上述技术方案中，优选的，所述充排水组件设于所述密封壳体内侧，所述充排水组件包括充水单元和排水单元；所述充水单元包括充水管道和充水泵，所述充水管道的进水口连接于所述密封壳体且与外侧连通，所述充水管道的出水孔口与所述密封壳体内侧连通，所述充水泵串装于所述充水管道，所述排水单元包括排水管道和排水泵，所述排水管道的出水口连接于所述密封壳体且与外侧连通，所述排水管道的进水孔口与所述密封壳体内侧连通，所述排水泵串装于所述排水管道。

在上述技术方案中，优选的，所述密封壳体的内部设有推进导流通道，所述推进导流通道的进水口和出水口连接于所述密封壳体，所述推进导流通道的进水口设于所述密封壳体的下部，所述推进导流通道的出水口设于所述密封壳体靠近所述水下导流头部的端部，所述主动推进器是安装于所述推进导流通道内的水动力驱动器。

在上述技术方案中，优选的，所述收展侧翼总成包括侧翼板、折叠驱动器，所述侧翼板通过转轴安装于所述密封壳体，所述折叠驱动器驱动所述侧翼板绕所述转轴翻转并形成收合或者展开姿态。

在上述技术方案中，优选的，包括浮力调节单元，所述浮力调节单元包括油路总成和与油路总成连接的外油囊，所述油路总成安装于所述耐压功能舱中，所述外油囊设置于所述透水壳体中。

本发明所提出的双航态无人航行器的优点和效果是：

1、双航态适航性：该无人航行器具备在水面和水下两种航态下均可适航的能力，解决了现有水面和水下无人航行器单一航态的局限性，提供了更大的灵活性和应用范围。多样化的应用场景使得该无人航行器适用于海洋勘测、资源探索、救援行动等不同领域。

2、快速响应与长续航能力：水面航态下，航行器可快速响应任务需求，适合短时快速航行，而水下航态下，姿态调节单元以滑翔机的形式动作，调节效率高，适用于长时间慢速航行和长续航任务。高效能耗管理使得水面快速航行和水下长续航都能得到有效满足，提高了航行器的任务执行效率和续航能力。

3、外形优化降阻：航行器采用“双头”式外形，水面阶段利用“尖头”端为艇艏且“钝头”端为艇艉航行，水下阶段则反之，通过这种设计降低水阻，提高航行稳定性，增强了海洋观测能力。

4、稳定可靠的航态切换：采用充排水组件来调节航行器的衡重特性，在双航态间切换。在水面航态，密封壳体内部水排空，航行器浮心位置主要由密封壳体外形决定；在水下航态，密封壳体内部充水，航行器浮心位置主要由耐压功能舱外形及与壳体相对位置关系决定。本发明，通过壳体的充排水实现浮心位置切换，进而调节航行器航态。充排水组件构造简单，无需复杂的电控阀组与管路，提高了航行器的可靠性和稳定性，尤其适于在无人平台集成使用。

5、降低运维成本：航行器配备可收展的侧翼，降低了航行器的附体占用空间，在侧翼不使用时，可以收拢侧翼降低阻力并防止意外损坏，增加了航行器的耐久性和操作灵活性。

综上所述，这种双航态的无人航行器通过创新的设计和优化，克服了现有水面和水下无人航行器的单一航态问题，提供了更灵活、高效和多功能的海洋无人航行平台。其优点包括双航态适航性、快速响应与长续航能力、外形优化降阻、简化充排水组件和可收展侧翼设计，从而产生了多样化应用场景、高效能耗管理、降低运维成本、增强海洋观测能力和提升任务响应速度的良好效果。

