半自主式潜水器

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技术领域\n本发明涉及一种潜水器，尤其涉及一种半自主式潜水器，是一种用于对水 下目标进行搜索、探测的高性能新型潜水器，属于舰船工程领域。\n背景技术\n隐蔽性和高效率是当今小型潜水器所追求的方向之一，对军用装备来说更 是如此。\n水下作业由于其环境的特殊性，往往要依赖于各种类型的无人潜水器。无 人潜水器可携带摄像机和声纳及其他传感设备在恶劣的水下环境中工作，可以 探索到潜水员由于生理条件所限而不能探测到的水下深度，从而避免了高压、 低温等恶劣环境可能对人体造成的伤害并且将人类的探索领域大大延伸。无人 潜水器按其操控方式主要分为两种，即遥控潜水器(Remote Operated Vehicle) 和自主式潜水器(Autonomous Underwater Vehicle)。\n遥控潜水器(ROV)主要是指带缆自由航行潜水器，其主要特征是一根从 潜水器连接到母船(水面)的脐带缆。该脐带缆是从母船(水面)向潜水器提 供动力和传输信号的手段。遥控潜水器本身并不携带动力，其动力通过脐带电 缆从母船传输。同时该脐带还负责传输从母船到遥控潜水器的控制信号及从遥 控潜水器向母船传输的实时视频信号以及传感器信号，声纳信号等。\n自主式潜水器(AUV)是一种与母船(水面)无直接联系，自带动力和能 够自行进行操作的潜水器。这种潜水器一般只是按预定的程序进行操作，也有 能在运行过程中接受从水面通过声信号以改变航向和深度以及收集数据等简单 指令而进行操作的。自主式潜水器的最大特点在于其具有一定的人工智能和完 善的自动控制技术。\n遥控潜水器和自主式潜水器各自具有其自身的特点。遥控潜水器的特点是 由其脐带电缆所决定的。由于遥控潜水器的脐带电缆由于传输动力及信号，一 般都比较粗，重量也比较大，往往不能提供浮力，并且带来了较大的阻力(某 些情况下占到遥控潜水器总阻力的90％以上)这就限制了遥控潜水器的活动半 径一般不超过母船周围400米。这一缺点在军事用途上就产生了隐蔽性差和效 率低(作业半径小)的问题。而自主式潜水器的特点又弥补了遥控潜水器的这 一缺点。自主式潜水器由于无缆作业，因此无需母船，可以快速水下航行，具 有成本低，隐蔽性好的优点。除此以外自主式潜水器还有以下特点：有能适应 不同使命和目标的计算机软件；能在规定的地区调查和按规定的方式搜索；能 对目标鉴别；能规避障碍物；能自动回收；等。但目前的自主式潜水器发展水 平也决定了它的先天不足之处：自主式潜水器的智能度低，无法执行有一定难 度的任务，如不能对发现的目标鉴别，甚至连大小也分辨不出；某些传感器和 仪器的精度尚不能令人满意。由此可见，自主式潜水器要达到对潜警戒和军事 侦察这类军事活动的要求尚有一段很长的路要走。\n发明内容\n本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种半自主式潜水器 (Semi-Autonomous Underwater Vehicle)，结合遥控潜水器和自主式潜水器各自 特点，实现两者的优势互补，扩大潜水器的作业范围，保证数据传输的实时性 和隐蔽性，满足各种民用、军用水下作业的需求。\n为实现这样的目的，本发明设计的半自主式潜水器在遥控潜水器的基础上 将用于传输动力和数据的脐带电缆改为只传输数据的光缆，以减小脐带电缆的 横截面积，降低脐带电缆的重量和由此产生的阻力，使得潜水器的活动范围达 到母船周围15000米。潜水器的动力采用自主式潜水器的自主提供方式用自带 的电池提供。控制信息通过光缆从母船向潜水器传输，潜水器的反馈信息和实 时视频图像，声纳信号等数据也通过光缆向母船返回。