本實用新型屬于海洋調(diào)查和監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及一種基于渦旋運動的碟形水下航行器。

背景技術(shù)：

自主水下航行器集傳感、通信、導(dǎo)航、控制、能源、推進等技術(shù)于一體，是近二十年來國際海洋工程領(lǐng)域發(fā)展的最尖端的技術(shù)之一，由于其低成本、機動能力強及高自治性的優(yōu)勢，近年來已成為海洋環(huán)境三維動態(tài)觀測的重要工具。

現(xiàn)有自主水下航行器通常有兩種典型運動形式：游行和爬行。游行的水下航行器大多是細長流線型，運動時處于中性浮力或微正浮力狀態(tài)，有的采用螺旋槳和控制舵分別進行驅(qū)動和姿態(tài)調(diào)整，如常規(guī)自主水下航行器，有的采用浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)和重心調(diào)節(jié)機構(gòu)(或尾舵)分別進行驅(qū)動和姿態(tài)調(diào)整，如水下滑翔機。游行的水下航行器能夠快速航行，但是運動控制靈敏性不高。爬行的水下航行器一般是仿生流線型，運動時處于負(fù)浮力狀態(tài)，采用多足仿生、電磁吸附或真空吸附的方式實現(xiàn)爬行運動，因為需要多個執(zhí)行機構(gòu)協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)爬行動作，因此爬行速度較低。現(xiàn)有自主水下航行器難以同時兼具高速、敏捷的游行和爬行運動能力，能夠提供的表面吸附能力有限且受應(yīng)用場合限制，因此不易執(zhí)行快速、準(zhǔn)確的目標(biāo)搜索及水下負(fù)載作業(yè)任務(wù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型旨在突破國內(nèi)現(xiàn)有潛水器設(shè)計理念、技術(shù)限制及運用方式，提出一種基于渦旋運動的碟形水下航行器。該航行器基于渦旋吸附機制并配合多個推進器的推進作用，不但兼具高速、敏捷的游行和爬行運動能力，而且還能實現(xiàn)牢靠的靜止保持及高效的全向運動。

本實用新型所采用的技術(shù)方案是：一種基于渦旋運動的碟形水下航行器，采用碟狀導(dǎo)流罩，碟狀導(dǎo)流罩的周向設(shè)有至少一個周向推進器，碟狀導(dǎo)流罩的垂向設(shè)有渦旋生成機構(gòu)和至少一個垂向推進器。

進一步地，所述渦旋生成機構(gòu)由半開放式杯狀外殼、葉輪及其驅(qū)動機構(gòu)組成，所述葉輪驅(qū)動機構(gòu)與半開放式杯狀外殼密封連接。

進一步地，所述葉輪采用S形葉片，S形葉片寬度由外向內(nèi)至軸心逐漸縮減；所述開放式杯狀外殼內(nèi)輪廓設(shè)有與葉輪的葉片相配合的流路。

進一步地，所述碟狀導(dǎo)流罩設(shè)有中部槽道，垂向推進器設(shè)置在中部槽道上部，渦旋生成機構(gòu)設(shè)置在中部槽道下部。

進一步地，所述周向推進器為三個或四個，沿碟狀導(dǎo)流罩周向均勻分布。

進一步地，至少一個周向推進器配有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)，用于改變周向推進器的推進方向，進行航行器俯仰姿態(tài)調(diào)節(jié)。

進一步地，該航行器還包括傳感探測系統(tǒng)，用于進行水下環(huán)境觀測和目標(biāo)探測。

進一步地，碟狀導(dǎo)流罩內(nèi)設(shè)有至少一個耐壓密封艙體，耐壓密封艙體內(nèi)設(shè)有電源模塊、導(dǎo)航通信模塊、系統(tǒng)控制模塊。

進一步地，該航行器還包括與碟狀導(dǎo)流罩可拆卸連接的中部托板，周向推進器、垂向推進器、渦旋生成機構(gòu)和耐壓密封艙體固定在中部托板上。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下有益效果：

本實用新型提出的水下航行器采用低阻力碟狀外形，不但有效降低航行器載體平面內(nèi)各個方向運動的阻力，并減少流場環(huán)境干擾利于實現(xiàn)靜止保持，而且為渦旋生成機構(gòu)提供恰當(dāng)?shù)某休d空間，還方便了多個推進器的布局。

本實用新型基于渦旋吸附機制，利用內(nèi)部葉輪旋轉(zhuǎn)在半開放杯狀殼體內(nèi)外產(chǎn)生壓差，獲得相對于吸附面的吸附效果，使得航行器能夠牢靠地吸附在物體表面。相較于電磁吸附和真空吸附，相同功耗下，渦旋吸附能力更強。因不需要直接接觸就可以實現(xiàn)吸附效果，渦旋吸附的應(yīng)用場合也更加廣泛。

