CN117508525A - 一种小型增程混合能源无人水下航行器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种小型增程混合能源无人水下航行器及其控制方法，属于船舶与海洋工程领域；包括航行器主体、搭载于航行器上的增程式混合能源系统和重浮力调节系统；所述增程式混合能源系统包括电池舱、发电系统及发电散热系统，所述发电散热系统通过循环式冷却和移位式冷却配合实现对发电系统和航行器的散热冷却；所述重浮力调节系统包括搭载于航行器主体外周的多个重浮力调节罐及浮潜控制管路，重浮力调节罐通过浮潜控制管路与航行器主体的海水阀连通，浮潜控制管路根据航行器运动变换指令控制重浮力调节罐内的水量和流速；能够完成航行器位置及姿态的及时调整。本发明解决了现有技术中小型航行器因供电不足导致的续航时间短、任务受限等问题。

Description

一种小型增程混合能源无人水下航行器及其控制方法

技术领域

本发明属于船舶与海洋工程领域，具体涉及一种小型增程混合能源无人水下航行器及其控制方法。

背景技术

无人水下航行器(AUV，Autonomous Underwater Vehicle)是一种自主操作或通过远程操控在水下执行任务的机器。它能够在深海、湖泊或其他水域中进行各种任务，如科研探测、海底地形测绘、资源勘查和军事应用等，无需与人类操作员进行实时交互，使其成为探索和利用深海环境的有力工具。

现有的324mm和533mm口径的AUV体型较大，其劣势主要体现在携带和部署的困难上，需要更多的人力和物力投入，且可能需要专业的设备来支持。较大的体型也可能限制了AUV在狭窄或复杂水域环境中的操作能力，降低了其在特定任务和环境中的灵活性和适应性。同时，大型AUV的制造和维护成本也相对较高，可能会限制一些研究机构和商业组织的使用。而AUV的小型化则带来了许多优势，包括便携性强、成本效益高、操作灵活、维护简单、快速部署、高分辨率数据收集、安全性增强以及对环境影响较小。通过小型化，AUV能够更快速、高效地适应多种水下任务和环境条件，为海洋科学研究、资源勘探和环境监测等领域提供了更为广泛和实用的解决方案。然而小型化的AUV通常配备较小的电池，可能会面临能量供应不足的问题，这限制了其在水下的持续操作时间和范围。

同时，由于小型化航行器的体积限制，其内无法安装能够控制航行器浮停的浮力调节系统，通常在航行器在下水之前使其质量略小于排开水的质量，即航行器拥有微正浮力，能够使航行器通过以下两种方式保持一定的深度，具体为：一种是在航行器上加装垂向推进器，简称“垂推”，垂推给航行器一个向下的力，使航行器可以在一个深度保持相对静止；另一个定深的方式是在航行器主推进器(亦称前向推进器)运行时，用舵的垂直分量，产生一个向下的力，抵消航行器的微正浮力，但是这种方式不能保证航行器保持在水下某一固定的位置。两种控制浮停的方法都需要持续消耗能量，如果航行器需要长时间在水下某一位置执行任务，这两种方式的能量消耗可能导致航行器的供电不足无法完成任务。

目前，燃料电池和已有的鱼雷热动力系统在能量密度方面优于锂电池，但是由于技术限制，燃料电池的体积无法置于口径小于324mm口径的航行器中，且成本过高，操作不便，不适于在小型AUV中使用。

因此，本发明设计了一种小型增程式混合能源无人水下航行器。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种小型增程混合能源无人水下航行器及其控制方法，该航行器采用油电混合式供电系统，能够根据电池的耗电情况做出是否发电的判断，以满足对航行器的持续供电；并通过在航行器外周设置外载重浮力调节系统，将重浮力调节系统设计为模块化形式，能够根据航行器的具体需求进行布置和拆卸。本发明解决了现有技术中小型航行器因供电不足导致的续航时间短、任务受限等问题。

本发明的技术方案是：一种小型增程混合能源无人水下航行器，包括航行器主体、搭载于航行器上的增程式混合能源系统和重浮力调节系统；

所述增程式混合能源系统包括电池舱、发电系统及发电散热系统，所述电池舱作为航行器的整体供电来源，设定有低电量充电阈值，当电量达到该阈值时触发发电系统和发电散热系统，所述发电散热系统通过循环式冷却和移位式冷却配合实现对发电系统和航行器的散热冷却；

