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CN110386238A - 一种全海深arv水下机器人结构 - Google Patents

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陆洋
唐元贵
闫兴亚
陈聪
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Abstract

本发明涉及全海深水下机器人技术领域，特别涉及一种全海深ARV水下机器人结构。包括舱体、右舷垂直推进器、左舷垂直推进器、旋转舵板组件、主推电机、水中及水面通讯定位系统、光学和声学探测系统及作业装置，其中舱体的艏部两侧分别设有右舷垂直推进器和左舷垂直推进器，舱体的艉部两侧均设有为载体提供水平航行动力的旋转舵板组件和主推电机，舱体的顶部设有水中及水面通讯定位系统，底部设有光学探测系统和声学探测系统，舱体的内部设有作业装置。本发明实现水下机器人最大作业深度到达11000米，并且实现万米海底航行与采样作业任务。

Description

一种全海深ARV水下机器人结构
技术领域
本发明涉及全海深水下机器人技术领域，特别涉及一种全海深ARV水下机器人结构。
背景技术
目前，水下机器人主要分为自主水下机器人(AUV)和遥控水下机器人(ROV)，两种机器人都有自身的局限性。自主水下机器人(AUV)偏重于长距离航行，欠缺定点采样作业，而且不能时时回传数据。遥控水下机器人(ROV)又可以称作有缆水下机器人，采用长距离电缆连接，解决了能源问题，但是不能大范围运动，只能小范围定点作业。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种全海深ARV水下机器人结构，以实现水下机器人最大作业深度到达11000米，并且实现万米海底航行与采样作业任务。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种全海深ARV水下机器人结构，包括舱体、右舷垂直推进器、左舷垂直推进器、旋转舵板组件、主推电机、水中及水面通讯定位系统、光学和声学探测系统及作业装置，其中舱体的艏部两侧分别设有右舷垂直推进器和左舷垂直推进器，所述舱体的艉部两侧均设有为载体提供水平航行动力的旋转舵板组件和主推电机，所述舱体的顶部设有水中及水面通讯定位系统，底部设有光学探测系统和声学探测系统，所述舱体的内部设有作业装置。
所述水中及水面通讯定位系统包括为水下机器人提供水面通讯的卫频舱和自容铱星及为水下机器人提供与水面通讯渠道的声通讯机换能器。
所述声学探测系统包括前视声呐和侧扫声呐。
所述光学探测系统包括照明灯和全海深高清相机。
所述作业装置包括机械手和puchcore。
所述舱体具有光滑流线型外形，采用外轮廓浮力材，所述外轮廓浮力材外侧设有外蒙皮。
所述舱体艉部上端设有在机器人下潜航行起到稳定翼作用的固定翼板，所述舱体艉部两侧分别设有能够增加机器人运动自由度的一艉部侧推。
所述舱体的底部设有下潜抛载系统及为机器人平稳着陆提供保障的前着底支架和后着底支架。
所述舱体上设有机器人提供距离海底高度数据的高度计。
所述舱体的顶部起吊钩，所述舱体的艏艉分别设有在机器人吊放过程中起到止荡作用的艏部止荡环和艉部止荡环。
本发明的优点与积极效果为：
1.本发明质量轻：中国目前7000米载人潜水器蛟龙号，重量约为22t，本发明水下机器人下潜深度可达11000米，可到达目前地球海洋的最深点，并且兼顾AUV和ROV特点，能够集巡航探测与作业探测于一体；质量轻，体积小，更易操控作业，重量约为载人潜水器的七分之一。
2.本发明作业时间长：不计下潜与上浮时间，机器人到达海底后，一次可以连续作业8小时。
3.本发明最大航速可达2kn：到达海底后，其中一项任务为巡航探测，探测速度决定了单位时间内的探测效率，最大巡航速度可达2kn。
4.本发明具备20kg负载能力：到达海底后，机械手可额外采样不大于20kg海底样品。
5.本发明具备多样通讯定位功能：具有水面无线电、铱星通讯和水下声学通信功能，同时具备水面GPS、长基线、超短基线综合定位功能。
6.本发明具备光学、声学探测功能：水下机器人艏部搭载高清摄像机，用于光学探测。舯部安装侧扫声进行声学地形地貌探测。
