本發(fā)明屬于水下機器人技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種長期定點垂直剖面觀測型水下機器人。能夠遠距離航行到目標(biāo)海域?qū)崿F(xiàn)對海洋水文數(shù)據(jù)的垂直剖面進行長期(不小于30天)定點連續(xù)觀測。

背景技術(shù)：
對海洋環(huán)境的定點連續(xù)觀測是人們認識海洋的重要手段。隨著科技的不斷發(fā)展，海洋觀測設(shè)備在種類、功能和性能等方面都取得了進步。功能全面、性能可靠、經(jīng)濟效益高是科研人員對海洋觀測平臺的強烈要求。按觀測方式可以將海洋觀測分為定點觀測和走航式觀測。定點觀測平臺包括可實現(xiàn)海洋表面或海水中觀測的浮標(biāo)或潛標(biāo)，可實現(xiàn)定點垂直剖面觀測的沿系留纜垂直上下運動的系留式升降平臺，可實現(xiàn)海底定點觀測的海床基等。這類觀測平臺只能獲得海洋中某一點的信息，不能獲得連續(xù)海洋空間環(huán)境信息。要獲得大面積海域信息就必須布放多個觀測平臺進行連續(xù)長時間工作。平臺的布放一般需要由船或飛機執(zhí)行，對布放載體要求高，經(jīng)濟性差。走航式觀測平臺能夠獲得某一海域內(nèi)海洋環(huán)境信息隨空間的連續(xù)變化情況，這類觀測平臺包括科考船、水下機器人、水下滑翔機、漂流浮標(biāo)、剖面漂流浮標(biāo)等。漂流浮標(biāo)和剖面漂流浮標(biāo)由于自身無動力，只能在海流的作用下運動，屬于隨動式的觀測平臺，目標(biāo)指向性很差?？瓶即ㄟ^搭載不同傳感器可以獲得某一海域海洋環(huán)境信息隨時間和空間變化情況，然而對于一些危險海域或敏感海域，科考船顯然不是很好的選擇，并且其經(jīng)濟性很差。水下滑翔機一般采用調(diào)節(jié)浮力的方式作為驅(qū)動動力，耗能低，航程長，可以進行大面積海域的觀測，布放經(jīng)濟性好，但是由于其只能以鋸齒形或螺旋線運動，其定點連續(xù)觀測能力很弱，抗流能力也不如采用推進器的水下機器人。傳統(tǒng)的水下機器人機動性能好，能夠完成大部分走航式觀測任務(wù)，然而由于其續(xù)航力弱，自持時間短，并且只能靠自身的航行來克服自身微正浮力實現(xiàn)定深或定高運動，無法對遠海海域定點剖面進行連續(xù)的長時間觀測。為完成遠海某一指定海域的長期觀測任務(wù)，獲得該海域某一固定點垂直剖面內(nèi)的海洋環(huán)境信息隨時間變化情況和整片海域海洋環(huán)境信息隨空間變化情況，需要設(shè)計一種航程長、自持時間久、機動性能好、具有自主升沉能力，兼具定點觀測和走航式觀測功能，并能夠按照指定路線和使命自主完成該海域的連續(xù)觀測任務(wù)的海洋觀測設(shè)備。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種長期定點垂直剖面觀測型水下機器人。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種長期定點垂直剖面觀測型水下機器人，包括依次連接的推進段、艉部浮力調(diào)節(jié)段、電池艙段、電子艙段、艏部浮力調(diào)節(jié)段及觀測載荷段，其中推進段和觀測載荷段采用開放式框架結(jié)構(gòu)，所述觀測載荷段搭載海洋水文數(shù)據(jù)觀測用的傳感設(shè)備，所述推進段上部設(shè)有衛(wèi)星天線，所述艉部浮力調(diào)節(jié)段、電池艙段、電子艙段及艏部浮力調(diào)節(jié)段設(shè)置于全密封耐壓艙內(nèi)，通過艏部浮力調(diào)節(jié)段和艉部浮力調(diào)節(jié)段雙向浮力調(diào)節(jié)，實現(xiàn)水下機器人運動姿態(tài)調(diào)整和定點懸停。