RU2792358C1

RU2792358C1 - Modular autonomous unmanned underwater device

Info

Publication number: RU2792358C1
Application number: RU2022129096A
Authority: RU
Inventors: Константин Константинович Ким; Александр Юрьевич Панычев
Filing date: 2022-11-08
Publication date: 2023-03-21

Abstract

FIELD: underwater marine technology.

SUBSTANCE: when the charge level of power sources (6) drops below the required level, the computer (15) sends a signal to the control electronic unit (16), which generates a control radio signal to the propeller motor (19) and independent steering devices (20) and a modular autonomous uninhabited underwater vehicle rises to the desired depth. The computer (15) initiates the opening of the electric locks (31). Devices for converting wave energy into electrical energy (30) float to the surface and, affected by waves, generate electrical energy, which is used to charge power sources (6) via electric cables (33). After charging is completed, double-drum electric winches (26) are launched, pulling the devices for converting wave energy into electrical energy (30) to the metal case (1). The electric locks (31) are activated, fixing the devices for converting wave energy into electrical energy (30) on the metal case (1).

EFFECT: increased time of autonomous navigation due to the use of wave energy.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области подводной морской техники, в частности к автономным необитаемым подводным аппаратам (АНПА), и может быть применено в разного рода подводных исследованиях.The invention relates to the field of underwater marine technology, in particular to autonomous uninhabited underwater vehicles (AUV), and can be used in various kinds of underwater research.

Известен модульный АНПА, корпус которого составлен из отдельных герметичных модулей. Эти модули оборудованы герметичными разъемами для подключения оптоволоконных или кабельных линий связи внутри аппаратной информационно управляющей сети, которая объединяет электронную аппаратуру модулей в единую систему, а также герметичными разъемами для подачи в модули электропитания из отдельного модуля с источником электроэнергии - аккумуляторной батареей (Семенов Д.О., Лускин Б.А., Гурин Г.С., Клочков П.А. Трехмерное проектирование перспективных модульных НПА // Судостроение. 2017. №5. С.9-12).Known modular AUV, the body of which is composed of separate sealed modules. These modules are equipped with sealed connectors for connecting fiber-optic or cable communication lines within the hardware information and control network, which combines the electronic equipment of the modules into a single system, as well as sealed connectors for supplying power to the modules from a separate module with a power source - a battery (Semenov D.O. ., Luskin B.A., Gurin G.S., Klochkov P.A. Three-dimensional design of advanced modular ROV // Shipbuilding. 2017. No. 5. P. 9-12).

Основным недостатком данного АНПА является небольшое время автономного плавания, ограниченное емкостью аккумуляторной батареи.The main disadvantage of this AUV is the short time of autonomous navigation, limited by the capacity of the battery.

Известен модульный автономный необитаемый подводный аппарат (RU 2667674, B63G 8/00, 24.09.2018, БИ №27), выбранный в качестве прототипа и содержащий четыре отдельных герметичных модуля, стенки между которыми выполнены из радиопрозрачного материала и снабжены источниками электроэнергии. В носовом модуле находится система технического зрения, включающая гидролокатор бокового обзора, фотокамеры, впередсмотрящий эхолот. Во втором модуле размещена информационно-измерительная система, которая содержит датчики температуры, давления, электропроводности, скорости звука. В третьем модуле управления и связи установлены компьютер автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) и управляющий электронный блок. Третий модуль управления и связи также включает в себя устройство спутниковой связи, типа ГЛОНАСС, и гидроакустическое устройство связи. В четвертом движительном модуле расположены гребной электродвигатель и независимые рулевые устройства. Внешний металлический корпус объединяет четыре модуля в единое целое и придает жесткость всему устройству, а также экранирует сигналы беспроводной сети от попадания во внешнюю среду и защищает электронную аппаратуру АНПА от внешнего электромагнитного излучения.A modular autonomous uninhabited underwater vehicle is known (RU 2667674, B63G 8/00, 09/24/2018, BI No. 27), selected as a prototype and containing four separate sealed modules, the walls between which are made of a radio-transparent material and equipped with power sources. The nose module contains a vision system, including a side-scan sonar, cameras, and a forward-looking echo sounder. The second module contains an information-measuring system, which contains sensors for temperature, pressure, electrical conductivity, sound velocity. In the third control and communication module, a computer of an autonomous uninhabited underwater vehicle (AUV) and a control electronic unit are installed. The third control and communication module also includes a satellite communication device, such as GLONASS, and a hydroacoustic communication device. The fourth propulsion module houses the propulsion motor and independent steering devices. The outer metal case combines four modules into a single whole and stiffens the entire device, as well as screens wireless network signals from getting into the external environment and protects the AUV electronic equipment from external electromagnetic radiation.

