CN108466683A - 一种便携式自主水下航行器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种便携式水下航行器，其特征在于，包括：包括相互独立并依次连接的头部壳体，侧扫段壳体，电气控制段壳体，测试段壳体，多普勒段壳体以及尾部段壳体；所述头部壳体构成水下航行器本体的流线外形结构；所述侧扫段壳体的外周设置至少一个抓手，用于方便手持水下航行器本体；所述电气控制段壳体内设置用于装配供电的电池组以及用于航行的电气控制电路板；所述测试段壳体上设置安装各个天线出线口的安装结构；所述多普勒段壳体内放置多普勒测速仪，其用于测量水下航行器相对水底的绝对速度；所述尾部段壳体内设置动力组件，所述动力组件用于控制水下航行器的运行速度及运动姿态。具有小口径、低重量的特点。
Description
技术领域
本发明属于水下航行器领域，具体地说，涉及一种便携式自主水下航行器。
背景技术
自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)是一种可由水面舰艇、潜艇、飞机等***搭载、布放的，携带不同类型传感器，可以自主执行海洋探测，搜寻与救援等一系列任务的无人水下平台。它不需要母船通过拖带电缆供电，母船可通过信号光缆或声、无线电或卫星等通讯方式对AUV进行有限监督和遥控，AUV也可将周围环境信息、目标信息和自身状态信息回传给母船。AUV在军事和民用领域都有着广泛的应用前景，其作为现代社会人类认识海洋、开发利用海洋的有效工具得到了世界各国广泛的重视。
从外形上看，现有的自主水下航行器以回转体鱼雷外形为主。从尺寸上看，目前的自主水下航行器多以小型、中型和大型航行器为主，口径在324mm以上，重量在300公斤以上。此类航行器在实际应用过程中，由于重量和尺寸的限制，需要使用非人力的工具和设备进行装载、布放和回收，而这个过程常常需要花费较多的时间，这对于需要快速便捷地进行海洋环境监测、海底地貌观测、水下侦查等任务来说是不利的。因此，需要一种比现有的小型自主水下航行器口径更小、质量更轻、更便携的水下自主航行器，以满足这一任务需求。而在此之前受到总体设计等关键技术的限制，我国尚未有实用化的微小型便携式自主水下航行器。
有鉴于此，有必要对现有技术中予以改进，以解决上述问题。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足，克服现有水下航行器由于重量和尺寸的限制，需要使用非人力的工具和设备进行装载、布放和回收的问题，本发明提出一种便携式自主水下航行器，目的是通过进行一种小口径、低重量的便携式水下总体方案设计，使得航行器能够适用于需要便于携带、快速布放和回收的任务需求，扩大微小型自主水下航行器的其实用化和产业化需求。
为实现上述目的，本发明提供了一种便携式自主水下航行器，包括：
一种便携式水下航行器，包括：包括相互独立并依次连接的头部壳体，侧扫段壳体，电气控制段壳体，测试段壳体，多普勒段壳体以及尾部段壳体；
所述头部壳体构成水下航行器本体的流线外形结构；
所述侧扫段壳体的外周设置至少一个抓手，用于方便手持水下航行器本体；
所述电气控制段壳体内设置用于装配供电的电池组以及用于航行的电气控制电路板；
所述测试段壳体上设置安装各个天线出线口的安装结构；
所述多普勒段壳体内放置多普勒测速仪，其用于测量水下航行器相对水底的绝对速度；
所述尾部段壳体内设置动力组件，所述动力组件用于控制水下航行器的运行速度及运动姿态。
在本发明的一个优选实施例中，所述头部壳体采用聚甲醛，电气控制段壳体采用聚氯乙烯，测试段壳体采用有机玻璃，多普勒段壳体以及尾部段壳体采用铝合金制备而成，以上各段壳体材料的选择基于强度和重心配平，为设计优选方案。
在本发明的一个优选实施例中，所述头部壳体，侧扫段壳体，电气控制段壳体，测试段壳体，多普勒段壳体以及尾部段壳体的外部承压至少不小于1.25Mpa的压力。
在本发明的一个优选实施例中，所述水下航行器的圆柱平行中段壳体直径为200mm，总重量不超过50公斤
