RU2713494C1

RU2713494C1 - Autonomous unmanned underwater amphibian apparatus

Info

Publication number: RU2713494C1
Application number: RU2019117384A
Authority: RU
Inventors: Александр Иванович Иванов; Ильдар Умарович Сахабетдинов; Нелли Александровна Лазутина; Антон Владимирович Корытко; Владимир Владимирович Соколов; Юрий Олегович Дружинин; Владимир Александрович Кротов
Priority date: 2019-06-05
Filing date: 2019-06-05
Publication date: 2020-02-06

Abstract

FIELD: robotics.

SUBSTANCE: invention relates to underwater robotics, in particular to autonomous unmanned underwater vehicles (AUUV), and can be used in various operations and investigations under water, on water surface and on land. Autonomous unmanned underwater amphibious vehicle comprises a body with a ballast system and screw propellers mounted on both sides of the body symmetrically about the longitudinal axis of the body below the waterline. Propulsors are interconnected via tight electromagnetic couplings with electric motors, and ballast system includes main tank and end trim tanks, control system, which includes pressure, roll and trim sensors, as well as peristaltic pump of tanks drying or filling.

EFFECT: simplified transmission, reduced weight and overall characteristics of the device, broader functional capabilities of AUUV-amphibia.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области подводной робототехники, в частности к автономным необитаемым подводным аппаратам (АНПА), и может быть применено в разного рода операциях и исследованиях под водой, на водной поверхности и на суше.The invention relates to the field of underwater robotics, in particular to autonomous uninhabited underwater vehicles (AUV), and can be applied in various kinds of operations and research underwater, on the water surface and on land.

Известно, что существует целый класс задач, связанных с работами на границах двух сред (сухопутной и водной), например, в прибрежном мелководье, в дельтах рек, в озерно-болотных системах, во льду с промоинами, в затопленных естественных (пещеры) и искусственных (шахты) подземных пустотах. Для передвижения по поверхности и в толще воды известные АНПА оборудуются гребными винтами или гидрореактивными (водометными) движителями. Для того, чтобы они могли перемещаться по суше, их дополнительно оборудуют гусеницами или колесами, что усложняет трансмиссии, а, следовательно, увеличивает вес и габариты АНПА. В то же время шнековый движитель широко используется в шнекоходах-амфибиях, передвигающихся по поверхности воды, по снегу и по мягкому или сыпучему грунту. Известны также способы модификации шнекового движителя для использования его при движении АНПА под водой, например, «V-образно спаренный шнековый движитель для плавсредств» авторов Попова А.И. и Щеклеина С.Е. по патенту RU 2613472.It is known that there is a whole class of tasks associated with work on the boundaries of two media (land and water), for example, in coastal shallow water, in river deltas, in lake-bog systems, in ice with gaps, in flooded natural (caves) and artificial (mines) underground voids. For movement on the surface and in the water column, the well-known AUVs are equipped with propellers or hydro-jet (water-jet) propulsion devices. In order for them to move on land, they are additionally equipped with tracks or wheels, which complicates the transmissions, and, consequently, increases the weight and dimensions of the AUV. At the same time, the auger mover is widely used in amphibian augers moving on the surface of the water, in the snow and on soft or loose ground. There are also known methods for modifying a screw propulsion device for use when moving AUV under water, for example, “V-twin twin screw propulsion for boats” by A. Popov. and Schekleina S.E. according to patent RU 2613472.

Прототипом к заявляемому изобретению выбран АНПА с модифицированным шнековым движителем, описанным в патенте RU 2613472 С1, 16.03.2017 «V-образно спаренный шнековый движитель для плавсредств» авторов Попова А.И. и Щеклеина С.Е. Согласно патенту №2613472, V-образно спаренный шнековый движитель для плавсредств в варианте подводного судна содержит в кормовой части на транцевой плите расположенные под углом шнеки, управляемые мотор-редукторами скорости и направления вращения шнеков. Транцевая плита с расположенными на ней мотор-редукторами со шнековыми движителями имеет возможность поворачиваться в вертикальной плоскости с помощью закрепленного на ее оси мотор-редуктора углового поворота плиты. Редуцированные до нескольких витков шнеки V-образно спаренного шнекового движителя по своей конструкции приближаются к гребным винтам.The prototype for the claimed invention was selected AUV with a modified screw propulsion described in patent RU 2613472 C1, 03.16.2017 "V-twin twin screw propulsion for boats" authors Popova A.I. and Schekleina S.E. According to patent No. 2613472, the V-twin twin screw propulsion device for boats in the submarine version contains angled screws located in the aft of the transom plate, controlled by geared motor speed and direction of rotation of the screws. The transom plate with the geared motors located on it with screw motors has the ability to rotate in a vertical plane with the help of the angular rotation of the plate fixed on its axis. The screws of a V-twin twin screw propeller, reduced to several turns, are close in design to the propellers.

