一種深海無人潛航器及其使用方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于船舶與海洋工程裝備及技術領域，特別涉及一種可在海底作業(yè)的深海無人潛航器及其使用方法。一種深海無人潛航器，其技術方案是：它包括：潛航器主體(1)、推進模塊(2)、前機械臂(3)和后機械臂(4)。本發(fā)明可通過可調浮力的潛航器主體(1)使無人潛航器在深海中實時調整運動方向；通過推進模塊(2)的推力在深海中快速下潛、上浮以及巡游；通過前機械臂(3)和后機械臂(4)的上下擺動在深海中慢速巡游及實時調整左右運動方向。本發(fā)明同時具備大范圍的快速運動能力、小范圍準確移動定位能力以及抗洋流穩(wěn)定能力，具有下潛、上浮時間短，穩(wěn)定性強的特點，滿足深?？茖W考察、環(huán)境監(jiān)測、管道檢測、取樣、應急搜救等應用需求。
【專利說明】
一種深海無人潛航器及其使用方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于船舶與海洋工程裝備及技術領域，特別涉及一種可在海底作業(yè)的深海無人潛航器及其使用方法。
【背景技術】
[0002]隨著世界各國對海洋資源的不斷深入研究，對海洋的爭奪重點從近海轉向深海。深海無人潛航器是實現(xiàn)深海開發(fā)利用的重要海洋工程裝備。它通過搭載各種電子設備、機械裝置，快速地潛浮于深海復雜環(huán)境中，實現(xiàn)對海洋的勘探、科考、開發(fā)、作業(yè)等，其技術水平在一定程度上標志著國家海洋資源勘探開發(fā)甚至海洋權益維護能力。
[0003]目前，無人潛航器主要分為無人自治潛航器(AUV)和水下遙控潛航器(ROV)這兩類傳統(tǒng)型潛航器，AUV雖然具備快速機動能力，但是應用于深海一般不能實現(xiàn)快速下潛和上浮，定位精度及穩(wěn)定性也不高，更無法實現(xiàn)海底作業(yè);ROV雖然具備精確移動定位能力，但受臍帶纜限制，不便于深海環(huán)境快速作業(yè)。
[0004]因此，針對AUV定位精度差、穩(wěn)定性弱和ROV使用不便的不足，有必要提出一種新的深海考察、探測與作業(yè)潛航器，同時具備大范圍的快速運動能力、小范圍準確移動定位能力以及抗洋流穩(wěn)定能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是:提供一種可在海底作業(yè)的深海無人潛航器及其使用方法，滿足深?？茖W考察、環(huán)境監(jiān)測、管道檢測、取樣、應急搜救等應用需求。
[0006]本發(fā)明的技術方案是:一種深海無人潛航器，它包括:潛航器主體、推進模塊、前機械臂以及后機械臂；
[0007]可調浮力的潛航器主體包括:位于前部的前透水艙、位于中部的耐壓艙和以及位于后部的后透水艙;前透水艙與后透水艙通過注水、排水對深海無人潛航器進行姿態(tài)調節(jié)；耐壓艙內(nèi)搭載功能模塊；
[0008]推進模塊布置在潛航器主體的尾部，提供深海無人潛航器的動力；
[0009]至少一組的前機械臂以及后機械臂布置在潛航器主體的殼體外部，每組數(shù)量為兩個，左右對稱;每個前機械臂具備水平旋轉、上下擺動兩個方向的自由度，每個后機械臂具備上下擺動一個方向的自由度。
[0010]前透水艙內(nèi)配置負載模塊和前壓載水艙;耐壓艙內(nèi)配置能源模塊、控制模塊、通信模塊、導航模塊，耐壓艙外部配置有深度探測模塊;后透水艙內(nèi)配置后壓載水艙。
[0011]可調浮力的潛航器主體配置至少一個機械手，位于可調浮力的潛航器主體外殼底部，以滿足海底作業(yè)的需要。
[0012]—種深海無人潛航器的使用方法，它使用如上所述的深海無人潛航器，并包括以下步驟:
[0013]a)將深海無人潛航器下放至海中；
