一种三回转体组合式自主水下航行器

1.本实用新型涉及一种自主水下航行器，特别是涉及一种三回转体组合式自主水下航行器，主要可用于水下环境监测，海洋物化性质检测等。


背景技术：

2.随着海洋资源勘探开采、海洋安防等方面的急速发展，单纯依靠水面常规技术开展此类工程活动，在技术、经济和安全等方面已经不能满足工程需要。因此，水下探测设备在工程设计与施工(电缆\管道路线测量、高分辨率海底地形绘图、结构检修、油气勘测等)、环境调查(危险废弃集装箱调查、疏浚河流泥沙监测、环境评价、地质测绘、鱼类资源评估及海底资源评估等)、水下搜索活动(事故调查、考古调查、打捞/回收作业等)等方面得到了充分的应用。
3.水下航行器系统通常由工作母船、通信桅杆、水下航行器、轨迹和姿态控制设备、功能仪器等组成。在航行器内部可按照不同的作业要求搭载不同的监测设备，同时也可搭载水下视觉系统、声纳系统等，以增大水下系统的传递控制信息的能力，在工作母船上的监测人员可通过控制器对水下航行器进行轨迹、姿态的调整，实施航行器的水下工作。
4.水下航行器的功能不仅为温盐、压力、光学、声呐等多种探测传感器提供搭载空间，同时利用其自身的姿态、航向稳定控制性能为所搭载的仪器提供所需要的工作环境。
5.如何根据对水下航行器轨迹和姿态控制方式的要求，实现对水下航行器操纵的灵活性、自身稳定性、姿态调整高效便捷性的提高，是海底勘探等工作作业要求的关键。
6.中国发明专利申请(cn109747800a)公开了一种欠驱动微型auv，外形是一个流线型回转体，auv主载体设计成流线形纵剖面，艉部舵片呈十字形布置，舯部有可以进行能源和信息交互的线圈，艉端安装一个推进器，多自由控制采用的是四个方向舵来控制；但该技术自航时的航速比较缓慢，这个会使水平翼表面的流速很小，翼效很低，这样就没有足够大的力来完成多自由度运动；另外，单流线型回转体这样的结构外形会使得重心浮心高度差很小，使得整个自主水下航行器的稳性很差。


技术实现要素：

7.本实用新型针对现有技术中所存在的技术问题，提供一种自主稳定性好、航向稳定性好、多自由度操纵灵活迅速的三回转体组合式自主水下航行器。
8.结构方面本实用新型采用的是三回转体组合式外形，这样的结构中包含两个浮体用于提高浮心，一个主舱体装载电池和仪器，用来降低重心，这样会使浮心和重心高度差增加，从而保证整个自主水下航行器的稳定性。本实用新型的螺旋桨推进器既用于推进也用来操纵，省去了额外的控制机构，使得操纵更加简单便捷，机动性比较好。本实用新型三回转体组合式自主水下航行器具有操纵简单，水动力性能和自航稳性良好，载重量大，搭载量大，用途广泛，适应范围广等特点。
9.本实用新型的目的通过如下技术方案实现：
10.一种三回转体组合式自主水下航行器，主要包括：左浮体、右浮体、主舱体、固定水平翼、固定垂直翼、水平翼支撑、斜翼支撑、第一螺旋桨、第二螺旋桨、第三螺旋桨和通信桅杆；主舱体由空心结构的平行中体、分别与平行中体首尾连接的首舱盖和尾舱盖组成；固定水平翼在首部将左浮体和右浮体刚性连接，固定垂直翼将固定水平翼和主舱体刚性连接，水平翼支撑在尾部将左浮体和右浮体刚性连接，两个斜翼支撑分别将主舱体与左浮体和右浮体刚性连接，主舱体、左浮体和右浮体成倒三角形结构；第一螺旋桨、第二螺旋桨和第三螺旋桨分别安装在左浮体、右浮体和主舱体的尾部位置，通信桅杆设置在平行中体尾部的上侧；
11.主舱体上设有深度传感器、右超声定位仪、左超声定位仪、温度传感器、数据采集卡、信号传输模块、数据存储模块、主控计算机、驱动器、电子陀螺仪、gps定位系统、远程终端、探测仪器；深度传感器、右超声定位仪、左超声定位仪、温度传感器、电子陀螺仪和探测仪器分别通过数据采集卡与主控计算机连接；第一螺旋桨、第二螺旋桨和第三螺旋桨通过驱动器与主控计算机连接；数据存储模块与主控计算机连接；gps定位系统和远程终端通过信号传输模块与主控计算机连接；锂电池分别与深度传感器、右超声定位仪、左超声定位仪、温度传感器、数据采集卡、信号传输模块、数据存储模块、主控计算机、驱动器、电子陀螺仪、gps定位系统和探测仪器连接。
12.为进一步实现本实用新型目的，优选地，所述的左浮体、右浮体和主舱体回转体外形均选用myring线形，固定水平翼、固定垂直翼、水平翼支撑和斜翼支撑均采用naca对称翼型。
13.优选地，所述的主舱体的空腔内部从首至尾依次设置有首部压载舱、仪器舱、能源舱、通信控制舱和尾部压载舱。