Недостаток известного устройства заключается в том, что предложенный V-образно спаренный шнековый движитель нельзя использовать для передвижения по грунту. Это означает, что аппарат, оборудованный модифицированным таким образом шнеком теряет способность перемещаться по суше. Кроме того, использование поворотного винта рассчитано на динамическое погружение АНПА, что подразумевает непрерывный расход электроэнергии АНПА, а значит, исключает режим «зависания» или дрейфа без движения на заданной глубине и сокращает рабочую автономность аппарата.A disadvantage of the known device is that the proposed V-twin twin screw propulsion cannot be used for movement on the ground. This means that a device equipped with a screw modified in such a way loses its ability to move on land. In addition, the use of a rotary screw is designed for dynamic immersion of the AUV, which implies a continuous consumption of electric power of the AUV, which means that it eliminates the mode of “freezing” or drift without movement at a given depth and reduces the operational autonomy of the device.

Задача настоящего изобретения состоит в разработке АНПА-амфибии, способного перемещаться по поверхности и в толще воды, а также по снегу, мягкому или сыпучему грунту, в том числе и по дну, что предоставляет широкие возможности для различных научных и прикладных операций и исследований, для акустической, видео- и фотосъемки, а также для картографирования в различных средах и на границе раздела сред.The objective of the present invention is to develop an AUV-amphibian that can move along the surface and in the water column, as well as in snow, soft or loose soil, including the bottom, which provides great opportunities for various scientific and applied operations and research, acoustic, video and photography, as well as for mapping in various environments and at the interface.

Технический результат изобретения заключается в создании АНПА-амфибии, способного передвигаться не только в толще воды и по ее поверхности, но также по снегу, мягкому и сыпучему грунту и по дну, используя только шнековые движители. При этом упрощается трансмиссия, улучшаются весовые и габаритные характеристики АНПА-амфибии по сравнению с амфибиями, снабженными, например, гусеничным и винтовым движителями. АНПА-амфибия получает также способность удерживаться на заданной глубине без движения и при минимальном расходовании электроэнергии в режиме дрейфа при проведении различных операций и исследований, что увеличивает рабочую автономность аппарата. Все это расширяет функциональные возможности АНПА-амфибии.The technical result of the invention is to create an AUV-amphibian capable of moving not only in the water column and on its surface, but also on snow, soft and loose soil and on the bottom, using only auger propellers. At the same time, the transmission is simplified, the weight and overall characteristics of the AUV amphibian are improved compared to amphibians equipped, for example, with caterpillar and screw propellers. ANPA amphibian also gets the ability to stay at a given depth without movement and with minimal energy consumption in drift mode during various operations and studies, which increases the operational autonomy of the device. All this extends the functionality of the AUV-amphibian.

Технический результат достигается тем, что автономный необитаемый подводный аппарат-амфибия содержит корпус с размещенной в нем балластной системой и шнековые движители, установленные по обе стороны корпуса симметрично относительно продольной оси корпуса ниже ватерлинии, при этом движители сообщены через герметичные электромагнитные муфты с электродвигателями, а балластная система включает главную цистерну и концевые дифферентные цистерны, систему управления, в состав которой входят датчики давления, крена и дифферента, а также перистальтический насос осушения или наполнения цистерн.The technical result is achieved by the fact that the autonomous uninhabited underwater amphibious vehicle comprises a housing with a ballast system located in it and screw propellers mounted on both sides of the housing symmetrically with respect to the longitudinal axis of the housing below the waterline, while the propulsors are communicated through sealed electromagnetic couplings with electric motors, and the ballast the system includes a main tank and end trim tanks, a control system that includes pressure, heel and trim sensors, as well as isthalic pump for draining or filling tanks.

Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежами.The technical nature and principle of operation of the proposed device are illustrated by drawings.

На фиг. 1. представлен вид сверху АНПА-амфибии.In FIG. 1. presents a top view of the AUV-amphibian.

На фиг. 2. - его же вид с правого борта.In FIG. 2. - his view from the starboard side.

На фиг. 3. - его же вид с кормы.In FIG. 3. - his view from the stern.

На фиг. 4. - гидравлическая схема балластной системы.In FIG. 4. - hydraulic circuit of the ballast system.

