一種基于噴氣轉向的無人水下航行器及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于噴氣轉向的無人水下航行器；在航行器外殼內設置噴氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、浮力控制系統(tǒng)和電源模塊；噴氣系統(tǒng)包括帶充氣口的儲氣罐，該儲氣罐通過輸氣管路貫穿航行器外殼后，在航行器外殼表面形成提供航行器轉向動力的噴嘴；所述的浮力控制系統(tǒng)包括帶進水管的水倉，該進水管貫穿航行器外殼后，形成水倉和航行器殼體外部之間的水流通道；所述的控制系統(tǒng)包括控制噴射氣體流量的氣閥、控制水流進出的水閥、獲取航行器運行數(shù)據(jù)的傳感器組以及控制主板；所述的噴嘴上設置氣閥，所述的進水管設置水閥，所述的傳感器組、氣閥和水閥均與控制主板信號連接；所述傳感器組、氣閥、水閥以及控制主板均與電源模塊電連接。
【專利說明】一種基于噴氣轉向的無人水下航行器及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無人水下航行器，特別涉及采用噴氣轉向的無人水下航行器。
【背景技術】
[0002]隨著技術的發(fā)展，人類對海洋探索方法不斷進步，無人水下航行器作為一種探索海洋的有利工具，在軍事和民用上都起到了重要作用。在復雜的深海環(huán)境中，存在干擾和不確定因素，這就要求無人水下航行器有較強抗干擾能力。當遇到海水波動或洋流干擾時，無人水下航行器通過傳感器檢測自身姿態(tài)變化并及時作出調整來消除干擾，保證其按照預定軌跡行駛；當干擾較大時，雖然無人水下航行器能夠借助先進的控制系統(tǒng)進行調整，但是受到常規(guī)動力系統(tǒng)驅動能力的限制，不能夠及時調整，這極大地降低了航行器的作業(yè)效率。
[0003]目前，無人水下航行器大多使用舵槳驅動或者多推進器驅動，少數(shù)航行器采用噴水驅動。對于舵槳驅動的水下航行器，舵葉的控制能力跟航行器的行進速度有關，在低航速時轉向靈敏度較低，不能快速變向；全螺旋槳驅動的水下航行器，需要的推進器數(shù)量多功耗大，對控制系統(tǒng)要求高；噴水驅動由于受抽水泵功率的限制，噴水所產生的推力有限，而且采用噴水推進的水下航行器由于水流通過航行器結構內部，難以控制其平衡。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種結構簡單的基于噴氣轉向的無人水下航行器及方法。
[0005]為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種一種基于噴氣轉向的無人水下航行器；在航行器外殼內設置噴氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、浮力控制系統(tǒng)和電源模塊；噴氣系統(tǒng)包括帶充氣口的儲氣罐，該儲氣罐通過輸氣管路貫穿航行器外殼后，在航行器外殼表面形成提供航行器轉向動力的噴嘴；所述的浮力控制系統(tǒng)包括帶進水管的水倉，該進水管貫穿航行器外殼后，形成水倉和航行器殼體外部之間的水流通道；所述的控制系統(tǒng)包括控制噴射氣體流量的氣閥、控制水流進出的水閥、獲取航行器運行數(shù)據(jù)的傳感器組以及控制主板；所述的噴嘴上設置氣閥，所述的進水管設置水閥，所述的傳感器組、氣閥和水閥均與控制主板信號連接；所述傳感器組、氣閥、水閥以及控制主板均與電源模塊電連接。
