CN118295440A - 一种新型水下无人破障系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型水下无人破障系统，包括：承载本体，用于搭载爆破索，形成ARV；动力模块，用于驱动所述ARV在水下进行运动；控制模块，用于接收控制指令，驱动控制所述ARV，并采集所述ARV舱体内外部数据；岸基控制模块，用于下发控制指令，并接收所述控制模块采集的舱体内外部数据，用于所述ARV的远程控制，监视所述ARV的运行状态和作业情况；通讯模块，用于所述控制模块与岸基控制模块之间的信息传输；水下探测模块，用于复杂水域条件下的环境观测与物体探测；能源模块，用于为所述ARV供电；作业模块，用于所述ARV的爆破索运送、投放和障碍物清理作业任务。本发明有效的实现了水下障碍物的清除。

Description

一种新型水下无人破障系统

技术领域

本发明涉及一种新型水下无人破障系统。

背景技术

水下破障，是海军作战面临的重要难题。

目前，现有水下障碍物主要清理手段的缺点：

1）蛙人

蛙人在水下行动适应能力强，可执行多类型、复杂程度高的任务，但针对岸滩水下破障行动，蛙人的缺点一是我军控制海域距离台岸滩约24海里，蛙人难以隐蔽到达任务地点，有效航程不足；二是台岸滩障碍物主要为扭八字块、轨条砦等大型、坚固障碍物，要对此类障碍物进行有效爆破需要大吨量爆破药，而蛙人可携带爆破药有限。

2）水面无人破障艇

水面无人破障艇机动性强，爆破威力大，但针对岸滩水下破障行动，水面无人破障艇的主要缺点一是无法提前隐蔽预置，在行动开始前我军需要已经取得制海权、制空权，使用有较大制约；二是水面无人破障艇无法探测敌水下障碍物部署情况，需要在行动开始前提前；三是水面无人破障艇破障范围主要为水下0-2m的障碍物，而我军主要登陆装备071、072吃水深度均超过5m，破障效果不足以支撑我军登岛作战。

3）深水炸弹

深水炸弹价格便宜，使用可靠性高，破坏威力巨大，但针对岸滩水下破障行动，深水炸弹的主要缺点一是无法提前隐蔽预置，在行动开始前我军需要已经取得制海权、制空权，使用有较大制约；二是水面无人破障艇无法探测敌水下障碍物部署情况，需要在行动开始前提前；三是使用时需要飞机低空投送，爆破精准度较差。

现有ARV（复合型水下机器人）的缺点：

现有ARV最长通信距离约为11km，无法满足登岛作战的长距离隐蔽航行的需求，且现有ARV均不携带爆破作业系统，不具备大规模精确破障能力。

因此，提供一种新型水下无人破障系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的缺陷而提供的一种新型水下无人破障系统，有效的实现水下障碍物的清除。

实现上述目的的技术方案是：

一种新型水下无人破障系统，包括：

承载本体，用于搭载爆破索，形成ARV；

动力模块，用于驱动所述ARV在水下进行运动；

能源模块，用于为所述ARV供电；

控制模块，用于接收控制指令，驱动控制所述ARV，并采集所述ARV舱体内外部数据；

岸基控制模块，用于下发控制指令，并接收所述控制模块采集的舱体内外部数据，用于所述ARV的远程控制，监视所述ARV的运行状态和作业情况；

通讯模块，用于所述控制模块与岸基控制模块之间的信息传输；

水下探测模块，用于复杂水域条件下的环境观测与物体探测；

作业模块，用于所述ARV的爆破索运送、投放和障碍物清理作业任务。

优选的，所述承载本体采用框架结构设计，尺寸为5090mm×1920mm×1220mm，搭载爆破索后的高度为1400mm，所述承载本体搭载爆破索的浮材采用玻璃微珠材质，密度0.36g/cm³，耐压强度18MPa，24h吸水率≤3%，并在浮材外表面使用聚脲喷涂和高光漆丝印工艺进行处理。