Из-за того что функционирование оборудования, расположенного во всех модулях, обеспечивается источниками электроэнергии - аккумуляторами, прототип характеризуется недостаточным временем автономного плавания, что составляет его основной недостаток.Due to the fact that the functioning of the equipment located in all modules is provided by sources of electricity - batteries, the prototype is characterized by insufficient autonomous navigation time, which is its main drawback.

Задача настоящего изобретения - увеличение времени автономного плавания модульного автономного необитаемого подводного аппарата за счет использования энергии волн.The objective of the present invention is to increase the time of autonomous navigation of a modular autonomous uninhabited underwater vehicle through the use of wave energy.

Технический результат достигается тем, что в модульном автономном необитаемом подводном аппарате, содержащем внешний металлический корпус, объединяющий четыре отдельных герметичных модуля, стенки между которыми выполнены из радиопрозрачного материала, все модули снабжены источниками электроэнергии и радиомодулями, которые осуществляют связь между герметичными модулями и образуют беспроводную информационно-управляющую сеть, в носовом модуле находится система технического зрения, включающая гидролокатор бокового обзора, фотокамеры, впередсмотрящий эхолот, во втором модуле размещена информационно-измерительная система, которая содержит датчики температуры, глубины, электропроводности, скорости звука, в третьем модуле управления и связи установлены компьютер и управляющий электронный блок, устройство спутниковой связи и гидроакустическое устройство связи, в четвертом движительном модуле расположены гребной электродвигатель и независимые рулевые устройства, к выходам источников электроэнергии своими входами подсоединены устройства заряда и контроля уровня заряда источников электроэнергии, управляющие выходы которых подключены к входам электрических лебедок, на гаках силовых тросов, намотанных на первые барабаны двухбарабанных электрических лебедок, закреплены устройства преобразования энергии волн в электрическую энергию, которые с помощью электрозамков закреплены на наружной поверхности металлического корпуса, выходы устройств преобразования энергии волн в электрическую энергию электрическими кабелями соединены с входами устройств заряда и контроля уровня заряда источников электроэнергии, причем электрические кабели намотаны на вторые барабаны двухбарабанных электрических лебедок.The technical result is achieved by the fact that in a modular autonomous uninhabited underwater vehicle containing an external metal case that combines four separate sealed modules, the walls between which are made of radio-transparent material, all modules are equipped with power sources and radio modules that communicate between the sealed modules and form a wireless information - a control network, in the nose module there is a technical vision system, including a side-scan sonar, cameras, a forward-looking echo sounder, in the second module there is an information-measuring system that contains sensors for temperature, depth, electrical conductivity, speed of sound, in the third module of control and communication are installed computer and control electronic unit, satellite communication device and hydroacoustic communication device, in the fourth propulsion module there is a propeller motor and independent steering devices, to the outputs of electric power sources and devices for charging and controlling the charge level of electric power sources are connected with their inputs, the control outputs of which are connected to the inputs of electric winches, on the hooks of power cables wound on the first drums of double-drum electric winches, devices for converting wave energy into electrical energy are fixed, which are fixed to the the outer surface of the metal case, the outputs of the devices for converting wave energy into electrical energy are connected by electric cables to the inputs of the devices for charging and controlling the level of charge of electric power sources, and the electric cables are wound on the second drums of double-drum electric winches.