所述重浮力调节系统包括搭载于航行器主体外周的多个重浮力调节罐及浮潜控制管路，所述重浮力调节罐通过浮潜控制管路与航行器主体的海水阀连通，浮潜控制管路根据航行器运动变换指令控制重浮力调节罐内的水量和流速；能够完成航行器位置及姿态的及时调整。

本发明的进一步技术方案是：所述航行器主体沿轴向依次分为有艏段、第一透水段、舯段、第二透水段、艉段，所述艏段用于搭载视觉探测功能部件；所述舯段用于搭载增程式混合能源系统，其内安装有发电系统、发电散热系统、浮潜控制管路、控制中心及航行器的功能元器件，其外搭载电池舱和高压氧气瓶；所述艉段设置有天线和两个对称的主推进器；

所述第一透水段和第二透水段分别内置前侧推进器和后侧推进器，所述前侧推进器和后侧推进器的轴向垂直于航行器的中心轴，用于控制航行器的转向。

本发明的进一步技术方案是：所述发电系统包括汽油发动机及油箱、高压氧气瓶，所述汽油发动机和油箱之间设置有化油器，用于将液态汽油转化为可燃气体混合物，以供汽油发动机燃烧；所述汽油发动机的输出端通过传动件与发电机的主轴连接，通过驱动主轴旋转完成发电；

所述汽油发动机的进气口进气管、进气阀、减压阀与高压氧气瓶连通，通过进气阀控制氧气通断，通过减压阀控制通入氧气的压力；

所述汽油发动机的排气口通过排气管与设置于航行器舯段壳体的止回阀连通，用于排出汽油发动机产生的废气，并阻止水流进入汽油发动机。

本发明的进一步技术方案是：所述发电机的主轴通过传动皮带与汽油发动机的输出端连接，实现动力传输；其输出端通过稳压器、整流器与电池舱的充电电路连接，由稳压器、整流器对输出电流进行稳压和整流。

本发明的进一步技术方案是：所述发电散热系统包括设置于汽油发动机缸体外围的缸体散热管和设置于汽油发动机排气管外围的排气管散热管，所述缸体散热管和排气管散热管的进水口汇聚后通过散热齿轮泵、管路、冷却水阀与设置于航行器舯段壳体的海水阀连通，其出水口交汇后与航行器舯段壳体上设置的排水接口连通，通过各泵、阀及管路的连通，实现了海水对汽油发动机的循环式冷却。

本发明的进一步技术方案是：所述汽油发动机和发电机外包裹陶瓷纤维隔热纸，用以隔绝热量。

本发明的进一步技术方案是：所述移位式冷却的方法为，在汽油发动机带动发电机发电，并向电池舱内电池充电时，控制航行器每浮停30s前进5m，以此循环，使得航行器周围水域维持在冷却温度。

本发明的进一步技术方案是：所述重浮力调节罐的数量为4个，两两对称设置于航行器的两侧，分别为左前重浮力调节罐、右前重浮力调节罐、左后重浮力调节罐、右后重浮力调节罐；

所述重浮力调节罐为密封式空腔，其内由两个开有通孔的止荡板分隔为三个连通的空间；其壳体上开有入水口、出水口、气压检测口和气密检测口，所述入水口、出水口分别与浮潜控制管路的入水管路和出水管路密封连通；压力检测口处密封安装有压力传感器，能够实时监测罐内压力；所述气密检测口用于重浮力调节罐入水前的气密检测，检测后采用气密嘴堵头封堵。

本发明的进一步技术方案是：所述浮潜控制管路包括设置于舯段壳体上的多个管路接口、与管路接口连接的输水管及安装于个输水管上的海水阀、齿轮泵、电磁阀；并采用微控制器控制各阀/泵；水流在浮潜控制管路的流经方式为：

增重时：海水从舯段壳体前端的海水管路接口进入，沿输水管流经前端海水阀、前端入水齿轮泵、左/右前入水电磁阀分别进入左前重浮力调节罐、右前重浮力调节罐；

海水从舯段壳体后端的海水管路接口进入，沿输水管流经后端海水阀、后端入水齿轮泵、左/右后入水电磁阀分别进入左后重浮力调节罐、右后重浮力调节罐；

减重时：左前重浮力调节罐、右前重浮力调节罐内的水分别沿输水管流经左/右前出水电磁阀、前端出水齿轮泵、前端海水阀，从前端的海水管路接口流出；

左后重浮力调节罐、右后重浮力调节罐内的水分别沿输水管流经左/右后出水电磁阀、后端出水齿轮泵、前端海水阀，从后端的海水管路接口流出；

其中，连接各重浮力调节罐和对应电磁阀之间的输水管，与所穿过的对应管路接口做水密处理。

一种小型增程混合能源无人水下航行器的控制方法，

启动航行器，下达下潜指令；

开启前端海水阀、后端海水阀、前端入水齿轮泵、后端入水齿轮泵、左前入水电磁阀、右前入水电磁阀、左后入水电磁阀、右后入水电磁阀，分别将海水注入左前重浮力调节罐、右前重浮力调节罐、左后重浮力调节罐、右后重浮力调节罐；