优选的，所述动力模块包括8个螺旋桨推进器，4个水平方向设置，4个垂直方向设置，其中，水平方向的4个螺旋桨推进器采用矢量布局方案，采用22.5°夹角对称布置。

优选的，所述能源模块为锂电池，锂电池单节尺寸直径18mm，长度65mm，共设置23x150节。

优选的，所述控制模块包括：

主控制单元，用于检测舱内环境数据，接收采集的所述ARV的各数据信息和水下检测数据，发送至所述岸基控制模块，并接收所述岸基控制模块的控制指令；

其中，水下检测数据包括水下高清视频数据和声呐图像，控制指令包括但不限于控制所述动力模块的速度、爆破索投放、爆破索脱离；

导航单元，用于通过舱内设置的光纤惯导器件、深度计、GNSS（卫星导航系统）接收机接收采集的所述ARV的各数据信息，并发送至所述主控制单元；

其中，所述ARV的各数据信息包括所述ARV的三轴的角度、角速度以及加速度，DVL三轴速度、经纬度、以及舱体内部状态。

优选的，所述岸基控制模块包括：

工控单元，用于接收所述主控制单元采集的所述ARV的各数据信息，进行展示；

控制手柄，用于操作人员对所述ARV进行遥控控制，下发控制指令。

优选的，所述工控单元由三个显示屏组成，单个显示屏尺寸为17寸，显示屏分辨率为1920*1080；所述控制手柄上设置有LCD（液晶显示器）显示屏，用于显示当前操控指令信息。

优选的，所述通讯模块采用两根单模光纤实现所述主控制单元和工控单元之间的通讯。

优选的，所述水下探测模块包括：

光学探测单元，用于通过安装在所述ARV上的摄像机和LED（发光二极管）灯监测水下高清视频数据，监测爆破索运送过程、布放状态以及拖曳展开情况，辅助实施障碍物切割清理作业，并将监测的数据传输至所述主控制单元；

声学探测单元，用于通过安装在所述ARV上的二维多波束图像声呐采集到的声呐图像传输至所述主控制单元。

优选的，所述作业模块包括：

爆破索运送单元，用于实现爆破索的固定、依次投放、牵引、脱离操作；

两个机械臂，安装在所述ARV艏部，一个所述机械臂末端搭载夹爪，用于负责抓取固定网具，另一个所述机械臂末端搭载切割盘，在网具固定后进行切割作业。

本发明的有益效果是：本发明提供了一个提前隐蔽预置、隐蔽航行、大规模破障的ARV，解决了现有破障手段无法有效清除敌岸滩水下2-7m障碍物的问题，实现了水下探测和作业任务，具备爆破索运送和投放、水下障碍物识别和检测、水下障碍物清理等功能，具备完成复杂环境下的海洋作业任务能力，满足了水下障碍物清除的需要。

附图说明

图1是本发明一种新型水下无人破障系统的模块图；

图2是本发明中控制模块和岸基控制模块的具体模块图；

图3是本发明中水下探测模块的具体模块图；

图4是本发明中作业模块的具体模块图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相正对地重要性。

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种新型水下无人破障系统，包括：承载本体1、动力模块2、能源模块3、控制模块4、岸基控制模块5、通讯模块6、水下探测模块7和作业模块8。

承载本体1，用于搭载爆破索，形成ARV。

实施例中，承载本体1采用框架结构设计，具备强度高、质量低、拓展性强等优势，可实现水下水下无人破障系统功能部件的快速更换，尺寸为5090mm×1920mm×1220mm，搭载爆破索后的高度为1400mm，承载本体搭载爆破索的浮材采用玻璃微珠材质，密度0.36g/cm³，耐压强度18MPa，24h吸水率≤3%，并在浮材外表面使用聚脲喷涂和高光漆丝印工艺进行处理，提高了其耐磨性、冲击韧性和隔水性，可以在海水介质中连续使用超过2000小时不受腐蚀。

动力模块2，用于驱动ARV在水下进行运动。

实施例中，动力模块2包括8个螺旋桨推进器，4个水平方向设置，4个垂直方向设置，其中，水平方向的4个螺旋桨推进器采用矢量布局方案，采用22.5°夹角对称布置，在达成推动力需求的基础上，实现位姿灵活机动控制，满足水下运动控制精度和稳定性要求；可在水下实现进退、横移、升沉、转艏等自由度的运动，具备转速变化灵活、操控简单、节能高效，且便于与整机电控系统集成的特殊优势，可实现水下全自由度（前后控制、浮潜控制、左右平移、原地转向、俯仰调节、横摇调节，共六自由度）的运动控制。

能源模块3，用于为ARV供电。

实施例中，能源模块3为锂电池，ARV采用自身携带的锂电池提供电量，锂电池单节尺寸直径18mm，长度65mm，共设置23x150节，ARV入水后，经巡游达到目标区域，爆破索依次进行布放、拖曳、分离的操作，在此过程中，根据实际水下情况，还会利用自身携带的机械臂开展抓取、切割渔网等作业任务，完成任务后返回，巡游航程达60海里，因此，选用比能量和输出效率综合最高的18650锂离子电池。

