一种大范围巡航自主水下机器人结构
技术领域
本发明涉及水下机器人技术领域，特别涉及一种大范围巡航自主水下机器人结构。
背景技术
在建设海洋强国的战略背景下，自主水下机器人在面向大洋科考和深海资源勘查领域有着不可替代的重要的意义。从“深海进入”到“深海探测开发”的跨越过程中，自主水下机器人一直扮演者不可或缺的重要角色。随着探测开发任务的愈加繁重，亟需提升大规模探测作业的效率，所以急需一种低阻、高机动，适用于大规模、长距离探测取样的自主水下机器人。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种大范围巡航自主水下机器人结构，该结构低阻、高速、高机动，适用于大规模、长距离探测取样。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种大范围巡航自主水下机器人结构，其特征在于，包括机器人本体、水平槽道推进器、垂直槽道推进器、主推进器系统及稳定翼系统，其中，机器人本体为回转体结构；水平槽道推进器和垂直槽道推进器设置于机器人本体的艏部，并且相互垂直；主推进器系统和稳定翼系统设置于机器人本体的艉部。
所述主推进器系统包括四个主推进器，四个主推进器沿周向等间距呈十字形布设。
所述主推进器的轴线与所述机器人本体的轴线成20-30度夹角。
所述稳定翼系统包括沿周向且呈“X”型分布的四个稳定翼，该四个稳定翼与四个所述主推进器间隔交替设置。
位于左侧或右侧的两个所述稳定翼上均设有小襟翼，两个所述小襟翼位于同一象限内。
所述机器人本体的艉部为锥形结构。
所述机器人本体的顶部设有频闪灯、组合天线、声通讯机及超短基线。
所述机器人本体的底部设有探测侧扫声呐组合系统、保压采水装置、上浮抛载装置、高度计、多波束、浅地层剖面仪、浅剖接收阵、DVL惯导及深高度组合设备及图像采集系统。
所述机器人本体的前端设有下潜抛载装置、前视声呐及斜下避碰声呐；所述机器人本体的后端设有磁力仪。
所述机器人本体的前端设有牵引环，顶部中间位置设有起吊环。
本发明的优点与积极效果为：
1.本发明采用矢量布局主推进器系统辅助以水平槽道推进器和垂直槽道推进器配合实现高速巡航模式下的空间高机动性，推进器的20-30度矢量布局提供了更长的力矩参数，使机器人的空间机动能力更强。
2.本发明采用X型稳定翼系统实现高速巡航模式下的航行稳定性。
3.本发明采用深海保压采水器对深海水样进行保压采样，实现了自主水下机器人对深海水环境的自主干预。
4.本发明采用前视声呐与高度计实现对复杂海洋环境感知与避碰处理。
5.本发明采用艏顿艉锥的回转体线型设计，在保证机器人有较高容积率的前提下，获得了更小的航行阻力。
附图说明
图1为本发明大范围巡航自主水下机器人结构的主视图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1的左视图；
图4为图1的右视图；
图5为图1的仰视图；
图6为本发明大范围巡航自主水下机器人结构的轴测图。
图中：1为机器人本体，2为前视声呐，3为牵引环，4为频闪灯，5为组合天线，6为水平槽道推进器，7为起吊环，8为声通讯机，9为超短基线，10为右上翼，11为小襟翼，12为磁力仪，13为右推进器，15为右下翼，16为探测侧扫声呐组合系统，17为保压采水装置，18为垂直槽道推进器，19为左上翼，20为上浮抛载装置，21为高度计，22为照明灯，23为照相机，24为摄像机，25为多波束，26为浅地层剖面仪，27为浅剖接收阵，28为DVL惯导及深高度组合设备，29为闪光灯，30为上推进器，31为左下翼，32为下推进器，33为下潜抛载装置，34为斜下避碰声呐，35为左推进器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1-6所示，本发明提供的一种大范围巡航自主水下机器人结构，包括机器人本体1、水平槽道推进器6、垂直槽道推进器18、主推进器系统及稳定翼系统，其中机器人本体1为回转体结构；水平槽道推进器6和垂直槽道推进器18设置于机器人本体1的艏部，并且相互垂直；主推进器系统和稳定翼系统设置于机器人本体1的艉部。
本发明的实施例中，主推进器系统包括四个主推进器，四个主推进器沿周向等间距布设。优选地，各主推进器的轴线与机器人本体1的轴线成20-30度夹角。具体地，如图4所示，四个主推进器分别为右推进器13、上推进器30、下推进器32及左推进器35。采用由上推进器30、下推进器32、左推进器35和右推进器13组合而成的矢量布局主推进器系统，辅助以水平槽道推进器6和垂直槽道推进器18配合实现高速巡航模式下的空间高机动性，推进器的20-30度矢量布局提供了更长的力矩参数，使机器人的空间机动能力更强。
