CN113320667A - 一种模块化水下智能装备平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化水下智能装备平台，属于水下无人装备领域。本发明由主推进器、外壳支撑底板、外壳上护盖、浮力补偿材料、控制段承压舱、控制系统、电力系统、数据存储系统、标准载荷舱、机械臂、前侧喷、后侧喷、水下传感器、水声导航通信系统、惯性基组合导航系统、卫星导航通信系统和压舱铅块组成。整机采用湿式设计方案，依靠模块化的标准载荷舱保护内部的电子电气设备。本发明采用的标准化、模块化设计方案可互换性强，能够实现在线更换、在线维修和在线充电，大大延长模块化水下智能装备平台的水下工作时间，减少回收频率，降低部署成本；能够根据任务实际需要及时更换载荷，可实现现有的各种水下无人探测设备的大部分功能。

Description

一种模块化水下智能装备平台

技术领域：

本发明属于水下无人装备领域，特别是涉及一种模块化水下智能装备平台。

背景技术：

对于水下的探索离不开水下无人装备。目前看来，水下无人装备主要是作为有人船艇的附属，仍处于初级发展阶段。现有水下无人装备种类繁多、功能单一，标准化、模块化、智能化、体系化程度低，可互换性不强，维护保养复杂，水下工作时间短，成本高昂，装备与装备之间、系统与系统之间，无法进行有效互联互通和数据格式共享，造成了效率低下、资源浪费、发展缓慢的局面和态势，因此开发一种模块化水下智能无人装备势在必行。

发明内容：

针对上述问题，本发明提供了一种模块化水下智能装备平台，采用标准化、模块化、智能化、体系化的设计理念，大部分部件均为标准模块，适合大规模批量生产。在使用过程中，标准化、模块化的组件可互换性强，能够实现在线更换、在线维修、在线充电，大大延长模块化水下智能装备平台的水下工作时间，减少回收频率，降低了部署成本。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种模块化水下智能装备平台，由主推进器、外壳支撑底板、外壳上护盖、浮力补偿材料、控制段承压舱、控制系统、电力系统、数据存储系统、标准载荷舱、机械臂、前侧喷、后侧喷、水下传感器、水声导航通信系统、惯性基组合导航系统、卫星导航通信系统、压舱铅块组成；从后往前，模块化水下智能装备平台的主体分为动力舱段、控制舱段、副载荷舱段Ⅰ、副载荷舱段Ⅱ、机械臂舱段、副载荷舱段Ⅲ、主载荷舱段；所述主推进器、外壳支撑底板和外壳上护盖共同组成模块化水下智能装备平台的流体动力学外形，能够减小航行时的阻力，节省能源；所述模块化水下智能装备平台采用湿式设计方案，即，外壳支撑底板和外壳上护盖共同组成的外壳内外都与海水接触，采用开放式结构而非密封结构，内部的标准载荷舱直接与海水接触，外壳上护盖能够从中间向两侧打开，外壳上护盖内侧能够安装浮力补偿材料；所述控制系统、电力系统、数据存储系统、惯性基组合导航系统和卫星导航通信系统位于模块化水下智能装备平台后部控制舱段承压舱内，控制舱段承压舱底部有水密接插件与外壳支撑底板相连接，对模块化水下智能装备平台进行控制、供电、数据记录和导航；所述水下传感器、水声导航通信系统和压舱铅块位于外壳支撑底板外部，与海水直接接触；所述标准载荷舱、机械臂、前侧喷、后侧喷安装在外壳支撑底板上，位于外壳支撑底板和外壳上护盖构成的安装空间中，直接与海水接触：其中标准载荷舱安装在主载荷舱段、副载荷舱段Ⅰ、副载荷舱段Ⅱ、副载荷舱段Ⅲ的位置，机械臂安装在机械臂舱段，后侧喷安装在动力舱段和控制舱段之间，前侧喷安装在主载荷舱段和副载荷舱段Ⅲ之间，前、后侧喷为正交十字架泵喷口，分别具有上、下、左、右四个喷口，外壳支撑底板和外壳上护盖对应的位置上开有洞口，便于前、后侧喷通过喷水达到姿态调整和方位控制的目的。