[0006]作為對本發(fā)明所述的基于噴氣轉向的無人水下航行器的改進:所述航行器的尾端設置有提供驅動動力的推進器和尾噴管1、尾噴管II ;該推進器為正反轉推進器；所述推進器與控制主板信號連接，與電源模塊電連接；所述尾噴管I和尾噴管II分別在航行器尾端的兩側從頭到尾的軸向設置；；所述尾噴管I和尾噴管II分別通過輸氣管路與儲氣罐相連通；所述尾噴管I和尾噴管II上分別設置有尾噴管閥I和尾噴管閥II ;所述尾噴管閥I和尾噴管閥II分別與控制主板信號連接，與電源模塊電連接。
[0007]作為對本發(fā)明所述的基于噴氣轉向的無人水下航行器的進一步改進:所述充氣口貫穿航行器外殼；所述充氣口上設置有由單向閥和過濾器組成的充氣口控制機構。
[0008]作為對本發(fā)明所述的基于噴氣轉向的無人水下航行器的進一步改進:所述航行器外殼的前端為透光材料加工制作的半球形；所述航行器外殼的其余部分為耐腐抗壓合金材料加工制作的圓柱形；所述噴嘴分別位于圓柱形外殼前側的上、下、左、右側壁。
[0009]作為對本發(fā)明所述的基于噴氣轉向的無人水下航行器的進一步改進:所述傳感器組包括九軸傳感器、水倉水位傳感器、儲氣罐壓力傳感器、深度傳感器以及濕度傳感器；所述水倉水位傳感器位于水倉內；所述儲氣罐壓力傳感器位于儲氣罐內；所述深度傳感器位于航行器殼體外表面；所述九軸傳感器和濕度傳感器均位于航行器外殼內；所述九軸傳感器、水倉水位傳感器、儲氣罐壓力傳感器、深度傳感器以及濕度傳感器均通過信號處理模塊與控制主板信號連接；所述九軸傳感器、水倉水位傳感器、儲氣罐壓力傳感器、深度傳感器以及濕度傳感器均與電源模塊電連接。
[0010]作為對本發(fā)明所述的基于噴氣轉向的無人水下航行器的進一步改進:所述控制主板通過轉接板設置有模組化接口，所述模組化接口上外接通信模塊、光學模塊或者聲學模塊。
[0011]作為對本發(fā)明所述的基于噴氣轉向的無人水下航行器的進一步改進:所述的尾噴管閥1、尾噴管閥I1、氣閥和水閥均為二位二通比例電磁閥。
[0012]一種基于噴氣系統(tǒng)控制水下航行器的方法:通過儲氣罐從噴嘴或者尾噴管I和尾噴管II噴射氣流形成轉向的動力；通過控制主板控制氣閥噴射的氣體流量，實現(xiàn)噴嘴的定量氣體噴射，進而在噴嘴處形成反沖作用力，驅動該航行器進行相應的轉向；所述儲氣罐內的氣體噴射后造成的航行器整體質量下降，再通過航行器內的水倉進水使得航行器的重力和浮力保持平衡。
[0013]作為對本發(fā)明所述的基于噴氣系統(tǒng)控制水下航行器的方法的改進:向左轉向步驟如下:控制主板通過控制右氣閥完成對右噴嘴噴射的氣體流量的控制，右噴嘴處的反沖作用力驅動航行器左轉；向右轉向步驟如下:控制主板通過控制左氣閥完成對左噴嘴噴射的氣體流量的控制，左噴嘴處的反沖作用力驅動航行器右轉；向上轉向步驟如下:控制主板通過控制下氣閥完成對下噴嘴噴射的氣體流量的控制，下噴嘴處的反沖作用力驅動航行器向上轉向；向下轉向步驟如下:控制主板通過控制上氣閥完成對上噴嘴噴射的氣體流量的控制，上噴嘴處的反沖作用力驅動航行器向下轉向。
[0014]作為對本發(fā)明所述的基于噴氣系統(tǒng)控制水下航行器的方法的進一步改進:向左轉向步驟如下:控制主板通過控制尾噴管閥I完成對尾噴管I的氣體流量的控制，再通過尾噴管閥II完成對尾噴管II的體流量的控制；通過控制位于右側的尾噴管II噴射比位于左側的尾噴管I更大的氣體流量完成航行器向左轉向；向右轉向步驟如下:控制主板通過控制尾噴管閥I完成對尾噴管I的氣體流量的控制，再通過尾噴管閥II完成對尾噴管II的體流量的控制；通過控制位于左側的尾噴管I噴射比位于右側的尾噴管II更大的氣體流量完成航行器向右轉向。