本发明的第二目的，提出一种双航态无人航行器的航态切换方法，包括以下步骤：

S1.排出充水腔中的水至无人航行器漂浮于水面；

S2.无人航行器的收展侧翼总成收合姿态，主动推进器对无人航行器施以水动推进力，无人航行器以水上导流头部为前端航进；

S3.充水腔中充入水至无人航行器沉入水面之下；

S4.无人航行器的收展侧翼总成展开姿态，主动推进器停止工作；

S5.姿态调节单元工作并控制无人航行器以滑翔机的形式在水下以水下导流头部作为前端滑翔。

附图说明

图1是本发明所述的无人航行器的结构示意图；

图2是图1的A向视图；

图3是本发明所述的无人航行器的内部结构示意图；

图4是本发明中排水单元的结构示意图；

图5是本发明中耐压功能舱的内部结构示意图；

图6是本发明所述的无人航行器水下航态的内部示意图；

图7是本发明所述的无人航行器水面航态的内部示意图；

图8是本发明所述的无人航行器航态切换工作示意图。

具体实施方式

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。

为解决目前水面与水下无人航行器航态单一、双航态适航性、驱动方式、衡重特性调节性能不佳的问题，本发明特提供一种双航态无人航行器以及航态切换方法，本双航态的航行器具有适航性、快速响应与长续航能力、外形优化降阻的优点。为了进一步说明本发明的结构，结合附图详细说明书如下：

请参阅图1和图2，一种双航态无人航行器，包括流线型的壳体1，壳体内部设置姿态调节单元。

壳体的主要功能是保护航行器内部的设备，壳体由高强度、耐腐蚀的材料制成，如特殊合金钢或复合材料。壳体的一端为水下导流头部1-1，壳体的另一端为水上导流头部1-2。水下导流头部的前端为导流圆弧构造，水上导流头部的前端为锥状构造。壳体呈现一端为圆弧钝头、一端为尖头的水滴式外形设计。水上导流头部作为航行器水下滑翔移动的前端，圆弧构造的端头在航行器水下航行过程中起到减阻和增强流体动力学性能的作用，当水下航行器在水中前进时，水的阻力会对其运动产生影响，降低其速度和能效。圆弧构造的端头设计可以减少水下航行器与水之间的阻力，提高其水下航行的效率。水下导流头部作为航行器水面航行的前端，尖头的壳体构造在水面航行器航行过程中起到减阻、提高稳定性、改善操纵性和减少波浪抛撞等作用，使得航行器能够更高效、稳定和安全地在水面上航行。本实施例中，壳体包括位于前部的密封壳体以及位于后部的透水壳体，水下导流头部设于密封壳体的前端，水上导流头部设于透水壳体的后端。密封壳体的后部通过螺钉安装肋环和后端盖，且内部密封，透水壳体的前端通过螺钉安装于密封壳体的后部肋环，透水壳体的侧壁设有透水孔。

水下导流头与水上导流头部之间设有环向间隔设置的N条型线，型线向水上导流头部的方向呈聚拢状。其中型线是壳体外壳面相邻两个面之间形成的轴向棱线，轴向的线形棱构造在水下航行器外表面设计中起到了降低水动力阻力、提高航行速度、改善稳定性以及减少噪音和振动等作用。这些优化设计可以使得水下航行器更加高效、稳定。“尖头”的水上导流头部的顶部安装有固定舵，可提升水下滑翔运动的稳定性，其内部嵌入安装了航行器通讯定位天线。

请参阅图3-图5，还包括充水腔1-3，充排水组件，主动推进器，收展侧翼总成2和固定舵3。

充水腔设于壳体内部。本实施例中，密封壳体的内部即为充水腔，充水腔内部设置耐压功能舱4，姿态调节单元设置于耐压功能舱中。耐压功能舱固定安装在密封壳体内，并置于密封壳体内侧的底部，用于降低航行器重心高度。耐压功能舱的外部为耐压舱壳，其内部安装电控通讯单元、姿态调节单元4-1、浮力调节单元4-2等，电控通讯单元主要包括主控盒、铱星模块、无线模块等。

上述耐压功能舱为现有技术，其中，姿态调节单元主要包括俯仰调节机构、滚转调节机构。俯仰调节机构主要由滑动导轨、储能电池、电机控制器、俯仰电机组件、电机座、丝杠、丝杆螺母、丝杠套筒等组成。俯仰调节机构在俯仰电机组件驱动下，实现驱动储能电池在滑动导轨上沿航行器轴线方向直线往复移动，改变航行器重心在轴线方向的位置，实现航行器俯仰角调节。所述滚转调节机构包括滚转电机组件、驱动小齿轮、从动大齿轮、角度传感器齿轮等构成，在驱动小齿轮带动从动大齿轮转动时，储能电池实现绕航行器轴线转动，实现对无人航行器滚转角调节。通过俯仰调节机构、滚转调节机构共同作用实现对航行器水下滑翔运动过程的姿态角调节，进而调节航行器水下滑翔航行轨迹。