\n本发明的半自主式潜水器主要分为首部，主艇体及尾部，包括由首部的透 明耐压玻璃罩及主艇体的耐压壳一起构成的水密耐压外壳，主艇体上的一对固 定首稳定翼，一对尾水平舵，一对可在垂直平面内旋转的辅助推进器，尾部的 一对固定垂直尾鳍，一对主推进器，还有一根从内部计算机引出的连接到母船 的光缆。潜水器首部用透明耐压有机玻璃罩密封，内部装有固定在云台上可多 方位旋转的摄像机和液晶显示屏，摄像机可拍摄水下视频图像，液晶显示屏在 载人工况时供潜水员观察。主艇体耐压壳前部上方设置水下摄像机、操纵手柄 和键盘，在载人工况时供潜水员使用，主艇体耐压壳底部装有成像声纳，用于 探测海底地形。主艇体耐压壳内部装有用于控制的计算机、用于定位导航的陀 螺仪、提供动力的电池、主推进电机及其他辅助设备。水下摄像机、操纵手柄、 键盘及水下成像声纳均与主艇体内的计算机相连。主艇体前部两侧固定设置首 稳定翼，主艇体后部两侧设置可垂直于纵中剖面转动的尾水平舵，主艇体中部 两侧设置可垂直于纵中剖面转动的辅助推进器。潜水器的尾部并排设置两个主 推进器，在主推进器的垂直方向上设置一对垂直尾鳍。首稳定翼和垂直尾鳍可 起到稳定航向的作用。尾水平舵用来调整半自主式潜水器的上升和下潜。辅助 推进器可通过垂直面内的旋转为半自主式潜水器提供垂直升降和辅助前进的功 能，并且可改善半自主式潜水器在水平面内的转向性能。主艇体与尾部曲线连 接处上面设置网格板，在载人工况时可对潜水员起到保护作用。光缆从主艇体 内部的计算机引出，穿过水密主艇体连出潜水器外与母船连接实现双向数据传 输。\n本发明有两种工况：无人航行状态和载人航行状态。无人航行状态时，由 母船人员通过光缆向潜水器发送控制指令，潜水器通过光缆向母船发回探测得 到的数据。载人状态航行时，潜水员俯卧于潜水器上部，通过壳体上的操纵手 柄和键盘控制潜水器的航行状态。同时也通过液晶显示屏，手柄，键盘与母船 通信。潜水员在进行侦察作业时，可手持设置在壳体上部的水下摄像机对于水 面及岸上目标进行拍摄，视频数据通过光缆实时返回母船。\n本发明的半自主式潜水器由于采用了光缆通信和自主动力，因此作业范围 比传统遥控潜水器大大延伸，同时数据传输的实时性和隐蔽性也得到了保证， 能取代蛙人进行水下侦查和近岸侦查作业，有较强的军事应用价值。\n附图说明\n图1为本发明的结构俯视图。\n图1中，1为液晶显示屏，2为耐压玻璃罩，3为摄像机，5为计算机，6 为首稳定翼，7为辅助推进器，8为光缆，9为尾水平舵，10为主推进器，12为 网格板，13为主推进电机，14为电池，15为陀螺仪，17为水下摄像机，18为 操纵手柄，19为键盘。\n图2为本发明的结构主视图。\n图2中，1为液晶显示屏，2为耐压玻璃罩，3为摄像机，4为成像声纳，6 为首稳定翼，7为辅助推进器，9为尾水平舵，10为主推进器，11为垂直尾鳍， 12为网格板，16为主耐压壳，17为水下摄像机，18为操纵手柄。\n图3为本发明结构的左视图。\n图3中，1为液晶显示屏，3为摄像机，4为成像声纳，5为计算机，7为 辅助推进器，17为水下摄像机，18为操纵手柄。\n图4为本发明结构的立体图。\n图4中，1为液晶显示屏，2为耐压玻璃罩，3为摄像机，4为成像声纳，5 为计算机，6为首稳定翼，7为辅助推进器，8为光缆，9为尾水平舵，10为主 推进器，11为垂直尾鳍，12为网格板，16为主耐压壳，17为水下摄像机，18 为操纵手柄，19为键盘。\n具体实施方式\n以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。\n图1所示为本发明潜水器俯视结构示意。位于潜水器首部的透明玻璃罩2 与主艇体的耐压壳一起构成本发明潜水器的水密外壳，玻璃罩2为水密耐压结 构，内部的云台上固定可多方位旋转的摄像机3和液晶显示屏1，液晶显示屏1 水平设置于摄像机3的上方，可以从玻璃罩2外部上方被看到，在载人工况时 供潜水员观看。