控制中心根据航行轨迹控制各入水电磁阀、齿轮泵的开闭和转动，以控制航行器的深度、横滚、俯仰；

航行器的电池消耗至设定低电量阈值，下达上浮指令；

开启前端海水阀、后端海水阀、前端出水齿轮泵、后端出水齿轮泵、左前出水电磁阀、右前出水电磁阀、左后出水电磁阀、右后出水电磁阀，分别将海水抽出左前重浮力调节罐、右前重浮力调节罐、左后重浮力调节罐、右后重浮力调节罐；使得航行器上浮至接近水面的深度；

由控制中心启动汽油发动机给发电机发电；同时发电散热系统启动，对汽油发动机及航行器进行散热冷却；

由电池管理系统控制电池的充电状态，以满足航行器正常使用。

有益效果

本发明的有益效果在于：

1、优秀的续航时间和范围：本发明结合了汽油发动机和锂电池，提供了一种混合能源解决方案。这不仅可以在电池耗尽时为其提供额外的能源，还可以通过汽油发动机为电池充电，从而延长AUV的续航时间和航程。

2、提高了散热效率：通过使用铜管、陶瓷纤维隔热纸和优异导热的航行器壳体，本发明为汽油发动机提供了一个有效的散热方案，确保了航行器内部的安全运行，并减少了热对其他设备和结构的影响。

3、机动性和适应性：利用重浮力调节装置，航行器可以精确控制其在水下的深度和姿态，从而使其能够在多种环境和任务中灵活操作，比如长时间在某一深度执行任务时可以节省能量。

4、安全和可靠：通过设计外挂高压氧气瓶和气体排放系统，本发明确保了汽油发动机在水下安全可靠的运行。加入的止回阀确保气体可以安全排放，同时防止外部水倒灌入航行器。

5、经济效益：由于航行器可以在不依赖外部补给的情况下为电池充电，这降低了对专业部署和充电设备的依赖，从而减少了相关的操作和维护成本。

附图说明

图1为航行器整体外观的正三轴测图；

图2为航行器整体外观的俯视图；

图3为航行器整体外观的仰视图；

图4为航行器整体外观的左视图；

图5为航行器整体外观的前视图；

图6为航行器整体内部透视的正三轴测图；

图7为增程式混合能源部分的左视图；

图8为增程式混合能源部分的俯视图；

图9为重浮力调节部分的正三轴测图；

图10为重浮力调节部分的俯视图；

图11为重浮力调节部分去掉重浮力调节罐的正三轴测图；

图12为重浮力调节罐的左视图；

图13为重浮力调节罐透视的正三轴测图；

图14为航行器内部液压管路图；

附图标记说明：1-航行器主体；11-艏段；111-相机；112-图形处理器；12-透水段；121-前侧推进器；122-后侧推进器；13-舯段；131-外挂架；133-机载计算机；14-艉段；141-天线；142-主推进器；2-增程式混合能源部分；21-汽油发动机；211-缸体散热管；212-化油器；213-排气管；214-排气管散热管；215-止回阀；216-排水接口；22-传动皮带；23-发电机；231-稳压器；232-整流器；24-电池舱；25-高压氧气瓶；251-减压阀；252-进气阀；26-油箱；27-散热齿轮泵；28-冷却水阀；3-重浮力调节部分；311-左前重浮力调节罐；3111-止荡板；3112-入水口；3113-出水口；3114-压力传感器；3115-气密嘴堵头；312-右前重浮力调节罐；313-左后重浮力调节罐；314-右后重浮力调节罐；321-前端入水齿轮泵；322-前端出水齿轮泵；323-后端入水齿轮泵；324-后端出水齿轮泵；331-前端海水阀；332-后端海水阀；341-左前入水电磁阀；342-左前出水电磁阀；343-右前入水电磁阀；344-右前出水电磁阀；345-左后入水电磁阀；346-左后出水电磁阀；347-右前入水电磁阀；348-右后出水电磁阀；35-微控制器。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本实施例的描述中需要理解的是，“左前”、“左后”、“右前”、“右后”、“前端”、“后端”、“艏部”、“艉部”等指示方位或位置关系的词是基于附图所指到的方位或位置关系，仅用于方便描述本发明，而不是说明所述元件必须具有的特定方位和位置关系，因此不能理解为对本发明的限制。