所述外壳上护盖内侧安装的浮力补偿材料，用于各舱段中性浮力的配置，根据各舱段搭载的载荷的质量大小调整各舱段上护盖内侧安装的浮力补偿材料的数量，直到达到模块化水下智能装备平台整体浮力和重力的大致平衡。

所述外壳支撑底板在主载荷舱段、副载荷舱段Ⅰ、副载荷舱段Ⅱ、副载荷舱段Ⅲ的位置有标准载荷舱安装槽和能够进行水下对接的水下光电复合接口，能够安装固定标准载荷舱，并与标准载荷舱上的水下光电复合接口对接，使得控制系统、电力系统、数据存储系统能够对标准载荷舱内的电子设备进行控制、供电、数据记录。

所述的标准载荷舱，采用标准化、模块化的设计，整体为圆柱体，两侧端盖为圆弧形结构，具有防水和承压能力，能够保护安装在里面的电气电子设备；所述标准载荷舱底部有能够进行水下对接的水下光电复合接口。

所述的机械臂上能够选装水下摄像机、GNSS天线和铱星通信天线，机械臂上所装的传感器和天线都是防水的；在水下时，机械臂伸出并利用水下摄像机进行环境的图像感知；浮出水面时，机械臂起竖并利用GNSS天线和铱星通信天线进行卫星导航通信；机械臂本身还具有抓取功能，能够执行水下作业任务，还可进行主、副载荷舱的置换，或者用于两个模块化水下智能装备平台之间的锁定，然后进行两平台载荷舱的置换。

所述压舱铅块在紧急时刻释放，使模块化水下智能装备平台迅速浮出水面脱险。

对于本发明所述的模块化水下智能装备平台，所述的标准载荷舱能够根据不同深度要求选用铝合金或钛合金材料，在大深度应用中，采用小直径、多个并行安装的标准载荷舱，空隙部分根据中性浮力配置需要填充浮力材料。

对于本发明所述的模块化水下智能装备平台，采用向标准载荷舱内加装UPS电池块的方式对标准载荷舱进行配重，这样既可以使标准载荷舱的质量尽量保持一致，方便标准载荷舱之间的相互置换，又可以保证标准载荷舱中搭载的电气电子设备的不断电持续运行。

对于本发明所述的模块化水下智能装备平台，主载荷舱段可以选装机械臂，便于水下作业，机械臂上可以选装适合任务需要的水下传感器，如水下摄像机等。

对于本发明所述的模块化水下智能装备平台，水下传感器可以选装但不限于避碰声纳、侧扫声呐、CTD传感器、多普勒测速仪、海底剖面仪、水下摄像机。

对于本发明所述的模块化水下智能装备平台，电力系统分为动力供电系统和仪表供电系统，分别用高压、低压蓄电池供电。

对于本发明所述的模块化水下智能装备平台，控制系统具有任务管理、电源管理、运动控制、数据采集、健康监测、工作模式切换的功能。

对于本发明所述的模块化水下智能装备平台，在机身中部能够选装可收放滑翔翼，使模块化水下智能装备平台能够根据任务需要进入水下滑翔机模式，进行低能耗、长航时、大航程的航行。

本发明的有益效果是：

本发明实现了水下无人装备的标准化、模块化和智能化，适合大规模批量生产，可有效提高生产效率、降低生产成本。标准化、模块化的组件可互换性强，能够实现在线更换、在线维修、在线充电，大大延长模块化水下智能装备平台的水下工作时间，减少回收频率，延长维护保养周期，简化了维护保养流程，降低了部署成本。由于采用了标准化、模块化的设计理念，根据任务实际需要置换搭载不同科学探测载荷的标准载荷舱，即可实现现有的各种水下无人探测设备的大部分功能。

