CN105644743A - 一种三体构型的长期定点观测型水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下机器人技术领域，具体地说是一种三体构型的长期定点观测型水下机器人。包括主体和分别设置于主体两侧的两个附体，所述主体包括依次连接的推进段、艉部浮力调节段、主体电池舱段、电子舱段、艏部浮力调节段及观测载荷段，其中观测载荷段搭载传感设备，艉部浮力调节段、主体电池舱段、电子舱段及艏部浮力调节段设置于全密封主体耐压舱内，全密封主体耐压舱的外侧顶部设有卫星天线；附体包括附体电池组和附体推进器，其中附体电池组设置于全密封附体耐压舱内，附体推进器设置于全密封附体耐压舱的艉部。发明具有远程航渡、定点作业、自主升沉和长期观测的特性。

Description

一种三体构型的长期定点观测型水下机器人

技术领域

本发明属于水下机器人技术领域，具体地说是一种三体构型的长期定点观测型水下机器人，能够远距离航行到目标海域实现对海洋水文数据的垂直剖面进行长期(不小于30天)定点连续观测的自主水下机器人。

背景技术

对海洋环境的定点连续观测是人们认识海洋的重要手段。随着科技的不断发展，海洋观测设备在种类、功能和性能等方面都取得了进步。功能全面、性能可靠、经济效益高是科研人员对海洋观测平台的强烈要求。

按观测方式可以将海洋观测分为定点观测和走航式观测。定点观测平台包括可实现海洋表面或海水中观测的浮标或潜标，可实现定点垂直剖面观测的沿系留缆垂直上下运动的系留式升降平台，可实现海底定点观测的海床基等。这类观测平台只能获得海洋中某一点的信息，不能获得连续海洋空间环境信息。要获得大面积海域信息就必须布放多个观测平台进行连续长时间工作。平台的布放一般需要由船或飞机执行，对布放载体要求高，经济性差。走航式观测平台能够获得某一海域内海洋环境信息随空间的连续变化情况，这类观测平台包括科考船、水下机器人、水下滑翔机、漂流浮标、剖面漂流浮标等。漂流浮标和剖面漂流浮标由于自身无动力，只能在海流的作用下运动，属于随动式的观测平台，目标指向性很差。科考船通过搭载不同传感器可以获得某一海域海洋环境信息随时间和空间变化情况，然而对于一些危险海域或敏感海域，科考船显然不是很好的选择，并且其经济性很差。水下滑翔机一般采用调节浮力的方式作为驱动动力，耗能低，航程长，可以进行大面积海域的观测，布放经济性好，但是由于其只能以锯齿形或螺旋线运动，其定点连续观测能力很弱，抗流能力也不如采用推进器的水下机器人。传统的水下机器人机动性能好，能够完成大部分走航式观测任务，然而由于其续航力弱，自持时间短，并且只能靠自身的航行来克服自身微正浮力实现定深或定高运动，无法对远海海域定点剖面进行连续的长时间观测。

为完成远海某一指定海域的长期观测任务，获得该海域某一固定点垂直剖面内的海洋环境信息随时间变化情况和整片海域海洋环境信息随空间变化情况，需要设计一种航程长、自持时间久、机动性能好、具有自主升沉能力，兼具定点观测和走航式观测功能，并能够按照指定路线和使命自主完成该海域的连续观测任务的海洋观测设备。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种三体构型的长期定点观测型水下机器人。该水下机器人是利用AUV技术，研制出的自航式、长期定点、垂直剖面连续观测新型AUV(简称定点观测型AUV)，以此获得某一特定海域定点剖面的海洋环境参数连续观测数据。该型AUV作为一种可自航至远海海域搜集海洋环境参数的平台，将为研究人员认识和掌握大洋环境提供重要支撑。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种三体构型的长期定点观测型水下机器人，包括主体和分别设置于主体两侧的两个附体，所述主体包括依次连接的推进段、艉部浮力调节段、主体电池舱段、电子舱段、艏部浮力调节段及观测载荷段，其中观测载荷段采用开放式框架结构，所述观测载荷段搭载海洋水文数据观测用的传感设备，所述推进段采用局部密闭的开放式结构，所述艉部浮力调节段、主体电池舱段、电子舱段及艏部浮力调节段设置于全密封主体耐压舱内，所述全密封主体耐压舱的外侧顶部设有卫星天线；通过艏部浮力调节段和艉部浮力调节段双向浮力调节，实现水下机器人运动姿态调整和定点悬停；所述两个附体结构相同，均包括附体电池组和附体推进器，其中附体电池组设置于全密封附体耐压舱内，所述附体推进器设置于全密封附体耐压舱的艉部。