Модульный автономный необитаемый подводный аппарат поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид модульного автономного необитаемого подводного аппарата с принайтовленными устройствами преобразования энергии волн в электрическую энергию, а на фиг.2 - фрагмент модуля устройства.Modular autonomous uninhabited underwater vehicle is illustrated by drawings, where figure 1 shows a General view of the modular autonomous uninhabited underwater vehicle with lashed devices for converting wave energy into electrical energy, and figure 2 is a fragment of the device module.

Во внешнем металлическом корпусе 1 расположены четыре отдельных герметичных модуля 2-5. Внешний металлический корпус 1 может быть выполнен сплошным или составным. В последнем случае внешний металлический корпус 1 состоит из секций, образующих внешние оболочки модулей 2 - 5 и скрепленных между собой. Стенки между модулями 2-5 выполнены из радиопрозрачного материала. Внутри всех модулей 2-5 расположены источники электроэнергии 6, например, аккумуляторы, и радиомодули 7, которые осуществляют связь между модулями 2 - 5 и образуют внутри аппаратную беспроводную информационно-управляющую сеть. В носовом модуле 2 находится система технического зрения, включающая гидролокатор бокового обзора 8, фотокамеры 9 и впередсмотрящий эхолот 10, предназначенный для уклонения от столкновений. Во втором модуле 3 размещены датчики температуры 11, глубины 12, электропроводности 13, скорости звука 14. В третьем модуле управления и связи 4 установлены компьютер 15 и управляющий электронный блок 16, устройство спутниковой связи 17, типа ГЛОНАСС, и гидроакустическое устройство связи 18, предназначенное для передачи данных в подводном положении. В четвертом движительном модуле 5 расположены гребной электродвигатель 19, который служит пропульсивной установкой, и независимые рулевые устройства 20, которые осуществляют управление курсом, креном и дифферентом модульного автономного необитаемого подводного аппарата.In the outer metal case 1 there are four separate sealed modules 2-5. The outer metal case 1 can be made solid or composite. In the latter case, the outer metal case 1 consists of sections that form the outer shells of modules 2 - 5 and are fastened together. Walls between modules 2-5 are made of radio-transparent material. Inside all modules 2-5 there are power sources 6, for example, batteries, and radio modules 7, which communicate between modules 2-5 and form a wireless information and control network inside the hardware. In the nose module 2 there is a vision system, including a side-scan sonar 8, cameras 9 and a forward looking echo sounder 10, designed to avoid collisions. The second module 3 contains sensors for temperature 11, depth 12, electrical conductivity 13, sound velocity 14. In the third control and communication module 4, a computer 15 and a control electronic unit 16, a satellite communication device 17, of the GLONASS type, and a hydroacoustic communication device 18 are installed, designed for data transmission underwater. In the fourth propulsion module 5 there is a propulsion motor 19, which serves as a propulsion system, and independent steering devices 20, which control the course, roll and trim of the modular autonomous uninhabited underwater vehicle.

Надежная герметизация модулей 2-5, достигается за счет того, что корпуса модулей выполнены без ослабляющих их отверстий для сетевых и силовых разъемов. Изготовленные из радиопрозрачных материалов корпуса модулей 2-5 при повреждении внешнего металлического корпуса 1 позволяют радиомодулям 7 разных модулей поддерживать связь между собой через затопленный модуль (или модули), и, таким образом, продолжить выполнение миссии АНПА.Reliable sealing of modules 2-5 is achieved due to the fact that the module cases are made without holes for network and power connectors that weaken them. Cases of modules 2-5 made of radio-transparent materials, if the outer metal case 1 is damaged, allow the radio modules of 7 different modules to communicate with each other through the flooded module (or modules), and thus continue the AUV mission.

