CN1326746C - 水下自航行平台机械系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化、经济实用的水下自航行平台机械系统。本发明水下自航行平台机械系统，探测与发射装置、主舱、电池舱、尾舱依次连接为一整体；主舱体外侧支架及底板连接有释放机构；所述释放机构连接有压载水舱，所述压载水舱设置有注水阀、注水舱；所述主舱壳体内设置有平台的控制系统，壳体内中心位置设置有驱动压载水舱的油缸传动机构，壳体上设置有主体自毁控制阀；所述探测与发射装置壳体外侧设置有传感器模块的旋转调平机构；所述尾舱设置有水平舵和垂直舵，尾端设置有螺旋桨。水下自航行平台(AUV)具有环境适应能力强、活动范围大、使用方便等优点。

Description

水下自航行平台机械系统

技术领域

本发明涉及海洋探测工具领域，更具体地说，是涉及一种水下自航行平台机械系统。

背景技术

海洋覆盖地球三分之二的面积，对人类未来的生存有着至关重要的影响。联合国《21世纪议程》指出：海洋是全球生命支持系统的一个基本组成部分，也是一种有助于实现可持续发展的宝贵财富。科学发展至今，人们对陆地与太空的探索投入了巨大精力，并取得了长足的发展，而对和我们密切相关的海洋的理解与研究是相对薄弱的。在广阔的海洋空间里，蕴藏着丰富的海洋生物资源、海洋矿产资源和海洋能源，我们可以合理的开发利用；地球生态环境日益恶化，我们也必须更好的保护占地球面积巨大的海洋环境免受污染，高效的利用它们造福人类；同时，军事任务的迫切需要，海洋成为人类关注和探索的重要领地，但人力探索风险很高，必须借助有效的工具。水下自航行平台(AUV)具有环境适应能力强、活动范围大、使用方便等诸多优点，成为当今世界研究的热门领域。

世界很多发达国家十分重视水下自航行平台研究开发，其中典型的有：美国的伍兹霍海洋研究所(WHOI)研制的ABE和REMUS，麻省理工学院(MIT)的Odyssey，加拿大的Theseus，欧洲的MARIUS和MARTIN，日本的AE1000等，国内以中科院沈阳自动化研究所开发的Explorer具有代表性。但纵观以上水下自航行平台，都是可回收，在航行作业过程中本体没有质量的变化，绝大部分大而重，并装配有高精度设备，致使研制、维修与使用费用很高，商品化和推广应用成为问题；并且也没有较好通用性，也只能在特定环境下完成特定任务。我国是海洋大国，拥有符合自己国情的经济、实用海洋探索工具水下自航行平台(AUV)成为当务之急。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的不足，提供一种小型化、经济实用的水下自航行平台机械系统。

本发明水下自航行平台机械系统，探测与发射装置、主舱、电池舱、尾舱依次连接为一整体；通过设置于所述主舱体外侧的支架及底板连接有前、后释放机构；所述释放机构连接有压载水舱，所述压载水舱设置有注水阀、注水舱；所述主舱壳体内设置有平台的控制系统，壳体内中心位置设置有驱动压载水舱的油缸传动机构，油缸通过油管连接设置于水舱每端的注水阀(共4个注水阀)，壳体上设置有主体自毁控制阀；所述探测与发射装置壳体外侧设置有传感器模块的旋转调平机构；所述调平机构设置有齿轮传动机构和摆动机构；所述尾舱设置有水平舵和垂直舵，尾端设置有螺旋桨。

所述水平舵和垂直舵各设置有一对。

所述主体自毁控制阀为单向阀，设置有2个。

所述的前、后释放机构是摆动式释放机构，均由支架、挂钩、摆轴、压载舱框架、绝缘体、压帽、压块、导线、弹簧和底板组成，所述的支架上设置有由摆轴固定并勾住压载舱框架的挂钩，所述的挂钩上通过螺钉固定有绝缘体，所述压块由螺钉固定在底板上，所述的弹簧置放于所述压块的孔中，所述的导线将挂钩另一端捆绑后，由压帽和压块将导线两端分别压紧。