附图说明：

图1为本发明的展开图；

图2为本发明的控制舱段承压舱内部示意图；

图3为本发明的外形图；

图4为本发明的侧视图；

图5为本发明的标准载荷舱剖面图；

图6为本发明的大深度应用背景下的并行安装的标准载荷舱剖面图；

图7为本发明机械臂的工作模式示意图；

图8为本发明装配可收放滑翔翼时的示意图；

图中所示：1-主推进器，2-外壳支撑底板，3-外壳上护盖，4-浮力补偿材料，5-机械臂，6-前侧喷，7-标准载荷舱，8-控制舱段承压舱，9-后侧喷，10-控制系统，11-数据存储系统，12-电力系统，13-惯性基组合导航系统，14-卫星导航通信系统，15-水密接插件，16-动力舱段，17-控制舱段，18-副载荷舱段Ⅰ，19-副载荷舱段Ⅱ，20-机械臂舱段，21-副载荷舱段Ⅲ，22-主载荷舱段，23-水下传感器，24-水声导航通信系统，25-压舱铅块，26-外壳支撑底板上的水下光电复合接口，27-标准载荷舱上的水下光电复合接口，28-标准载荷舱安装槽，29-机械臂上安装的传感器和天线，30-可收放滑翔翼。

具体实施方式：

下面将通过实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1为本发明的展开图。本发明由主推进器1、外壳支撑底板2、外壳上护盖3、浮力补偿材料4、控制舱段承压舱8、控制系统10、数据存储系统11、电力系统12、标准载荷舱7、机械臂5、前侧喷6、后侧喷9、水下传感器23、水声导航通信系统24、惯性基组合导航系统13、卫星导航通信系统14、压舱铅块25组成。

图2为本发明的控制舱段承压舱内部示意图。从图2中可以看出控制系统10、数据存储系统11、电力系统12、惯性基组合导航系统13和卫星导航通信系统14安装在控制舱段承压舱8内部，控制舱段承压舱8具有防水承压能力，能够保障内部电气电子设备的正常工作。控制舱段承压舱底部有水密接插件15与外壳支撑底板2相连接，对模块化水下智能装备平台进行控制、供电、数据记录和导航。电力系统12分为动力供电系统和仪表供电系统，分别用高压、低压蓄电池供电。控制系统10具有任务管理、电源管理、运动控制、数据采集、健康监测、漏水检测、工作模式切换的功能。

图3为本发明的外形图。从后往前，模块化水下智能装备平台的主体分为动力舱段16、控制舱段17、副载荷舱段Ⅰ18、副载荷舱段Ⅱ19、机械臂舱段20、副载荷舱段Ⅲ21、主载荷舱段22。主推进器1、外壳支撑底板2和外壳上护盖3共同组成模块化水下智能装备平台的流体动力学外形，能够减小航行时的阻力，节省能源。

图4为本发明的侧视图。从图4中可以清楚地看到安装于模块化水下智能装备平台腹部，外壳支撑底板2外部的水下传感器23、水声导航通信系统24和压舱铅块25。以上所述部分都与海水直接接触。水下传感器23可以选装但不限于避碰声纳、侧扫声呐、CTD传感器、多普勒测速仪、海底剖面仪和水下摄像机，以增强模块化水下智能装备平台对水下环境的感知能力。水声导航通信系统24则用于水下的精确导航定位和通信畅通。压舱铅块25在紧急时刻释放，如漏水、断电、重大故障、遭遇撞击或被海藻等缠困，使模块化水下智能装备平台迅速浮出水面脱险，并自动发出求救信号。