14.优选地，所述的首部压载舱设置在首舱盖内，尾部压载舱设置在尾舱盖内，能源舱、通信控制舱和仪器舱都设置在平行中体内。
15.优选地，所述的数据采集卡、信号传输模块、数据存储模块、主控计算机、驱动器、电子陀螺仪和gps定位系统设置在通信控制中。
16.优选地，所述的斜翼支撑上有若干个穿线环，导线穿过穿线环分别连接至驱动器、左浮体和右浮体尾部的第一螺旋桨和第二螺旋桨。
17.优选地，所述的主舱体表面左右对称设置四个传感器搭载架，深度传感器、右超声定位仪、左超声定位仪和温度传感器设置在四个传感器搭载架上。
18.优选地，所述的右超声定位仪和左超声定位仪设置在平行中体首部的两个传感器搭载架上。
19.优选地，所述的探测仪器设置在仪器舱中；所述的锂电池设置在能源舱中，能源舱位于主舱体的中部。
20.优选地，在平行中体与尾舱盖、首舱盖之间还分别安装新平行舱体。
21.本实用新型数据采集卡用于对一些传感器、超声定位仪、探测仪器、电子陀螺仪测得的数据的采集；信号传输模块用于将gps、姿态位置等信号传输给远程终端，以便远程终端了解自主水下航行器的航行状态和位置；数据存储模块是将数据采集卡采集的数据储存下来，便于水下航行任务完成后进行数据分析；主控计算机可以接收数据采集卡的数据，并根据这些数据分析航行区域的障碍问题和浮态问题，通过预定航行轨迹程序、避障程序和
姿态调整程序共同配合来输出调频脉冲给驱动器，通过驱动器来进行螺旋桨转速的调节，从而控制自主水下航行器按照一定的轨迹来航行并在航行过程很好的避障和保持平稳航行。由于通信桅杆和螺旋桨均安装在自主水下航行器的尾部，所以将通信控制舱设置在平行中体尾部。仪器舱用于一些探测仪器设备的装载，仪器舱设置在平行中体首部，由于有一些仪器和设备的监测需要与水接触，所以需要将仪器舱变为水可以流入的舱室，将仪器舱设置在平行中体首部可以随时将仪器舱设置为水密或非水密，而不影响能源舱和通信控制舱这些需要水密的舱室。
22.本实用新型采用模块化设计理念，在平行中体与尾舱盖、首舱盖之间，可以选择性的安装新平行舱体用于不同的仪器装配，这样可以增强自主水下航行器的功能性，适应不同的任务要求。
23.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
24.(1)仪器布置灵活。底部的吊舱可以装载仪器设备，尤其是横向和纵向上的巨大空间可以适应更多地设备仪器，同时由于将质量较大的仪器设备安装在底部吊舱，从而实现降低重心，提高稳性的目的。
25.(2)操纵效率高，运动灵活。本实用新型仅采用三个螺旋桨作为控制机构即可实现对水下航行器的多自由度控制。在本实用新型航行过程的升沉控制中，以下沉运动作示范，左右浮体尾部的两个螺旋桨同时增加转速，主舱体尾部的螺旋桨降低转速这样三个螺旋桨产生一个扭转力矩使水下航行器纵倾一个角度，等转到所需要的角度时，三个螺旋桨恢复原来转速，在螺旋桨的推动下沿着该角度向下航行，完成下沉运动。转艏控制中，以向左转艏作示范，增加右浮体尾部的螺旋桨转速，减少左侧尾部螺旋桨转速，这样左右浮体尾部的螺旋桨产生一个旋转力矩，使水下航行器横摇一个角度，等转到所需要的角度时，三个螺旋桨恢复原来转速，在螺旋桨的推动下沿着该角度向左航行，从而完成向左转艏运动。
26.(3)控制机构少。本实用新型在航行过程中，尾部的三个螺旋桨推进器既用来提供推力，也可以用来完成多自由度运动的控制，减少了多余的操纵机构。
27.(3)航行稳性好。本实用新型外形均采用流线性外形，保证了航行器表面流场的均匀性。所有的部件都是固定焊接和安装，不存在任何活动连接的部件，这样就减少了活动连接处空隙或隔断导致外形结构突变带来扰乱航行器航行的涡流。
28.(4)自主稳定性好。本实用新型的两个浮体可以提高浮心位置，同时主舱体能源舱、通信控制舱和仪器舱可以用来降低整个自主水下航行器的重心，以保证航行器在水下的自主稳定。
29.(5)建造方便、结构强度高。本实用新型中螺旋桨用于推进和控制，不存在需要摆动的水翼或者舵翼这样的结构，没有了活动连接大大降低了建造难度，而且有了这样的活动连接更容易损坏。本实用新型除了首舱盖和尾舱盖需要安装以为，整体焊接完成即可，建造简单，而且没有了活动连接使结构完成性较好，结构强度比较高。