在本发明的一个优选实施例中，所述动力组件包括控制水下航行器的运行速度，且位于尾部段壳体内的推进电机，以及位于端部的螺旋桨，所述推进电机通过联轴器与传动轴连接，传动轴通过尾部段壳体伸出并与螺旋桨固连。
在本发明的一个优选实施例中，所述动力组件还包括调节水下航行器的运动姿态的舵机，所述舵机的输出轴通过齿轮的多级传动，实现与外部的鳍舵相连。
在本发明的一个优选实施例中，所述测试段壳体整体垂直于所述水下航行器。
在本发明的一个优选实施例中，所述侧扫段壳体内对称设置至少两个侧扫声呐，其中一个侧扫声呐与所述侧扫段壳体的中心点形成第一连线，另一个侧扫声呐与所述侧扫段壳体的中心点形成第二连线，所述第一连线和所述第二连线之间的夹角为120°。
在本发明的一个优选实施例中，所述电池组包括动力电池组和仪表电池组，所述动力电池组标称电压25.2V，工作电压30V～21V，工作电流<7A；所述仪表电池组标称电压25.2V，工作电压30V～21V，工作电流<4A。
在本发明的一个优选实施例中，所述电气控制电路板为航行器总体控制单元、动力控制单元、传感单元、安全保险单元、无线通信与定位单元。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的一种便携式自主水下航行器，先后突破了复合材料耐压壳体结构轻量化设计、低阻/低噪/高稳定性流体动力布局设计等总体设计关键技术难题，航行器具有小口径、轻质量的特点，能够快速便捷地进行海洋环境监测、海底地貌观测、水下侦查等任务，是海洋探测、海洋科学研究等领域的有效工具。
附图说明
图1为本发明的总体结构图；
图2为本发明的头段的结构图；
图3为本发明的侧扫段的结构图；
图4为本发明的侧扫段的纵向剖面图；
图5为本发明的电气控制段的内部构造图；
图6为本发明的电气控制段的截面图；
图7a为本发明的测试接口段的结构示意图；
图7b为本发明的测试接口段的截面图；
图8a为本发明的多普勒段的结构示意图；
图8b为本发明的多普勒段的截面图；
图9为本发明的动力推进段的截面图
图10为本发明的动力推进段的结构示意图；
其中：1.头段 2.侧扫段 3.电气控制段 4.测试接口段 5.多普勒段6.动力推进段 7.头部壳体 8.CTD 9.侧扫声呐 10.侧扫段壳体 11.声呐信号处理板 12.抓手 13.电气控制段壳体 14.电池组 15.电气控制电路板 16.抛载装置 17.水密测试接口 18.充电接口19.天线 20.压力测试接口 21.天线外壳 22.深度测试接口 23.测试段壳体 24.多普勒段壳体25.多普勒测速仪 26.电机 27.支撑架 28.导流罩 29.螺旋桨30.传动轴31.密封块32.齿轮33.舵机 34.尾部前段壳体 35.鳍舵36.尾部中段壳体 37.尾部后段壳体。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
请参图1所示，图1为本发明的整体结构示意图。
一种便携式水下航行器，包括：包括相互独立并依次连接的头部壳体，侧扫段壳体，电气控制段壳体，测试段壳体，多普勒段壳体以及尾部段壳体；
所述头部壳体构成水下航行器本体的流线外形结构；
所述侧扫段壳体的外周设置至少一个抓手，用于方便手持水下航行器本体；
所述电气控制段壳体内设置用于装配供电的电池组以及用于航行的电气控制电路板；
所述测试段壳体上设置安装各个天线出线口的安装结构；
所述多普勒段壳体内放置多普勒测速仪，其用于测量水下航行器相对水底的绝对速度；
所述尾部段壳体内设置动力组件，所述动力组件用于控制水下航行器的运行速度及运动姿态。
上述头部壳体，侧扫段壳体，电气控制段壳体，测试段壳体，多普勒段壳体以及尾部段壳体依次对应装配头段1、侧扫段2、电气控制段3、测试接口段4、多普勒段5、动力推进段6。
进一步地，一种便携式自主水下航行器口径为200mm，总重量不超过50公斤，共分为6段：头段1、侧扫段2、电气控制段3、测试接口段4、多普勒段5、动力推进段6。
各舱段按功能模块化要求进行设计，各段功能相对独立；外部承压壳体及附体均应能承受不小于1.25Mpa的外压。
