CN203889033U - 自主式水下航行器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种自主式水下航行器，包括框架梁、推进器和外壳，所述推进器与框架梁固接，所述外壳为分段不密封的开式结构，分段的外壳分别与所述框架梁固接。本实用新型自主式水下航行器通过开式结构设计，使外壳内外压平衡，不仅减小了外壳的厚度，减轻了外壳选材的难度，最大限度地降低了自主式水下航行器的自重，而且由于自重小，降低了试验配平难度，增加了续航时间，方便了航向控制。进一步地，外壳形状为流线型，最大限度地减小了外壳的阻力。本实用新型自主式水下航行器具有自重小、航行阻力小、动力装置灵活可靠、结构简单、连接可靠、容积利用率高、拆装方便、回收方便等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种海洋勘察用无缆式水下机器人，尤其涉及一种自主式水下航行器。
背景技术
自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)是一种无缆式水下机器人，自身携带传感器和能源，可以实现智能控制和自主导航，是一种先进的水下勘察设备，尤其适用于地质结构复杂的深水海域的海底工程勘察作业。
目前，现有技术的AUV均采用闭式结构设计，即AUV的外壳为密封承压舱结构。由于外壳完全密封，海水不会浸入舱体内部，简化了舱内布局设计。但经本申请发明人研究发现，现有技术这种闭式结构在实际使用中却存在如下技术缺陷：
1、由于闭式结构的密封承压舱需要承受巨大的舱内外压差，因此不仅外壳材料的选择有较大难度，而且外壳需要相当的厚度，显然，厚重的外壳极大地增加了闭式结构AUV的自重。实际使用中，AUV勘察作业前的配平操作是影响AUV航行性能的主要工作，以保证AUV在水中成悬浮状态，当AUV自重较大时，不仅配平难度增加，而且所增加的配平重物会进一步加大AUV的整体重量。
2、续航时间和航向控制是AUV性能的主要性能指标，能源和动力是影响该性能指标的主要因素。AUV在水下航行时，其本身携带的能源有限，当AUV自重较大时，需要配置的动力较大，能源消耗也大，因而现有闭式结构AUV的续航时间较短，航向控制迟缓。
3、此外，为了尽可能增加AUV的航行时间，需要最大限度地减小AUV外壳的阻力。但现有闭式结构的密封承压舱主要是从结构受力上考虑外壳的形状，改变AUV外壳形状来减小阻力的难度较大。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种自主式水下航行器，有效解决现有闭式结构自主式水下航行器自重大、配平难度大、续航时间短和航向控制迟缓等技术缺陷。
为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种自主式水下航行器，包括框架梁、推进器和外壳，所述推进器与框架梁固接，所述外壳为分段不密封的开式结构，分段的外壳分别与所述框架梁固接。
进一步地，所述框架梁包括2个纵梁、5个横梁、5个龙骨和1个起吊架，所述2个纵梁平行设置，5个横梁分别与所述纵梁固接，构成矩形框结构，所述5个龙骨分别与所述纵梁固接并形成六个舱体，所述1个起吊架与所述纵梁固接并位于所述框架梁的中部。
进一步地，所述六个舱体为依次设置的前舱、前电子舱、中舱、后电子舱、后舱和动力舱，所述前舱中设置有抛缆机构，所述前电子舱中设置有承压封装的前玻璃电子舱，所述中舱中设置有承压封装的深水电池舱，所述后电子舱中设置有抛载机构、承压封装的后玻璃电子舱和集线舱，所述后舱中设置有承压封装的电池舱，所述抛缆机构、前玻璃电子舱、深水电池舱、后玻璃电子舱、集线舱和电池舱均固定在所述框架梁上。