所述艉部浮力调节段和艏部浮力调节段结构相同，均包括液压缸、海水调节缸及液压***，其中液压缸的小活塞一侧通过输出杆与海水调节缸的大活塞连接，所述海水调节缸上设有与海水连通的出入水口，所述液压缸与液压***连接，所述液压***驱动液压缸的小活塞进行往复运动，并带动海水调节缸的大活塞往复运动，从而使海水调节缸通过出入水口吸排海水，进而实现水下机器人浮力调节。

所述液压缸的小活塞另一侧输出杆的端部设有位移传感器，所述艉部浮力调节段和艏部浮力调节段的全密封主体耐压舱上均设有检查盖，所述艏部浮力调节段的前端设有前球壳，所述艉部浮力调节段的后端有后球壳。

所述液压***包括直流电机、液压泵、单向阀、溢流阀、换向阀、液控单向阀、单向调速阀及压力传感器，其中液压泵为两台、并分别与一个直流电机连接，两台液压泵并联后通过吸水供油管路和排水供油管路分别与液压缸的两端腔室连接，所述吸水供油管路和排水供油管路上均设有液控单向阀和换向阀，所述单向调速阀设置于吸水供油管路上，两台液压泵的输出端均设有一个单向阀，两台液压泵通过回油管路和溢流阀与油箱连接，所述压力传感器设置于两台液压泵并联后的供油管路上，用于检测液压***的总供油压力。

所述观测载荷段搭载的海洋水文数据观测用的传感设备包括温盐深传感器、叶绿素传感器、声学流速剖面仪、溶解氧传感器及浊度计，所述观测载荷段还安装有艏部止荡环、应急抛载装置及用于自动回收的抛绳器，其中艏部止荡环和应急抛载装置分别设置于观测载荷段的顶部及底部，所述观测载荷段的开放式框架结构内填充有浮力材料。

所述电子舱段内安装有控制计算机及控制模块，所述电子舱段的外部和前端分别安装有起吊组件和进水自沉装置，在水下机器人无法回收时，启动进水自沉装置，全密封主体耐压舱内进水自毁下沉。所述进水自沉装置为火工品。

所述主体电池舱段装载电池组、电池管理单元和电源模块，其中电池组悬挂在全密封耐压舱内部左右两侧的滑轨上，所述卫星天线设置于主体电池舱段的外侧顶部。

所述的推进段包括壳体及安装在壳体上的浮力材料、主体推进器、电机驱动单元、升降舵、方向舵、舵机、应急抛载装置及水声通信机，所述推进段的壳体前部为开放式框架，安装水声通信机和抛载装置，并在开放式框架空隙部位安装浮力材料，所述升降舵水平设置，所述方向舵与升降舵垂直交叉设置，所述升降舵和方向舵与舵机连接，所述舵机与电机驱动单元连接，所述主体推进器设置于壳体的艉部。

所述应急抛载装置包括两块电磁铁和一块压铁，其中两块电磁铁通电产生磁性，两块电磁铁通过磁性力吸引压铁，使水下机器人产生零浮力，使水下机器人在水下正常工作；当水下机器人出现紧急状况时，使两块电磁铁失电，电磁铁磁性消失，压铁通过重力作用下沉，水下机器人产生正浮力浮至水面。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.本发明能够对指定海域的海洋水文数据进行长期、定点、垂直剖面观测，获取指定海域的第一手海洋环境信息，具有重要的科学意义。