[0015]相比現(xiàn)在的舵槳驅動、多推進器驅動、噴水驅動，本發(fā)明采用噴氣和推進器混合驅動，其續(xù)航能力強、變向靈敏。尾部采用可正反轉動的導管螺旋槳推進器，保證了無人水下航行器低速行駛的續(xù)航能力；為了提高航行器前進方向上的加速能力，尾部安裝了尾噴管，在需要快速提速的情況下，讓螺旋槳推進器以最高轉速推進，同時讓尾噴管噴氣；航行器的變向采用噴氣方反沖案，通過改變氣流的大小能控制變向的速度。【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細說明。
[0017]圖1是本發(fā)明的外形示意圖；
[0018]圖2是本發(fā)明外形的主視結構示意圖；
[0019]圖3是本發(fā)明外形的俯視結構示意圖；
[0020]圖4是本發(fā)明外形的左視結構示意圖；
[0021]圖5是噴氣系統(tǒng)結構示意圖；
[0022]圖6是噴氣系統(tǒng)氣動回路圖；
[0023]圖7是浮力控制系統(tǒng)結構示意圖；
[0024]圖8是浮力控制系統(tǒng)回路圖；
[0025]圖9是控制系統(tǒng)示意圖。
【具體實施方式】
[0026]實施例1、圖1?圖9給出了一種基于噴氣轉向的無人水下航行器及控制方法。該基于噴氣轉向的無人水下航行器的航行器外殼前端為可減少前進阻力的半球形，并采用透光材料加工制作；而外殼的其他部分采用圓柱形的構造，可減少轉向時的阻力，并采用耐腐抗壓合金材料加工制作。
[0027]航行器內有兩套動力系統(tǒng)，其中之一的動力系統(tǒng)由噴氣系統(tǒng)構成，如圖5、圖6所示，該噴氣系統(tǒng)的核心為用來存儲壓縮氣體的儲氣罐102，該儲氣罐102上設置有充氣口 2，壓縮氣體通過充氣口 2進入儲氣罐102 ;在充氣口 2和儲氣罐102之間的管道上設置單向閥和過濾器組成的充氣口控制機構101，通過單向閥阻止儲氣罐102內的氣體泄漏，并相應地阻止航行器外部的水通過壓力作用進入儲氣罐102 ;而過濾器能夠過濾氣體，確保進入儲氣罐102的氣體清潔。由于在水底下，航行器需要實現(xiàn)360°轉向，所以在圓柱形外殼前側的上、下、左、右四個側壁上分別設置有上噴嘴3、下噴嘴4、左噴嘴5、右噴嘴6，上噴嘴3、下噴嘴4、左噴嘴5、右噴嘴6分別為垂直圓柱形外殼側壁的設置。上噴嘴3、下噴嘴4、左噴嘴5和右噴嘴6分別貫穿外殼側壁后通過輸氣管路與儲氣罐102相連通；而上噴嘴3、下噴嘴4、左噴嘴5和右噴嘴6上分別配套的設置有控制噴射氣體流量的上氣閥103 ( 二位二通比例電磁閥)、下氣閥105 ( 二位二通比例電磁閥)、左氣閥106 ( 二位二通比例電磁閥)和右氣閥104( 二位二通比例電磁閥)。通過上噴嘴3、下噴嘴4、左噴嘴5、右噴嘴6的工作狀態(tài)，就可以將儲氣罐102中的高壓氣體作為驅動的動力源進行航行器的轉向控制。
[0028]在航行器的尾端兩側還設置有能向后噴氣的尾噴管I 7和尾噴管II 8(以從頭到尾軸向設置的形式設置)，尾噴管I 7和尾噴管II 8均通過輸氣管路與儲氣罐102相連通；尾噴管I 7和尾噴管II 8分別設置有尾噴管閥I 100 ( 二位二通比例電磁閥)和尾噴管閥II 107( 二位二通比例電磁閥)；通過尾噴管I 7和尾噴管II 8可以將儲氣罐102提供的氣壓轉換成推進航行器前進的驅動動力，尤其是可以通過尾噴管閥I 100和尾噴管閥II 107控制氣體流量，形成高速噴射，進而給航行器提供相應的加速度。而通過尾噴管閥I 100和尾噴管閥II 107控制噴射氣體流量的不同，可形成尾噴管I 7和尾噴管II 8之間不對等的推進動力，進而實現(xiàn)航行器水平方向的左、右轉向功能。
[0029]另一個動力系統(tǒng)主要由固定在航行器尾部的推進器I (導管螺旋槳推進器)構成，推進器I采用伺服電機，可進行正轉或者反轉，其轉速控制采用閉環(huán)控制。通過推進器I可以驅動航行器前行或者倒退。