[0014]b)控制模塊控制前壓載水艙注滿水，并排空后壓載水艙，此時深海無人潛航器頭部朝下處于下潛姿態(tài)，依靠負浮力和推進模塊的推力實現(xiàn)下潛；
[0015]c)經(jīng)深度探測模塊探測，深海無人潛航器下潛到一定深度后，控制模塊逐步將前壓載水艙的水排入后壓載水艙或外部，使深海無人潛航器保持水平平衡，處于零浮力狀態(tài)；
[0016]d)根據(jù)實際需要，深海無人潛航器通過推進模塊實現(xiàn)快速巡游;或深海無人潛航器通過前機械臂和后機械臂的擺動實現(xiàn)慢速巡游；同時，通過增加或減少前壓載水艙和后壓載水艙內(nèi)的注水量實時調整上下運動方向，通過擺動前機械臂和后機械臂實時調整左右運動方向；
[0017]e)深海無人潛航器巡游至接近海底任務點上方水域，關閉推進模塊，通過將后壓載水艙水量注入到前壓載水艙來使深海無人潛航器頭部斜向下，調整為落底姿態(tài)，深海無人潛航器依靠慣性滑翔至海底任務點；
[0018]f)落底后，前壓載水艙和后壓載水艙注入水并平衡，保證深海無人潛航器為負浮力，利用負載模塊或機械手開始作業(yè)；
[0019]g)在作業(yè)過程中如遇到較大洋流，深海無人潛航器停止作業(yè)，將前壓載水艙和后壓載水艙注滿水，將深海無人潛航器調整為抗洋流姿態(tài)，以抵抗該洋流；
[0020]h)完成當前海底任務點作業(yè)，控制模塊排除一定前壓載水艙內(nèi)的注水，使深海無人潛航器的頭部斜向上，調整為起底姿態(tài)，并通過推進模塊的推力令深海無人潛航器離開海底；
[0021]i)經(jīng)深度探測模塊探測，上升到一定深度后，控制模塊逐步將后壓載水艙的水排入前壓載水艙或外部，使深海無人潛航器保持水平平衡，同時處于零浮力狀態(tài)；
[0022]j)重復步驟d)?i)，到達下一海底任務點；
[0023]k)所有任務完畢后，控制模塊排空前壓載水艙內(nèi)的注水，保留后壓載水艙內(nèi)一定量的注水，令深海無人潛航器頭部朝上調整為上浮姿態(tài)，深海無人潛航器依靠正浮力和推進模塊的推力上升至海面，然后排空后壓載水艙內(nèi)的注水;推進模塊關閉，通信模塊上報位置信息；
[0024]I)將深海無人潛航器進行回收。
[0025]有益效果:本發(fā)明是一種既可在深海中快速下潛、上浮以及巡游，又可慢速巡游，海底穩(wěn)定作業(yè)的無人潛航器，具備大范圍的快速運動能力、小范圍準確移動定位能力以及抗洋流穩(wěn)定能力，具有下潛、上浮時間短，穩(wěn)定性強的特點，滿足深?？茖W考察、環(huán)境監(jiān)測、管道檢測、取樣、應急搜救等應用需求。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明俯視不意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明側視示意圖；
[0028]圖3為本發(fā)明剖視示意圖；
[0029]圖4為本發(fā)明使用方法示意圖；
[0030]圖5為本發(fā)明下潛姿態(tài)示意圖；
[0031 ]圖6為本發(fā)明快速巡游姿態(tài)側視示意圖；
[0032]圖7為本發(fā)明快速巡游姿態(tài)俯視示意圖；
[0033]圖8為本發(fā)明慢速巡游姿態(tài)示意圖；
[0034]圖9為本發(fā)明落底姿態(tài)示意圖；
[0035]圖10為本發(fā)明抗洋流姿態(tài)示意圖；
[0036]圖11為本發(fā)明起底姿態(tài)不意圖；
[0037]圖12為本發(fā)明上浮姿態(tài)示意圖。
【具體實施方式】
[0038]實施例1，參見附圖1-3，一種深海無人潛航器，它包括:潛航器主體1、推進模塊2、前機械臂3以及后機械臂4;