К выходам 21 источников электроэнергии 6 своими входами 22 подсоединены устройства заряда и контроля уровня заряда 23 источников электроэнергии 6. Управляющие выходы 24 устройств заряда и контроля уровня заряда 23 подключены к входам 25 двухбарабанных электрических лебедок 26. На гаках 27 силовых тросов 28, намотанных на первые барабаны 29 двухбарабанных электрических лебедок 26, закреплены устройства преобразования энергии волн в электрическую энергию 30 (Нетрадиционная и возобновляемая энергетика: учебное пособие / К.К. Ким. - Санкт-Петербург: ФГБОУ ВО ПГУПС, 2021. - С.126), которые с помощью электрозамков 31 закреплены на наружной поверхности внешнего металлического корпуса 1. Выходы 32 устройств преобразования энергии волн в электрическую энергию 30 электрическими кабелями 33 соединены с входами 34 устройств заряда и контроля уровня заряда 22 источников электроэнергии 6, причем электрические кабели 32 намотаны на вторые барабаны 35 двухбарабанных электрических лебедок 26.The outputs of 21 power sources 6 with their inputs 22 are connected to charge and charge level control devices 23 power sources 6. The control outputs 24 of the charge and charge level control devices 23 are connected to the inputs of 25 double-drum electric winches 26. On the hooks there are 27 power cables 28 wound on the first drums 29 double-drum electric winches 26, devices for converting wave energy into electrical energy 30 are fixed (Non-traditional and renewable energy: study guide / K.K. Kim. - St. Petersburg: FGBOU VO PGUPS, 2021. - P. 126), which using electric locks 31 are fixed on the outer surface of the outer metal case 1. The outputs 32 of the devices for converting wave energy into electrical energy 30 are connected by electric cables 33 to the inputs 34 of the charge and charge level control devices 22 of the power sources 6, and the electric cables 32 are wound on the second drums 35 of double-drum electric winches 26.

Работа модульного автономного необитаемого подводного аппарата происходит следующим образом.The operation of the modular autonomous uninhabited underwater vehicle is as follows.

При движении модульного автономного необитаемого подводного аппарата в толще воды, если заряд источников электроэнергии 6 снижается ниже уровня, необходимого для нормального функционирования электротехнической аппаратуры в модулях 2-5, компьютер 15 в модуле управления и связи 4 считывает радиосигнал с датчика глубины 12. Если глубина погружения больше величины, которая равна длине силового троса 28, компьютер 15 подает сигнал на управляющий электронный блок 16, который в свою очередь вырабатывает управляющий радиосигнал, поступающий на гребной электродвигатель 19 и независимые рулевые устройства 20, которые осуществляют управление курсом, креном и дифферентом модульного автономного необитаемого подводного аппарата. В результате модульный автономный необитаемый подводный аппарат всплывает на требуемую глубину, и датчик глубины 12 вырабатывает соответствующий радиосигнал на компьютер 15, который подает сигнал на управляющий электронный блок 16, который в свою очередь вырабатывает радиосигнал на открытие электрозамков 31. Устройства преобразования энергии волн в электрическую энергию 30, обладающие положительной плавучестью, всплывают на поверхность воды, разматывая силовые тросы 28 и электрические кабели 33. Под действием волнения поверхности воды устройства преобразования энергии волн в электрическую энергию 30 начинают генерировать электрическую энергию, которая по электрическим кабелям 33 поступает в модули 2-5 и идет на зарядку источников электроэнергии 6. После окончания зарядки устройства заряда и контроля уровня заряда 23 генерируют сигналы, которые с управляющих выходов 24 поступают на входы 25 двухбарабанных электрических лебедок 26. Силовые тросы 28 начинают наматываться на первые барабаны 29 двухбарабанных электрических лебедок 26, а электрические кабели 33 - на вторые барабаны 35. После того, как устройства преобразования энергии волн в электрическую энергию 30 осуществляют механический контакт с металлическим корпусом 1, срабатывают электрозамки 31, фиксируя устройства преобразования энергии волн в электрическую энергию 30 на металлическом корпусе 1.When the modular autonomous uninhabited underwater vehicle moves in the water column, if the charge of the power sources 6 drops below the level necessary for the normal functioning of the electrical equipment in modules 2-5, the computer 15 in the control and communication module 4 reads the radio signal from the depth sensor 12. If the depth of immersion greater than the value equal to the length of the power cable 28, the computer 15 sends a signal to the control electronic unit 16, which in turn generates a control radio signal supplied to the propeller motor 19 and independent steering devices 20, which control the course, roll and trim of the modular autonomous uninhabited underwater vehicle. As a result, a modular autonomous uninhabited underwater vehicle emerges to the required depth, and the depth sensor 12 generates an appropriate radio signal to the computer 15, which sends a signal to the control electronic unit 16, which in turn generates a radio signal to open the electric locks 31. Devices for converting wave energy into electrical energy 30, which have positive buoyancy, float to the surface of the water, unwinding power cables 28 and electrical cables 33. Under the action of the waves of the water surface, the devices for converting wave energy into electrical energy 30 begin to generate electrical energy, which is supplied to modules 2-5 through electrical cables 33 and goes to charge sources of electricity 6. After charging the charge device and charge level control 23, signals are generated that are fed from control outputs 24 to inputs 25 of double-drum electric winches 26. Power cables 28 begin to wind on the first drum s 29 double-drum electric winches 26, and electric cables 33 - on the second drums 35. After the devices for converting wave energy into electrical energy 30 make mechanical contact with the metal case 1, the electric locks 31 are activated, fixing the devices for converting wave energy into electrical energy 30 on a metal case 1.