潜水器主艇体耐压壳16上方靠近首部透明耐压玻璃罩2处设置 一个操纵手柄18和键盘19，在载人工况时供潜水员操作以控制潜水器航态，并 配合液晶显示屏操作与母船实时通信。主艇体前部两侧固定设置首稳定翼6，用 于保证航向稳定性，主艇体后部两侧设置尾水平舵9，尾水平舵9可垂直于纵中 剖面转动，用于控制潜水器的升潜，其运动指令通过艇载计算机提供。主艇体 中部两侧的耐压壳外部分别设置一个辅助推进器7，辅助推进器7可垂直于纵中 剖面转动，用于调整横倾及增加潜水器在水平面内转向的灵活性，还可以实现 潜水器的垂直升潜。潜水器尾部并排设置两个主推进器10，主要用于推进，还 可以通过调节转速起到水平面内转向的作用，其动力分别由两个主推进电机13 提供。主艇体耐压壳与尾部曲线连接处的上方设置网格板12，在载人航行时可 起到保护潜水员身体的作用，同时可减少潜水员身体与主推进器10的相互干扰。 光缆8从艇体内部的计算机5引出，穿过水密主艇体连出潜水器外与母船连接 实现双向数据传输。主艇体内部设置电池14为各推进器及各种电气设备提供直 流电源，设置陀螺仪15用于潜水器的定位导航，其数据可由艇载计算机5处理 并通过光缆发回母船。本发明还在主艇体前部设置一个供潜水员手持使用的水 下摄像机17，可在载人航行时对岸上及水下目标进行拍摄，其数据经过艇载计 算机5压缩后通过光缆8传回母船。\n图2为本发明结构的侧视图。位于潜水器首部的透明玻璃罩2与主艇体的 耐压壳16一起构成潜水器的水密外壳，透明玻璃罩2内部设有摄像机3和液晶 显示屏1，液晶显示屏1水平设置于摄像机3的上方。靠近首部透明耐压玻璃罩 处的主艇体耐压壳16上方设置一个操纵手柄18和水下摄像机17，主艇体底面 设置水下成像声纳4用于探测海底地形，其数据由艇载计算机压缩后通过光缆 传到母船。主艇体前部两侧固定设置首稳定翼6，尾部两侧设置尾水平舵9，中 部两侧设置辅助推进器7。潜水器的尾部并排设置两个主推进器10，在主推进 器10的垂直方向上设置一对垂直尾鳍11，用于进一步保证航向稳定性。光缆8 从主艇体内部的计算机引出，主艇体耐压壳16与尾部曲线连接处的上方设置网 格板12，在载人航行时可起到保护潜水员身体的作用。\n图3为本发明的左视图，即潜水器的前视图。如图3所示，位于潜水器首 部的透明玻璃罩2内部设有摄像机3和液晶显示屏1与艇载计算机5相连，液 晶显示屏1水平设置于摄像机3的上方。主艇体上方设置一个操纵手柄18和水 下摄像机17，主艇体底面设置水下成像声纳4。主艇体(中部)两侧设置辅助 推进器7。\n图4为本发明整体结构的立体图。如图4所示，位于潜水器首部的透明玻 璃罩2与主艇体耐压壳16一起构成本发明的水密外壳。玻璃罩2为水密耐压结 构，内部云台上设有摄像机3，液晶显示屏1水平设置于摄像机3的上方，摄像 机3及液晶显示屏1均连接计算机5，靠近玻璃罩2处的主艇体上方设置水下摄 像机17、操纵手柄18和键盘19，靠近玻璃罩2处的主艇体底面设置水下成像 声纳4。主艇体前部两侧固定设置首稳定翼6，主艇体后部两侧设置尾水平舵9， 主艇体中部两侧设置辅助推进器7，潜水器的尾部设置两个主推进器10，在主 推进器10的垂直方向上设置一对垂直尾鳍11。主艇体耐压壳16与尾部曲线连 接处的上方设置网格板12。\n本发明半自主式潜水器在无人航行状态时，由母船人员通过光缆8向潜水 器发送遥控控制指令，艇载计算机5用该控制指令控制各个运动机构(桨、舵) 执行，以达到所要求的潜水器工作状态。潜水器通过光缆8向母船发回摄像机3、 成像声纳4等传感器探测得到的数据。载人状态航行时，潜水员俯卧于潜水器 上部，通过壳体上的操纵手柄18和键盘19控制潜水器的航行状态，同时也通 过液晶显示屏1，操纵手柄18，键盘19与母船通信。潜水员在进行侦察作业时， 可手持设置在壳体上部的水下摄像机17对于水面及岸上目标进行拍摄，视频数 据和声纳数据通过光缆8实时返回母船。