本发明采用湿式设计方案，即，外壳支撑底板2和外壳上护盖3共同组成的外壳内外都与海水接触，采用开放式结构而非密封结构，内部的标准载荷舱7等直接与海水接触，各独立的标准载荷舱7具有防水承压能力，保护安装在内部的各种电子电气设备。这种分段式湿式设计与整个模块化水下智能装备平台内部与海水完全隔绝的干式设计相比，具有强度要求低、易于制造、成本低廉的优点。外壳上护盖3能够从中间向两侧打开，外壳上护盖3内侧能够安装浮力补偿材料4，浮力补偿材料4为大小尺寸相当的块状，能够根据浮力-重力平衡的实际情况加减数量。标准载荷舱7、机械臂5、前侧喷6、后侧喷9安装在外壳支撑底板2上，均位于外壳支撑底板2和外壳上护盖3构成的安装空间中，直接与海水接触：其中标准载荷舱7安装在主载荷舱段22、副载荷舱段Ⅰ18、副载荷舱段Ⅱ19、副载荷舱段Ⅲ21的位置，机械臂5安装在机械臂舱段20，后侧喷9安装在动力舱段16和控制舱段17之间，前侧喷6安装在主载荷舱段22和副载荷舱段Ⅲ21之间，前侧喷6、后侧喷9为正交十字架泵喷口，分别具有上、下、左、右四个喷口，外壳支撑底板2和外壳上护盖3对应的位置上开有洞口，便于前侧喷6、后侧喷9通过喷水达到姿态调整和方位控制的目的。

外壳上护盖3内侧安装的浮力补偿材料4用于各舱段中性浮力的配置，根据各舱段搭载的载荷的质量大小调整各舱段上护盖内侧安装的浮力补偿材料4的数量，直到达到模块化水下智能装备平台整体浮力和重力的大致平衡。这样可以节省模块化水下智能装备平台在航行过程中的能源消耗。

外壳支撑底板2在主载荷舱段22、副载荷舱段Ⅰ18、副载荷舱段Ⅱ19、副载荷舱段Ⅲ21的位置有标准载荷舱安装槽28和用于水下对接的水下光电复合接口26，能够安装固定标准载荷舱7，并与标准载荷舱上的水下光电复合接口27对接，使得控制系统10、电力系统12、数据存储系统11能够对标准载荷舱7内的电子设备进行控制、供电、数据记录。

图5为本发明的标准载荷舱剖面图。标准载荷舱7采用标准化、模块化的设计思想，整体为圆柱体，两侧端盖为圆弧形结构，具有防水和承压能力，能够保护安装在内部的电气电子设备。标准载荷舱7能够根据不同深度要求选用铝合金或钛合金材料制造，适合大规模批量生产，可有效降低系统成本。标准载荷舱7底部有能够进行水下对接的水下光电复合接口27，通过外壳支撑底板上的水下光电复合接口26接受控制系统10的控制、电力系统12的供电，并将标准载荷舱7内部的科学探测设备采集到的数据传输到控制舱段承压舱8内部的数据存储系统11存储起来。标准载荷舱7能够根据任务需要搭载不同的科学探测设备，如重力仪、磁力仪等，这些科学探测设备具有自己的数据存储装置，但所述数据存储系统11是独立于科学探测设备的数据存储装置的，既可以达到备份的目的，保证数据安全，又可以快速拆装，在工作周期结束后直接取出，换上新的空白存储介质，避免了拷贝数据的繁琐过程。

图6为本发明的大深度应用背景下的并行安装的标准载荷舱剖面图。如图6所示，标准载荷舱7在大深度应用中，可采用小直径、多个并行安装的标准载荷舱7，空隙部分根据中性浮力配置需要填充浮力材料4。这样便于达到能够承受更大深度压力的强度要求，易于制造，降低成本。