控制模块4，用于接收控制指令，驱动控制ARV，并采集ARV舱体内外部数据。

如图2所示，控制模块4具体包括：主控制单元41和导航单元42。

主控制单元41，用于检测舱内环境数据，接收采集的ARV的各数据信息和水下检测数据，发送至岸基控制模块，并接收岸基控制模块的控制指令；

其中，水下检测数据包括水下高清视频数据和声呐图像，控制指令包括但不限于控制动力模块的速度、爆破索投放、爆破索脱离；

并在主控制单元41上建立数学模型，通过双闭环控制算法对机体位置和姿态的误差进行调节，继而对ARV的推进器转速进行控制，最终实现在复杂扰动的环境下，ARV依然能够维持姿态的稳定控制和运动到期望位置的控制能力，确保ARV能够在水下顺利的执行作业；

导航单元42，用于通过舱内设置的光纤惯导器件、深度计、GNSS接收机接收采集的ARV的各数据信息，并发送至主控制单元；

其中，ARV的各数据信息包括ARV的三轴的角度、角速度以及加速度，DVL三轴速度、经纬度、以及舱体内部状态。

岸基控制模块5，用于下发控制指令，并接收控制模块4采集的舱体内外部数据，用于ARV的远程控制，监视ARV的运行状态和作业情况。

如图2所示，岸基控制模块5具体包括：工控单元51和控制手柄52。

工控单元51，用于接收主控制单元41采集的ARV的各数据信息，进行展示。

实施例中，工控单元51由三个显示屏组成，单个显示屏尺寸为17寸，显示屏分辨率为1920*1080。

控制手柄52，用于操作人员对ARV进行遥控控制，下发控制指令。

实施例中，控制手柄52上设置有LCD显示屏，用于显示当前操控指令信息，采用独立摇杆控制，可操控ARV平移运动与转向、爆破索投放和爆破索脱离等。

通讯模块6，用于控制模块4与岸基控制模块5之间的信息传输。

实施例中，通讯模块6采用两根单模光纤实现主控制单元41和工控单元51之间的通讯，两根单模光纤通过脐带线缆保护，两根单模光纤互为备份，当出现某一路光纤信号故障时可自动切换另一路，保证系统通讯的可靠性。

水下探测模块7，用于复杂水域条件下的环境观测与物体探测。

如图3所示，水下探测模块7具体包括：光学探测单元71和声学探测单元72。

光学探测单元71，用于通过安装在ARV上的摄像机和LED灯监测水下高清视频数据，监测爆破索运送过程、布放状态以及拖曳展开情况，辅助实施障碍物切割清理作业，并将监测的数据传输至主控制单元41。

实施例中，ARV上配备7摄像机，其中，ARV前方安装1台高清摄像机和1台微光摄像机，作为主要的观察传感器，左侧和右侧各安装1台高清摄像机，用于观察水下无人破障平台周边环境情况，后方安装1台高清摄像机，用于观察脐带线缆的情况，及时发现线缆缠绕等意外状况；同时可在爆破索投放拖曳过程中，观察爆破索展开情况，判断爆破索姿态位置，确定脱离时机；爆破索运送单元81上1台，用于查看爆破索投放状态；此外还有两个机械臂82上各台摄像机，用于观察机械臂作业情况。

实施例中，ARV前方安装有2个LED照明灯，后方安装1个LED照明灯，左右摄像头各配1个LED照明灯，组成照明系统，单灯亮度可达12000lm，光照亮度持续可调节，能够提供全方位灯光覆盖，有效扩大水下观测范围，辅助水下摄像机获取高清观测数据。

声学探测单元72，用于通过安装在ARV上的二维多波束图像声呐采集到的声呐图像传输至主控制单元41，二维多波束图像声呐用于水下无人破障平台在浑浊水域的目标探测、识别、区域搜索等作业，多波束声呐实时性好，可以随时观察水下情况，为设备作业提供可靠的技术依据。

实施例中，二维多波束图像声呐安装在ARV前方，可以实时呈现前方130°扇区内的图像，最大探测距离可达120m，最大分辨率可达2.5cm，在浑浊水域下提供真实、快捷、实时的二维高分辨率图像，为水下无人破障系统实现水下作业提供更加可靠的探测数据支撑。

作业模块8，用于ARV的爆破索运送、投放和障碍物清理作业任务。

如图4所示，作业模块8具体包括：爆破索运送单元81和机械臂82。

爆破索运送单元81，用于实现爆破索的固定、依次投放、牵引、脱离操作。

两个机械臂82，安装在ARV艏部，一个机械臂末端搭载夹爪，用于负责抓取固定网具，另一个机械臂末端搭载切割盘，在网具固定后进行切割作业；由于海洋环境复杂，为防止产生位置干扰，水下无人破障系统搭载基于视觉三维重建的双臂协同技术，实现基于视觉引导的水下机械手精准处置作业。