30.(6)功能性强，适应能力强。本实用新型采用模块化设计理念，在平行中体与尾舱盖、首舱盖之间，可以安装新平行舱体用于不同的仪器装配，这样可以增强自主水下航行器的功能性，适应不同的任务要求。
附图说明
31.图1是本实用新型三回转体组合式自主水下航行器的尾部斜视图；
32.图2是本实用新型三回转体组合式自主水下航行器的首部斜视图；
33.图3是本实用新型三回转体组合式自主水下航行器的主舱体分舱示意图；
34.图4是本实用新型三回转体组合式自主水下航行器的主舱体内部透视图；
35.图5是本实用新型三回转体组合式自主水下航行器的信号数据传输图；
36.图6是本实用新型三回转体组合式自主水下航行器的模块化安装示意图。
37.图中示出：左浮体1、右浮体2、主舱体3、固定水平翼4、固定垂直翼5、水平翼支撑6、斜翼支撑7、第一螺旋桨8
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1、第二螺旋桨8
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2、第三螺旋桨8
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3、通信桅杆9、平行中体10、首舱盖11、尾舱盖12、首部压载舱13、尾部压载舱14、能源舱15、通信控制舱 16、仪器舱17、传感器搭载架18、深度传感器19、右超声定位仪20、左超声定位仪21、温度传感器22、穿线环23、导线24、数据采集卡25、信号传输模块26、数据储存模块27、主控计算机28、驱动器29、电子陀螺仪30、gps定位系统31、远程终端32、探测仪器33，锂电池34，新平行舱体35。
具体实施方式
38.为更好地支持本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步的阐述，但本实用新型的实施方式不限如此。
39.如图1
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6所示，一种三回转体组合式自主水下航行器，主要包括：左浮体1、右浮体2、主舱体3、固定水平翼4、固定垂直翼5、水平翼支撑6、斜翼支撑7、第一螺旋桨8
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1、第二螺旋桨8
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2、第三螺旋桨8
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3和通信桅杆9；主舱体3由空心结构的平行中体10、分别与平行中体10首尾连接的首舱盖11和尾舱盖12组成；固定水平翼4在首部将左浮体1和右浮体2刚性连接，固定垂直翼5将固定水平翼4和主舱体3刚性连接，水平翼支撑6在尾部将左浮体1和右浮体2刚性连接，两个斜翼支撑7分别将主舱体3与左浮体1和右浮体 2刚性连接，主舱体3、左浮体1和右浮体2成倒三角形结构，这样的结构比较稳定。第一螺旋桨8
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1、第二螺旋桨8
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2和第三螺旋桨8
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3分别安装在左浮体1、右浮体2和主舱体3 的尾部位置，通信桅杆9设置在平行中体10尾部的上表面；主舱体3上设有深度传感器 19、右超声定位仪20、左超声定位仪21、温度传感器22、数据采集卡25、信号传输模块 26、数据存储模块27、主控计算机28、驱动器29、电子陀螺仪30、gps定位系统31、探测仪器33、锂电池34；深度传感器19、右超声定位仪20、左超声定位仪21、温度传感器 22、电子陀螺仪30和探测仪器33分别通过数据采集卡25与主控计算机28连接，将各自采集到的数据传输给主控计算机28；第一螺旋桨8
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1、第二螺旋桨8
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2和第三螺旋桨8
