一种无动力深海无人运载器

技术领域

本发明属于海洋机器人领域，具体地说是一种无动力深海无人运载器，能够在深海环境中长期驻留和运载任务载荷无动力快速上浮。

背景技术

海底无人驻留系统是一种全新的智能海上装备，系统能够搭载多种类型任务载荷，长期处于超深海高压环境。由于任务载荷本身无法承受深海压力，因此，运载器应搭载任务载荷，并为其提供常压的密封储存环境；当有任务需要时，运载器应能快速响应，运载相应任务载荷到达目标区域执行任务。为实现任务载荷的长期储存和快速响应运载，深海运载器应具有以下特点：深海耐压强度高、上浮速度快、姿态稳定性好、系统可靠性高、可长时间驻留，且能满足载荷弹射条件。

从海洋机器人操纵方式和使用模式来看，传统水下机器人采用有动力推进方式，并且仅能以有限纵倾角实现上浮或下潜，无法实现垂直上浮；因此，垂向绝对速度较小，任务响应时间过长，降低了系统的作战效能。这种传统水下机器人动力与推进系统复杂，动力及能源系统占据载体较大空间和重量，导致负载能力很小。推进器等设备在深海长时间驻留后存在设备腐蚀、海生物附着等现象，很难满足应急时的可靠性要求。

另一方面，无人机等任务载荷模块对运载器在水面的运动姿态、后坐力、弹射角度均有严格要求。传统水下机器人在水面状态时稳心高和运动阻尼很小，耐波性很差，且无法提供足够的弹射后坐力，不适合作为海底无人驻留系统任务载荷的运载器。因此，需要设计一种能够深海长期驻留、上浮速度快、姿态稳定、可靠性高的深海运载器。

发明内容

针对现有运载器存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种无动力深海无人运载器。该无动力深海无人运载器属于无动力型深海海洋机器人，可实现从深海至水面的快速上浮运动。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括依次连接的载荷与控制导航段、水面减摇段及艉段，其中载荷与控制导航段包括艏钛合金端盖、耐压舱、艉钛合金端盖、无人机载荷模块、气动开门机构及控制、导航、能源设备，所述艏钛合金端盖与耐压舱的艏端密封插接，所述耐压舱的艉端与艉钛合金端盖密封连接，所述无人机载荷模块、气动开门机构及控制、导航、能源设备均容置于艏钛合金端盖、耐压舱及艉钛合金端盖形成的深海常压环境内，所述艏钛合金端盖在运载器到达水面后通过气动开门机构弹开，所述无人机载荷模块由耐压舱内弹射起飞；所述水面减摇段及艉段均为开放式框架结构，并分别设有浮力材，所述水面减摇段上沿周向均匀铰接有多个阻尼板，各所述阻尼板通过导杆机构与安装于水面减摇段框架内的水密电机连接，通过所述水密电机驱动各阻尼板展开或折叠；所述艉段上沿周向均匀设置有多个用于实现运载器上浮姿态稳定的稳定翼。

其中：所述艏钛合金端盖外罩有艏导流罩，所述艏导流罩、载荷与控制导航段、水面减摇段及艉段均为回转体构型，整体为流线型，所述运载器的重心位于浮心轴向正下方。

所述气动开门机构包括气密法兰、电磁控制阀及高压气瓶，所述无人机载荷模块与耐压舱之间设有与耐压舱密封连接的气密法兰，所述气密法兰上安装有位于无人机载荷模块外部的高压气瓶，所述高压气瓶上设有控制开关的电磁控制阀，所述电磁控制阀与控制、导航、能源设备相连；所述电磁控制阀在运载器上浮至水面后将高压气瓶内的压缩空气释放至气密法兰外侧与艏钛合金端盖内侧之间的密闭空间。

所述耐压舱内设有支撑法兰，所述无人机载荷模块通过支撑法兰及气密法兰与耐压舱同轴设置。

所述控制、导航、能源设备安装在结构框架上，所述结构框架与耐压舱内壁之间为抽拉式结构；所述控制、导航、能源设备包括电池组管理单元、控制计算机、电池组、滤波器、漏水传感器、姿态传感器、电机控制器及网络交换机，所述控制计算机分别与电池组管理单元、电池组、滤波器、漏水传感器、姿态传感器、电机控制器及网络交换机相连，所述电池组管理单元与电池组相连，所述电池组为控制计算机、电机控制器供电。