在下文讲述实施方式时，预设所有装置已经被合理的固定了起来，且为了便于说明和查阅，图中隐去了电气和管路的连接，但并不妨碍理解。

基于现有技术中小型化航行器的体积限制，使得电池无法持续续航，执行任务受限等问题，本发明提供一种小型增程混合能源无人水下航行器，包括航行器主体、搭载于航行器上的增程式混合能源系统和重浮力调节系统；所述增程式混合能源系统包括电池舱、发电系统及发电散热系统，所述电池舱作为航行器的整体供电来源，设定有低电量充电阈值，当电量达到该阈值时触发发电系统和发电散热系统，所述发电散热系统通过循环式冷却和移位式冷却配合实现对发电系统和航行器的散热冷却；所述重浮力调节系统包括搭载于航行器主体外周的多个重浮力调节罐及浮潜控制管路，所述重浮力调节罐通过浮潜控制管路与航行器主体的海水阀连通，浮潜控制管路根据航行器运动变换指令控制重浮力调节罐内的水量和流速；能够完成航行器位置及姿态的及时调整。具体设计思路如下：

本发明考虑在已经很成熟的锂电池的基础上，从两个方面延长航行器的航程，一方面，在不依靠外部补给的情况下给使电池恢复能量；另一方面，尽量减少航行器电能的消耗，即“开源”和“节流”。在“开源”方面，本发明在航行器中加装汽油发动机和直流发电机，当电池的电消耗殆尽时，航行器会航行至较小的深度(距水面约5m)，启动汽油发动机，带动直流发电机给电池充电，考虑到汽油发动机工作时燃烧室会大量产热，如果不能将热量排出，会对航行器内部其他电子元器件和结构件产生影响，这里有三个措施对汽油发动机散热。一是在燃烧室和排气管外部加装铜管，用航行器自带的泵系统抽取外部的水流入铜管再排出航行器，以此对达到散热的效果；二是在汽油发动机和排气管外的散热铜管外包裹一层陶瓷纤维隔热纸，防止有热量逸出；这时依然会有少量的热量逸出，考虑到壳体为铝合金，也具有较为优异的导热率，可以将热量导出到水中，所以在充电的时候，间歇性地启动主推进器，使航行器航行到未被“加热”的水中，实现散热。对于汽油发动机进气问题，本发明外挂了一个高压氧气瓶，供给汽油发动机运行时的燃烧用氧。对于汽油发动机的排气问题，在发动机的排气口接入两个铜管，直接将气体排出航行器内部。为了防止水从排气管进入燃烧室，在航行器壳体与排气口之间加装一个止回阀，这样就能保证使气体可以排出航行器，且水不会倒灌入航行器，而此时航行器在一个较小的水深，气体并不会因为外部水压过大而无法排出。在“节流”方面，本发明设计了一套重浮力调节装置，包括若干齿轮泵和电磁阀，以及外挂的四个重浮力调节罐，浮力罐上有出水口、入水口、压力传感器、气密检查口。齿轮泵与电池阀配合，使外部的水注入或抽出重浮力调节罐，改变航行器的总质量，使航行器到达固定的深度。并且可以通过控制外挂的四个重浮力调节罐内的水量，改变航行器姿态，进而控制航行器的俯仰角和横滚角。

以下参照附图对上述技术方案做进一步说明：

参照图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明中航行器主体口径220mm，由材料为铝合金。航行器主体由艏段11、透水段12、舯段13、艉段14组成。艏段11中有相机111和图形处理器112，用于航行器常规任务。航行器的前后各有一段透水段12，其为中空，前端的透水段12内置前侧推进器121，后端的透水段12内置后侧推进器122，用于航行器的转向。加装这种推进器而不使用舵的原因是，这样设计不仅可以使航行器左右转向，而且转弯半径不受限于航速，并且设置前后侧向推进器可以使航行器实现向左和向右的横移，以及原地改变航行器的航向。这样使得该航行器可以在狭窄的水域机动航行。舯段13为密闭圆筒，端部有若干电路与管路的连接口与外部连接。筒体水密。舯段13内置航行器电路元器件以及本发明接下来要讲的泵和阀。舯段13中部上方还有两个口，分别是止回阀215和排水接口216，其主要作用是将增程式混合能源部分的废气和冷却水排出航行器外。由于废气和冷却水在排出时温度较高，如果和将两个口与其他电气和液压入口临近排布，其高温会影响其它部件的使用和水密性。舯段13外有一些凸起，可以挂载外挂架131，使得航行器可以外挂重浮力调节罐(311、312、313、314)、电池舱24、高压氧气瓶25。其中重浮力调节罐(311、312、313、314)与航行器主体置于同一水平面内，电池舱24和高压氧气瓶25置于航行器主体的正下方。艉段14在航行器的最后端其上有天线141，用于在上浮时和外界通信。艉段14后有两个主推进器142，为航行器提供前向动力。由于该航行器没有舵这一机构，所以设置两个主推进器142来平衡其扭矩。