本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

1.本发明设计成自治、不回收型，主体与压载可分离，从而提高其测量能力(能够实现3个月长时间测量)，简化其返航能力，实现在特定海域完成特定任务。

2.本发明的设计小型化，同时降低了成本。

3.本发明机械系统结构设计灵活、可靠，并为模块化设计，便于扩展与变换。

4.本发明的传感器模块可以旋转调平，实现复用。

附图说明

图1是水下自航行平台的外形结构示意图；

图2是本发明主舱结构示意图

图3是本发明主舱控制阀结构示意图；

图4是本发明的螺旋桨和舵的运动控制结构示意图：

图5是图4所示螺旋桨和舵的运动控制结构的左视图；

图6是本发明的压载水舱注水控制系统示意图；

图7是图6所示压载水舱注水控制系统的左视图；

图8是本发明的压载释放控制系统示意图；

图9是图8所示压载释放控制系统的左视图；

图10是本发明的传感器模块(ADCP)调节控制系统示意图；

图11是图10所示传感器模块(ADCP)调节控制系统的左视图。

附图标记：

1螺旋桨及其传动机构  2舵及其传动机构  3舵电机             4螺旋桨电机

5主舱壳体            6控制系统        7后释放机构         8传动机构

9控制阀              11电机

12齿轮传动机构       13探测装置       14发射装置耐压壳    15导流罩    16摆轴

17摆锤               21驱动轴         22油缸              23注水阀    31导线

32底板               33弹簧A          34压块              35挂钩

36压载舱筐架         37绝缘体

38压帽               39支架           40摆轴              41电磁铁

42阀体               43顶杆           44弹簧C             45阀盖      46阀芯

47弹簧B              48限位杆         51尾舱              52舵        53电池舱

54主舱               55自毁注水阀     56GPS与发射装置     57ADCP

58前释放机构         59水舱注水       60压载水舱          61螺旋桨

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

一、水下自航行平台的组成与外形：

本平台外形设计成低水阻流线型壳体，水中配重成中性浮力，总体由探测与发射装置56、主舱54、电池舱53、尾舱51、和压载水舱60五个模块组成。探测与发射装置56、主舱54、电池舱53和尾舱51为平台的主体。有一个三叶螺旋桨61提供动力，水平舵和垂直舵各一对控制航线与姿态。如图1所示。

本实施例采用如下数据：

平台总体外部尺寸：长3290mm、高670mm、宽600mm。

平台主体外部尺寸：长3230mm、直径330mm。长径比为3230/330＝9.8。

二、主舱及尾舱

主舱壳体是将平台各组成部分结合为有机整体的核心纽带，如图2，主舱壳体5内装平台的控制系统6，前端与探测与发射装置相联，后端与电池舱相联，其上还装有前释放机构58、后释放机构7、驱动压载水舱油缸的传动机构8、主体白毁时的控制阀9等。同时主舱也是实现主体上浮的主要浮力舱体，见图2。

主舱上装有两个控制阀，靠近头部的控制阀为排气阀，靠近尾部的控制阀为注水阀。当主体上浮并完成数据发射后，两控制阀打开，向主体空腔内注水，实现自毁功能。注水阀本质上都是单向阀，主要由阀芯46、阀盖45、阀体42、顶杆43、限位杆48、弹簧C44、弹簧B47和电磁铁41等组成，见图3。

常态下如图3示，阀芯46在弹簧c44及弹簧C44周围空腔中水压的作用下将阀体42上的阀口关闭，保证主舱的密封性。当主体上浮并完成数据发射后，控制系统使电磁铁通电，电磁铁41推动顶杆43，顶杆43将阀46芯顶起，阀口打开，与此同时限位杆48在弹簧B47的作用下顶入顶杆43的环槽，保证即使主舱进水电磁铁41断电后，阀口仍能保持打开状态，确保自毁功能的实现。

主舱设计通过压强计算，由壁厚与舱内加加强筋结合优化，满足耐压、尺寸和重量的要求。主舱壳体上安装的其它结构所需基座都内凹，这样具有结构紧凑、平台整体外型尺寸小、航行阻力小、重量轻等特点。

航行控制部分包括航行控制系统和螺旋桨、舵的运动控制结构，螺旋桨和舵的运动控制结构见图4和图5，螺旋桨及其传动机构1、舵及其传动机构2、舵电机3、螺旋桨电机4。本航行平台有一个三叶螺旋桨提供推力，电机通过减速器驱动螺旋桨，传动机构见图4和图5。

尾舱设置有水平舵和垂直舵，尾端设置有螺旋桨。本平台装有两个同轴线一起转动的水平舵和两个同轴线一起转动的垂直舵，舵的传动机构为换向齿轮传动，这样一对垂直舵和一对水平舵分别有一个直流无刷电机控制。为了减小传动机构的空间，电机轴经过减速器后，在串联一个涡轮涡杆减速器换向90。，传动机构见图4和图5。