2.本发明通过艏艉两部浮力调节机构实现垂直升沉，突破了常规水下机器人只能执行固定深度走航观测的限制。

3.本发明将水下平台技术和海洋科学研究需求紧密结合，可显著提升我国自主海洋探测装备的能力和水平。

4.本发明采用分段式模块化设计，多个水下机器人的不同分段可以通用，有利于***的维护和保障。

5.本发明具有高精度可重复双向浮力调节功能，能够实现水下机器人的自主均衡和定点悬停。

6.本发明的外壳直径为324mm，是轻型鱼类采用的直径，其结构和加工工艺成熟度高，性能可靠。采用多体式能够有效提高水下机器人的航程。

7.本发明的附体具备一定的正浮力，附体除了装载电池组外，还兼具给中间主体提供浮力，以及为航行体提供一部分航行动力的功能。

8.本发明具有远程航渡、定点作业、自主升沉和长期观测的特性，能够对指定海域的海流剖面、温盐密、浊度、叶绿素、溶解氧等参数进行长时间的定点垂直剖面观测。

附图说明

图1为本发明的总体结构轴测视图；

图2为本发明的总体结构俯视图；

图3为本发明的后视图；

图4为本发明的前视图；

图5为本发明的主体局部剖视图；

图6为本发明的主体局部放大图；

图7为本发明的附体局部剖视图；

图8为本发明的艏、艉部浮力调节段控制原理示意图。

其中：1为主体推进器，2为方向舵，3为推进段，4为水声通讯机，5为艉部浮力调节段，6为卫星天线，7为起吊组件，8为温盐深传感器，9为叶绿素传感器，10为声学流速剖面仪，11为艏部止荡环，12为观测载荷段，13为换能器，14为艏部浮力调节段，15为附体，16为电子舱段，17为主体电池舱段，18为附体推进器，19为升降舵，20为应急抛载装置，21为光纤陀罗经，22为控制计算机，23为主体电池组，24为溶解氧传感器，25为浊度计，26为附体电池组，27为液压泵，28为单向阀，29为溢流阀，30为换向阀，31为液控单向阀，32为单向调速阀，33为压力传感器，34为位移传感器，35为液压缸，36为海水调节缸，37为出入水口，38为直流电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1-7所示，本发明包括主体和对称设置于主体两侧的两个附体15，所述主体采用分段式模块化设计，包括依次连接的推进段3、艉部浮力调节段5、主体电池舱段17、电子舱段16、艏部浮力调节段14及观测载荷段12，其中观测载荷段12采用开放式框架结构，所述观测载荷段12搭载海洋水文数据观测用的传感设备，所述推进段3采用局部密闭的开放式结构，所述艉部浮力调节段5、主体电池舱段17、电子舱段16及艏部浮力调节段14设置于全密封主体耐压舱内，所述全密封主体耐压舱的外侧顶部设有卫星天线6。全密封主体耐压舱壳体结构采用324mm标准系列，该直径系列为轻型鱼雷常用口径(最大耐压深度可达800m)，其结构设计、加工工艺已经非常成熟，六个分段之间采用轻型鱼雷的楔环连接结构。开放式结构采取冲油补偿的密封方式，耐压密封舱采取高强度铝合金材料，通过O形密封圈密封，可以满足全***的工作深度要求。通过艏部浮力调节段14和艉部浮力调节段5双向浮力调节，实现水下机器人运动姿态调整和定点悬停。所述两个附体15结构相同，均包括附体电池组26和附体推进器18，其中附体电池组26设置于全密封附体耐压舱内，所述附体推进器18设置于全密封附体耐压舱的尾部。附体15具备一定的正浮力，主体两侧的附体15除了装载电池组外，还兼具给中间主体提供浮力，以及为航行体提供一部分航行动力的功能。

如图8所示，所述艉部浮力调节段5和艏部浮力调节段14结构相同，均包括液压缸35、海水调节缸36及液压***，其中液压缸35的小活塞一侧通过输出杆与海水调节缸36的大活塞连接，所述海水调节缸36上设有与海水连通的出入水口37，所述液压缸35与液压***连接，所述液压***驱动液压缸35的小活塞进行往复运动，并带动海水调节缸36的大活塞往复运动，从而使海水调节缸36通过出入水口37吸排海水，进而实现水下机器人浮力调节。