所述艉部浮力調(diào)節(jié)段和艏部浮力調(diào)節(jié)段結(jié)構(gòu)相同，均包括液壓缸、海水調(diào)節(jié)缸及液壓系統(tǒng)，其中液壓缸的小活塞一側(cè)通過輸出桿與海水調(diào)節(jié)缸的大活塞連接，所述海水調(diào)節(jié)缸上設(shè)有與海水連通的出入水口，所述液壓缸與液壓系統(tǒng)連接，所述液壓系統(tǒng)驅(qū)動液壓缸的小活塞進行往復(fù)運動，并帶動海水調(diào)節(jié)缸的大活塞往復(fù)運動，從而使海水調(diào)節(jié)缸通過出入水口吸排海水，進而實現(xiàn)水下機器人浮力調(diào)節(jié)。所述液壓缸的小活塞另一側(cè)輸出桿的端部設(shè)有位移傳感器，所述艉部浮力調(diào)節(jié)段和艏部浮力調(diào)節(jié)段的全密封耐壓艙上均設(shè)有檢查蓋，所述艏部浮力調(diào)節(jié)段的前端設(shè)有前球殼，所述艉部浮力調(diào)節(jié)段的后端有后球殼。所述液壓系統(tǒng)包括直流電機、液壓泵、單向閥、溢流閥、換向閥、液控單向閥、單向調(diào)速閥及壓力傳感器，其中液壓泵為兩臺、并分別與一個直流電機連接，兩臺液壓泵并聯(lián)后通過吸水供油管路和排水供油管路分別與液壓缸的兩端腔室連接，所述吸水供油管路和排水供油管路上均設(shè)有液控單向閥和換向閥，所述單向調(diào)速閥設(shè)置于吸水供油管路上，兩臺液壓泵的輸出端均設(shè)有一個單向閥，兩臺液壓泵通過回油管路和溢流閥與油箱連接，所述壓力傳感器設(shè)置于兩臺液壓泵并聯(lián)后的供油管路上，用于檢測液壓系統(tǒng)的總供油壓力。所述觀測載荷段搭載的海洋水文數(shù)據(jù)觀測用的傳感設(shè)備包括聲學(xué)流速剖面儀、溫鹽深傳感器、葉綠素傳感器、溶解氧傳感器及濁度計，所述觀測載荷段還安裝有艏部牽引環(huán)、應(yīng)急拋載裝置及用于自動回收的拋繩器，其中艏部牽引環(huán)和應(yīng)急拋載裝置分別設(shè)置于觀測載荷段的前端及底部，所述觀測載荷段的開放式框架結(jié)構(gòu)內(nèi)填充有浮力材料。所述電子艙段內(nèi)安裝有控制計算機及控制模塊，所述電子艙段的前端安裝有進水自沉裝置，在水下機器人無法回收時啟動進水自沉裝置，全密封耐壓艙內(nèi)進水自毀下沉。所述進水自沉裝置為火工品。所述電池艙段裝載電池組、電池管理單元和電源模塊，其中電池組懸掛在全密封耐壓艙內(nèi)部左右兩側(cè)的滑軌上。所述的推進段包括開放式框架及安裝在開放式框架上的浮力材料、推進器、電機驅(qū)動單元、升降舵、方向舵、應(yīng)急拋載裝置及水聲通信機，其中升降舵水平設(shè)置，所述方向舵與升降舵垂直交叉設(shè)置，所述升降舵和方向舵與電機驅(qū)動單元連接，所述推進器和應(yīng)急拋載裝置分別設(shè)置于開放式框架的尾部和底部，所述開放式框架的空隙內(nèi)填充有浮力材料。所述應(yīng)急拋載裝置包括兩塊電磁鐵和一塊壓鐵，其中兩塊電磁鐵通電產(chǎn)生磁性，兩塊電磁鐵通過磁性力吸引壓鐵，使水下機器人產(chǎn)生零浮力，使水下機器人在水下正常工作；當(dāng)水下機器人出現(xiàn)緊急狀況時，使兩塊電磁鐵失電，電磁鐵磁性消失，壓鐵通過重力作用下沉，水下機器人產(chǎn)生正浮力浮至水面。本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果是：1.本發(fā)明能夠?qū)χ付êＳ虻暮Ｑ笏臄?shù)據(jù)進行長期定點垂直剖面觀測，獲取指定海域的第一手海洋環(huán)境信息，具有重要的科學(xué)意義。2.本發(fā)明通過艏艉兩部浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)實現(xiàn)垂直升沉，突破了常規(guī)水下機器人只能執(zhí)行固定深度走航觀測的限制。3.本發(fā)明將水下平臺技術(shù)和海洋科學(xué)研究需求緊密結(jié)合，可顯著提升我國自主海洋探測裝備的能力和水平。4.本發(fā)明采用分段式模塊化設(shè)計，多個水下機器人的不同分段可以通用，有利于系統(tǒng)的維護和保障。