参照图2所示，头盖段1包括头部壳体7和温盐深仪CTD 8，头部壳体材料为聚甲醛，头部壳体7前部带有凹槽，安装温盐深仪8，温盐深仪8的头部与头部壳体7的头部形状平齐，保证头段1的流线外形，以减小头段1的流体阻力。头部壳体7与侧扫段壳体10之间通过螺钉固连，采用双个径向O型圈进行密封。
参照图3，图4所示，侧扫段2包括侧扫声呐9、侧扫段壳体10、声呐信号处理板11。两个侧扫声呐9分别安装在侧扫段2的两侧下方，安装角度为120°（侧扫声呐在该安装角度下，可以兼顾扫描准确度和侧扫广度这两个技术指标，为最优角度），侧扫声呐9与侧扫段壳体10之间通过螺钉固连，侧扫段壳体10内部两侧有凸台（该凸台为声呐信号处理板的安装台），凸台与声呐信号处理板11之间通过螺栓固连在一起，水声信号处理板11为双层板，用于处理侧扫声呐9传回的测量信号，侧扫声呐9和水声信号处理板11通过接插件与电气控制段3的电池组14和电气控制电路板15连接，用以供电和传送数据。侧扫声呐9用于探测海底地形地貌和水下物体。
参照图5，图6所示电气控制段3的组成包括电气控制段壳体13、电池组14、电气控制电路板15，另外，抓手12和抛载装置16外挂在电气控制段壳体13上。电气控制段壳体13材料为聚氯乙烯（PVC），电池组14为航行器提供所有耗电功能模块的能量供应，电池组14分为动力电池组和仪表电池组两部分，包括仪表电池、动力电池、独立通信电池、供电控制器、遥控开关部分。电池单元采用钴酸锂系电池，动力电池组标称电压25.2V，工作电压30V～21V，工作电流<7A（瞬时最大工作电流<35A）。仪表电池组标称电压25.2V，工作电压30V～21V，工作电流<4A（瞬时最大工作电流<20A）。电池架均采用导轨安装方式。电气控制电路板15为航行器总体控制单元、动力控制单元、传感单元、安全保险单元、无线通信与定位单元。其中，总体控制单元包含母板、控制计算机PC104-A、数据采集计算机PC104-B；动力控制单元包含尾段控制器、电机驱动器；传感单元包含MTI、深度传感器电路部分；安全保险单元包含压力传感器部分、抛载控制电路、漏液传感器及电量检测；无线通信与定位单元包含无线电台模块、GPS模块、铱星模块、无线路由器。
参照图7a和图7b所示，测试接口段4包含水密测试接口17、充电接口18（其与与电池组通过导线连接）、天线19、压力测试接口20、天线外壳21、深度测试接口22、测试段壳体23，主要用于安装各个天线出线口。其中，天线包括无线模块、遥控开关、WIFI、GPS、铱星；充电接口18采用堵头开关进行密封；水密测试接口、深度测试接口、压力测试接口与壳体之间。测试段壳体23的材料为铝合金。测试段壳体23的材料为有机玻璃。
参照图8a和图8b所示，多普勒段5包括多普勒段壳体24和多普勒测速仪25，多普勒段壳体24材料为铝合金，多普勒测速仪25用于测量航行器相对水底的绝对速度，多普勒测速仪25通过螺钉与多普勒段壳体24连接，并通过O型圈采用轴向密封的方式进行密封。
参照图9，图10所示，动力推进段6由电机段和尾段组成，包括电机26、支撑架27、导流罩28、螺旋桨29、传动轴30、密封块31、齿轮32、舵机33、尾部前段壳体34、鳍舵35、尾部中段壳体36、尾部后段壳体37。尾部前段壳体34、尾部中段壳体36、尾部后段壳体37的材料为铝合金，推进电机26通过联轴器与传动轴30连接，传动轴30通过尾部段壳体伸出，与螺旋桨29固连，实现力矩传动，传动轴30与尾部后段壳体37通过O型圈实现动密封；尾部段壳体34与导流罩28之间通过支撑架27连接，支撑架27与两者通过螺钉固连；
本发明的便携式自主水下航行器的流体动力布局为“螺旋桨+全动舵”，采用“十”字型全动舵调节航行器的运动姿态，其中，通过垂直全动舵改变航行器航向角，水平全动舵改变航行器的俯仰角。四个舵机33安装在尾部中段壳体36中，舵机33的输出轴通过齿轮32的传动，与外部的鳍舵35相连，实现力的传动。与鳍舵35相连的轴与尾部中段壳体36之间安装有密封块31，密封块31与鳍舵传动轴、尾部中段壳体36之间通过O型圈密封。
由于该便携式自主水下航行器具有小口径、轻质量的特点，因此，航行器不需要使用非人力的工具进行运输、装载、布放与回收，只需2个成年人抓住位于电气控制段3的两个抓手12即可完成此过程，该过程可节省使用非人力机械所耗费的时间。