在渦旋吸附力作用下，進一步配合周向推進器的推進作用，航行器能夠沿著吸附面進行快速敏捷的爬行運動。渦旋生成機構(gòu)停止工作時，在周向和垂向多推進器的協(xié)同推進作用下，航行器也能夠在水下三維空間內(nèi)完成快速靈敏的游行運動。

通過合理配置周向推進器的推進比率，航行器可以實現(xiàn)托板平面內(nèi)任意方向的敏捷運動控制，不需要借助轉(zhuǎn)彎運動就可直接實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。配合垂向推進器的推進作用，航行器能夠獲得前后、側(cè)向、上下及任意轉(zhuǎn)向的全向運動能力。

本實用新型提出一種基于渦旋吸附機制實現(xiàn)物體表面吸附的新技術(shù)，使得水下航行器具有牢靠的表面吸附能力，適用于水下負(fù)載作業(yè)場合；配合推進器的推進作用，航行器兼具爬行和游行全向運動能力，較現(xiàn)有爬行或游行水下航行器有航行速度快、運動控制敏捷的優(yōu)點。根據(jù)需要搭載探測傳感器和作業(yè)工具，可用于執(zhí)行水下工程檢測、應(yīng)急搜索及施工作業(yè)等任務(wù)。

附圖說明

圖1為本實用新型渦旋吸附原理示意圖；

圖2為本實用新型推進器布局方案示意圖，(a)為周向3個推進器，(b)為周向4個推進器，(c)為垂向1個推進器；

圖3為本實用新型碟形水下航行器結(jié)構(gòu)示意圖，(a)為等軸側(cè)圖，(b)為仰視圖，(c)為主視圖，(d)為俯視圖，(e)為內(nèi)部俯視圖，(f)為內(nèi)部仰視圖；

圖中，1為碟狀導(dǎo)流罩，2為周向推進器，3為垂向推進器，4為渦旋生成機構(gòu)，5為半開放式杯狀外殼，6為葉輪，7為葉輪驅(qū)動機構(gòu)，8為電池及電能管理艙，9為電池組，10為電能管理電路，11為導(dǎo)航通信艙，12為耐壓密封艙體端蓋，13為O形密封圈，14為耐壓密封艙體圓柱形筒體，15為電路支架，16為無線通信模塊，17為衛(wèi)星通信模塊，18為慣導(dǎo)模塊，19為GPS定位模塊，20為wifi模塊，21為電子羅盤，22為多普勒計程儀，23為深度傳感器，24為系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)采集艙，25為主控制電路，26為數(shù)據(jù)采集電路，27為水下攝像頭，28為水下燈，29為成像聲納，30為托板，31為推進器旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)，32為中部槽道，33為天線罩。

具體實施方式

下面對本實用新型的實施例作詳細說明：本實施例在以本實用新型技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的工作原理，但本實用新型的保護范圍不限于下述的實施例。

本實用新型提供的一種基于渦旋運動的碟形水下航行器，采用碟狀導(dǎo)流罩1，碟狀導(dǎo)流罩1的周向設(shè)有至少一個周向推進器2，碟狀導(dǎo)流罩1的垂向設(shè)有渦旋生成機構(gòu)4和至少一個垂向推進器3。

所述碟狀導(dǎo)流罩1，降低了航行器在碟狀導(dǎo)流罩水平面內(nèi)各個方向運動的阻力；

所述周向推進器2，用于驅(qū)動航行器在碟狀導(dǎo)流罩水平面內(nèi)的運動；

所述垂向推進器3，用于驅(qū)動航行器在碟狀導(dǎo)流罩垂直方向上的運動；

所述渦旋生成機構(gòu)4，基于渦旋吸附機制為航行器提供相對于吸附面的吸附力。

進一步地，所述渦旋生成機構(gòu)4由半開放式杯狀外殼5、葉輪6及其驅(qū)動機構(gòu)7組成，所述葉輪驅(qū)動機構(gòu)7與半開放式杯狀外殼5密封連接；如圖1所示，其中，F(xiàn)b：浮力；Fg：重力；Fa：推進力；Ff：摩擦力；Fv：吸附力。

進一步地，所述葉輪6采用S形葉片，S形葉片寬度由外向內(nèi)至軸心逐漸縮減；所述開放式杯狀外殼5內(nèi)輪廓設(shè)有與葉輪6的葉片相配合的流路，以提高葉輪的流場控制能力。