5.本發(fā)明具有高精度可重復(fù)雙向浮力調(diào)節(jié)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)水下機器人的自主均衡和定點懸停。6.本發(fā)明外殼直徑為534mm，是重型魚雷的常用直徑，其結(jié)構(gòu)和工藝成熟度高，性能可靠。附圖說明圖1為本發(fā)明的軸測視圖；圖2為本發(fā)明的主視圖；圖3為本發(fā)明的前視圖；圖4為本發(fā)明的后視圖；圖5為本發(fā)明的透視圖；圖6為本發(fā)明的觀測載荷段透視圖；圖7為本發(fā)明的艏、艉部浮力調(diào)節(jié)段控制原理示意圖。其中：1為推進器，2為方向舵，3為衛(wèi)星天線，4為推進段，5為艉部浮力調(diào)節(jié)段，6為艉部檢查蓋，7為電池艙段，8為電子艙段，9為艏部檢查蓋，10為溫鹽深傳感器，11為艏部牽引環(huán)，12為觀測載荷段，13為聲學(xué)流速剖面儀，14為前球殼，15為艏部浮力調(diào)節(jié)段，16為后球殼，17為升降舵，18為電池組I，19為電池組II，20為控制計算機，21為葉綠素傳感器，22為溶解氧傳感器，23為濁度計，24為拋繩器，25為應(yīng)急拋載裝置，26為直流電機，27為液壓泵，28為單向閥，29為溢流閥，30為換向閥，31為液控單向閥，32為單向調(diào)速閥，33為壓力傳感器，34為位移傳感器，35為液壓缸，36為海水調(diào)節(jié)缸，37為出入水口。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。如圖1-6所示，本發(fā)明采用分段式模塊化設(shè)計，包括依次連接的推進段4、艉部浮力調(diào)節(jié)段5、電池艙段7、電子艙段8、艏部浮力調(diào)節(jié)段15及觀測載荷段12，其中推進段4和觀測載荷段12采用開放式框架結(jié)構(gòu)，所述觀測載荷段12搭載海洋水文數(shù)據(jù)觀測用的傳感設(shè)備，所述推進段4上部設(shè)有衛(wèi)星天線3。所述艉部浮力調(diào)節(jié)段5、電池艙段7、電子艙段8及艏部浮力調(diào)節(jié)段15設(shè)置于全密封耐壓艙內(nèi)，通過艏部浮力調(diào)節(jié)段15和艉部浮力調(diào)節(jié)段5雙向浮力調(diào)節(jié)，實現(xiàn)水下機器人運動姿態(tài)調(diào)整和定點懸停。各分段殼體結(jié)構(gòu)采用534mm標(biāo)準(zhǔn)系列，該直徑系列為重型魚雷常用口徑，其結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工工藝已經(jīng)非常成熟。六個分段之間采用重型魚雷的直螺栓連接結(jié)構(gòu)，其中觀測載荷段12和推進段4的開放式結(jié)構(gòu)內(nèi)安裝的設(shè)備采取充油補償?shù)拿芊夥绞?，全密封耐壓艙采取高強度鋁合金材料，通過O形密封圈密封，可以滿足最大工作深度1000m的技術(shù)要求。如圖7所示，所述艉部浮力調(diào)節(jié)段5和艏部浮力調(diào)節(jié)段15結(jié)構(gòu)相同，均包括液壓缸35、海水調(diào)節(jié)缸36及液壓系統(tǒng)，其中液壓缸35的小活塞一側(cè)通過輸出桿與海水調(diào)節(jié)缸36的大活塞剛性連接，所述海水調(diào)節(jié)缸36上設(shè)有與海水連通的出入水口37，所述液壓缸35與液壓系統(tǒng)連接。所述液壓系統(tǒng)驅(qū)動液壓缸35的小活塞進行往復(fù)運動，并帶動海水調(diào)節(jié)缸36的大活塞往復(fù)運動，從而使海水調(diào)節(jié)缸36通過出入水口37吸排海水，進而實現(xiàn)水下機器人浮力調(diào)節(jié)。