浮力调节单元用于在千米级水深实现高压负载浮力驱动，浮力调节单元包括油路总成和与油路总成连接的外油囊，油路总成安装于耐压功能舱中，外油囊设置于透水壳体中。油路总成主要包括排油回路和回油回路。排油回路依次连接内油箱、齿轮泵、过滤器、单向阀、前端盖、外油囊4-21。回油回路依次连接外油囊、前端盖、电磁阀、内油箱。其中，外油囊与海水接触，外油囊体积变化可改变航行器浮力。浮力调节单元其余器件均布置在耐压功能舱中。浮力调节单元使用排油回路和回油回路调节外油囊充油体积，进而改变航行器自身浮力，实现在水下滑翔阶段的下潜或上浮。上述姿态调节单元和浮力调节单元为目前水下滑翔机中的现有技术。姿态调节单元和浮力调节单元的设置，令本航行器在水下可以以滑翔的方式移动。

充排水组件用于对充水腔内充水或者将充水腔中的水排出。本实施例中，具体的，充排水组件设于密封壳体内侧，充排水组件包括充水单元5和排水单元6，其中，充水单元包括充水管道和充水泵，充水管道的进水口连接于密封壳体且与外侧连通，充水管道的出水孔口与密封壳体内侧连通，充水泵串装于充水管道；排水单元包括排水管道6-1和排水泵6-2，排水管道的出水口连接于密封壳体且与外侧连通，排水管道的进水孔口与密封壳体内侧连通，排水泵串装于排水管道。充水管道和排水管道与密封壳体的连接处做密封设计，且充水管道的进水口和排水管道的出水口均设于密封壳体的下部。充水管道和排水管道还串装单向阀6-3，在密封壳体的内部安装用于检测水位的水位探头7，数个竖向间隔设置的水位探头通过探头固定架安装于密封壳体的内部。充水单元和排水单元用于调节航行器衡重特性，实现水面航态与水下航态切换。通过充水单元和排水单元工作调节充水腔内的水量，进行调节航行器在水面时的水线位置，实现“双头双航态”工作模式切换。

主动推进器靠近水下导流头部设置，主动推进器用于对无人航行器施以指向水上导流头部的水动推进力。本实施例中，具体的，密封壳体的内部设有推进导流通道1-4，推进导流通道的进水口和出水口连接于密封壳体，推进导流通道的进水口设于密封壳体的下部，推进导流通道的出水口设于密封壳体靠近水下导流头部的端部，主动推进器是安装于推进导流通道内的水动力驱动器8。进一步的，导流通道为圆管，其两端与密封壳体密封连接，在密封壳体靠近水下导流头部的端部左右对称设置两导流通道，两个导流通道中分别安装水动力驱动器，水动力驱动器可以选装为桨叶推进器。主动推进器包括设置于“钝头”端的左右两个推进器；两部共同工作为航行器在水面航态下快速航行提供动力，同时通过调节两部主动推进器的转速，实现推力差，进而改变水面快速航行方向。

收展侧翼总成安装于壳体侧部，收展侧翼总成具有收合和展开姿态；固定舵固定于壳体。收展侧翼总成包括侧翼板、折叠驱动器，侧翼板通过转轴安装于密封壳体，折叠驱动器驱动侧翼板绕转轴翻转并形成收合或者展开姿态。航行器在水面快速航行阶段，折叠驱动器驱动侧翼板旋转并实现侧翼板收拢，侧翼板贴附在壳体表面，减小航行的空气阻力。当航行器转入水下慢速滑翔阶段，折叠驱动器侧翼板并水平展开，侧翼板水平展开时提升航行器水下航行升阻比，将更多的航行驱动力转换为行进方向驱动分力。

本实施例中双航态无人航行器的航态切换工作方式如图8所示：

水面阶段，航行器采用“尖头”端为艇艏且“钝头”端为艇艉航行。“钝头”端两部主动推进器为无人航行器水面快速航行提供艇艉驱动力。另外，通过调节左右主动推进器相对转速，实现调节航行器航向，如图7。

在水下阶段，航行器采用“钝头”端为艇艏且“尖头”端为艇艉航行。浮力调节单元工作实现排油或回油，改变航行器自身浮力，使航行器处于正浮力或负浮力状态，进而驱动航行器上浮或下潜运动。质心调节单元调节储能电池沿航行器轴线的平移与转动，进而改变航行器重心位置，实现俯仰角与滚转角的调节，如图6。