Показанное на фиг. 1. устройство состоит из корпуса 1 автономного необитаемого аппарата-амфибии, вынесенных симметрично относительно его продольной оси и находящихся ниже ватерлинии, вращающихся навстречу друг другу шнековых движителей 2, число которых должно быть четным (2, 4 и т.д.), балластных цистерн (главной и концевых) 3, блока аккумуляторов 4, блока управления балластной системой 5, блока управления движением 6, навигационной системы 7, электродвигателя бесконтактного (через герметичную электромагнитную муфту) привода левого шнека 8 и электродвигателя бесконтактного привода (через герметичную электромагнитную муфту) правого шнека 9. (Герметичные электромагнитные муфты на фиг. 1. условно не показаны) В носовой части АНПА-амфибии размещается полезная нагрузка 10.Shown in FIG. 1. the device consists of a housing 1 of an autonomous uninhabited amphibious vehicle, symmetrically extended relative to its longitudinal axis and located below the waterline, rotating towards each other auger propellers 2, the number of which should be even (2, 4, etc.), ballast tanks (main and end) 3, battery pack 4, ballast control unit 5, motion control unit 6, navigation system 7, non-contact electric motor (via a sealed electromagnetic clutch) of the left auger 8 drive and an electric motor without ontaktnogo drive (via a sealed magnetic coupling) of the right screw 9. (Sealed electromagnetic clutch of FIG. 1 are not shown) in the bow of the AUV amphibian payload 10 is located.

Гидравлическая схема балластной системы представлена на фиг. 4. Она состоит из перистальтического управляемого насоса 11, управляемых вентилей 12 и балластных цистерн 3. Управление насосом осуществляется блоком управления балластной системой 5.The hydraulic circuit of the ballast system is shown in FIG. 4. It consists of a peristaltic controlled pump 11, controlled valves 12 and ballast tanks 3. The pump is controlled by the control unit of the ballast system 5.

Движение АНПА-амфибии по поверхности и в толще воды, а также по снегу, грунту, в том числе и по дну, осуществляется шнековыми движителями, расположенными симметрично относительно продольной оси АНПА, находящихся ниже ватерлинии, вращающихся навстречу друг другу приводимыми во вращение через герметичные электромагнитные муфты электродвигателями соответственно левого 8 и правого шнека 9 по командам, поступающим от блока управления движением 6 по данным навигационной системы 7.The movement of the AUV-amphibian on the surface and in the water column, as well as on snow, soil, including the bottom, is carried out by screw motors located symmetrically relative to the longitudinal axis of the AUV, located below the waterline, rotating towards each other and driven into rotation through sealed electromagnetic couplings by electric motors of the left 8 and right screw 9, respectively, according to the commands received from the motion control unit 6 according to the navigation system 7.

Для погружения на заданную глубину блок управления балластной системой 5, получив команду от блока управления движением 6, включает насос 11 и открывает вентили 12, заполняя балластные цистерны (главную и концевые (дифферентные)) 3 в соответствии с заданной программой. Наполнение балластных цистерн 3 происходит под управлением блока 5, получающего данные о глубине погружения, крене и дифференте от блока управления движением 6.To dive to a given depth, the control unit of the ballast system 5, having received a command from the motion control unit 6, turns on the pump 11 and opens the valves 12, filling the ballast tanks (main and trailer (trim)) 3 in accordance with the specified program. The filling of ballast tanks 3 occurs under the control of block 5, which receives data on the depth of immersion, roll and differential from the motion control unit 6.

Всплытие на поверхность осуществляется путем осушения цистерн 3 насосом 11 по командам блока управления балластной системой 5. Осушение балластных цистерн проводится также перед выходом АНПА-амфибии на сушу.Surfacing to the surface is carried out by draining the tanks 3 by pump 11 according to the commands of the control unit of the ballast system 5. Draining of the ballast tanks is also carried out before the exit of the AUV amphibian to land.

Для передвижения по суше АНПА-амфибия использует известным образом шнековые движители. Таким образом достигается поставленная задача создания АНПА-амфибии, способного перемещаться по поверхности и в толще воды, а также по снегу, мягкому или сыпучему грунту.For movement on land, AUV-amphibian uses screw propellers in a known manner. Thus, the task is achieved of creating an AUV-amphibian that can move along the surface and in the water column, as well as in snow, soft or loose soil.

Claims

Autonomous unmanned amphibious underwater vehicle, characterized in that it contains a housing with a ballast system located in it and screw propellers mounted on both sides of the housing symmetrically with respect to the longitudinal axis of the housing below the waterline, while the propulsors are communicated through sealed electromagnetic couplings with electric motors, and the ballast system includes the main tank and end trim tanks, a control system that includes pressure, heel and trim sensors, as well as peristaltic pump for draining or filling tanks.