图7为本发明机械臂的工作模式示意图。从左至右，从上往下依次是水下作业模式、水面中继模式、单平台主副载荷舱置换模式和双平台载荷舱置换模式。机械臂5上能够选装水下摄像机、GNSS天线和铱星通信天线，机械臂上安装的传感器和天线29都是防水的。水下作业时，机械臂5伸出，利用机械臂5上安装的水下摄像机进行环境的图像感知，辅助机械臂5进行水下作业；浮出水面时，机械臂5起竖，利用GNSS天线和铱星通信天线进行卫星导航通信；机械臂5本身还具有抓取功能，可执行水下作业任务，还可进行主、副标准载荷舱7的置换，或者用于两个模块化水下智能装备平台之间的锁定，然后进行两平台标准载荷舱7的置换。单平台主副载荷舱置换的目的是根据任务重要程度调整测量侧重对象，双平台载荷舱置换则是为了维修和续航，货运平台运载充满电的标准载荷舱7(内部全部为蓄电池，即标准电池舱)和装有待更换科学探测设备的标准载荷舱7抵达执行任务区域，为电量即将耗尽的、科学探测设备出现故障的、正在执行任务的模块化水下智能装备平台更换电池舱和内部科学探测设备出现故障的标准载荷舱7，实现在线维修和充电续航。除了机械臂舱段20处安装的机械臂5，主载荷舱段22也可选装机械臂5，便于开展水下作业，机械臂5上可选装适合任务需要的水下传感器23，如水下摄像机等。

标准载荷舱7在使用前应当进行配重，使其质量大致相等。采用向标准载荷舱7内加装UPS电池块的方法对标准载荷舱7进行配重，这样既可以使标准载荷舱7的质量尽量保持一致，方便标准载荷舱7之间的相互置换，又可以保证标准载荷舱7中搭载的电气电子设备的不断电持续运行。

图8为本发明装配可收放滑翔翼时的示意图。在机身中部选装可收放滑翔翼30，使模块化水下智能装备平台能够根据任务需要进入水下滑翔机模式，进行低能耗、长航时、大航程的航行。

采用本发明的模块化水下智能装备平台可以实现在线更换、在线维修、在线充电，大大延长模块化水下智能装备平台的水下工作时间，减少回收频率，延长维护保养周期，简化维护保养流程，降低部署成本。模块化水下智能装备平台能够根据任务实际需要置换搭载不同科学探测载荷的标准载荷舱，即可实现现有的各种水下无人探测设备的大部分功能。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种模块化水下智能装备平台，其特征在于，所述平台由主推进器、外壳支撑底板、外壳上护盖、浮力补偿材料、控制段承压舱、控制系统、电力系统、数据存储系统、标准载荷舱、机械臂、前侧喷、后侧喷、水下传感器、水声导航通信系统、惯性基组合导航系统、卫星导航通信系统、压舱铅块组成；从后往前，模块化水下智能装备平台的主体分为动力舱段、控制舱段、副载荷舱段Ⅰ、副载荷舱段Ⅱ、机械臂舱段、副载荷舱段Ⅲ、主载荷舱段；所述主推进器、外壳支撑底板和外壳上护盖共同组成模块化水下智能装备平台的流体动力学外形，能够减小航行时的阻力，节省能源；所述模块化水下智能装备平台采用湿式设计方案，即，外壳支撑底板和外壳上护盖共同组成的外壳内外都与海水接触，采用开放式结构而非密封结构，内部的标准载荷舱直接与海水接触，外壳上护盖能够从中间向两侧打开，外壳上护盖内侧能够安装浮力补偿材料；所述控制系统、电力系统、数据存储系统、惯性基组合导航系统和卫星导航通信系统位于模块化水下智能装备平台后部控制舱段承压舱内，控制舱段承压舱底部有水密接插件与外壳支撑底板相连接，对模块化水下智能装备平台进行控制、供电、数据记录和导航；所述水下传感器、水声导航通信系统和压舱铅块位于外壳支撑底板外部，与海水直接接触；所述标准载荷舱、机械臂、前侧喷、后侧喷安装在外壳支撑底板上，位于外壳支撑底板和外壳上护盖构成的安装空间中，直接与海水接触：其中标准载荷舱安装在主载荷舱段、副载荷舱段Ⅰ、副载荷舱段Ⅱ、副载荷舱段Ⅲ的位置，机械臂安装在机械臂舱段，后侧喷安装在动力舱段和控制舱段之间，前侧喷安装在主载荷舱段和副载荷舱段Ⅲ之间，前、后侧喷为正交十字架泵喷口，分别具有上、下、左、右四个喷口，外壳支撑底板和外壳上护盖对应的位置上开有洞口，便于前、后侧喷通过喷水达到姿态调整和方位控制的目的；

