CN113232809A - 模块化小型auv装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种模块化小型AUV装置，包括：载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块；载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块均为独立的舱体；载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块之间通过舱段铰链环连接；动力模块的外壁面上左右对称设置有两个推进器；每个推进器的后方均设置有水平舵板；动力模块的外壁面上还呈X形设置有四个稳定翼。本公开提供的模块化小型AUV装置，设置有两个推进器，在避免失衡的情况下降低了对于能源的消耗，提高了AUV的续航，且左右设置的双推进器可以实现原地转弯，转弯灵活，同时，将水平舵板设置在推进器的后方，提高了舵板的效率，下潜迅速。

Description

模块化小型AUV装置

技术领域

本公开涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种模块化小型AUV装置。

背景技术

自主式水下航行器（AUV）是水下无人航行器（UUV）的一种，具体的，是一种综合了人工智能和其他先进计算技术的任务控制器，集成了深潜器、传感器、环境效应、计算机软件、能量储存、转换与推进、新材料与新工艺、以及水下智能武器等高科技。

相关技术中，AUV的动力布局一般为单桨十字舵或者四推进器的形式。单桨十字舵的形式，在AUV航行最开始的时候，单桨会产生失衡力矩，对AUV产生扰动，使之横滚，这种震荡需要一段时间后才能够稳定，对航行产生不利影响。四推进器的形式，推进功耗较大，大型AUV可以携带更多的能源，因此四推进器的形式不会对大型AUV产生太大的影响，但是小型AUV携带的能源有限，四推进器的形式显然会影响小型AUV的续航。

同时，相关技术中，舵板一般都布置在螺旋桨或者推进器的前方，转弯或下潜的机动性都较差，转弯半径比较大，下潜相对较慢。

发明内容

有鉴于此，本公开的目的在于提出一种模块化小型AUV装置。

基于上述目的，本公开提供了一种模块化小型AUV装置，包括：载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块；

所述载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块均为独立的舱体；所述载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块之间通过舱段铰链环连接；

所述动力模块的外壁面上左右对称设置有两个推进器；每个所述推进器的后方均设置有水平舵板；所述动力模块的外壁面上还呈X形设置有四个稳定翼。

从上面所述可以看出，本公开提供的模块化小型AUV装置，包括：载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块；所述载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块均为独立的舱体；所述载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块之间通过舱段铰链环连接；所述动力模块的外壁面上左右对称设置有两个推进器；每个所述推进器的后方均设置有水平舵板；所述动力模块的外壁面上还呈X形设置有四个稳定翼。本公开提供的模块化小型AUV装置，设置有两个推进器，在避免失衡的情况下降低了对于能源的消耗，提高了AUV的续航，且左右设置的双推进器可以实现原地转弯，转弯灵活，同时，将水平舵板设置在推进器的后方，提高了舵板的效率，下潜迅速。

附图说明

为了更清楚地说明本公开或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例提供的模块化小型AUV装置的一种结构示意图；

图2为本公开实施例提供的AUV动力布局的一种结构示意图；

图3为本公开实施例提供的模块化小型AUV装置转弯的一种示意图；

图4为本公开实施例提供的模块化小型AUV装置下潜的一种示意图；

图5为本公开实施例提供的模块化小型AUV装置的一种内部结构示意图。

附图标记说明：

1载荷模块；2能源模块；3导航模块；4通讯模块；5动力模块；501推进器；502水平舵板；503稳定翼；504稳定翼底座；505推进器架；506舵单元；101航插；201能源单元；301导航单元；401天线单元；402抛载单元。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本公开实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

自主式水下航行器（AUV）是水下无人航行器（UUV）的一种，具体的，是一种综合了人工智能和其他先进计算技术的任务控制器，集成了深潜器、传感器、环境效应、计算机软件、能量储存、转换与推进、新材料与新工艺、以及水下智能武器等高科技。

相关技术中，AUV的动力布局一般为单桨十字舵或者四推进器的形式。单桨十字舵的形式，在AUV航行最开始的时候，单桨会产生失衡力矩，对AUV产生扰动，使之横滚，这种震荡需要一段时间后才能够稳定，对航行产生不利影响。四推进器的形式，推进功耗较大，大型AUV可以携带更多的能源，因此四推进器的形式不会对大型AUV产生太大的影响，但是小型AUV携带的能源有限，四推进器的形式显然会影响小型AUV的续航。