所述液压缸35的小活塞另一侧输出杆的端部设有位移传感器34，所述艉部浮力调节段5和艏部浮力调节段14的全密封主体耐压舱上均设有检查盖，所述艏部浮力调节段14的前端设有前球壳，所述艉部浮力调节段5的后端有后球壳，球型壳能够提高壳体耐压能力。

所述液压***包括直流电机38、液压泵27、单向阀28、溢流阀29、换向阀30、液控单向阀31、单向调速阀32及压力传感器33，其中液压泵27为两台、并分别与一个直流电机38连接，两台液压泵27并联后通过吸水供油管路和排水供油管路分别与液压缸35的两端腔室连接，所述吸水供油管路和排水供油管路上均设有液控单向阀31和换向阀30，所述单向调速阀32设置于吸水供油管路上，两台液压泵27的输出端均设有一个单向阀28，两台液压泵27通过回油管路和溢流阀29与油箱连接，所述压力传感器33设置于两台液压泵27并联后的供油管路上，用于检测液压***的总供油压力。

两台液压泵27中，一台为高压小流量，另一台为低压大流量。液压***启动时，通过两台液压泵27同时向液压***提供液压油，提高响应速度。随着液压***压力的升高，当液压***压力超过低压泵的工作压力时，低压泵停止工作，由高压泵单独向液压***提供高压油，直到达到溢流阀29设定的***压力。液压***通过双电机26分别驱动两台液压泵27产生高压液压油，驱动液压缸35的小活塞进行往复运动，从而带动海水调节缸36的大活塞实现往复运动吸排海水，实现水下机器人浮力调节的作用。通过控制换向阀30调节小活塞的运动方向，实现浮力的双向调节。位移传感器34可精确检测小活塞的行程，从而实现浮力调节量的精确检测。因艏部浮力调节段14与艉部浮力调节段5的结构相同，因此可互换。

所述观测载荷段12搭载的海洋水文数据观测用的传感设备包括温盐深传感器8、叶绿素传感器9、声学流速剖面仪10、溶解氧传感器24及浊度计25，所述观测载荷段12还安装有艏部止荡环11、应急抛载装置20及用于自动回收的抛绳器，其中艏部止荡环11和应急抛载装置20分别设置于观测载荷段12的顶部及底部，所述观测载荷段12的开放式框架结构内填充有浮力材料，各设备直接承受外部水压。自动回收的抛绳器和艏部止荡环11方便收放工作，所述抛绳器可用于辅助水下机器人回收。当水下机器人完成观测任务航渡至回收点后，回收人员在母船上遥控启动抛绳器抛出牵引绳，回收人员在母船上打捞起牵引绳，从而实现人员不下小艇回收水下机器人。应急抛载装置20是防止水下机器人工作过程中出现问题时能够浮到水面。

所述电子舱段16内安装有控制计算机22及控制模块，如光线陀螺罗经21、自动驾驶单元、惯性测量单元等。所述电子舱段16的外部和前端分别安装有起吊组件7和进水自沉装置，起吊组件7是通过两个起吊抱箍与电子舱段15的外壳连接。在水下机器人无法回收时，启动进水自沉装置，全密封主体耐压舱内进水自毁下沉。所述进水自沉装置为火工品。

所述主体电池舱段17装载电池组、电池管理单元和电源模块，为水下机器人提供能源，包括24VDC、48VDC、150VDC等。电池组悬挂在全密封主体耐压舱壳体内部左右两侧的滑轨上，拆除电子舱段16后通过在滑轨上推拉电池组实现电池组的快速安装和拆卸。卫星天线6布置在主体电池舱段17的背部，包括GPS和铱星天线以及其他具有通信功能的天线，实现水下机器人的水面通信和定位功能。主体电池舱段17的外形设置翼形导流结构。