所述液壓缸35的小活塞另一側(cè)輸出桿的端部設(shè)有位移傳感器34，所述艉部浮力調(diào)節(jié)段5和艏部浮力調(diào)節(jié)段15的全密封耐壓艙上分別設(shè)有艉部檢查蓋6和艏部檢查蓋9，方便對該段進行檢查和維護。所述艏部浮力調(diào)節(jié)段15的前端設(shè)有前球殼14，所述艉部浮力調(diào)節(jié)段5的后端有后球殼16，球型殼能夠提高殼體耐壓能力。所述液壓系統(tǒng)包括直流電機26、液壓泵27、單向閥28、溢流閥29、換向閥30、液控單向閥31、單向調(diào)速閥32及壓力傳感器33，其中液壓泵27為兩臺、并分別與一個直流電機26連接，兩臺液壓泵27并聯(lián)后通過吸水供油管路和排水供油管路分別與液壓缸35的兩端腔室連接，所述吸水供油管路和排水供油管路上均設(shè)有液控單向閥31和換向閥30，所述單向調(diào)速閥32設(shè)置于吸水供油管路上。兩臺液壓泵27的輸出端均設(shè)有一個單向閥28，兩臺液壓泵27通過回油管路和溢流閥29與油箱連接，所述壓力傳感器33設(shè)置于兩臺液壓泵27并聯(lián)后的供油管路上，用于檢測液壓系統(tǒng)的總供油壓力。兩臺液壓泵27中，一臺為高壓小流量，另一臺為低壓大流量。液壓系統(tǒng)啟動時，通過兩臺液壓泵27同時向液壓系統(tǒng)提供液壓油，提高響應(yīng)速度。隨著液壓系統(tǒng)壓力的升高，當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力超過低壓泵的工作壓力時，低壓泵停止工作，由高壓泵單獨向液壓系統(tǒng)提供高壓油，直到達到溢流閥29設(shè)定的系統(tǒng)壓力。液壓系統(tǒng)通過雙電機26分別驅(qū)動兩臺液壓泵27產(chǎn)生高壓液壓油，驅(qū)動液壓缸35的小活塞進行往復(fù)運動，從而帶動海水調(diào)節(jié)缸36的大活塞實現(xiàn)往復(fù)運動吸排海水，實現(xiàn)水下機器人浮力調(diào)節(jié)的作用。通過控制換向閥30調(diào)節(jié)小活塞的運動方向，實現(xiàn)浮力的雙向調(diào)節(jié)。位移傳感器34可精確檢測小活塞的行程，從而實現(xiàn)浮力調(diào)節(jié)量的精確檢測。因艏部浮力調(diào)節(jié)段15與艉部浮力調(diào)節(jié)段5的結(jié)構(gòu)相同，因此可互換。如圖6所示，所述觀測載荷段12搭載的海洋水文數(shù)據(jù)觀測用的傳感設(shè)備包括聲學(xué)流速剖面儀13、溫鹽深傳感器10、葉綠素傳感器21、溶解氧傳感器22及濁度計23，所述觀測載荷段12還安裝有艏部牽引環(huán)11、應(yīng)急拋載裝置25及用于自動回收的拋繩器24，其中艏部牽引環(huán)11和應(yīng)急拋載裝置25分別設(shè)置于觀測載荷段12的前端及底部，所述觀測載荷段12的開放式框架結(jié)構(gòu)內(nèi)填充有浮力材料。所述觀測載荷段12采用開放式框架填充浮力材料的結(jié)構(gòu)，各設(shè)備直接承受外部水壓。在對水下機器人進行回收時，回收人員在母船上遙控啟動拋繩器24拋出牽引繩，回收人員在母船上打撈起牽引繩，將水下機器人回收到母船上。在水下機器人出現(xiàn)故障無法浮至水面時，拋載裝置25拋棄壓鐵，水下機器人重力減小，靠自身浮力上浮至水面，然后通過衛(wèi)星天線和無線電天線告知母船其所在的位置，并開啟燈標(biāo)示位。如圖5所示，所述電子艙段8內(nèi)安裝有控制計算機20及其它控制模塊，包括光纖陀螺、電子羅盤、網(wǎng)絡(luò)交換機、慣性測量單元等。所述電子艙段8的前端安裝有進水自沉裝置，在無法回收水下機器人時，通過無線電或衛(wèi)星發(fā)送注水自沉指令，所述進水自沉裝置使全密封耐壓艙破損內(nèi)部進水，實現(xiàn)水下機器人自毀下沉。所述進水自沉裝置為火工品，所述控制計算機20及其它控制模塊均為現(xiàn)有技術(shù)。所述電池艙段7裝載電池組、電池管理單元和電源模塊，為水下機器人提供能源，包括24VDC、48VDC、150VDC等。