参照图6所示，首先，对于航行器主体部分，舯段13内部搭载机载计算机，其集成了计算机和导航的功能，用于对航行器提供导航信息以及下达决策控制指令。另外，可以看到，除了重浮力调节罐(311、312、313、314)、电池舱24、高压氧气瓶25外，其他所有增程式混合能源部分和重浮力调节部分的元器件都在舯段13内部。

参照图6、图7、图8、图14所示，增程式混合能源部分由汽油发动机21、缸体散热管211、化油器212、排气管213、排气管散热管214、止回阀215、排水接口216、传动皮带22、发电机23、稳压器231、整流器232、电池舱24、高压氧气瓶25、减压阀251、进气阀252、油箱26、散热齿轮泵27、冷却水阀28组成。其中，汽油发动机21为单缸发动机，缸体在整个汽油发动机21的上方，缸体外缠绕缸体散热管211，其为铜管，由于铜具有优良的导热性，可以吸收绝大部分汽油发动机21缸体产生的热量。化油器212置于汽油发动机21的前端，其功能是将液态汽油转化为可燃气体混合物，以供汽油发动机21燃烧。排气管213的下端与汽油发动机21直接连接，上端与止回阀215相连，用于排出汽油发动机21产生的废气。排气管散热管214为缠绕在排气管213外的铜管，内径、外径、材质与缸体散热管211一致。止回阀215与舯段13固连，其作用是只允许气体排出雷体，而防止航行器外的水进入汽油发动机21。缸体散热管211和排气管散热管214在上端汇合，接入排水接口216，使冷却水从排水接口216排出航行器。排水接口216与舯段13固连，在止回阀215后方，且与止回阀215紧邻。汽油发动机21的后方有发电机23，当发电机23的主轴被外部转动时可以发电，但是这时发出的电并不规整，需要稳压器231和整流器232对发电机23发出的电稳压和整流。汽油发动机21和发电机23的轴通过传动皮带22。电池舱24用于给航行器供电，也可以被航行器内的发电部分充电。内部有两个电池组，并有相应的电源管理电路。当对电池充电时，对其中一组电池充电时，另一组可以正常供电。高压氧气瓶25内有足量的氧气，供给汽油发动机21所需的氧气。由于高压氧气瓶25内有大量的氧气，所以气压很高，如果将如此高的压力的氧气直接打入舯段13，会使舱内的压力过高，影响舱内一些元器件的工作，所以在高压氧气瓶25的瓶口安装减压阀251，使氧气瓶向舯段13输出恒定压力的氧气。减压阀251通过软管与舯段13的后端相连，并当接入舯段13后与进气阀252相连，这是为了增加一层保险，在不启用汽油发动机21时关闭，一定程度上避免了进水的风险。油箱26用于为汽油发动机21提供汽油。缸体散热管211和排气管散热管214在下汇合，由散热齿轮泵27将水泵入缸体散热管211和排气管散热管214。冷却水阀28控制水进入散热齿轮泵27的断续。而冷却水阀28的前端有前端海水阀331。