同时，相关技术中，舵板一般都布置在螺旋桨或者推进器的前方，转弯或下潜的机动性都较差，转弯半径比较大，下潜相对较慢。

有鉴于此，本公开的目的在于提出一种模块化小型AUV装置。

参考图1，其为本公开实施例提供的模块化小型AUV装置的一种结构示意图。模块化小型AUV装置，包括：

载荷模块1、能源模块2、导航模块3、通讯模块4和动力模块5。

所述载荷模块1、能源模块2、导航模块3、通讯模块4和动力模块5均为独立的舱体；所述载荷模块1、能源模块2、导航模块3、通讯模块4和动力模块5之间通过舱段铰链环连接；

所述动力模块5的外壁面上左右对称设置有两个推进器501；每个所述推进器501的后方均设置有水平舵板502；所述动力模块5的外壁面上还呈X形设置有四个稳定翼503。

AUV指的是自主式水下航行器，是水下无人航行器的一种。本公开提供的模块化小型AUV装置，包括载荷模块1、能源模块2、导航模块3、通讯模块4和动力模块5，其中，各个模块均为独立的舱体，模块之间通过舱段铰链环连接，以载荷模块1为头，以动力模块5为尾，对于其他模块的连接顺序关系不做限定。

在一些实施例中，所述载荷模块1和动力模块5均为半椭球体形状；所述能源模块2、导航模块3和通讯模块4均为圆柱体形状。

参考图2，其为本公开实施例提供的AUV动力布局的一种结构示意图。

动力模块5为本公开提供的模块化小型AUV装置的尾部模块，动力模块5的外壁面上左右对称设置有两个推进器501，每个推进器501的后方均设置有水平舵板502；动力模块5的外壁面上还呈X形设置有四个稳定翼503，稳定翼503通过稳定翼底座504固定在动力模块5的外壁面上。

本公开提供的AUV动力布局方式，两个推进器501、两个水平舵板502和四个稳定翼503是一个整体，其共同作用，使得AUV转弯快速、下潜灵活。具体的，左右设置的两个推进器501可以实现原地转弯，转弯灵活，进一步的，由于水平舵板502布置在推进器501后方，水平舵板502处于推进器501尾流流速较高的区域，因此水平舵板502的效率高，下潜迅速，同时在后方设置四个稳定翼503能够减小这种动力布局方式对稳定性的影响。这种动力布局形式不仅转弯快速、下潜灵活，而且航向保持、深度保持以及水下航行姿态也非常优异。

参考图3，其为本公开实施例提供的模块化小型AUV装置转弯的一种示意图。

在一些实施例中，所述推进器501通过推进器501架固定在所述动力模块5的外壁面上；所述推进器501的推进方向与所述动力模块5在所述推进器501架位置的流线切向方向平行。每个推进器501的后方设置有水平舵板502。

图中的箭头方向为推进器501提供的推进力的方向，本公开提供的动力布局方式的AUV的转弯形式可以有两种，如果在狭小区域内需要快速转弯可以通过两推进器501同速反转来实现，如果水域空间比较大，也可通过两推进器501差速的形式来实现。本公开在实际的转弯过程中，可实现原地转弯。

相关技术中的AUV转弯半径大，下潜前向位移较大，机动性较差，在一些特殊场合应用存在很大的局限性，本公开提供的这种动力布局方式大大缩短了AUV的转弯半径，通过左右两个推进器差速大大减小了AUV的转弯半径，并且通过反向同速可实现原地转圈。

参考图4，其为本公开实施例提供的模块化小型AUV装置下潜的一种示意图。

推进器501通过推进器501架固定在动力模块5的外壁面上；推进器501的推进方向与动力模块5在推进器501架位置的流线切向方向平行。每个推进器501的后方设置有水平舵板502。

图中的直线箭头方向为推进器501提供的推进力的方向，曲线箭头方向为水平舵板502提供的下潜力的方向。由于水平舵板502布置在推进器501后方，并且水平舵板502处于推进器501尾流流速较高的区域，因此舵板的效率高，下潜迅速。

参考图5，其为本公开实施例提供的模块化小型AUV装置的一种内部结构示意图。

各个模块均为独立的舱体，舱体内载置有多种硬件设备。在一些实施例中，所述载荷模块1、能源模块2、导航模块3、通讯模块4和动力模块5上均设置有航插101；所述航插101被配置为连接所述载荷模块1、能源模块2、导航模块3、通讯模块4和动力模块5中的硬件设备。