[0039]可調浮力的潛航器主體I包括:位于前部的前透水艙11、位于中部的耐壓艙12和以及位于后部的后透水艙13;前透水艙11內(nèi)配置負載模塊111和前壓載水艙112;耐壓艙12內(nèi)配置能源模塊121、控制模塊122、通信模塊123、導航模塊124，耐壓艙12外部配置有深度探測模塊125;后透水艙13內(nèi)配置后壓載水艙131;前透水艙11與后透水艙13通過注水、排水對深海無人潛航器進行姿態(tài)調節(jié)。
[0040]推進模塊2布置在潛航器主體I的尾部，提供深海無人潛航器的動力；
[0041]至少一組的前機械臂3以及后機械臂4布置在潛航器主體I的殼體外部，每組數(shù)量為兩個，左右對稱;每個前機械臂3至少具備水平旋轉、上下擺動兩個方向的自由度，每個后機械臂4至少具備上下擺動一個方向的自由度。每個前機械臂3至少包括:前水密旋轉電機31、前水密擺動電機32和前翼33。前翼33與前透水艙11連接，由前水密旋轉電機31驅動繞前透水艙11旋轉，由前水密擺動電機32驅動擺動。每個后機械臂4至少包括:后水密旋轉電機41、和尾翼42。尾翼42與后透水艙13連接，由后水密旋轉電機41驅動繞后透水艙13旋轉。
[0042]可調浮力的潛航器主體I配置至少一個機械手14，位于可調浮力的潛航器主體I夕卜殼底部，以滿足海底作業(yè)的需要。
[0043]實施例2:參見附圖4?圖12，一種深海無人潛航器的使用方法，它使用如實施例1的深海無人潛航器，并包括以下步驟:
[0044]a)深海無人潛航器由工作船100攜帶至深海海底任務點上方區(qū)域，采用工作船100上的起重機101下放；
[0045]b)能源模塊121為無人潛航器的電子設備提供能源;通信模塊123與工作船100實時通訊，導航模塊124為無人潛航器提供航路信息?？刂颇K122控制前壓載水艙112注滿水，后壓載水艙131排空，此時深海無人潛航器頭部朝下，無人潛航器處于下潛姿態(tài)(參見附圖5)，S卩:可調浮力的潛航器主體I頭部豎直向下，至少兩個前機械臂3和兩個后機械臂4處于完全收攏狀態(tài)。深海無人潛航器依靠負浮力和推進模塊2的推力快速下潛。
[0046]c)經(jīng)深度探測模塊125探測，下潛到一定深度后逐步將前壓載水艙112的水排入后壓載水艙131或外部，使深海無人潛航器水平平衡，同時處于零浮力狀態(tài)。
[0047]d)根據(jù)實際需要，深海無人潛航器調整為快速巡游姿態(tài)(參見附圖6和圖7)，S卩:可調浮力的潛航器主體I水平，前機械臂3中的前翼33處于水平且完全張開狀態(tài)，作為水平翼；后機械臂4中的尾翼42處于豎直向上狀態(tài)，作為垂直翼，通過推進模塊2中的水下推進器21實現(xiàn)快速巡游;或深海無人潛航器調整為慢速巡游姿態(tài)(參見附圖8)，S卩:可調浮力的潛航器主體I水平，至少兩個前機械臂3和兩個后機械臂4處于完全收攏狀態(tài)，通過至少兩個前機械臂3和兩個后機械臂4擺動實現(xiàn)慢速巡游。通過增加或減少前壓載水艙112和后壓載水艙131注水量實時調整上下運動方向，通過擺動至少兩個前機械臂3和兩個后機械臂4實時調整左右運動方向。
[0048]e)深海無人潛航器巡游至接近海底任務點上方水域，水下推進器21關閉，通過將后壓載水艙131水量注入到前壓載水艙112來使無人潛航器頭部斜向下，深海無人潛航器調整為落底姿態(tài)(參見附圖9)，S卩:可調浮力的潛航器主體I頭部斜向下，前機械臂3中的前翼33朝斜前方且處于張開狀態(tài)；后機械臂4中的尾翼42垂直于可調浮力的潛航器主體I，作為垂直翼。深海無人潛航器依靠慣性慢慢滑翔至海底任務點。
[0049]f)落底后，前壓載水艙112和后壓載水艙131注入水并平衡，保證無人潛航器為負浮力，利用負載模塊111或多功能機械手14開始作業(yè)。
[0050]g)在作業(yè)過程中如遇到較大洋流，深海無人潛航器可停止作業(yè)，將前壓載水艙112和后壓載水艙131注滿水，無人潛航器調整為抗洋流姿態(tài)(參見附圖10)，即:可調浮力的潛航器主體1、前機械臂3中的前翼33及后機械臂4中的尾翼42共同接觸海底，以抵抗洋流。