参照图6、图9、图10、图11、图12、图13、图14所示，重浮力调节部分由左前重浮力调节罐311、止荡板3111、入水口3112、出水口3113、压力传感器3114、气密嘴堵头3115、右前重浮力调节罐312、左后重浮力调节罐313、右后重浮力调节罐314、前端入水齿轮泵321、前端出水齿轮泵322、后端入水齿轮泵323、后端出水齿轮泵324、前端海水阀331、后端海水阀332、左前入水电磁阀341、左前出水电磁阀342、右前入水电磁阀343、右前出水电磁阀344、左后入水电磁阀345、左后出水电磁阀346、右前入水电磁阀347、右后出水电磁阀348、微控制器35。左前重浮力调节罐311、右前重浮力调节罐312、左后重浮力调节罐313、右后重浮力调节罐314分别位于航行器的左前方、右前方、左后方、右后方，以左前重浮力调节罐311为例，其中有两个止荡板3111，将重浮力调节罐的水分隔为三个部分，减小自由液面对航行器姿态的影响。止荡板3111下侧有两个孔，使水可以在被止荡板3111分隔开的三个空间的水可以相互连通。入水口3112和出水口3113分别在罐体的上方和下方。水分别从入水口3112和出水口3113打进和抽出。压力传感器3114和气密嘴堵头3115分别置于罐体的两端，压力传感器3114用于监测罐内的压力，便于机载计算机133实施控制。气密嘴堵头3115是在航行器下水前对罐体进行打压，检查罐体的密封性。舯段13的前端和后端分别有5个和6个管路接口。外部的水分别从前端海水阀331和后端海水阀332进出航行器。前端入水齿轮泵321和前端出水齿轮泵322置于舯段13的前端，分别负责向左前重浮力调节罐311和右前重浮力调节罐312打水和抽水。后端入水齿轮泵323和后端出水齿轮泵324置于舯段13的后端，分别负责向左后重浮力调节罐313和右后重浮力调节罐314打水和抽水。左前入水电磁阀341、左前出水电磁阀342、右前入水电磁阀343、右前出水电磁阀344置于舯段13的前端，分别控制向左前重浮力调节罐311和右前重浮力调节罐312打水和抽水的断续。左后入水电磁阀345、左后出水电磁阀346、右后入水电磁阀347、右后出水电磁阀348置于舯段13的后端，分别控制向左后重浮力调节罐313和右后重浮力调节罐314打水和抽水的断续。以上的所有阀，除了止回阀215和减压阀251，其余的阀均为电磁阀。以上的所有泵，均为齿轮泵，因为齿轮泵可以提供较大的扬程和压力，其中前端入水齿轮泵321、前端出水齿轮泵322、后端入水齿轮泵323、后端出水齿轮泵324为水压较大但流量较小的齿轮泵，而散热齿轮泵27为水压略小而流量极大的齿轮泵。舯段13的前端和后端分别有一个微控制器35，分别负责控制前端和后端所有的电磁阀和泵，而两个微控制器35分别受机载计算机133的控制。

参照图14所示，该图描述了各相关器件之间的管路连接关系。其中舯段13前端有5个管路接口，舯段13后端有6个管路接口。其中仅有指向进气阀252的箭头和从汽油发动机21指向止回阀215的箭头为气体流动方向，其余箭头指向均为水流动的方向。全艇的管路连接关系为：对于前端，前端海底阀331与舯段13前端端盖相连，另一端与前端入水齿轮泵321、前端出水齿轮泵322、散热齿轮泵27相连。前端入水齿轮泵321与左前入水电磁阀341和右前入水电磁阀343相连。前端出水齿轮泵322的一端与前端海水阀331相连，另一端与左前出水电磁阀342和右前出水电磁阀344相连。左前入水电磁阀341和左前出水电磁阀342另一端接的管路穿过舯段13前端端盖与外挂的左前重浮力调节罐311相连，右前入水电磁阀343和右前出水电磁阀344另一端接的管路穿过舯段13前端端盖与外挂的右前重浮力调节罐312相连。散热齿轮泵27的一端与前端海水阀331相连，另一端与冷却水阀28相连。缸体散热管211和排气管散热管214再上端和下端均汇合为一根管，下端与冷却水阀28相连，上端与排水接口216相连。对于后端，后端海底阀332与舯段13后端端盖相连，另一端与后端入水齿轮泵323、后端出水齿轮泵324相连。后端入水齿轮泵323与左后入水电磁阀345和右后入水电磁阀347相连。后端出水齿轮泵324的一端与后端海水阀332相连，另一端与左后出水电磁阀346和右后出水电磁阀348相连。左后入水电磁阀345和左后出水电磁阀346另一端接的管路穿过舯段13后端端盖与外挂的左后重浮力调节罐313相连，右后入水电磁阀347和右后出水电磁阀348另一端接的管路穿过舯段13后端端盖与外挂的右前重浮力调节罐314相连。另外，汽油发动机21的废气用过排气管213从止回阀215排出航行器外。氧气从管路从舯段13后端进入舯段13，然后接到进气阀252，以控制氧气的断续。