電池組懸掛在全密封耐壓艙內(nèi)部左右兩側(cè)的滑軌上，拆除電子艙段8后通過在滑軌上推拉電池組實現(xiàn)電池組的快速安裝和拆卸。所述的推進段4包括開放式框架及安裝在開放式框架上的浮力材料、推進器1、電機驅(qū)動單元、升降舵17、方向舵2、應(yīng)急拋載裝置25及水聲通信機，其中升降舵17水平設(shè)置，所述方向舵2與升降舵17垂直交叉設(shè)置，所述升降舵17和方向舵2與電機驅(qū)動單元連接。升降舵17包括左升降舵和右升降舵，所述左升降舵和右升降舵由兩部舵機獨立控制，所述方向舵2為聯(lián)動舵，由一部舵機控制。舵機組件采用充油密封方式，驅(qū)動對應(yīng)舵板控制水下機器人姿態(tài)。所述推進器1和應(yīng)急拋載裝置25分別設(shè)置于開放式框架的尾部和底部，所述開放式框架的空隙內(nèi)填充有浮力材料。所述應(yīng)急拋載裝置25包括兩塊電磁鐵和一塊壓鐵，其中兩塊電磁鐵通電產(chǎn)生磁性，兩塊電磁鐵通過磁性力吸引壓鐵，使水下機器人產(chǎn)生零浮力，保證水下機器人在水下正常工作；當(dāng)水下機器人出現(xiàn)緊急狀況時，使兩塊電磁鐵失電，電磁鐵磁性消失，壓鐵通過重力作用下沉，水下機器人產(chǎn)生正浮力浮至水面。所述推進段4上穩(wěn)定翼前端最高處安裝有衛(wèi)星天線3，所述衛(wèi)星天線3包括GPS和銥星定位天線，以及其它實現(xiàn)通信功能的天線，實現(xiàn)水下機器人的水面通信和定位功能。同觀測載荷段12一樣，推進段4也安裝了應(yīng)急拋載裝置25，并在空隙部位安裝浮力材料提供浮力。推進器1為導(dǎo)管螺旋槳，該推進器1采用充油密封方式。本發(fā)明的工作過程是：首先長期觀測水下機器人從作業(yè)母船被吊放入水，在水下自主航渡到預(yù)定的觀測點(根據(jù)導(dǎo)航精度要求，中途可設(shè)定上浮點到水面接收衛(wèi)星校正)，在觀測點下潛到預(yù)定深度，通過艉部浮力調(diào)節(jié)段5和艏部浮力調(diào)節(jié)段15使水下機器人處于零剩余浮力狀態(tài)，水下機器人以最小功耗的休眠模式懸停漂浮在設(shè)定水深(比如700m)，該深度的水流速度較小，從而保證水下機器人在休眠期間的位置漂移不大。經(jīng)過設(shè)定時間的休眠后，水下機器人進入觀測作業(yè)模式，通過艉部浮力調(diào)節(jié)段5和艏部浮力調(diào)節(jié)段15的浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)使水下機器人產(chǎn)生正浮力，水下機器人根據(jù)上方海流分布情況自主規(guī)劃路徑螺旋式上浮，上浮期間觀測載荷段12開始工作，對相關(guān)海洋水文要素進行測量和記錄。上浮到海面后，通過銥星鏈路發(fā)送此次觀測數(shù)據(jù)。由于在上浮過程及發(fā)送數(shù)據(jù)過程中受海流作用，水下機器人可能偏離了原觀測點，若偏移距離超過預(yù)定誤差，水下機器人自主航渡回設(shè)定觀測點，然后重新調(diào)節(jié)浮力，使水下機器人系統(tǒng)變?yōu)樨摳×?，水下機器人調(diào)整航向并以滑翔方式下潛。下潛過程中，觀測載荷段12斷電停止工作。如此往復(fù)(每天可不小于4次，最長可連續(xù)工作30天)，直至長期定點觀測任務(wù)執(zhí)行完畢。完成整個觀測任務(wù)后，水下機器人自主航行到預(yù)定回收點，上浮并發(fā)送位置信息，等待回收。母船接近后，遙控啟動拋繩器24，回收人員撈起拋出的牽引繩后，將水下機器人起吊回收。除定點觀測外，長期觀測水下機器人也可用于執(zhí)行走航式觀測任務(wù)。除定點觀測外，長期觀測水下機器人也可用于執(zhí)行走航式觀測任務(wù)。本實施例中拋繩器24采用2013年7月3日公開的，公開號為103185484A，申請?zhí)枮?01110445814.2的中國發(fā)明專利申請“一種水下機器人回收自動拋繩器”。