[0051]h)當前海底任務點作業(yè)完畢后，排除一定前壓載水艙112的注水，使無人潛航器頭部斜向上，深海無人潛航器調整為起底姿態(tài)(參見附圖11)，即:可調浮力的潛航器主體I頭部斜向上，前機械臂3中的前翼33朝斜前方且處于張開狀態(tài)；后機械臂4中的尾翼42朝斜后方且處于張開狀態(tài)。深海無人潛航器通過水下推進器21推力離開海底。
[0052]i)經(jīng)深度探測模塊125探測，上升到一定深度后逐步將后壓載水艙131的水排入前壓載水艙112或外部，使深海無人潛航器水平平衡，同時處于零浮力狀態(tài)；
[0053]j)重復步驟d)?i)，到達下一海底任務點；
[0054]k)所有任務完畢后，前壓載水艙112排空，后壓載水艙131保留一定量水，此時深海無人潛航器頭部朝上，無人潛航器調整為上浮姿態(tài)(參見附圖12)，即:可調浮力的潛航器主體I頭部豎直朝上，至少兩個前機械臂3和兩個后機械臂4處于完全收攏狀態(tài)。深海無人潛航器依靠正浮力和水下推進器21上升至海面，然后排空后壓載水艙的水;水下推進器21關閉，通過通信模塊123告知工作船100無人潛航器的位置。
[0055]I)工作船100航行至深海無人潛航器浮出海面的位置，利用起重機101將其回收。
【主權項】
1.一種深海無人潛航器，它包括:潛航器主體(I)、推進模塊(2)、前機械臂(3)以及后機械臂(4);其特征是: 所述可調浮力的潛航器主體(I)包括:位于前部的前透水艙(U)、位于中部的耐壓艙(12)和以及位于后部的后透水艙(13);所述前透水艙(11)與所述后透水艙(13)通過注水、排水對所述深海無人潛航器進行姿態(tài)調節(jié);所述耐壓艙(12)內(nèi)搭載功能模塊； 所述推進模塊(2)布置在所述潛航器主體(I)的尾部，提供所述深海無人潛航器的動力； 至少一組的所述前機械臂(3)以及所述后機械臂(4)布置在所述潛航器主體(I)的殼體外部，每組數(shù)量為兩個，左右對稱;每個所述前機械臂(3)具備水平旋轉、上下擺動兩個方向的自由度，每個所述后機械臂(4)具備上下擺動一個方向的自由度。2.如權利要求1所述的一種深海無人潛航器，其特征是:所述前透水艙(II)內(nèi)配置負載模塊(111)和前壓載水艙(112);所述耐壓艙(12)內(nèi)配置能源模塊(121)、控制模塊(122)、通信模塊(123)、導航模塊(124)，所述耐壓艙(12)外部配置有深度探測模塊(125);所述后透水艙(13)內(nèi)配置后壓載水艙(131)。3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種深海無人潛航器，其特征是:所述可調浮力的潛航器主體(I)配置至少一個機械手(14)，位于可調浮力的潛航器主體(I)外殼底部，以滿足海底作業(yè)的需要。4.一種深海無人潛航器的使用方法，它使用如權利要求2所述的深海無人潛航器，其特征是:包括以下步驟: a)將所述深海無人潛航器下放至海中； b)所述控制模塊(122)控制所述前壓載水艙(112)注滿水，并排空后壓載水艙(131)，此時所述深海無人潛航器頭部朝下處于下潛姿態(tài)，依靠負浮力和所述推進模塊(2)的推力實現(xiàn)下潛； c)經(jīng)所述深度探測模塊(125)探測，所述深海無人潛航器下潛到一定深度后，所述控制模塊(122)逐步將所述前壓載水艙(112)的水排入所述后壓載水艙(131)或外部，使所述深海無人潛航器保持水平平衡，處于零浮力狀態(tài)； d)根據(jù)實際需要，所述深海無人潛航器通過所述推進模塊(2)實現(xiàn)快速巡游;或所述深海無人潛航器通過所述前機械臂(3)和所述后機械臂(4)的擺動實現(xiàn)慢速巡游；同時，通過增加或減少所述前壓載水艙(112)和所述后壓載水艙(131)內(nèi)的注水量實時調整上下運動方向，通過擺動所述前機械臂(3)和所述后機械