工作原理：

步骤S1，操作人员对ARV进行遥控控制，下发控制指令。

步骤S2，ARV从始发地运输至指定位置。

步骤S3，实时采集水下检测数据以及ARV舱内数据。

步骤S4，操作人员通过采集水下检测数据以及ARV舱内数据，下发爆破索投放或爆破索脱离指令，或清除障碍物指令。

步骤S5，完成以上操作后，下发收回指令，使得脱离爆破索后的ARV回至始发地。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种新型水下无人破障系统，其特征在于，包括：

承载本体，用于搭载爆破索，形成ARV；

动力模块，用于驱动所述ARV在水下进行运动；

能源模块，用于为所述ARV供电；

控制模块，用于接收控制指令，驱动控制所述ARV，并采集所述ARV舱体内外部数据；

岸基控制模块，用于下发控制指令，并接收所述控制模块采集的舱体内外部数据，用于所述ARV的远程控制，监视所述ARV的运行状态和作业情况；

通讯模块，用于所述控制模块与岸基控制模块之间的信息传输；

水下探测模块，用于复杂水域条件下的环境观测与物体探测；

作业模块，用于所述ARV的爆破索运送、投放和障碍物清理作业任务。

2.根据权利要求1所述的一种新型水下无人破障系统，其特征在于，所述承载本体采用框架结构设计，尺寸为5090mm×1920mm×1220mm，搭载爆破索后的高度为1400mm，所述承载本体搭载爆破索的浮材采用玻璃微珠材质，密度0.36g/cm³，耐压强度18MPa，24h吸水率≤3%，并在浮材外表面使用聚脲喷涂和高光漆丝印工艺进行处理。

3.根据权利要求1所述的一种新型水下无人破障系统，其特征在于，所述动力模块包括8个螺旋桨推进器，4个水平方向设置，4个垂直方向设置，其中，水平方向的4个螺旋桨推进器采用矢量布局方案，采用22.5°夹角对称布置。

4.根据权利要求1所述的一种新型水下无人破障系统，其特征在于，所述能源模块为锂电池，锂电池单节尺寸直径18mm，长度65mm，共设置23x150节。

5.根据权利要求1所述的一种新型水下无人破障系统，其特征在于，所述控制模块包括：

主控制单元，用于检测舱内环境数据，接收采集的所述ARV的各数据信息和水下检测数据，发送至所述岸基控制模块，并接收所述岸基控制模块的控制指令；

其中，水下检测数据包括水下高清视频数据和声呐图像，控制指令包括但不限于控制所述动力模块的速度、爆破索投放、爆破索脱离；

导航单元，用于通过舱内设置的光纤惯导器件、深度计、GNSS接收机接收采集的所述ARV的各数据信息，并发送至所述主控制单元；

其中，所述ARV的各数据信息包括所述ARV的三轴的角度、角速度以及加速度，DVL三轴速度、经纬度、以及舱体内部状态。

6.根据权利要求5所述的一种新型水下无人破障系统，其特征在于，所述岸基控制模块包括：

工控单元，用于接收所述主控制单元采集的所述ARV的各数据信息，进行展示；

控制手柄，用于操作人员对所述ARV进行遥控控制，下发控制指令。

7.根据权利要求6所述的一种新型水下无人破障系统，其特征在于，所述工控单元由三个显示屏组成，单个显示屏尺寸为17寸，显示屏分辨率为1920*1080；所述控制手柄上设置有LCD显示屏，用于显示当前操控指令信息。

8.根据权利要求6所述的一种新型水下无人破障系统，其特征在于，所述通讯模块采用两根单模光纤实现所述主控制单元和工控单元之间的通讯。

9.根据权利要求8所述的一种新型水下无人破障系统，其特征在于，所述水下探测模块包括：

光学探测单元，用于通过安装在所述ARV上的摄像机和LED灯监测水下高清视频数据，监测爆破索运送过程、布放状态以及拖曳展开情况，辅助实施障碍物切割清理作业，并将监测的数据传输至所述主控制单元；

声学探测单元，用于通过安装在所述ARV上的二维多波束图像声呐采集到的声呐图像传输至所述主控制单元。

10.根据权利要求1所述的一种新型水下无人破障系统，其特征在于，所述作业模块包括：

爆破索运送单元，用于实现爆破索的固定、依次投放、牵引、脱离操作；

两个机械臂，安装在所述ARV艏部，一个所述机械臂末端搭载夹爪，用于负责抓取固定网具，另一个所述机械臂末端搭载切割盘，在网具固定后进行切割作业。