所述的推进段3包括壳体及安装在壳体上的浮力材料、主体推进器1、电机驱动单元、升降舵19、方向舵2、舵机、应急抛载装置20及水声通信机4，所述推进段3壳体前部为开放式框架，安装水声通信机4和抛载装置20，并在空隙部位安装浮力材提供浮力。升降舵19水平设置，所述方向舵2与升降舵19垂直交叉设置。升降舵19包括左升降舵和右升降舵，所述左升降舵和右升降舵由两部舵机独立控制，所述方向舵2为联动舵，由一部舵机控制。舵机组件采用充油密封方式，驱动对应舵板控制水下机器人姿态。所述主体推进器1设置于壳体的艉部。主体推进器1为导管螺旋桨推进器，该推进器充油密封，通过压力补偿器进行压力补偿。

所述应急抛载装置20包括两块电磁铁和一块压铁，其中两块电磁铁通电产生磁性，两块电磁铁通过磁性力吸引压铁，使水下机器人产生零浮力，使水下机器人在水下正常工作；当水下机器人出现紧急状况时，使两块电磁铁失电，电磁铁磁性消失，压铁通过重力作用下沉，水下机器人产生正浮力浮至水面。

本发明的工作过程是：

首先定点观测型水下机器人从作业母船被吊放入水，在水下自主航渡到预定的观测点(根据导航精度要求中途可设定上浮点到水面接收卫星校正)，在观测点下潜到预定深度，通过浮力调节机构使水下机器人处于零剩余浮力状态，水下机器人以最小功耗的休眠模式悬停漂浮在设定水深(比如700m)，该深度的水流速度应该保证较小，从而保证水下机器人在休眠期间的位置漂移不大。经过设定时间的休眠后，水下机器人进入观测作业模式，通过浮力调节***使水下机器人产生正浮力，水下机器人根据上方海流分布情况自主规划路径螺旋式上浮，上浮期间观测载荷开始工作，对相关海洋水文要素进行测量和记录。上浮到海面后，通过铱星链路发送此次观测数据。由于在上浮过程及发送数据过程中受海流作用，水下机器人可能偏离了原观测点，若偏移距离超过预定误差，水下机器人自主航渡回设定观测点，然后重新调节浮力，使水下机器人***变为负浮力，水下机器人调整航向并以滑翔方式下潜。下潜过程中，观测载荷断电停止工作。如此往复(每天可不小于4次，最长可连续工作30天)，直至长期定点观测任务执行完毕。完成整个观测任务后，水下机器人自主航行到预定回收点，上浮并发送位置信息，等待回收。母船接近后，遥控启动抛绳器，回收人员捞起抛出的牵引绳后，将水下机器人起吊回收。

除定点观测外，长期观测水下机器人也可用于执行走航式观测任务。本实施例中抛绳器24采用2013年7月3日公开的，公开号为103185484A，申请号为201110445814.2的中国发明专利申请“一种水下机器人回收自动抛绳器”。

Claims (10)

1.一种三体构型的长期定点观测型水下机器人，其特征在于：包括主体和分别设置于主体两侧的两个附体(15)，所述主体包括依次连接的推进段(3)、艉部浮力调节段(5)、主体电池舱段(17)、电子舱段(16)、艏部浮力调节段(14)及观测载荷段(12)，其中观测载荷段(12)采用开放式框架结构，所述观测载荷段(12)搭载海洋水文数据观测用的传感设备，所述推进段(3)采用局部密闭的开放式结构，所述艉部浮力调节段(5)、主体电池舱段(17)、电子舱段(16)及艏部浮力调节段(14)设置于全密封主体耐压舱内，所述全密封主体耐压舱的外侧顶部设有卫星天线(6)；通过艏部浮力调节段(14)和艉部浮力调节段(5)双向浮力调节，实现水下机器人运动姿态调整和定点悬停；所述两个附体(15)结构相同，均包括附体电池组(26)和附体推进器(18)，其中附体电池组(26)设置于全密封附体耐压舱内，所述附体推进器(18)设置于全密封附体耐压舱的艉部。

2.按权利要求1所述的三体构型的长期定点观测型水下机器人，其特征在于：所述艉部浮力调节段(5)和艏部浮力调节段(14)结构相同，均包括液压缸(35)、海水调节缸(36)及液压***，其中液压缸(35)的小活塞一侧通过输出杆与海水调节缸(36)的大活塞连接，所述海水调节缸(36)上设有与海水连通的出入水口(37)，所述液压缸(35)与液压***连接，所述液压***驱动液压缸(35)的小活塞进行往复运动，并带动海水调节缸(36)的大活塞往复运动，从而使海水调节缸(36)通过出入水口(37)吸排海水，进而实现水下机器人浮力调节。