当该航行器要航行时，前端海水阀331和后端海水阀332开启，前端入水齿轮泵321和后端入水齿轮泵323开始工作，同时左前入水电磁阀341、右前入水电磁阀343、左后入水电磁阀345、右后入水电磁阀347也开启，分别将水注入左前重浮力调节罐311、右前重浮力调节罐312、左后重浮力调节罐313、右后重浮力调节罐314。以左前重浮力调节罐311为例，海水从航行器外依次经过前端海水阀331、前端入水齿轮泵321、左前入水电磁阀341，再出航行器外，通过入水口3112进入左前重浮力调节罐。航行器开始下潜后，机载计算机133依据航行器主体自带的深度传感器和相关的控制算法控制各入水电磁阀和齿轮泵的开闭和转动来控制航行器的深度、横滚、俯仰。当航行器电量消耗至一个阈值时，航行器航行器至较浅的深度，打开进气阀252、前端海水阀331、冷却水阀28，随后打开散热齿轮泵27，使水从泵入缸体散热管211和排气管散热管214，随后通过排水接口216排出航行器。机载计算机133下达指令，发动汽油发动机21。汽油从油箱26进入化油器212，被转化为气体混合物后输入汽油发动机21，然后汽油发动机21主轴开始转动，通过传动皮带22带动发电机23，使发电机23发电。随后发电机发出的电分别通过稳压器231和整流器232输入给电池舱24。汽油发动机21在启动后会产生大量的热，会严重影响航行器内各种元器件的正常工作。散热齿轮泵27将水泵入缸体散热管211和排气管散热管214后排出航行器会带走发动机产生的多数的热量，另外会有部分热量会逸出，所以在下水航行前，需要在汽油发动机21和发电机23外包裹一层陶瓷纤维隔热纸，以隔绝大多数的热。然而这种方法并不是绝对隔热，而且舯段13内的各种电子元器件也会产生一定的热。由于舯段13的材质为铝合金，具有较好的导热性，可以利用航行器外的水冷却舯段剩下的热量。但是一段时间后，航行器周围的水会被加热，无法起到散热的效果。所以在增程式混合能源部分工作时，发电机23发出的电会给电池舱24内的一个电池组充电，而另一个电池组保持放电状态以维持航行器其他电子设备的正常工作。在充电时，每浮停30s前进5m，以此循环，保证航行器周围的水温维持在足够给航行器冷却的水平。机载计算机133根据两块电池的电量控制发电机23给两块电池交替充电。当两块电池都达到足够的电量时，增程式混合能源部分停止工作，航行器继续执行其他任务。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种小型增程混合能源无人水下航行器，其特征在于：包括航行器主体、搭载于航行器上的增程式混合能源系统和重浮力调节系统；

所述增程式混合能源系统包括电池舱、发电系统及发电散热系统，所述电池舱作为航行器的整体供电来源，设定有低电量充电阈值，当电量达到该阈值时触发发电系统和发电散热系统，所述发电散热系统通过循环式冷却和移位式冷却配合实现对发电系统和航行器的散热冷却；

所述重浮力调节系统包括搭载于航行器主体外周的多个重浮力调节罐及浮潜控制管路，所述重浮力调节罐通过浮潜控制管路与航行器主体的海水阀连通，浮潜控制管路根据航行器运动变换指令控制重浮力调节罐内的水量和流速；能够完成航行器位置及姿态的及时调整。

2.根据权利要求1所述一种小型增程混合能源无人水下航行器，其特征在于：所述航行器主体沿轴向依次分为有艏段、第一透水段、舯段、第二透水段、艉段，所述艏段用于搭载视觉探测功能部件；所述舯段用于搭载增程式混合能源系统，其内安装有发电系统、发电散热系统、浮潜控制管路、控制中心及航行器的功能元器件，其外搭载电池舱和高压氧气瓶；所述艉段设置有天线和两个对称的主推进器；

所述第一透水段和第二透水段分别内置前侧推进器和后侧推进器，所述前侧推进器和后侧推进器的轴向垂直于航行器的中心轴，用于控制航行器的转向。

3.根据权利要求1所述一种小型增程混合能源无人水下航行器，其特征在于：所述发电系统包括汽油发动机及油箱、高压氧气瓶，所述汽油发动机和油箱之间设置有化油器，用于将液态汽油转化为可燃气体混合物，以供汽油发动机燃烧；所述汽油发动机的输出端通过传动件与发电机的主轴连接，通过驱动主轴旋转完成发电；

所述汽油发动机的进气口进气管、进气阀、减压阀与高压氧气瓶连通，通过进气阀控制氧气通断，通过减压阀控制通入氧气的压力；

所述汽油发动机的排气口通过排气管与设置于航行器舯段壳体的止回阀连通，用于排出汽油发动机产生的废气，并阻止水流进入汽油发动机。

4.根据权利要求3所述一种小型增程混合能源无人水下航行器，其特征在于：所述发电机的主轴通过传动皮带与汽油发动机的输出端连接，实现动力传输；其输出端通过稳压器、整流器与电池舱的充电电路连接，由稳压器、整流器对输出电流进行稳压和整流。