[0030]由于航行器對外噴氣時，航行器的質量會發(fā)生改變，所以需要在航行器的質量減輕的同時，通過浮力控制系統(tǒng)增加相應的質量，確保航行器的最終重力和浮力平衡；該浮力控制系統(tǒng)為帶進水管9的水倉200，水倉200的進水管9貫穿航行器外殼后形成進水的通道，該進水管9上設置有水閥201 ( 二位二通比例電磁閥)，通過水閥201控制進水，通過水的質量補充損耗的空氣質量。
[0031]控制系統(tǒng)的核心為控制主板301，如圖7所示，該控制主板301上連接有轉接板305、信號處理模塊306、放大板302、電機驅動器303以及預留接口 304 ;通過轉接板305設置有若干個模組化插口，該插口可以根據(jù)使用的情況(環(huán)境)接入通信模塊312、光學模塊313 (包括光電采集器、圖像采集器)或者聲學模塊314等，通過通信模塊312、光學模塊313或者聲學模塊314分別與外部進行信息交互，并且將外部的信息輸入到控制主板301，由控制主板301進行信息處理。
[0032]控制主板301通過信號處理模塊306連接有若干個傳感器(傳感器組)，該若干個傳感器包括有九軸傳感器307 (包含加速度計、角度計、磁羅盤)、水倉200水位傳感器308、儲氣罐壓力傳感器309、深度傳感器310以及溫濕度傳感器311等；九軸傳感器307、水倉200水位傳感器308、儲氣罐傳感器309、深度傳感器310以及溫濕度傳感器311等傳感器采集到數(shù)據(jù)后，通過信號處理模塊306將模擬信號處理成數(shù)字信號，再將數(shù)字信號導入到控制主板301進行數(shù)據(jù)處理；而以上所述的九軸傳感器307和溫濕度傳感器311分別內置在航行器外殼內，通過九軸傳感器307可以獲取航行器當前的運動狀態(tài)，溫濕度傳感器311則可以獲取航行器當前的內部環(huán)境，一旦濕度或者溫度超出航行器可正常運行的范圍時，就可由控制主板301發(fā)出相關的操作指令。水倉200水位傳感器308安裝在水倉200內部，通過水倉200水位傳感器308獲取當前水倉200內的水位信息，再將水位信息通過信號處理模塊306發(fā)送到控制主板301，再由控制主板301控制水閥201就可以控制水倉200內的水位，繼而達到航行器的重力和浮力平衡。儲氣罐壓力傳感器309設置在儲氣罐102內，由儲氣罐壓力傳感器309獲取相應的氣罐壓力后，就可以通過信號處理模塊306將該信息發(fā)送到控制主板301，由控制主板301計算當前儲氣罐102內的氣體剩余量，及時獲取當前儲氣罐102內的氣體剩余量，可對上氣閥103、下氣閥105、左氣閥106和右氣閥104進行噴氣量的合理控制。深度傳感器310設置在航行器殼體的外部，由深度傳感器310獲取當前航行器所處的水深。
[0033]控制主板301通過放大板302與上氣閥103、下氣閥105、左氣閥106、右氣閥104、水閥、氣閥、尾噴管閥I 100和尾噴管閥II 107等構成的比例電磁閥組315(包括有水閥201、尾噴管閥I 100、尾噴管閥II 107、上氣閥103、下氣閥105、左氣閥106、右氣閥104等)相連接，通過放大板302將控制主板301發(fā)出的控制信號進行功率放大來驅動比例電磁閥組315進行相應的動作。
[0034]控制主板301通過電機驅動器303連接推進器I ;推進器I采用伺服電機，其轉速控制采用閉環(huán)控制。
[0035]控制主板301有預留接口 304，使得水下航行器能夠搭載其它特殊用途的設備。水下航行器內安裝有蓄電池，蓄電池為整個系統(tǒng)供電。[0036]本發(fā)明的航行器實現(xiàn)步驟如下:
[0037]1、壓縮氣體通過氣口 2注入儲氣罐102內；通過儲氣罐壓力傳感器309及時獲取當前儲氣罐102內的氣體量，并通過控制主板301實時輸出氣體容量信息；
[0038]2、垂直方向的驅動:
[0039]當儲氣罐102內的氣體達到了本次航行所要求的目標量后，將航行器放入水中，由于航行器本身的質量，航行器沉入水中一定深度；
[0040]3、水平方向的運動:
[0041]航行器達到預定深度的航道時，通過控制主板301開啟推進器I進行水平方向的驅動；
[0042]4、轉向運動:
[0043]當需要轉向時，就通過控制主板301控制比例電磁閥組315來完成；
[0044]如:向左轉向I，控制主板301通過控制右氣閥104完成對右噴嘴6噴射氣體流量的控制，右噴嘴6處的反沖作用力驅動航行器左轉；
[0045]向左轉向II，控制主板301通過控制尾噴管閥I 100完成對尾噴管I 7噴射氣體流量的控制，同時通過控制尾噴管閥II 107完成對尾噴管II 8的噴射氣體流量的控制；通過控制位于右側的尾噴管II 8噴射比位于左側的尾噴管I 7更大的氣體流量完成航行器向左轉向；
[0046]向右轉向I，控制主板301通過控制左氣閥106完成對左噴嘴5噴射的氣體流量的控制，左噴嘴5處的反沖作用力驅動航行器右轉；
[0047]向右轉向II，控制主板301通過控制尾噴管閥I 100完成對尾噴管I 7的氣體流量的控制，再通過尾噴管閥II 107完成對尾噴管II 8的體流量的控制；通過控制位于左側的尾噴管I 7噴射比位于右側的尾噴管II 8更大的氣體流量完成航行器向右轉向；
[0048]向上轉向，控制主板301通過控制下氣閥105完成對下噴嘴4噴射的氣體流量的控制，下噴嘴4處的反沖作用力驅動航行器向上轉向；
[0049]向下轉向，控制主板301通過控制上氣閥103完成對上噴嘴3噴射的氣體流量的控制，上噴嘴3處的反沖作用力驅動航行器向下轉向。
[0050]最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的一個具體實施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發(fā)明公開的內容直接導出或聯(lián)想到的所有變形，均應認為是本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種基于噴氣轉向的無人水下航行器；其特征是:在航行器外殼內設置噴氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、浮力控制系統(tǒng)和電源模塊； 噴氣系統(tǒng)包括帶充氣口的儲氣罐，該儲氣罐通過輸氣管路貫穿航行器外殼后，在航行器外殼表面形成提供航行器轉向動力的噴嘴； 所述的浮力控制系統(tǒng)包括帶進水管的水倉，該進水管貫穿航行器外殼后，形成水倉和航行器殼體外部之間的水流通道； 所述的控制系統(tǒng)包括控制噴射氣體流量的氣閥、控制水流進出的水閥、獲取航行器運行數(shù)據(jù)的傳感器組以及控制主板； 所述的噴嘴上設置氣閥，所述的進水管設置水閥，所述的傳感器組、氣閥和水閥均與控制主板信號連接； 所述傳感器組、氣閥、水閥以及控制主板均與電源模塊電連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于噴氣轉向的無人水下航行器，其特征是:所述航行器的尾端設置有提供驅動動力的推進器和尾噴管1、尾噴管II ； 該推進器為正反轉推進器； 所述推進器與控制主板信號連接，與電源模塊電連接； 所述尾噴管I和尾噴管II分別在航行器尾端的兩側從頭到尾的軸向設置； 所述尾噴管I和尾噴管II分別通過輸氣管路與儲氣罐相連通；所述尾噴管I和尾噴管II上分別設置有尾噴管閥I和尾噴管閥II ； 所述尾噴管閥I和尾噴管閥II分別與控制主板信號連接，與電源模塊電連接。