7.本发明搭载功能机械手：机器人艏部舱门内部搭载功能机械手。
附图说明
图1为本发明的艏部舱门开启状态示意图；
图2为本发明的航行状态侧面示意图；
图3为本发明的轴测图。
图中：1为右舷垂直推进器，2为舱门，3为外轮廓浮力材，4为卫频舱，5为长基线换能器，6为自容铱星，7为照明灯，8为机械手，9为左舷垂直推进器，10为全海深高清相机，11为前着底支架，12为前视声呐，13为下潜抛载系统，14为puchcore，15为艏部止荡环，16为外蒙皮，187为左舷垂直推进器，18为侧扫声呐，19为起吊钩，20为后着底支架，21为高度计，22为声通讯机换能器，23为DVL惯导集合体，24为固定翼板，25为旋转舵板组件，26为艉部侧推，27为主推电机，28为艉部止荡环。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
全海深自主遥控水下机器人(简称ARV，Autonomous&Remotely operatedVehicle)是一种综合自主水下机器人(AUV)和遥控水下机器人(ROV)优点的无人水下机器人。ARV结合两者优势，在保证机器人能大范围运动的前提下，具有一定定点作业采样的能力，而且由于微细光纤的存在，可以实时回传机器人内部数据。
如图1-3所示，本发明提供的一种全海深ARV水下机器人结构，包括舱体、右舷垂直推进器1、左舷垂直推进器9、旋转舵板组件25、主推电机27、水中及水面通讯定位系统、光学和声学探测系统及作业装置，其中舱体的艏部两侧分别设有右舷垂直推进器1和左舷垂直推进器9，舱体的艉部两侧均设有为载体提供水平航行动力的旋转舵板组件25和主推电机27，舱体的顶部设有水中及水面通讯定位系统，底部设有光学探测系统和声学探测系统，舱体的内部设有作业装置。
水中及水面通讯定位系统包括为水下机器人提供水面通讯的卫频舱4和自容铱星6及为水下机器人提供与水面通讯渠道的声通讯机换能器22。
声学探测系统包括前视声呐12和侧扫声呐18；光学探测系统包括照明灯7和全海深高清相机10；作业装置包括机械手8和puchcore14(沉积物采样器)。
舱体采用外轮廓浮力材3，外轮廓浮力材3外侧设有外蒙皮16。舱体具有光滑流线型外形，为机器人提供光滑流线型外形，减少航行时阻力。
舱体艉部上端设有在机器人下潜航行起到稳定翼作用的固定翼板24，舱体艉部两侧分别设有能够增加机器人运动自由度的一艉部侧推26。
舱体的底部设有下潜抛载系统13及为机器人平稳着陆提供保障的前着底支架11和后着底支架20。舱体上设有机器人提供距离海底高度数据的高度计21。
舱体的顶部起吊钩19，舱体的艏艉分别设有在机器人吊放过程中起到止荡作用的艏部止荡环15和艉部止荡环28。
本发明的实施例中，全海深水下机器人外形尺寸为长3.8m，宽1.7m，高1.8m。整体空气中重量约为3t。探测与作业的一体化设计，该设计理念可以保障全海深ARV系统在不改变载体任何结构配置的前提下，具备探测和作业双重科学任务需求，可一次下潜至万米深渊，完成较大范围的巡航探测与定点精细取样作业，极大的提升了系统的工作效率。
右舷垂直推进器1和左舷垂直推进器9为机器人提供垂向动力，旋转舵板组件25和主推电机27为载体提供水平航行动力。固定翼板24在载体下潜航行起到稳定翼作用，艉部侧推26能够增加载体运动自由度，能够更加灵活的进行水中运动。卫频舱4和自容铱星6为机器人提供水面通讯。舱门2内部存放机械手8和puchcore14等作业装置，照明灯7与全海深高清相机10配合使用提供视觉探测。前着底支架11和后着底支架20为载体平稳着陆提供保障。前视声呐12和侧扫声呐18为载体提供声学探测能力，高度计21为载体提供距离海底高度数据。声通讯机换能器22为载体提供与水面通讯的渠道。艏部止荡环15和艉部止荡环28在机器人吊放过程中起到止荡作用。
本发明的工作原理为：
机器人准备入水工作前，在船舶甲板上需要对自容铱星6、卫频舱4等进行水面校准。机器人从甲板通过起吊钩19进行起吊释放，甲板释放过程中，可以通过人工牵引艏部止荡环15和艉部止荡环28进行止荡处理，放置摆动过大。入水后固定翼板24起到稳定作用，调整旋转舵板组件25可改变下潜速度，巡航探测时主要依靠外轮廓浮力材3和外蒙皮16包裹的流线型，来减少前方所带来的水流阻力。通过下潜抛载系统13可以无动力下潜至海底，及可以在下潜过程中不消耗电池能源，通过深度计可以获取机器人下潜深度，并且通过高度计21可以确切得知，机器人距离海底距离。当高度约为100米时进行抛载动作，将下潜抛载系统13中的下潜压铁抛弃，水下机器人改变浮力状态为正浮力状态，从而进入巡航工作模式。巡航探测之前，启用声通讯机换能器22进行与水面的声学通信，通过自身长基线换能器5和DVL惯导集合体23进行水下定位。