在一些实施例中，所述载荷模块1、能源模块2、导航模块3、通讯模块4和动力模块5上的所述航插101的规格和位置一致，可以实现所述能源模块2、导航模块3和通讯模块4的位置互换。具体的，本公开实施例提供的模块化小型AUV装置中，AUV装置整机采用模块化结构即AUV的每个舱段（载荷模块1、能源模块2、导航模块3、通讯模块4和动力模块5）均是独立的模块，其中，不同舱段之间的通信通过航插101实现，航插101用于连接不同舱段中的硬件设备。因为不同舱段上的航插101的规格和位置一致，所以，除了头尾的舱段受到其外形结构的限制外，中间的舱段可以任意排列其组合顺序，从而实现位置的互换。

载荷模块1被配置为装载不同的探测设备以及其他物质。在一些实施例中，所述载荷模块1被配置为搭载包括温盐深仪、摄像头、溶解氧、叶绿素中的至少一种。其中，溶解氧和叶绿素由AUV从海水中采集得到。

为了满足不同的作业任务要求，AUV需要装载不同的探测设备，但是小型AUV的载荷模块1内的空间以及载重能力较为有限，因此，本公开提供的模块化小型AUV装置，可以根据不同的作业任务要求，更换装载不同的探测设备，既能满足不同的作业任务要求，使AUV在不同的环境下工作，也能减轻AUV的质量，以及减小AUV的尺寸。

能源模块2被配置为给AUV各功能模块和设备提供符合使用要求的电能。在一些实施例中，所述能源模块2中包含多个能源单元201；通过增加或减少所述能源单元201的数量控制所述模块化小型AUV装置的续航能力。

不同的作业任务对于AUV的续航能力的要求不同，本公开提供的模块化小型AUV装置，可以根据不同的续航能力要求，增加或减少能源模块2中能源单元201的数量，这种情况下，当AUV执行低续航能力要求的作业任务时，其搭载的能源模块2中能源单元201的数量较少，质量较轻，可以进一步提高AUV的续航能力。

导航模块3被配置为使AUV感知环境和自身状态从而服务于运动控制。在一些实施例中，导航模块3中设置有包括前视声呐、高度计、深度计、多普勒计程仪、光纤罗经运动传感器以及GPS定位接收机中的至少一种。导航模块3可替换不同精度的导航单元301以满足不同的任务需求。

其中，前视声呐，用于测量同一水平面周围目标或障碍物的状况，为AUV提供前视环境。高度计，用于测量AUV与海底的高度数据。深度计，用于测量AUV的航行深度。多普勒计程仪，用于测量AUV的航行速度和累计航程。光纤罗经运动传感器，用于测量AUV的航向角、俯仰角和横滚角等实时姿态信息。GPS定位接收机，用于接收位置和时间信息。

通讯模块4被配置为实现AUV与远程控制平台之间的信息数据传输，将采集的视频图像和其他传感器信息进行上传，以及接收远程控制平台的指令。在一些实施例中，所述通讯模块4中设置有独立的天线单元401；所述天线单元401被配置为实现WIFI、4G、无线电、北斗中的至少一种通讯方式。独立的天线单元收发信号的质量较好，且不易受到其他单元损坏的影响。在一些实施例中，通讯模块4中还设置有抛载单元402，抛载单元402是由固体压载、调节索、蓄电池、机械手等可抛物体和解脱机构组成以使AUV在应急情况下获得正浮力而上浮脱险的装置。

动力模块5被配置为实现AUV的运动状态保持和变更，满足AUV的水下运动和作业要求。动力模块5中设置有舵单元506，用于调整水平舵板502的方向，以提高水平舵板502的效率。

在一些实施例中，所述载荷模块1、通讯模块4和动力模块5均为湿舱；所述能源模块2和导航模块3均为干舱。

湿舱指的是非密封浸水结构。非密封浸水结构舱内浸水，可以使AUV外壳内外压平衡，不会受到海水挤压变形，因此在设计外壳时不必过多考虑结构受力，既降低了外壳选材的难度，又可以依照流体力学特性进行低阻设计，还可以通过减小外壳结构的厚度最大限度地降低AUV的自重。由于AUV自重小，降低了机体试验配平难度，同时也提高了水下机动性能，增加了续航时间。湿舱内部可以安装各种防水耐压设备、传感器以及探测设备。