進一步地，如圖2中(c)所示所述碟狀導(dǎo)流罩1設(shè)有中部槽道32，垂向推進器3設(shè)置在中部槽道32上部，渦旋生成機構(gòu)4設(shè)置在中部槽道32下部。

進一步地，如圖2中(a)、(b)所示，所述周向推進器2為三個或四個，沿碟狀導(dǎo)流罩1周向均勻分布；通過設(shè)置周向推進器2間的推進比率，實現(xiàn)航行器在碟狀導(dǎo)流罩水平面內(nèi)任意方向的快速運動控制。

進一步地，至少一個周向推進器2配有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)31，用于改變周向推進器2的推進方向，進行航行器俯仰姿態(tài)調(diào)節(jié)。

進一步地，該航行器還包括傳感探測系統(tǒng)，用于進行水下環(huán)境觀測和目標(biāo)探測。

進一步地，碟狀導(dǎo)流罩1內(nèi)設(shè)有至少一個耐壓密封艙體，耐壓密封艙體內(nèi)設(shè)有電源模塊、導(dǎo)航通信模塊、系統(tǒng)控制模塊。

所述電源模塊為系統(tǒng)所有電子器件提供電能，并具備電能分配、監(jiān)測及保護功能；

所述導(dǎo)航通信模塊用于獲取航行器的位置、姿態(tài)、速度、加速度信息，并實現(xiàn)與岸基控制中心的通信；

所述系統(tǒng)控制模塊，負(fù)責(zé)與系統(tǒng)各外設(shè)的數(shù)據(jù)交互，對導(dǎo)航傳感器數(shù)據(jù)進行融合處理，進行航行器的運動控制，并實現(xiàn)對探測傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理及存儲，同時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)并完成異常情況處理。

進一步地，該航行器還包括與碟狀導(dǎo)流罩1可拆卸連接的中部托板30，周向推進器2、垂向推進器3、渦旋生成機構(gòu)4和耐壓密封艙體固定在中部托板30上。

實施例1

本實施例中，航行器采用一個周向推進器2，為了實現(xiàn)航行器載體平面內(nèi)的航向控制，還需要增加控制舵結(jié)構(gòu)。

實施例2

本實施例中，航行器采用兩個周向推進器2，可以實現(xiàn)航行器載體平面內(nèi)任意方向的運動控制，但運動控制靈敏性不及三個或四個周向推進器2的情形。

實施例3

本實施例中，航行器采用兩個或兩個以上垂向推進器3，分別置于碟狀導(dǎo)流罩1的頂部和底部，此時碟狀導(dǎo)流罩1不需要開設(shè)中部槽道32，航行器也可以實現(xiàn)上下方向的運動控制。

實施例4

本實施例中，航行器的碟狀導(dǎo)流罩1設(shè)有中部槽道32，中部槽道32內(nèi)置一個垂向推進器3，并采用沿碟狀導(dǎo)流罩1周向均勻分布的三個或四個周向推進器2，航行器能夠?qū)崿F(xiàn)前后、左右、上下及任意轉(zhuǎn)向的快速運動控制，四個周向推進器2的結(jié)構(gòu)相較于三個周向推進器2的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)運動控制更容易但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)略復(fù)雜。

實施例5

本實施例中，耐壓密封艙體具體包括：電池及電能管理艙8、導(dǎo)航通信艙11、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)采集艙24。三個耐壓密封艙體通過水密電纜進行連接，完成相互之間的電能和信號傳輸。

所述耐壓密封艙體由圓柱形筒體14和兩側(cè)端蓋12組成，兩側(cè)端蓋通過緊固件與圓柱形筒體固定連接，并通過O形圈13密封。

所述電池及電能管理艙8，內(nèi)置電池組9及電能管理電路10。

所述系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)采集艙24，內(nèi)置主控制電路25及數(shù)據(jù)采集電路26。

所述導(dǎo)航通信艙11，內(nèi)置GPS定位模塊19、慣導(dǎo)模塊18、電子羅盤21、深度傳感器23和各種通信終端，所述通信終端包括：wifi模塊20、無線通信模塊16、衛(wèi)星通信模塊17；外置的多普勒計程儀22通過水密電纜與導(dǎo)航通信艙11內(nèi)的慣導(dǎo)模塊18相連，或者通過水密電纜與系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)采集艙24的主控制電路25相連。其中：