Как можно заметить, использование устройств преобразования энергии волн в электрическую энергию 30 позволяет осуществлять заряд источников электроэнергии 6 за счет использования энергии волн без всплытия на поверхность модульного автономного необитаемого подводного аппарата, что в свою очередь обусловливает увеличение времени и скрытность автономного плавания.As you can see, the use of devices for converting wave energy into electrical energy 30 allows you to charge power sources 6 by using wave energy without surfacing a modular autonomous uninhabited underwater vehicle, which in turn leads to an increase in time and secrecy of autonomous navigation.

Claims

Модульный автономный необитаемый подводный аппарат, содержащий внешний металлический корпус, объединяющий четыре отдельных герметичных модуля, стенки между которыми выполнены из радиопрозрачного материала, все модули снабжены источниками электроэнергии и радиомодулями, которые осуществляют связь между герметичными модулями и образуют беспроводную информационно-управляющую сеть, в носовом модуле находится система технического зрения, включающая гидролокатор бокового обзора, фотокамеры, впередсмотрящий эхолот, во втором модуле размещена информационно-измерительная система, которая содержит датчики температуры, глубины, электропроводности, скорости звука, в третьем модуле управления и связи установлены компьютер и управляющий электронный блок, устройство спутниковой связи и гидроакустическое устройство связи, в четвертом движительном модуле расположены гребной электродвигатель и независимые рулевые устройства, отличающийся тем, что к выходам источников электроэнергии своими входами подсоединены устройства заряда и контроля уровня заряда источников электроэнергии, управляющие выходы которых подключены к входам электрических лебедок, на гаках силовых тросов, намотанных на первые барабаны двухбарабанных электрических лебедок, закреплены устройства преобразования энергии волн в электрическую энергию, которые с помощью электрозамков закреплены на наружной поверхности металлического корпуса, выходы устройств преобразования энергии волн в электрическую энергию электрическими кабелями соединены с входами устройств заряда и контроля уровня заряда источников электроэнергии, причем электрические кабели намотаны на вторые барабаны двухбарабанных электрических лебедок.Modular autonomous uninhabited underwater vehicle containing an external metal case that combines four separate sealed modules, the walls between which are made of radio-transparent material, all modules are equipped with power sources and radio modules that communicate between sealed modules and form a wireless information and control network, in the bow module there is a technical vision system, including a side-scan sonar, cameras, a forward-looking echo sounder, an information-measuring system is located in the second module, which contains sensors for temperature, depth, electrical conductivity, sound speed, a computer and a control electronic unit are installed in the third control and communication module, a device satellite communication and hydroacoustic communication device, in the fourth propulsion module there is a propulsion electric motor and independent steering devices, characterized in that the inputs connect to the outputs of the power sources devices for charging and controlling the level of charge of electric power sources, the control outputs of which are connected to the inputs of electric winches, are installed on the hooks of power cables wound on the first drums of double-drum electric winches, devices for converting wave energy into electrical energy are fixed, which are fixed with electric locks on the outer surface of the metal housing, the outputs of devices for converting wave energy into electrical energy are connected by electric cables to the inputs of devices for charging and controlling the level of charge of electric power sources, and the electric cables are wound on the second drums of double-drum electric winches.