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3通过驱动器29与主控计算机28连接，将主控计算机28传输的控制信号传递给驱动器29，驱动器29控制第一螺旋桨8
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1、第二螺旋桨8
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2和第三螺旋桨8
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3转速；数据存储模块27 与主控计算机28连接，主控计算机28将数据传输给数据存储模块将数据保存；gps定位系统31和远程终端32都通过信号传输模块26与主控计算机28连接。锂电池34分别与深度传感器19、右超声定位仪20、左超声定位仪21、温度传感器22、数据采集卡25、信号传输模块26、数据存储模块27、主控计算机28、驱动器29、电子陀螺仪30、gps定位系统31、探测仪器33连接，给这些设备或仪器提供电能。
40.斜翼支撑7上有若干个穿线环23，导线24穿过穿线环23，导线24用于连接驱动器 29和第一螺旋桨8
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1、第二螺旋桨8
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2。
41.优选地，深度传感器19、右超声定位仪20、左超声定位仪21和温度传感器22设置在传感器搭载架18上，主舱体表面左右对称设置四个传感器搭载架18，用于搭载深度传感器19、右超声定位仪20、左超声定位仪21、温度传感器22需要与水接触的传感器，深度传感器19主要是通过感受水的压强来测得航行深度，温度传感器21用于检测航行水域的水温右超声定位仪20和左超声定位仪21通过像四周发射超声波并接受周围物体反射的回波，来测得距海床的深度、周围障碍物的距离等，为了更好的使右超声定位仪20和左超声定位仪21无障碍、无死角的发射和接受超声波，将两个超声定位仪设置在平行中体首部的两个传感器搭载架18上。
42.左浮体1、右浮体2和主舱体3回转体外形均选用myring线形，固定水平翼4、固定垂直翼5、水平翼支撑6、斜翼支撑7采用naca对称翼型。
43.主舱体3内部设置有首部压载舱13、尾部压载舱14、能源舱15、通信控制舱16和仪器舱17。首部压载舱13、尾部压载舱14主要用于调节浮态和稳性，首部压载舱13设置在首舱盖11内，尾部压载舱14设置在尾舱盖12内，能源舱15、通信控制舱16和仪器舱 17都设置在平行中体10内，能源舱15里面主要是锂电池34，用于给设备、仪器、通信设施和推进器提供电源，由于锂电池34比较笨重，所以将能源舱15设置在平行中体10中间位置，减少纵倾。通信控制舱16的功能主要有数据的采集和存储、信号的传输和控制螺旋桨转动等，数据采集卡25、信号传输模块26、数据存储模块27、主控计算机28、驱动器 29、电子陀螺仪30和gps定位系统31设置在通信控制舱16中，数据采集卡25用于对一些传感器、超声定位仪、探测仪器33、电子陀螺仪30等测得的数据的采集，并将信号传递到主控计算机28；信号传输模块26用于将gps、姿态位置等信号传输给远程终端，以便终端了解自主水下航行器的航行状态和位置；数据存储模块27是将数据采集卡25采集的数据储存下来，便于水下航行任务完成后进行数据分析；主控计算机28可以接收数据采集卡25的数据，将数据传入数据存储模块27，并根据这些数据分析航行区域的障碍问题，通过预定航行轨迹程序、避障程序和姿态调整程序共同配合来输出调频脉冲给驱动器29，通过驱动器29来进行螺旋桨转速的调节，从而控制自主水下航行器按照一定的轨迹来航行并在航行过程很好的避障和平稳的航行。
44.由于通信桅杆9、第一螺旋桨8
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1、第二螺旋桨8
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2和第三螺旋桨8