-GPS定位模塊19，當(dāng)航行器位于水面時，用于獲得航行器的位置信息；

-慣導(dǎo)模塊18，用于獲得航行器的姿態(tài)和加速度信息，對加速度信息進行積分獲得航行器的速度和位置信息；

-電子羅盤21，用于獲得航行器的姿態(tài)信息；

-多普勒計程儀22，用于獲得航行器的速度信息及離底高度信息；

-深度傳感器23，用于獲得航行器的深度信息；

-wifi模塊20，用于岸基控制中心與航行器之間的近距離(50米以內(nèi))數(shù)據(jù)傳輸，如控制代碼下傳及采集數(shù)據(jù)上傳，傳輸速率最快；

-無線通信模塊16，用于岸基控制中心與航行器之間的中等距離(1000米以內(nèi))數(shù)據(jù)傳輸，如控制指令下傳及航行器運行狀態(tài)上報，傳輸速率介于wifi和衛(wèi)星通信之間；

-衛(wèi)星通信模塊17，用于岸基控制中心與航行器之間的遠距離(大于1000米)數(shù)據(jù)傳輸，如應(yīng)急處理指令下傳及航行器位置信息上報，傳輸速率最慢。

所述GPS定位模塊19和各種通信終端的天線密封在天線罩33內(nèi)，天線罩33固定在導(dǎo)航通信艙11的圓柱形筒體14上。

所述深度傳感器23固定在導(dǎo)航通信艙11的端蓋12上，所述多普勒計程儀22固定在托板30上。

所述耐壓密封艙體內(nèi)的電子器件通過電路支架15固定在耐壓密封艙體端蓋上。

實施例6

本實施例中，航行器的傳感探測系統(tǒng)可以為水下攝像頭27、水下燈28及成像聲納29，通過連接件固定在托板30上，并分別通過水密電纜與電池及電能管理艙8、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)采集艙24相連接。

本實用新型一種基于渦旋運動的碟形水下航行器工作原理為：

基于渦旋運動的碟形水下航行器利用渦旋生成機構(gòu)4的葉輪6旋轉(zhuǎn)在半開放杯狀殼體5內(nèi)外產(chǎn)生壓差，獲得相對于吸附面的吸附效果，使得航行器能夠牢靠地吸附在物體表面，適合執(zhí)行水下負(fù)載作業(yè)任務(wù)。

在渦旋吸附力作用下，進一步配合周向推進器2的推進作用，航行器能夠沿著吸附面進行快速敏捷的爬行運動。渦旋生成機構(gòu)4停止工作時，在周向推進器2和垂向推進器3的協(xié)同推進作用下，航行器也能夠在水下三維空間內(nèi)完成快速靈敏的游行運動。

不論爬行運動還是游行運動，通過合理配置周向推進器2的推進比率，航行器可以實現(xiàn)載體平面內(nèi)任意方向的敏捷運動控制，不需要借助轉(zhuǎn)彎運動就可直接實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。配合垂向推進器3的推進作用，航行器能夠獲得前后、側(cè)向、上下及任意轉(zhuǎn)向的全向運動能力，有利于進行快速準(zhǔn)確的水下目標(biāo)搜索。此外，對于大范圍的深度調(diào)節(jié)，可借助推進器旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)31改變周向推進器2的推進方向，通過控制航行器的俯仰姿態(tài)實現(xiàn)深度調(diào)節(jié)。

在航行器運行過程中，電池組9通過電能管理電路10為系統(tǒng)各功能器件正常工作提供能源。當(dāng)航行器位于水面時，可通過wifi模塊20、無線通信模塊16及衛(wèi)星通信模塊17完成航行器與岸基控制中心之間不同距離的數(shù)據(jù)傳輸。GPS定位模塊19、慣導(dǎo)模塊18、電子羅盤21、多普勒計程儀22、深度傳感器23等導(dǎo)航模塊，提供航行器的位置、姿態(tài)和速度等導(dǎo)航信息用于航行器的運動控制。此外，水下攝像頭27和成像聲納29的視覺和成像信息一方面通過數(shù)據(jù)采集電路26完成數(shù)據(jù)的采集、處理及存儲，另一方面通過特征識別算法提取視覺和成像特征信息也可用于航行器的運動控制。主控制電路25根據(jù)岸基控制中心的控制指令、導(dǎo)航信息、視覺和成像特征信息，結(jié)合一定的控制算法，分別向周向推進器2、推進器旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)31、垂向推進器3及渦旋生成機構(gòu)4發(fā)送控制指令，完成準(zhǔn)確的運動控制，可靠執(zhí)行觀測和探測任務(wù)。

以上對本實用新型的具體實施例進行描述。需要理解的是，本實用新型不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域工作人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)作出各種變形或修改，這并不影響本實用新型的實質(zhì)內(nèi)容。