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于噴氣轉向的無人水下航行器，其特征是:所述充氣口貫穿航行器外殼； 所述充氣口上設置有由單向閥和過濾器組成的充氣口控制機構。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于噴氣轉向的無人水下航行器，其特征是:所述航行器外殼的前端為透光材料加工制作的半球形； 所述航行器外殼的其余部分為耐腐抗壓合金材料加工制作的圓柱形； 所述噴嘴分別位于圓柱形外殼前側的上、下、左、右側壁。
5.根據(jù)權利要求4所述的基于噴氣轉向的無人水下航行器，其特征是:所述傳感器組包括九軸傳感器、水倉水位傳感器、儲氣罐壓力傳感器、深度傳感器以及濕度傳感器； 所述水倉水位傳感器位于水倉內；所述儲氣罐壓力傳感器位于儲氣罐內；所述深度傳感器位于航行器殼體外表面；所述九軸傳感器和濕度傳感器均位于航行器外殼內； 所述九軸傳感器、水倉水位傳感器、儲氣罐壓力傳感器、深度傳感器以及濕度傳感器均通過信號處理模塊與控制主板信號連接； 所述九軸傳感器、水倉水位傳感器、儲氣罐壓力傳感器、深度傳感器以及濕度傳感器均與電源模塊電連接。
6.根據(jù)權利要求5所述的基于噴氣轉向的無人水下航行器，其特征是:所述控制主板通過轉接板設置有模組化接口，所述模組化接口上外接通信模塊、光學模塊或者聲學模塊。
7.根據(jù)權利要求6所述的基于噴氣轉向的無人水下航行器，其特征是:所述的尾噴管閥1、尾噴管閥I1、氣閥和水閥均為二位二通比例電磁閥。
8.一種基于噴氣系統(tǒng)控制水下航行器的方法，其特征是:通過儲氣罐從噴嘴或者尾噴管I和尾噴管II噴射氣流形成轉向的動力； 通過控制主板控制氣閥噴射的氣體流量，實現(xiàn)噴嘴的定量氣體噴射，進而在噴嘴處形成反沖作用力，驅動該航行器進行相應的轉向； 所述儲氣罐內的氣體噴射后造成的航行器整體質量下降，再通過航行器內的水倉進水使得航行器的重力和浮力保持平衡。
9.根據(jù)權利要求8所述的基于噴氣系統(tǒng)控制水下航行器的方法，其特征是:向左轉向步驟如下:控制主板通過控制右氣閥完成對右噴嘴噴射的氣體流量的控制，右噴嘴處的反沖作用力驅動航行器左轉； 向右轉向步驟如 下:控制主板通過控制左氣閥完成對左噴嘴噴射的氣體流量的控制，左噴嘴處的反沖作用力驅動航行器右轉； 向上轉向步驟如下:控制主板通過控制下氣閥完成對下噴嘴噴射的氣體流量的控制，下噴嘴處的反沖作用力驅動航行器向上轉向； 向下轉向步驟如下:控制主板通過控制上氣閥完成對上噴嘴噴射的氣體流量的控制，上噴嘴處的反沖作用力驅動航行器向下轉向。
10.根據(jù)權利要求8所述的基于噴氣系統(tǒng)控制水下航行器的方法，其特征是:向左轉向步驟如下:控制主板通過控制尾噴管閥I完成對尾噴管I的氣體流量的控制，再通過尾噴管閥II完成對尾噴管II的體流量的控制；通過控制位于右側的尾噴管II噴射比位于左側的尾噴管I更大的氣體流量完成航行器向左轉向； 向右轉向步驟如下:控制主板通過控制尾噴管閥I完成對尾噴管I的氣體流量的控制，再通過尾噴管閥II完成對尾噴管II的體流量的控制；通過控制位于左側的尾噴管I噴射比位于右側的尾噴管II更大的氣體流量完成航行器向右轉向。
【文檔編號】B63G8/16GK103979091SQ201410236299
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月28日 優(yōu)先權日:2014年5月28日
【發(fā)明者】唐建中, 謝凱源, 盧石松 申請人:浙江大學