进一步地，所述前电子舱中还设置有前传感器装置和无线装置，所述后电子舱中还设置有后传感器装置，所述起吊架设置在所述中舱，所述推进器设置在所述动力舱，所述前传感器装置、无线装置和后传感器装置均固定在所述框架梁上。
进一步地，所述外壳包括与所述六个舱体相对应的前舱外壳、前电子舱外壳、中舱外壳、后电子舱外壳、后舱外壳和动力舱外壳，所述前舱外壳为整体结构，所述前电子舱外壳、中舱外壳、后电子舱外壳、后舱外壳和动力舱外壳均采用上下扣盖形式与所述框架梁上的龙骨连接。
进一步地，所述六个舱体内分别设置有前舱浮力材料、前电子舱浮力材料、中舱浮力材料、后电子舱浮力材料、后舱浮力材料和动力舱浮力材料。
进一步地，所述抛载机构包括塑料连接件、抛载物定位销、铰座、抛载物连接杆、固定螺母和抛载重物，所述抛载物连接杆穿过抛载重物，下端通过固定螺母与抛载重物固接，上端与铰座连接，所述铰座通过抛载物定位销与塑料连接件连接，塑料连接件与接收抛载指令的声学释放器连接。
进一步地，所述抛缆机构包括步进电机、螺母传动机构、释放推力杆、棘爪、棘轮、抛缆连接杆、牵引吊环、浮子和锁紧螺母，所述步进电机与螺母传动机构传动连接，所述螺母传动机构与释放推力杆固接，所述释放推力杆的上端与棘轮接触，棘轮与棘爪啮合，棘爪锁住抛缆连接杆，抛缆连接杆通过锁紧螺母与浮子连接，回收缆绳的两端分别连接所述牵引吊环和浮子。
在上述技术方案基础上，所述推进器为提供直行和转向的矢量推进器。
进一步地，所述矢量推进器包括推进器固定架、俯仰舵机机构、俯仰传动丝杠、转向舵机机构、转向传动丝杠、深水电机和螺旋桨，所述俯仰舵机机构、俯仰传动丝杠、转向舵机机构、转向传动丝杠、深水电机和螺旋桨分别固接在所述推进器固定架上，所述推进器固定架固接在所述框架梁上。
本实用新型提供了一种自主式水下航行器，通过开式结构设计，使外壳内外压平衡，不仅减小了外壳的厚度，减轻了外壳选材的难度，最大限度地降低了自主式水下航行器的自重，而且由于自重小，降低了试验配平难度，增加了续航时间，方便了航向控制。进一步地，由于外壳的形状不用考虑结构受力，因此本实用新型可以将外壳的形状设计成流线型，最大限度地减小了外壳的阻力。由于自重小，可以使本实用新型自主式水下航行器搭载更多的传感器，执行更加复杂的任务。本实用新型矢量推进器不仅方便了控制，而且可以提供更加充足的动力，本实用新型抛载机构和抛缆机构结构合理，控制简单，可快速实现自主式水下航行器的上浮和回收。总之，本实用新型自主式水下航行器具有自重小、航行阻力小、动力装置灵活可靠、结构简单、连接可靠、容积利用率高、拆装方便、回收方便等优点，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本实用新型框架梁的结构示意图；
图2为本实用新型框架梁所形成舱体的结构示意图；
图3为本实用新型外壳的结构示意图；
图4为本实用新型推进器的结构示意图；
图5为本实用新型抛载机构的结构示意图；
图6为本实用新型抛缆机构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型技术方案做进一步详细说明。
本实用新型自主式水下航行器的主体结构包括框架梁、推进器和外壳，其中框架梁作为主要承载部件，推进器和外壳分别与框架梁固接，推进器用于提供直行和转向的动力，外壳用于提供流线型外形，以减少水中航行的阻力。具体地，本实用新型外壳为分段的开式结构，分段的外壳依次与框架梁固接，外壳不密封，自主式水下航行器的舱内浸水，仅对舱内部分关键部件做承压封装处理。