所述导杆机构包括丝杠、滑台及拉杆，所述丝杠转动安装于水面减摇段的框架上、并与所述水密电机的输出端相连，所述丝杠上螺纹连接有滑台，各所述阻尼板分别与水面减摇段的框架铰接，每个所述阻尼板与滑台之间均设有拉杆，所述拉杆的两端分别与阻尼板和滑台铰接。

所述丝杠外围沿周向均布有多根导向光轴，每根所述导向光轴均固接于水面减摇段的框架上，并由所述滑台穿过，所述滑台与导向光轴之间相对滑动。

所述水面减摇段的框架上还安装有充油补偿器，所述充油补偿器持续通过油管向水密电机的密封舱内充油，保持所述水密电机密封舱内外压力均衡。

所述艉段的框架上分别安装有固定环及深度计，所述固定环与海底无人驻留系统本体固接，所述深度计与控制、导航、能源设备相连。

所述稳定翼为多个，沿所述艉段周向均布，至少一个所述稳定翼上安装有用于实现运载器与海底无人驻留系统本体信息交互的水下无线网桥，所述水下无线网桥与控制、导航、能源设备相连。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明折叠式阻尼板与运载器共形设计，在深海上浮过程中阻尼板处于折叠收起状态，不增加上浮阻力；在运载器到达水面前，阻尼板自动展开成预设角度，进行上浮末段减速，运载器出水姿态稳定，振荡小；到达水面后，展开的阻尼板可提供无人机载荷模块弹射瞬时所需的巨大后坐力。

2.本发明电磁控制阀、高压气瓶和气密法兰形成的气动开门机构处于耐压舱内的常压密闭环境，避免了长时间驻留时海水腐蚀、海生物附着等对设备功能产生影响。

3.本发明水面展开的阻尼板增加摇荡运动阻尼，实现水面减摇；气密法兰与耐压舱之间为水密结构，无人机载荷模块中弹射筒前端采用水密设计，保证运载器开盖后不进水；因此，运载器的海况适应性很好。

4.本发明采用碳纤维复合材料制成的耐压舱和深海浮力材组合的结构形式，重容比小，可产生较大正浮力，无推进动力，实现无动力快速上浮，系统组成简单、可靠性高，可在深海环境中长期驻留。

5.本发明运载器的重心位于浮心轴向正下方，运载器以90度纵倾角的竖直状态，在垂直深度剖面实现上浮运动，轴向速度无损失，垂向上浮速度快，任务响应度高。

6.本发明控制、导航、能源设备，基于深度计感知信息，作为垂直剖面运动的输入信息，实现阻尼板驱动展开控制和前端盖的开启控制。

7.本发明通过水下无线网桥与海底无人驻留系统本体进行信息交互，避免了有线通信方式下运载器上浮时切割线缆的复杂流程。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明阻尼板处于展开状态的结构主视图；

图3为本发明的结构左视图；

图4为本发明的结构右视图；

图5为本发明的内部结构示意图；

图6为本发明载荷与控制导航段的内部结构示意图；

图7为本发明水面减摇段的内部结构示意图；

图8为本发明阻尼板处于折叠状态的结构主视图；

其中：1为艏导流罩，2为载荷与控制导航段，3为阻尼板，4为水面减摇段，5为稳定翼，6为深海共形浮力材，7为固定环，8为水下无线网桥，9为艉段，10为拉杆，11为艏钛合金端盖，12为耐压舱，13为无人机载荷模块，14为支撑法兰，15为电池组管理单元，16为控制计算机，17为气密法兰，18为电磁控制阀，19为高压气瓶，20为电池组，21为滑轨，22为滤波器，23为漏水传感器，24为深海填充浮力材，25为深度计，26为姿态传感器，27为电机控制器，28为网络交换机，29为艉钛合金端盖，30为滑台，31为丝杠，32为电机，33为导向光轴，34为充油补偿器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～8所示，本发明包括依次连接的载荷与控制导航段2、水面减摇段4及艉段9，其中载荷与控制导航段2采用深海耐压舱结构，水面减摇段4及艉段9采用开放式框架结构。