运行过程：
当操作人员将航行器布放的待测水域中后，航行器首先会浮在水面上，控制台通过天线21与航行器建立通信，并传输水下航行任务指令，航行器运行完自检程序后，开始按照预定指令航行，并执行水下探测等任务。
综上所述，本发明的一种便携式自主水下航行器主要由总体***、动力推进***、导航与控制***、电路***、探测***、软件***共6个分***组成。
(1)总体***由结构总体和性能总体两部分组成，主要功能是进行结构、外形、流体动力布局、总体布局设计及航行性能分析；
(2)动力推进***由推进电机、电机驱动器、动力和仪表电池、螺旋桨与导流罩等组成，主要功能是提供航行时所需的动力，保持一定的航速，并达到一定的航程；
(3)导航与控制***由导航控制中心、深度传感器、航向姿态传感器、多普勒速度仪、后段控制器、舵机等组成，主要功能是保证AUV的稳定控制和导航定位精度；
(4)电路***采用分散供电方式，把动力电源和仪表电源分开，避免推进电机启动带来的电源波动对仪表工作的影响。供电电路采用总线，信号传输采用CAN总线；
(5)探测***由温盐深仪、侧扫声纳、数据记录仪等组成，主要完成海洋环境探测和水下观测功能；
(6)软件***主要导航控制软件、数据采集记录软件、尾端控制与供电软件、遥控与设定软件等组成；
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种便携式水下航行器，其特征在于，包括：包括相互独立并依次连接的头部壳体，侧扫段壳体，电气控制段壳体，测试段壳体，多普勒段壳体以及尾部段壳体；
所述头部壳体构成水下航行器本体的流线外形结构；
所述侧扫段壳体的外周设置至少一个抓手，用于方便手持水下航行器本体；
所述电气控制段壳体内设置用于装配供电的电池组以及用于航行的电气控制电路板；
所述测试段壳体上设置安装各个天线出线口的安装结构；
所述多普勒段壳体内放置多普勒测速仪，其用于测量水下航行器相对水底的绝对速度；
所述尾部段壳体内设置动力组件，所述动力组件用于控制水下航行器的运行速度及运动姿态。
2.根据权利要求1所述的一种便携式水下航行器，其特征在于，所述头部壳体采用聚甲醛，电气控制段壳体采用聚氯乙烯，测试段壳体采用有机玻璃，多普勒段壳体以及尾部段壳体采用铝合金制备而成。
3.根据权利要求1所述的一种便携式水下航行器，其特征在于，所述头部壳体，侧扫段壳体，电气控制段壳体，测试段壳体，多普勒段壳体以及尾部段壳体的外部承压至少不小于1.25Mpa的压力。
4.根据权利要求1所述的一种便携式水下航行器，其特征在于，所述水下航行器的口径为200mm，总重量不超过50公斤。
5.根据权利要求1-4之一所述的一种便携式水下航行器，其特征在于，所述动力组件包括控制水下航行器的运行速度，且位于尾部段壳体内的推进电机，以及位于端部的螺旋桨，所述推进电机通过联轴器与传动轴连接，传动轴通过尾部段壳体伸出并与螺旋桨固连。
6.根据权利要求5所述的一种便携式水下航行器，其特征在于，所述动力组件还包括调节水下航行器的运动姿态的舵机，所述舵机的输出轴通过齿轮的多级传动，实现与外部的鳍舵相连。
7.根据权利要求1-4之一所述的一种便携式水下航行器，其特征在于，所述测试段壳体整体垂直于所述水下航行器。
8.根据权利要求1所述的一种便携式水下航行器，其特征在于，所述侧扫段壳体内对称设置至少两个侧扫声呐，其中一个侧扫声呐与所述侧扫段壳体的中心点形成第一连线，另一个侧扫声呐与所述侧扫段壳体的中心点形成第二连线，所述第一连线和所述第二连线之间的夹角为120°。
9.根据权利要求1-4之一所述的一种便携式水下航行器，其特征在于，所述电池组包括动力电池组和仪表电池组，所述动力电池组标称电压25.2V，工作电压30V～21V，工作电流<7A；所述仪表电池组标称电压25.2V，工作电压30V～21V，工作电流<4A。
10.根据权利要求1-4之一所述的一种便携式水下航行器，其特征在于，所述电气控制电路板为航行器总体控制单元、动力控制单元、传感单元、安全保险单元、无线通信与定位单元。
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