图1为本实用新型框架梁的结构示意图。如图1所示，本实用新型框架梁的主体结构为纵梁11和横梁12构成矩形框结构，2个纵梁11纵向设置，相互平行且间隔一定距离，5个横梁12分别与2个纵梁11固接，且分别位于纵梁11的两端和中部，形成矩形框结构。本实用新型框架梁还包括龙骨13和起吊架14，5个龙骨13分别固接在纵梁11的两端和中部，与横梁12邻近，用于固接外壳，并形成自主式水下航行器的六个舱体，起吊架14位于框架梁的中部，与2个纵梁11固接。此外，本实用新型框架梁还设置有数个加强筋，数个加强筋同于在局部起加强作用。
图2为本实用新型框架梁所形成舱体的结构示意图。如图2所示，本实用新型框架梁上的5个龙骨13形成了六个舱体，分别为前舱21、前电子舱22、中舱23、后电子舱24、后舱25和动力舱26，其中，前舱21中设置有抛缆机构211，前电子舱22中设置有承压封装的前玻璃电子舱221，中舱23中设置有承压封装的深水电池舱231，后电子舱24中设置有承压封装的后玻璃电子舱241和集线舱242，后舱25中设置有承压封装的电池舱251。此外，前电子舱22中还设置有前传感器装置222和无线装置223，后电子舱24中还设置有后传感器装置243和抛载机构244，起吊架14设置在中舱23，推进器261设置在动力舱26。本实用新型框架梁为主要承载结构，上述所有部件都固定在框架梁上。
图3为本实用新型外壳的结构示意图。如图3所示，本实用新型外壳为分段结构，与前述六个舱体位置相对应，分别为前舱外壳21a、前电子舱外壳、中舱外壳、后电子舱外壳、后舱外壳和动力舱外壳，其中，前舱外壳21a为整体结构；前电子舱外壳包括前电子舱上外壳22a和前电子舱下外壳22b，前电子舱上外壳22a和前电子舱下外壳22b采用上下扣盖形式与框架梁上的龙骨连接；中舱外壳包括中舱上外壳23a和中舱下外壳23b，中舱上外壳23a和中舱下外壳23b采用上下扣盖形式与框架梁上的龙骨连接；后电子舱外壳包括后电子舱上外壳24a和后电子舱下外壳24b，后电子舱上外壳24a和后电子舱下外壳24b采用上下扣盖形式与框架梁上的龙骨连接；后舱外壳包括后舱上外壳25a和后舱下外壳25b，后舱上外壳25a和后舱下外壳25b采用上下扣盖形式与框架梁上的龙骨连接；动力舱外壳包括动力舱上外壳26a和动力舱下外壳26b，动力舱上外壳26a和动力舱下外壳26b采用上下扣盖形式与框架梁上的龙骨连接。此外，前电子舱下外壳22b上设置有透声板22c，中舱下外壳23b上设置有维护孔盖23c，后电子舱下外壳24b上设置有调试孔盖24c。由于上述分段结构构成开式的外壳不密封结构，自主式水下航行器的舱内浸水，因此使外壳内外压平衡，不仅减小了外壳的厚度，减轻了外壳选材的难度，最大限度地降低了自主式水下航行器的自重，而且由于自重小，降低了试验配平难度，增加了续航时间，方便了航向控制。进一步地，由于外壳的形状不用考虑结构受力，因此本实用新型将外壳的形状设计成流线型，最大限度地减小了外壳的阻力。虽然本实用新型外壳为开式结构，舱内浸水，但由于设置了承压封装的前玻璃电子舱、深水电池舱、后玻璃电子舱和集线舱等密封舱体，相关电子设备得到了有效保护。
为了提高配平性能，使本实用新型自主式水下航行器在水中的重力与浮力相等，本实用新型自主式水下航行器还设置有浮材，浮材包括前舱浮力材料、前电子舱浮力材料、中舱浮力材料、后电子舱浮力材料、后舱浮力材料和动力舱浮力材料，分别设置在相应的舱体内。