本实施例的载荷与控制导航段2包括艏钛合金端盖11、耐压舱12、艉钛合金端盖29、无人机载荷模块13、气动开门机构及控制、导航、能源设备，艏钛合金端盖11与耐压舱12的艏端密封插接，耐压舱12的艉端与艉钛合金端盖29密封连接，无人机载荷模块13、气动开门机构及控制、导航、能源设备均容置于艏钛合金端盖11、耐压舱12及艉钛合金端盖29形成的深海常压环境内，保证无人机载荷模块13处于常压密封的工作环境，可在深海长期储存和工作；艏钛合金端盖11在运载器到达水面后通过气动开门机构弹开，无人机载荷模块由耐压舱12内弹射起飞。本实施例的耐压舱12采用碳纤维复合材料，并设有加强筋，在满足深海耐压和搭载能力条件下，运载器的重容比小，可提供所需正浮力，无推进动力，依靠正浮力实现在深海垂直深度剖面的快速上浮运动；相比于有动力推进，结构形式简单，可靠性更高，上浮速度快。水面减摇段4及艉段9均为开放式框架结构，并分别设有浮力材；水面减摇段4上沿周向均匀铰接有多个阻尼板3，各阻尼板3通过导杆机构与安装于水面减摇段4框架内的水密电机32连接，通过水密电机32驱动各阻尼板3展开或折叠。艉段9上沿周向均匀设置有多个稳定翼5，用于实现运载器上浮姿态的稳定。

本实施例的艏钛合金端盖11外罩有艏导流罩1，艏导流罩1与艏钛合金端盖11通过螺钉连接成一体，艏导流罩1、载荷与控制导航段2、水面减摇段4及艉段9均为回转体构型，整体为流线型，上浮阻力性能优良。运载器的重心位于浮心轴向正下方。

本实施例的气动开门机构包括气密法兰17、电磁控制阀18及高压气瓶19，无人机载荷模块13与耐压舱12内壁之间设有气密法兰17，气密法兰17通过密封圈与耐压舱12的内壁密封连接；耐压舱12内设有支撑法兰14，无人机载荷模块13通过支撑法兰14及气密法兰17与耐压舱12同轴固定，由于无人机载荷模块13中弹射筒较长，底部安装悬臂梁较长，受力状态较差，因此在弹射筒的前端设置气密法兰17，无人机弹射瞬间产生的冲击力可经由支撑法兰14及气密法兰17传递至耐压舱12和整个运载器上，满足无人机弹射时冲击载荷的要求。

气密法兰17上安装有位于无人机载荷模块13外部的高压气瓶19，本实施例的高压气瓶19为多个，沿无人机载荷模块13周向均布，高压气瓶19的气压可达30MPa；每个高压气瓶19上均设有控制开关的电磁控制阀18，当运载器上浮至水面后，电磁控制阀18将高压气瓶19内的压缩空气释放，充满气密法兰17外侧与艏钛合金端盖11内侧之间的密闭空间，当气密压力达到设定数值时，运载器艏端的艏导流罩1及艏钛合金端盖11在高压气体的作用下脱落，进而无人机载荷模块13实现弹射起飞。气密法兰17、电磁控制阀18及高压气瓶19形成的气动开门机构处于耐压舱12内部的常压密闭环境，避免了长期驻留时海水腐蚀、海生物附着等对设备功能产生影响，可满足深海长期驻留工作的需要。

本实施例的控制、导航、能源设备安装在结构框架上，结构框架与耐压舱12内壁之间采用抽拉式结构，即耐压舱12的内壁上固定有滑轨21，结构框架通过滑块与滑轨21配合并固定，实现控制、导航、能源设备的快速安装与拆卸，电路及控制器连接电缆通过电缆夹固定在结构框架上，穿舱电缆通过水密电连接器与外部设备进行供电和通信。本实施例的控制、导航、能源设备包括电池组管理单元15、控制计算机16、电池组20、滤波器22、漏水传感器23、姿态传感器26、电机控制器27及网络交换机28，控制计算机16分别与电池组管理单元15、电池组20、滤波器22、漏水传感器23、姿态传感器26、电机控制器27及网络交换机28相连，电池组管理单元15与电池组20相连，电池组20为控制计算机16、电机控制器27供电。气动开门机构中的电磁控制阀18、水面减摇段4的框架内的水密电机32也分别与控制计算机16相连。