干舱指的是密封非浸水结构。干舱密封耐压，可以由合金材料制造，可以耐受深处的海水压力。干舱内部可以安装各种非防水耐压设备、传感器以及探测设备。

从上面所述可以看出，本公开提供的模块化小型AUV装置，包括：载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块；所述载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块均为独立的舱体；所述载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块之间通过舱段铰链环连接；所述动力模块的外壁面上左右对称设置有两个推进器；每个所述推进器的后方均设置有水平舵板；所述动力模块的外壁面上还呈X形设置有四个稳定翼。本公开提供的模块化小型AUV装置，设置有两个推进器，在避免失衡的情况下降低了对于能源的消耗，提高了AUV的续航，且左右设置的双推进器可以实现原地转弯，转弯灵活，同时，将水平舵板设置在推进器的后方，提高了舵板的效率，下潜迅速。

进一步的，本公开在设计小型AUV装置的各个模块时，充分考虑了小型AUV内空间小、续航能力弱以及载重能力弱的特点，采取了干舱湿舱兼用的设计，同时，对于模块内的设备采取可更换的设计，提高了小型AUV的续航能力。

需要说明的是，上述对本公开的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本公开时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

需要说明的是，本公开的实施例还可以以下方式进一步描述：

一种模块化小型AUV装置，包括：载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块；

所述载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块均为独立的舱体；所述载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块之间通过舱段铰链环连接；

所述动力模块的外壁面上左右对称设置有两个推进器；每个所述推进器的后方均设置有水平舵板；所述动力模块的外壁面上还呈X形设置有四个稳定翼。

可选的，其中，所述载荷模块和动力模块均为半椭球体形状；所述能源模块、导航模块和通讯模块均为圆柱体形状。

可选的，其中，所述推进器通过推进器架固定在所述动力模块的外壁面上；所述推进器的推进方向与所述动力模块在所述推进器架位置的流线切向方向平行。

可选的，其中，所述载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块上均设置有航插；所述航插被配置为连接所述载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块中的硬件设备。

可选的，其中，所述载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块上的所述航插的规格和位置一致，可以实现所述能源模块、导航模块和通讯模块的位置互换。

可选的，其中，所述载荷模块、通讯模块和动力模块均为湿舱；所述能源模块和导航模块均为干舱。

可选的，其中，所述载荷模块被配置为搭载包括温盐深仪、摄像头、溶解氧、叶绿素中的至少一种。

可选的，其中，所述能源模块中包含多个能源单元；通过增加或减少所述能源单元的数量控制所述模块化小型AUV装置的续航能力。

可选的，其中，所述导航模块中设置有包括前视声呐、高度计、深度计、多普勒计程仪、光纤罗经运动传感器和GPS定位接收机中的至少一种。

可选的，其中，所述通讯模块中设置有独立的天线单元；所述天线单元被配置为实现WIFI、4G、无线电、北斗中的至少一种通讯方式。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围（包括权利要求）被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本公开实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本公开实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路（IC）芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本公开实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本公开实施例的平台的（即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内）。在阐述了具体细节（例如，电路）以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本公开实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构（例如，动态RAM（DRAM））可以使用所讨论的实施例。

本公开实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本公开实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模块化小型AUV装置，其特征在于：载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块；

所述载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块均为独立的舱体；所述载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块之间通过舱段铰链环连接；

所述动力模块的外壁面上左右对称设置有两个推进器；每个所述推进器的后方均设置有水平舵板；所述动力模块的外壁面上还呈X形设置有四个稳定翼。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述载荷模块和动力模块均为半椭球体形状；所述能源模块、导航模块和通讯模块均为圆柱体形状。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述推进器通过推进器架固定在所述动力模块的外壁面上；所述推进器的推进方向与所述动力模块在所述推进器架位置的流线切向方向平行。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块上均设置有航插；所述航插被配置为连接所述载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块中的硬件设备。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述载荷模块、能源模块、导航模块、通讯模块和动力模块上的所述航插的规格和位置一致，可以实现所述能源模块、导航模块和通讯模块的位置互换。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述载荷模块、通讯模块和动力模块均为湿舱；所述能源模块和导航模块均为干舱。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述载荷模块被配置为搭载包括温盐深仪、摄像头、溶解氧、叶绿素中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述能源模块中包含多个能源单元；通过增加或减少所述能源单元的数量控制所述模块化小型AUV装置的续航能力。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述导航模块中设置有包括前视声呐、高度计、深度计、多普勒计程仪、光纤罗经运动传感器和GPS定位接收机中的至少一种。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述通讯模块中设置有独立的天线单元；所述天线单元被配置为实现WIFI、4G、无线电、北斗中的至少一种通讯方式。

Images