本发明的实施例中，如图4所示，稳定翼系统包括沿周向分布的四个稳定翼，且四个稳定翼呈X型结构，该四个稳定翼与四个主推进器间隔交替设置，稳定翼系统可保持高速巡航模式下的航行稳定性。具体地，如图4所示，四个稳定翼分别为右上翼10、右下翼15、左上翼19及左下翼31，位于左侧的两个稳定翼上均设有小襟翼11，两个小襟翼11位于同一象限内。具体地，两个小襟翼11设置于右上翼10和右下翼15的相对面上，两个小襟翼11分别与右上翼10和右下翼15呈30-60°夹角。采用由右上翼10、右下翼15、左上翼19及左下翼31组合而成的X型稳定翼系统，实现高速巡航模式下的航行稳定性，借助X型式布局的稳定翼系统，配备小襟翼11组合实现机器人的快速螺旋下潜与快速螺旋上升。
本发明的实施例中，如图6所示，机器人本体1的艉部为锥形结构，机器人本体1采用艏顿艉锥的回转体线型设计，在保证机器人有较高容积率的前提下，获得了更小的航行阻力。
在上述实施例的基础上，如图1-2所示，机器人本体1的顶部设有频闪灯4、组合天线5、声通讯机8及超短基线9，采用声通讯机8对机器人进行声学信号通讯与遥控；采用超短基线9对机器人进行声学信号定位与监控。
在上述实施例的基础上，如图5所示，机器人本体1的底部设有探测侧扫声呐组合系统16、保压采水装置17、上浮抛载装置20、高度计21、多波束25、浅地层剖面仪26、浅剖接收阵27、DVL惯导及深高度组合设备28及图像采集系统，借助测深侧扫声呐组合系统16执行声学探测使命，完成海底微地形、地貌精细探测。采用保压采水装置17对深海水样进行保压采样；采用浅地层剖面仪26和浅剖接收阵27进行浅底层剖面测量及底质判断。
具体地，如图5所示，图像采集系统包括照明灯22、照相机23、摄像机24及闪光灯29，借助深海照相机23、闪光灯29、照明灯22、摄像机24等设备进行近海底光学探测作业。
进一步地，如图3所示，机器人本体1的前端设有下潜抛载装置33、前视声呐2及斜下避碰声呐34；如图1所示，机器人本体1的后端设有磁力仪12，借助磁力仪12进行深海海底磁力异常数据探测。磁力仪12可根据实际探测需求进行安装或拆卸操作，拆卸后的机器人整体长度更短且阻力更小。所述机器人采用前视声呐2和高度计21实现对复杂海洋环境的感知与避碰处理。
进一步地，机器人本体1的前端设有牵引环3，顶部中间位置设有起吊环7。当机器人执行探测任务期间发现异常数据点，机器人会自动从巡航模式切换为高机动精细探测模式，对该作业点执行精细勘察，同时启动保压采水装置17对异常点进行保压采水取样。
本发明的工作原理为：
机器人水面备潜阶段，在甲板上需要对自容铱星等进行水面校准。机器人从甲板通过起吊钩7起吊布放和挂钩回收，海况较差时借助回头绳索将艏部的牵引环3张紧的方式进行止荡和防摇摆控制。低阻特性结合艉部两个小襟翼板的对称布置，配合下潜电磁铁吸附的下潜抛载装置可实现机器人的快速螺旋式下潜，大大节约了大深度下潜的等待时间，同时在潜水器结束工作使命返航时通过螺旋上浮及低阻特性也可以大幅的缩短水面回收的等待时间，大大提升了大洋科考的工作效率。入水后X型稳定翼系统可保持高速巡航模式下的航行稳定性。借助艉部矢量布局的四个主推进器结合艏部冗余布置的水平和垂直槽道推进器实现水平面和垂直面内对称的快速高机动响应能力。借助艏顿艉锥的回转体流体线型实现超低阻力特性，实现大规模高速巡航模式下的大续航力远航程指标。机器人根据DVL惯导及深高度组合设备和高度计判断下潜深度是否达到预编程设定的深度，然后自主决策继续下潜或启动下潜抛载装置开始探测作业。如达到设定深度并启动下潜抛载装置后，机器人完成从负浮力到正浮力状态切换，此时执行预编程设定的探测使命，借助前视声呐和斜下避碰声呐对深海海底环境进行深度感知，并启动机器人的自主学习模式开始进行声光学探测作业。
本发明具备水下及水面多种定位、通讯、监测组合设备，为机器人的远程监控、在线实时短讯喊话、水面示位与搜寻提供支撑。所述机器人具有声学和光学系统独立探测作业的能力，同时可以根据探测需求进行独立换装。不同探测模式下可根据探测需求进行载荷扩充，实现更强的探测作业能力。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。