3.按权利要求2所述的三体构型的长期定点观测型水下机器人，其特征在于：所述液压缸(35)的小活塞另一侧输出杆的端部设有位移传感器(34)，所述艉部浮力调节段(5)和艏部浮力调节段(14)的全密封主体耐压舱上均设有检查盖，所述艏部浮力调节段(14)的前端设有前球壳，所述艉部浮力调节段(5)的后端有后球壳。

4.按权利要求2所述的三体构型的长期定点观测型水下机器人，其特征在于：所述液压***包括直流电机(38)、液压泵(27)、单向阀(28)、溢流阀(29)、换向阀(30)、液控单向阀(31)、单向调速阀(32)及压力传感器(33)，其中液压泵(27)为两台、并分别与一个直流电机(38)连接，两台液压泵(27)并联后通过吸水供油管路和排水供油管路分别与液压缸(35)的两端腔室连接，所述吸水供油管路和排水供油管路上均设有液控单向阀(31)和换向阀(30)，所述单向调速阀(32)设置于吸水供油管路上，两台液压泵(27)的输出端均设有一个单向阀(28)，两台液压泵(27)通过回油管路和溢流阀(29)与油箱连接，所述压力传感器(33)设置于两台液压泵(27)并联后的供油管路上，用于检测液压***的总供油压力。

5.按权利要求1所述的三体构型的长期定点观测型水下机器人，其特征在于：所述观测载荷段(12)搭载的海洋水文数据观测用的传感设备包括温盐深传感器(8)、叶绿素传感器(9)、声学流速剖面仪(10)、溶解氧传感器(24)及浊度计(25)，所述观测载荷段(12)还安装有艏部止荡环(11)、应急抛载装置(20)及用于自动回收的抛绳器，其中艏部止荡环(11)和应急抛载装置(20)分别设置于观测载荷段(12)的顶部及底部，所述观测载荷段(12)的开放式框架结构内填充有浮力材料。

6.按权利要求1所述的三体构型的长期定点观测型水下机器人，其特征在于：所述电子舱段(16)内安装有控制计算机(22)及控制模块，所述电子舱段(16)的外部和前端分别安装有起吊组件(7)和进水自沉装置，在水下机器人无法回收时，启动进水自沉装置，全密封主体耐压舱内进水自毁下沉。

7.按权利要求6所述的三体构型的长期定点观测型水下机器人，其特征在于：所述进水自沉装置为火工品。

8.按权利要求1所述的三体构型的长期定点观测型水下机器人，其特征在于：所述主体电池舱段(17)装载电池组、电池管理单元和电源模块，其中电池组悬挂在全密封耐压舱内部左右两侧的滑轨上，所述卫星天线(6)设置于主体电池舱段(17)的外侧顶部。

9.按权利要求1所述的三体构型的长期定点观测型水下机器人，其特征在于：所述的推进段(3)包括壳体及安装在壳体上的浮力材料、主体推进器(1)、电机驱动单元、升降舵(19)、方向舵(2)、舵机、应急抛载装置(20)及水声通信机(4)，所述推进段(3)的壳体前部为开放式框架，安装水声通信机(4)和抛载装置(20)，并在开放式框架空隙部位安装浮力材料，所述升降舵(19)水平设置，所述方向舵(2)与升降舵(19)垂直交叉设置，所述升降舵(19)和方向舵(2)与舵机连接，所述舵机与电机驱动单元连接，所述主体推进器(1)设置于壳体的艉部。

10.按权利要求5或9所述的三体构型的长期定点观测型水下机器人，其特征在于：所述应急抛载装置(20)包括两块电磁铁和一块压铁，其中两块电磁铁通电产生磁性，两块电磁铁通过磁性力吸引压铁，使水下机器人产生零浮力，使水下机器人在水下正常工作；当水下机器人出现紧急状况时，使两块电磁铁失电，电磁铁磁性消失，压铁通过重力作用下沉，水下机器人产生正浮力浮至水面。