巡航工作模式过程中，依靠前视声呐12、侧扫声呐18进行声学地形探测，通过全海深高清相机10并依靠照明灯7提供照明，进行视觉地形探测。当巡航作业过程中，发现科学兴趣点，改为作业模式，此时右舷垂直推进器1和左舷垂直推进器9开启，为机器人提供竖直向下推力，从而使得机器人能够下降并着底。前着底支架11和后着底支架20着陆以后，将舱门2打开，机械手8即可伸出取样作业，固体样品可以直接抓取放入采样篮，海底沉积层需要通过puchcore14进行采样。经过巡航作业和采样作业后，即可抛载上浮，最后回收至甲板。
本发明具备多种水中及水面通讯定位系统，具有水面无线电、铱星通讯和水下声学通信功能，同时具备水面GPS、长基线、超短基线综合定位功能；具备光学、声学探测功能，水下机器人艏部搭载高清摄像机，用于光学探测。舯部安装侧扫声进行声学地形地貌探测；机器人艏部舱门内部搭载功能机械手，可进行海底采样作业。
综上所述，一种全海深ARV水下机器人结构是一种相对轻质、低功耗、工作时间长等特点，并且综合航行探测与作业探测与一体的水下机器人。
本发明机器人坚持自主与遥控相结合的设计理念，在自主、遥控等多操控模式下，实现集探测与作业与一体的设计方案。目前深海探索作为全球尖端的科考研究，有着强烈的科学需求，本着紧密结合科学需求，加强科学家与用户的沟通，明确科学目标，真正做到位科学所用，保证万米水下机器人的可靠与实用。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种全海深ARV水下机器人结构，其特征在于，包括舱体、右舷垂直推进器(1)、左舷垂直推进器(9)、旋转舵板组件(25)、主推电机(27)、水中及水面通讯定位系统、光学和声学探测系统及作业装置，其中舱体的艏部两侧分别设有右舷垂直推进器(1)和左舷垂直推进器(9)，所述舱体的艉部两侧均设有为载体提供水平航行动力的旋转舵板组件(25)和主推电机(27)，所述舱体的顶部设有水中及水面通讯定位系统，底部设有光学探测系统和声学探测系统，所述舱体的内部设有作业装置。
2.根据权利要求1所述的全海深ARV水下机器人结构，其特征在于，所述水中及水面通讯定位系统包括为水下机器人提供水面通讯的卫频舱(4)和自容铱星(6)及为水下机器人提供与水面通讯渠道的声通讯机换能器(22)。
3.根据权利要求1所述的全海深ARV水下机器人结构，其特征在于，所述声学探测系统包括前视声呐(12)和侧扫声呐(18)。
4.根据权利要求1所述的全海深ARV水下机器人结构，其特征在于，所述光学探测系统包括照明灯(7)和全海深高清相机(10)。
5.根据权利要求1所述的全海深ARV水下机器人结构，其特征在于，所述作业装置包括机械手(8)和puchcore(14)。
6.根据权利要求1所述的全海深ARV水下机器人结构，其特征在于，所述舱体具有光滑流线型外形，采用外轮廓浮力材(3)，所述外轮廓浮力材(3)外侧设有外蒙皮(16)。
7.根据权利要求1所述的全海深ARV水下机器人结构，其特征在于，所述舱体艉部上端设有在机器人下潜航行起到稳定翼作用的固定翼板(24)，所述舱体艉部两侧分别设有能够增加机器人运动自由度的一艉部侧推(26)。
8.根据权利要求1所述的全海深ARV水下机器人结构，其特征在于，所述舱体的底部设有下潜抛载系统(13)及为机器人平稳着陆提供保障的前着底支架(11)和后着底支架(20)。
9.根据权利要求1所述的全海深ARV水下机器人结构，其特征在于，所述舱体上设有机器人提供距离海底高度数据的高度计(21)。
10.根据权利要求1所述的全海深ARV水下机器人结构，其特征在于，所述舱体的顶部起吊钩(19)，所述舱体的艏艉分别设有在机器人吊放过程中起到止荡作用的艏部止荡环(15)和艉部止荡环(28)。
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