图4为本实用新型推进器的结构示意图。本实用新型推进器采用矢量推进器，为自主式水下航行器提供直行和转向的动力。如图4所示，本实用新型矢量推进器包括推进器固定架31、俯仰舵机机构32、俯仰传动丝杠33、转向舵机机构34、转向传动丝杠35、深水电机36和螺旋桨37，其中，俯仰舵机机构32、俯仰传动丝杠33、转向舵机机构34、转向传动丝杠35、深水电机36和螺旋桨37分别固接在推进器固定架31上，推进器固定架31固接在框架梁的后端。自主式水下航行器在深水中航行时，在俯仰舵机机构32和俯仰传动丝杠33的作用下，深水电机36和螺旋桨37做俯仰转向运动，从而使自主式水下航行器做俯仰转向运动；在转向舵机机构34和转向传动丝杠35的作用下，深水电机36和螺旋桨37做水平转向运动，从而使自主式水下航行器做水平转向运动。通过调节矢量推进器可以使自主式水下航行器沿任何方向转向，沿指定航迹航行。本实用新型矢量推进器不仅方便了控制，而且可以提供更加充足的动力。
图5为本实用新型抛载机构的结构示意图。本实用新型抛载机构用于在自主式水下航行器执行完水下任务后抛载重物，使得自主式水下航行器快速上浮到水面。如图5所示，本实用新型抛载机构包括塑料连接件41、抛载物定位销42、铰座43、导向隔套44、抛载物连接杆45、固定螺母46、抛载重物47和O型圈48，其中抛载物连接杆45穿过抛载重物47，下端通过固定螺母46与抛载重物47固接在一起，上端与铰座43连接，铰座43通过抛载物定位销42与塑料连接件41连接。塑料连接件41与声学释放器连接，当控制系统发出抛载指令后，声学释放器释放塑料连接杆41，抛载重物47被抛出，自主式水下航行器的浮力大于重力，在正浮力的作用下，自主式水下航行器上浮到水面。
图6为本实用新型抛缆机构的结构示意图。本实用新型抛缆机构用于在自主式水下航行器上浮到水面后弹出缆绳，使操作人员回收缆绳并回收自主式水下航行器。如图6所示，本实用新型抛缆机构包括补偿器51、步进电机52、螺母传动机构53、释放推力杆54、棘爪55、棘轮56、抛缆连接杆57、弹簧58、绳索固定筒59、牵引吊环60、浮子61和锁紧螺母62，其中牵引吊环60有2个，回收缆绳一端固定在两个牵引吊环60上，另一端固定在浮子61上，补偿器51用于将步进电机52所在舱的内压与外部海水的压力保持一致，保证步进电机52可以正常的工作，步进电机52与螺母传动机构53传动连接，螺母传动机构53与释放推力杆54固接，释放推力杆54的上端与棘轮56接触，棘轮56与棘爪55啮合，棘爪55锁住抛缆连接杆57，抛缆连接杆57通过锁紧螺母62与浮子61连接。当控制系统发出抛缆指令后，步进电机52端部的丝杆转动，带动螺母传动机构53向上运动，使得释放推力杆54推动棘轮56，棘轮56被推开后，棘爪55在内部弹簧的推动下打开，将抛缆连接杆57释放，抛缆连接杆57在弹簧58的作用下弹出，当抛载连接杆57被弹出后，浮子61也被弹出，浮子61的浮力会带着缆绳上浮到水面上。操作人员回收缆绳后，将缆绳固定在布放回收系统上对自主式水下航行器进行回收。
实际使用中，本实用新型自主式水下航行器在水下进行勘察作业前，首先进行配平，尽量保证自主式水下航行器在水中成悬浮状态。在水下执行调查任务时，完全靠矢量推进器提供前行和转向的动力，可以保证自主式水下航行器按照指定的航迹航行。当执行完勘察任务时，抛载机构抛载重块，使得自主式水下航行器快速上浮，上浮到水面后，抛缆机构抛出缆绳，船上人员即可完成对自主式水下航行器的回收。