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3均安装在自主水下航行器的尾部，所以将通信控制舱16设置在平行中体10尾部。仪器舱17用于一些探测仪器33设备的装载，仪器舱17设置在平行中体10的首部，由于有一些仪器和设备的监测需要与水接触，所以有时需要将仪器舱17变为水可以流入的舱室，将仪器舱17设置在平行中体10首部可以随时将仪器舱17设置为水密或非水密，而不影响能源舱15和通信控制舱16这些需要水密的舱室。
45.除此之外，本实用新型采用模块化设计理念，在平行中体10与尾舱盖11、首舱盖12 之间，可以选择性的安装新平行舱体35用于不同的仪器装配，这样可以增强自主水下航行器的功能性，适应不同的任务要求。
46.本实用新型的具体工作方式如下：
47.根据探测任务要求将所需探测仪器放置到主舱体3内，并根据探测仪器的要求将仪器舱17和首舱盖11的连接处设置为水密或非水密，设置完成后在水箱中对自主水下航行器进行配平，在首部压载舱11或尾部压载舱12加入一定的压铁或泡沫调节使得自主水下航行器处于正浮状态；调节完成后将水下航行器放入海中某一深度，开始航行。
48.在自航时的阻力较小可以提高自主水下航行器的快速性；在航行中固定水平翼4、固定垂直翼5、水平翼支撑6、斜翼支撑7可以获得适当的抑制在航行运动过程中的侧向运动的阻尼，保证使得本实用新型的水下航行器航向稳定性较佳。
49.在航行过程中，深度传感器19、右超声定位仪20、左超声定位仪21、温度传感器22、电子陀螺仪30和探测仪器33将探测到的数据传输给数据采集卡25，数据采集卡25将数据传输至主控计算机28，主控计算机28将数据导入数据存储模块27并分析数据。如果将得到的数据分析之后前段没有障碍物，可以按照设定的轨迹进行航行的控制；如果分析数据之后发现前方有障碍物，则需输出调频脉冲给驱动器29，通过驱动器29来调整第一螺旋桨8
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1、第二螺旋桨8
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2和第三螺旋桨8
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3的转速，进而调整航行轨迹完成避障操作；如果分析数据之后发现自主水下航行器处于横倾和纵倾状态，则需输出调频脉冲给驱动器29，通过驱动器29来调整对应的螺旋桨的转速，使其恢复平稳航行。
50.在本实用新型航行过程的升沉控制中，以下沉运动作示范，左浮体1和右浮体2尾部的第一螺旋桨8
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1和第二螺旋桨8
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2同时增加转速，主舱体3尾部的第三螺旋桨8
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3降低转速这样三个螺旋桨产生一个扭转力矩使水下航行器纵倾一个角度，等转到所需要的角度时，三个螺旋桨恢复原来转速，在螺旋桨的推动下沿着该角度向下航行，完成下沉运动。转艏控制中，以向左转艏作示范，增加右浮体2尾部的第二螺旋桨8
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2转速，减少左浮体1尾部第一螺旋桨8
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1转速，这样左右浮体尾部的螺旋桨产生一个旋转力矩，使水下航行器横摇一个角度，等转到所需要的角度时，三个螺旋桨恢复原来转速，在螺旋桨的推动下沿着该角度向左航行，从而完成向左转艏运动。
51.如果需要不同的任务需要不同的探测或者作业仪器，可以将首舱盖11、尾舱盖12与平行中体10拆离，在平行中体10的首尾端安装不同仪器的新平行舱体35，然后将首舱盖 11、尾舱盖12与新平行舱体35连接，完成模块化连接，重新放入探测或作业水域，完成新的探测任务。
52.需要说明的是，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内；本实用新型的保护范围以权利要求书所限定的保护范围为准。