在切换阶段，充水单元的充水泵工作，将海水注入充水腔内，航行器的水线会逐渐上升，直至海水注满充水腔，充水腔顶部的水位探头反馈终止信号。航行器由水面航态切换为水下航态。而在另一种切换阶段，排水单元的水泵工作，将海水排出密封水舱，航行器的水线会逐渐下降，直至海水从充水腔清空，充水腔底部的水位探头反馈终止信号。航行器由水下航态切换为水面航态。

同时，在切换阶段，收展侧翼总成在进入水下航态后的水平展开或在水面状态下的收拢并贴附在壳体表面。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双航态无人航行器，包括流线型的壳体，所述壳体内部设置姿态调节单元，其特征在于：所述壳体的一端为水下导流头部，所述壳体的另一端为水上导流头部，还包括：

充水腔，所述充水腔设于所述壳体内部；

充排水组件，所述充排水组件用于对所述充水腔内充水或者将所述充水腔中的水排出；

主动推进器，所述主动推进器靠近所述水下导流头部设置，所述主动推进器用于对无人航行器施以指向所述水上导流头部的水动推进力；

收展侧翼总成，所述收展侧翼总成安装于所述壳体侧部，所述收展侧翼总成具有收合和展开姿态。

2.根据权利要求1所述的双航态无人航行器，其特征在于：所述水下导流头部的前端为导流圆弧构造，所述水上导流头部的前端为锥状构造。

3.根据权利要求2所述的双航态无人航行器，其特征在于：所述水下导流头与所述水上导流头部之间设有环向间隔设置的N条型线，所述型线向所述水上导流头部的方向呈聚拢状。

4.根据权利要求3所述的双航态无人航行器，其特征在于：所述壳体包括位于前部的密封壳体以及位于后部的透水壳体，所述水下导流头部设于所述密封壳体的前端，所述水上导流头部设于所述透水壳体的后端。

5.根据权利要求4所述的双航态无人航行器，其特征在于：所述密封壳体的内部为所述充水腔，所述充水腔内部设置耐压功能舱，所述姿态调节单元设置于所述耐压功能舱中。

6.根据权利要求5所述的双航态无人航行器，其特征在于：所述充排水组件设于所述密封壳体内侧，所述充排水组件包括充水单元和排水单元；所述充水单元包括充水管道和充水泵，所述充水管道的进水口连接于所述密封壳体且与外侧连通，所述充水管道的出水孔口与所述密封壳体内侧连通，所述充水泵串装于所述充水管道，所述排水单元包括排水管道和排水泵，所述排水管道的出水口连接于所述密封壳体且与外侧连通，所述排水管道的进水孔口与所述密封壳体内侧连通，所述排水泵串装于所述排水管道。

7.根据权利要求5所述的双航态无人航行器，其特征在于：所述密封壳体的内部设有推进导流通道，所述推进导流通道的进水口和出水口连接于所述密封壳体，所述推进导流通道的进水口设于所述密封壳体的下部，所述推进导流通道的出水口设于所述密封壳体靠近所述水下导流头部的端部，所述主动推进器是安装于所述推进导流通道内的水动力驱动器。

8.根据权利要求5所述的双航态无人航行器，其特征在于：所述收展侧翼总成包括侧翼板、折叠驱动器，所述侧翼板通过转轴安装于所述密封壳体，所述折叠驱动器驱动所述侧翼板绕所述转轴翻转并形成收合或者展开姿态。

9.根据权利要求5所述的双航态无人航行器，其特征在于：包括浮力调节单元，所述浮力调节单元包括油路总成和与油路总成连接的外油囊，所述油路总成安装于所述耐压功能舱中，所述外油囊设置于所述透水壳体中。

10.一种权利要求1-9任一所述的双航态无人航行器的航态切换方法，包括以下步骤：

S1.排出充水腔中的水至无人航行器漂浮于水面；

S2.无人航行器的收展侧翼总成收合姿态，主动推进器对无人航行器施以水动推进力，无人航行器以水上导流头部为前端航进；

S3.充水腔中充入水至无人航行器沉入水面之下；

S4.无人航行器的收展侧翼总成展开姿态，主动推进器停止工作；

S5.姿态调节单元工作并控制无人航行器以滑翔机的形式在水下以水下导流头部作为前端滑翔。