所述外壳上护盖内侧安装的浮力补偿材料，用于各舱段中性浮力的配置，根据各舱段搭载的载荷的质量大小调整各舱段上护盖内侧安装的浮力补偿材料的数量，直到达到模块化水下智能装备平台整体浮力和重力的大致平衡；

所述外壳支撑底板在主载荷舱段、副载荷舱段Ⅰ、副载荷舱段Ⅱ、副载荷舱段Ⅲ的位置有标准载荷舱安装槽和能够进行水下对接的水下光电复合接口，能够安装固定标准载荷舱，并与标准载荷舱上的水下光电复合接口对接，使得控制系统、电力系统、数据存储系统能够对标准载荷舱内的电子设备进行控制、供电、数据记录；

所述的标准载荷舱，采用标准化、模块化的设计，整体为圆柱体，两侧端盖为圆弧形结构，具有防水和承压能力，能够保护安装在里面的电气电子设备；所述标准载荷舱底部有能够进行水下对接的水下光电复合接口；

所述的机械臂上能够选装水下摄像机、GNSS天线和铱星通信天线，机械臂上所装的传感器和天线都是防水的；在水下时，机械臂伸出并利用水下摄像机进行环境的图像感知；浮出水面时，机械臂起竖并利用GNSS天线和铱星通信天线进行卫星导航通信；机械臂本身还具有抓取功能，能够执行水下作业任务，还可进行主、副载荷舱的置换，或者用于两个模块化水下智能装备平台之间的锁定，然后进行两平台载荷舱的置换；

所述压舱铅块在紧急时刻释放，使模块化水下智能装备平台迅速浮出水面脱险。

2.如权利要求1的一种模块化水下智能装备平台，其特征在于，所述的标准载荷舱能够根据不同深度要求选用铝合金或钛合金材料，在大深度应用中，采用小直径、多个并行安装的标准载荷舱，空隙部分根据中性浮力配置需要填充浮力材料。

3.如权利要求1的一种模块化水下智能装备平台，其特征在于，采用向标准载荷舱内加装UPS电池块的方式对标准载荷舱进行配重，这样既可以使标准载荷舱的质量尽量保持一致，方便标准载荷舱之间的相互置换，又可以保证标准载荷舱中搭载的电气电子设备的不断电持续运行。

4.如权利要求1的一种模块化水下智能装备平台，其特征在于，主载荷舱段可以选装机械臂，便于水下作业，机械臂上可以选装适合任务需要的水下传感器。

5.如权利要求1的一种模块化水下智能装备平台，其特征在于，水下传感器可以选装但不限于避碰声纳、侧扫声呐、CTD传感器、多普勒测速仪、海底剖面仪、水下摄像机。

6.如权利要求1的一种模块化水下智能装备平台，其特征在于，电力系统分为动力供电系统和仪表供电系统，分别用高压、低压蓄电池供电。

7.如权利要求1的一种模块化水下智能装备平台，其特征在于，控制系统具有任务管理、电源管理、运动控制、数据采集、健康监测、工作模式切换的功能。

8.如权利要求1的一种模块化水下智能装备平台，其特征在于，在机身中部能够选装可收放滑翔翼，使模块化水下智能装备平台能够根据任务需要进入水下滑翔机模式，进行低能耗、长航时、大航程的航行。

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