通过上述具体实施方式的描述可以看出，本实用新型自主式水下航行器通过开式结构设计，使外壳内外压平衡，不仅减小了外壳的厚度，减轻了外壳选材的难度，最大限度地降低了自主式水下航行器的自重，而且由于自重小，降低了试验配平难度，增加了续航时间，方便了航向控制。进一步地，由于外壳的形状不用考虑结构受力，因此本实用新型将外壳的形状设计成流线型，最大限度地减小了外壳的阻力。由于自重小，可以使本实用新型自主式水下航行器搭载更多的传感器，执行更加复杂的任务。本实用新型矢量推进器不仅方便了控制，而且可以提供更加充足的动力，本实用新型抛载机构和抛缆机构结构合理，控制简单，可快速实现自主式水下航行器的上浮和回收。总之，本实用新型自主式水下航行器具有自重小、航行阻力小、动力装置灵活可靠、结构简单、连接可靠、容积利用率高、拆装方便、回收方便等优点，具有良好的应用前景。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种自主式水下航行器，包括框架梁、推进器和外壳，所述推进器与框架梁固接，其特征在于，所述外壳为分段不密封的开式结构，分段的外壳分别与所述框架梁固接。
2.如权利要求1所述的自主式水下航行器，其特征在于，所述框架梁包括2个纵梁、5个横梁、5个龙骨和1个起吊架，所述2个纵梁平行设置，5个横梁分别与所述纵梁固接，构成矩形框结构，所述5个龙骨分别与所述纵梁固接并形成六个舱体，所述1个起吊架与所述纵梁固接并位于所述框架梁的中部。
3.如权利要求2所述的自主式水下航行器，其特征在于，所述六个舱体为依次设置的前舱、前电子舱、中舱、后电子舱、后舱和动力舱，所述前舱中设置有抛缆机构，所述前电子舱中设置有承压封装的前玻璃电子舱，所述中舱中设置有承压封装的深水电池舱，所述后电子舱中设置有抛载机构、承压封装的后玻璃电子舱和集线舱，所述后舱中设置有承压封装的电池舱，所述抛缆机构、前玻璃电子舱、深水电池舱、后玻璃电子舱、集线舱和电池舱均固定在所述框架梁上。
4.如权利要求3所述的自主式水下航行器，其特征在于，所述前电子舱中还设置有前传感器装置和无线装置，所述后电子舱中还设置有后传感器装置，所述起吊架设置在所述中舱，所述推进器设置在所述动力舱，所述前传感器装置、无线装置和后传感器装置均固定在所述框架梁上。
5.如权利要求3所述的自主式水下航行器，其特征在于，所述外壳包括与所述六个舱体相对应的前舱外壳、前电子舱外壳、中舱外壳、后电子舱外壳、后舱外壳和动力舱外壳，所述前舱外壳为整体结构，所述前电子舱外壳、中舱外壳、后电子舱外壳、后舱外壳和动力舱外壳均采用上下扣盖形式与所述框架梁上的龙骨连接。
6.如权利要求3所述的自主式水下航行器，其特征在于，所述六个舱体内分别设置有前舱浮力材料、前电子舱浮力材料、中舱浮力材料、后电子舱浮力材料、后舱浮力材料和动力舱浮力材料。
7.如权利要求3所述的自主式水下航行器，其特征在于，所述抛载机构包括塑料连接件、抛载物定位销、铰座、抛载物连接杆、固定螺母和抛载重物，所述抛载物连接杆穿过抛载重物，下端通过固定螺母与抛载重物固接，上端与铰座连接，所述铰座通过抛载物定位销与塑料连接件连接，塑料连接件与接收抛载指令的声学释放器连接。
8.如权利要求3所述的自主式水下航行器，其特征在于，所述抛缆机构包括步进电机、螺母传动机构、释放推力杆、棘爪、棘轮、抛缆连接杆、牵引吊环、浮子和锁紧螺母，所述步进电机与螺母传动机构传动连接，所述螺母传动机构与释放推力杆固接，所述释放推力杆的上端与棘轮接触，棘轮与棘爪啮合，棘爪锁住抛缆连接杆，抛缆连接杆通过锁紧螺母与浮子连接，回收缆绳的两端分别连接所述牵引吊环和浮子。
9.如权利要求1～8任一所述的自主式水下航行器，其特征在于，所述推进器为提供直行和转向的矢量推进器。
10.如权利要求9所述的自主式水下航行器，其特征在于，所述矢量推进器包括推进器固定架、俯仰舵机机构、俯仰传动丝杠、转向舵机机构、转向传动丝杠、深水电机和螺旋桨，所述俯仰舵机机构、俯仰传动丝杠、转向舵机机构、转向传动丝杠、深水电机和螺旋桨分别固接在所述推进器固定架上，所述推进器固定架固接在所述框架梁上。
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