本实施例的水面减摇段4为透水舱段，水面减摇段4的框架内的浮力材为深海填充浮力材24。本实施例的导杆机构包括丝杠31、滑台30及拉杆10，丝杠31转动安装于水面减摇段4的框架上、并通过减速机与水密电机32的输出端相连，丝杠31上螺纹连接有滑台30，各阻尼板3分别与水面减摇段4的框架铰接，每个阻尼板3与滑台30之间均设有拉杆10，拉杆10的两端分别与阻尼板3和滑台30铰接。水密电机32通过减速机带动丝杠31旋转，丝杠31通过螺纹传动带动滑台30沿丝杠31的轴向移动，再通过拉杆10带动阻尼板3围绕水面减摇段4的框架上的铰链转动，进而实现折叠和展开。在丝杠31外围沿周向均布有多根导向光轴33，每根导向光轴33均固接于水面减摇段4的框架上，并由滑台30穿过，滑台30与导向光轴33之间相对滑动，导向光轴33实现对滑台30周向限位，保证滑台30只沿丝杠31的轴向运动。本实施例在水面减摇段4的框架上还安装有充油补偿器34，充油补偿器34持续通过油管向水密电机32的密封舱内充油，保持水密电机32密封舱内外压力均衡。本实施例折叠式的阻尼板3在上浮过程中可进行折叠和展开，展开后阻尼板3可起到水下上浮末段减速、出水稳定减缓振荡、水面状态减摇、提供弹射后坐力等作用，进而提供了满足无人机载荷模块13弹射条件的平台状态。

本实施例的艉段9为透水舱段，艉段9的框架为铝合金框架，艉段9的浮力材为深海共形浮力材6；艉段9的框架上分别安装有固定环7及深度计25，固定环7与海底无人驻留系统本体固接，深度计25与控制计算机16相连。深度计25采集水深信息，作为控制计算机16输入信息，感知运载器所处的深度剖面；当深度计25判定运载器上浮至预设深度时，控制计算机16控制水密电机32工作，操纵水面减摇段4的各个阻尼板3展开成预设角度，进行减速；进一步，当深度计25判定运载器已经到达水面后，控制计算机16发送开盖指令，载荷与控制导航段2的艏钛合金端盖11及艏导流罩1开启。稳定翼5为多个，沿艉段9周向均布；本实施例的稳定翼5为四个、呈十字形对称安装在艉段9的框架上，保持上浮过程中姿态稳定。至少一个稳定翼5的外端部安装有水下无线网桥8，其余没有安装水下无线网桥8的稳定翼5的外端部设有与水下无线网桥8形状相同的仿形附体；水下无线网桥8用于接收海底无人驻留系统本体的指令，实现运载器与海底无人驻留系统本体信息交互，水下无线网桥8与网络交换机28相连。

本发明的工作原理为：

首先运载器长期搭载于海底无人驻留系统本体。当有任务需求时，海底无人驻留系统通过水下无线网桥8向运载器发送上浮指令，并通过固定环7释放运载器；运载器解锁后依靠正浮力快速上浮，上浮水深到达预设值时，运载器激活无人机载荷模块13，完成上电。当运载器继续上浮至距离水面设定深度，由深度计25感知的深度信息解算出水时刻，控制计算机16发送指令，水密电机32驱动滑台30移动，进而通过拉杆10驱动各阻尼板3以预设的速度展开成设定角度，展开的阻尼板3能够实现运载器上浮末段减速，保证稳定上浮出水面，减小运载器在水面垂荡运动的幅值和衰减时间，提高无人机载荷模块13对任务的响应能力。运载器通过深度计25感知信息判定已经到达水面后，展开的阻尼板3主要提供两个功能，一方面可在无人机载荷模块13弹射时提供足够的后坐力，减小无人机载荷模块13弹射瞬时运载器的后移位移；另一方面在实际水面风、浪、流等环境载荷作用下，运载器会产生横摇、纵摇和垂荡运动，阻尼板3展开后能够增加运载器的运动阻尼，减小水面摇荡运动幅值，起到水面减摇稳定的作用。运载器到达水面后，电磁控制阀18开启，高压气瓶19释放高压气体，通过高压气体将艏导流罩1和艏钛合金端盖11组成的运载器前端盖弹开，控制计算机16与无人机载荷模块13进行通信，发送任务指令，进而无人机载荷模块13实现快速弹射起飞，执行使命任务。

本发明通过深海耐压结构形式和材料的优化，实现了大正浮力设计，运载器依靠大正浮力实现垂直深度剖面快速上浮运动，轴向速度无损失，可快速运载无人机载荷模块至指定深度或水面，响应速度快、负载能力强，且系统组成简单、可靠性高，适合海底无人驻留系统长期驻留使用。