三、压载释放机构

平台航行到预定位置后，压载水舱注水平台座底。压载水舱注水控制由位置控制的电机驱动位于主舱内油缸22，将油缸22中的油液压入关闭的注水阀，推开注水阀23，水进入注水舱。油缸22带动一共有四个注水阀，每个水舱两端各一个，见图6和图7。

前释放机构58和后释放机构7通过支架39及底板32与主舱联接，主要完成水下自航行平台主体与压载水舱分离，实现平台主体上浮于水面。前释放机构58和后释放机构7的构造相同，均采用了摆动式释放机构，主要由支架39、挂钩35、摆轴40、压载舱框架36、绝缘体37、压帽38、压块34、导线31、弹簧33和底板32等组成，所述的支架39上设置有由摆轴40固定并勾住压载舱框架36的挂钩35，所述的挂钩35上通过螺钉固定有绝缘体37，所述压块34由螺钉固定在底板32上，弹簧33置放于压块34的孔中，用导线31将挂钩35另一端捆绑后，再用压帽38和压块34将导线31两端分别压紧，可实现挂载。释放机构的捆绑导线31接电源的正极，与之相邻的另一条导线接电源的负极，使释放机构的挂钩35处于图示状态，见图8和图9。

当平台完成测量任务后，系统发出释放命令，导线31上电牺牲阳极，接电源正极的捆绑导线31断开，挂钩35另一端(捆绑导线端)在弹簧的作用下使挂钩35绕摆轴40逆时针摆动，释放机构打开，实现压载水舱与主体分离。

四、传感器模块的旋转调平机构

传感器模块能够绕支承轴(即主体轴线x轴)转动，这样可实现用一套探测装置完成两套探测装置功能，降低平台成本。在平台航行时，探测装置13方向竖直朝下，实现对平台的航速、航向、航距及姿态等的监控；在平台到达预定位置后，传动机构12带动探测装置13绕主体轴线转过180。左右，探测装置13方向竖直朝上，压栽舱注水平台下沉落到海底，完成在位3个月对海况的测量，并且可根据海底状况的斜度以及在位测量过程中海流对平台位置与姿态的影响变化，实时调整探测装置所转过的角度，摆动机构依靠摆锤17对ADCP横向倾角作调整，始终保持ADCP垂直朝上。

传感器模块的控制采用位置控制。为了减小空问，电机11输出经过涡轮涡杆减速器换向90~’，在经齿轮传动机构12带动ADCP，结构见图10和图11。

水下自航行平台的工作过程简述：

平台发放后，以一定倾角下潜到30米左右的深度，以2m/s的速度自主航行100海里达到预定位置，在此阶段，重心位于浮心下，并在一条垂线上，传感器模块朝向水底，部分传感器作航行控制使用。到位后，其悬挂的压载舱注水，平台下沉到深度小于100米的海底，同时传感器模块(ADCP)调节到水平朝上，实现在位测量3个月。然后平台通过释放机构实现主体与压载水舱分离，主体上浮，通过重心与浮心的位置变化，主体垂直竖立，头部浮出水面不小于0.5米。实现测量数据的发射与接收；完成任务后主体注水、下沉，实现自毁。

Claims (4)

1.一种水下自航行平台机械系统，其探测与发射装置、主舱、电池舱、尾舱依次连接为一整体，所述主舱壳体内设置有平台控制系统，主舱壳体下有压载水舱，所述压载水舱设置有注水阀、注水舱，所述尾舱设置有水平舵和垂直舵，尾端设置有螺旋桨，其特征是，

通过设置于所述主舱体外侧的支架及底板连接有前、后释放机构；

通过所述前、后释放机构连接压载水舱，

所述主舱壳体内中心位置设置有驱动压载水舱的油缸传动机构，壳体上设置有主体自毁控制阀；

所述探测与发射装置壳体外侧设置有传感器模块的旋转调平机构；所述调平机构设置有齿轮传动机构和摆动机构。

2.根据要求1所述水下自航行平台机械系统，其特征是，所述水平舵和垂直舵各设置有一对。

3.根据要求1所述水下自航行平台机械系统，其特征是，所述主体自毁控制阀为单向阀，设置有2个。

4.根据要求1所述水下自航行平台机械系统，其特征是，所述前、后释放机构是摆动式释放机构，均由支架、挂钩、摆轴、压载舱框架、绝缘体、压帽、压块、导线、弹簧和底板组成，所述的支架上设置有由摆轴固定并勾住压载舱框架的挂钩，所述的挂钩上通过螺钉固定有绝缘体，所述压块由螺钉固定在底板上，所述的弹簧置放于所述压块的孔中，所述的导线将挂钩另一端捆绑后，由压帽和压块将导线两端分别压紧。

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