5.根据权利要求1所述一种小型增程混合能源无人水下航行器，其特征在于：所述发电散热系统包括设置于汽油发动机缸体外围的缸体散热管和设置于汽油发动机排气管外围的排气管散热管，所述缸体散热管和排气管散热管的进水口汇聚后通过散热齿轮泵、管路、冷却水阀与设置于航行器舯段壳体的海水阀连通，其出水口交汇后与航行器舯段壳体上设置的排水接口连通，通过各泵、阀及管路的连通，实现了海水对汽油发动机的循环式冷却。

6.根据权利要求5所述一种小型增程混合能源无人水下航行器，其特征在于：所述汽油发动机和发电机外包裹陶瓷纤维隔热纸，用以隔绝热量。

7.根据权利要求1所述一种小型增程混合能源无人水下航行器，其特征在于：所述移位式冷却的方法为，在汽油发动机带动发电机发电，并向电池舱内电池充电时，控制航行器每浮停30s前进5m，以此循环，使得航行器周围水域维持在冷却温度。

8.根据权利要求1所述一种小型增程混合能源无人水下航行器，其特征在于：所述重浮力调节罐的数量为4个，两两对称设置于航行器的两侧，分别为左前重浮力调节罐、右前重浮力调节罐、左后重浮力调节罐、右后重浮力调节罐；

所述重浮力调节罐为密封式空腔，其内由两个开有通孔的止荡板分隔为三个连通的空间；其壳体上开有入水口、出水口、气压检测口和气密检测口，所述入水口、出水口分别与浮潜控制管路的入水管路和出水管路密封连通；压力检测口处密封安装有压力传感器，能够实时监测罐内压力；所述气密检测口用于重浮力调节罐入水前的气密检测，检测后采用气密嘴堵头封堵。

9.根据权利要求8所述一种小型增程混合能源无人水下航行器，其特征在于：所述浮潜控制管路包括设置于舯段壳体上的多个管路接口、与管路接口连接的输水管及安装于个输水管上的海水阀、齿轮泵、电磁阀；并采用微控制器控制各阀/泵；水流在浮潜控制管路的流经方式为：

增重时：海水从舯段壳体前端的海水管路接口进入，沿输水管流经前端海水阀、前端入水齿轮泵、左/右前入水电磁阀分别进入左前重浮力调节罐、右前重浮力调节罐；

海水从舯段壳体后端的海水管路接口进入，沿输水管流经后端海水阀、后端入水齿轮泵、左/右后入水电磁阀分别进入左后重浮力调节罐、右后重浮力调节罐；

减重时：左前重浮力调节罐、右前重浮力调节罐内的水分别沿输水管流经左/右前出水电磁阀、前端出水齿轮泵、前端海水阀，从前端的海水管路接口流出；

左后重浮力调节罐、右后重浮力调节罐内的水分别沿输水管流经左/右后出水电磁阀、后端出水齿轮泵、前端海水阀，从后端的海水管路接口流出；

其中，连接各重浮力调节罐和对应电磁阀之间的输水管，与所穿过的对应管路接口做水密处理。

10.一种权利要求1-9任一项所述小型增程混合能源无人水下航行器的控制方法，其特征在于：

启动航行器，下达下潜指令；

开启前端海水阀、后端海水阀、前端入水齿轮泵、后端入水齿轮泵、左前入水电磁阀、右前入水电磁阀、左后入水电磁阀、右后入水电磁阀，分别将海水注入左前重浮力调节罐、右前重浮力调节罐、左后重浮力调节罐、右后重浮力调节罐；

控制中心根据航行轨迹控制各入水电磁阀、齿轮泵的开闭和转动，以控制航行器的深度、横滚、俯仰；

航行器的电池消耗至设定低电量阈值，下达上浮指令；

开启前端海水阀、后端海水阀、前端出水齿轮泵、后端出水齿轮泵、左前出水电磁阀、右前出水电磁阀、左后出水电磁阀、右后出水电磁阀，分别将海水抽出左前重浮力调节罐、右前重浮力调节罐、左后重浮力调节罐、右后重浮力调节罐；使得航行器上浮至接近水面的深度；

由控制中心启动汽油发动机给发电机发电；同时发电散热系统启动，对汽油发动机及航行器进行散热冷却；

由电池管理系统控制电池的充电状态，以满足航行器正常使用。