臂(4)實時調整左右運動方向； e)所述深海無人潛航器巡游至接近海底任務點上方水域，關閉所述推進模塊(2)，通過將所述后壓載水艙(131)水量注入到所述前壓載水艙(112)來使所述深海無人潛航器頭部斜向下，調整為落底姿態(tài)，所述深海無人潛航器依靠慣性滑翔至海底任務點； f)落底后，所述前壓載水艙(112)和所述后壓載水艙(131)注入水并平衡，保證所述深海無人潛航器為負浮力，利用所述負載模塊(111)或所述機械手(14)開始作業(yè)； g)在作業(yè)過程中如遇到較大洋流，所述深海無人潛航器停止作業(yè)，將所述前壓載水艙(112)和所述后壓載水艙(131)注滿水，將所述深海無人潛航器調整為抗洋流姿態(tài)，以抵抗該洋流； h)完成當前海底任務點作業(yè)，所述控制模塊(122)排除一定所述前壓載水艙(112)內(nèi)的注水，使所述深海無人潛航器的頭部斜向上，調整為起底姿態(tài)，并通過所述推進模塊(2)的推力令所述深海無人潛航器離開海底； i)經(jīng)所述深度探測模塊(125)探測，上升到一定深度后，所述控制模塊(122)逐步將所述后壓載水艙(131)的水排入所述前壓載水艙(112)或外部，使所述深海無人潛航器保持水平平衡，同時處于零浮力狀態(tài)； j)重復步驟d)?i)，到達下一海底任務點； k)所有任務完畢后，所述控制模塊(122)排空前壓載水艙(112)內(nèi)的注水，保留所述后壓載水艙(131)內(nèi)一定量的注水，令所述深海無人潛航器頭部朝上調整為上浮姿態(tài)，所述深海無人潛航器依靠正浮力和所述推進模塊(2)的推力上升至海面，然后排空所述后壓載水艙(131)內(nèi)的注水;所述推進模塊(2)關閉，通信模塊(123)上報位置信息； I)將所述深海無人潛航器進行回收。5.根據(jù)權利要求4所述的一種深海無人潛航器的使用方法，其特征是: 在b)步驟中，所述前機械臂(3)和所述后機械臂(4)處于完全并攏狀態(tài)，以減少下潛阻力。6.根據(jù)權利要求4所述的一種深海無人潛航器的使用方法，其特征是:在d)步驟中，所述深海無人潛航器的快速巡游時:所述前機械臂(3))處于水平且完全張開狀態(tài)，作為水平翼;所述后機械臂(4)處于豎直向上狀態(tài)，作為垂直翼，以提高快速巡游穩(wěn)定性。7.根據(jù)權利要求4所述的一種深海無人潛航器的使用方法，其特征是: 在d)步驟中，深海無人潛航器的慢速巡游時，所述前機械臂(3)和所述后機械臂(4)處于完全收攏狀態(tài)。8.根據(jù)權利要求4所述的一種深海無人潛航器的使用方法，其特征是: 在e)步驟中，所述前機械臂(3)朝斜前方且處于張開狀態(tài)，以減弱落底沖擊;所述后機械臂(4)處于豎直向上狀態(tài)，作為垂直翼，以提高落底平穩(wěn)性。9.根據(jù)權利要求4所述的一種深海無人潛航器的使用方法，其特征是: 在g)步驟中，所述潛航器主體(I)、前機械臂(3)以及所述后機械臂(4)共同接觸海底。10.根據(jù)權利要求4所述的一種深海無人潛航器的使用方法，其特征是: 在h)步驟中，所述前機械臂(3)朝斜前方且處于張開狀態(tài);所述后機械臂(4)朝斜后方且處于張開狀態(tài)，以便于所述水下推進器(21)斜向上推進所述深海無人潛航器快速離開海底。11.根據(jù)權利要求4所述的一種深海無人潛航器的使用方法，其特征是: 在k)步驟中，所述前機械臂(3)和所述后機械臂(4)處于完全并攏狀態(tài)，以減少上浮阻力。
【文檔編號】B63C11/52GK106043632SQ201610525632
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月6日
【發(fā)明人】吳濤, 陳虹, 王磊, 龐杰, 肖國林, 張安付, 聞心怡
【申請人】中國船舶重工集團公司第七〇九研究所, 中國船舶重工集團公司第七一九研究所