《混合型水下航行器》是天津大學於2007年1月23日申請的專利，該專利的公布號為CN101007566，申請公布日為2007年8月1日，發明人是王樹新、武建國、陳超英、張宏偉、王延輝。
《混合型水下航行器》有由頭部罩、機體罩、尾部罩構成的骨架；安裝在機體罩外部的三角機翼、垂直固定尾舵；設定在尾部罩下側的高度計；安裝在頭部罩內的導航模組；設定在機體罩內部的中間耐壓倉；設定在機體罩內部的左側耐壓倉和右側耐壓倉；設定在機體罩內的水聲通信模組；設定在機體罩和中間耐壓倉內的浮力驅動系統、控制系統、俯仰調節塊和用於支撐俯仰調節塊的俯仰調節塊支撐桿；對稱的固定連線在尾罩的尾部上的兩個導管螺旋槳推進器。該發明同時採用兼顧滑翔性能和AUV操作性能的三角翼作為航行器的機翼，搭載相應的測量感測器和任務模組，可長時間實現對大範圍水域的監測和勘測，還可以對具體目標進行精確快速的監測、考察、跟蹤等作業。
2015年11月27日，《混合型水下航行器》獲得第十七屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《混合型水下航行器》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：混合型水下航行器
- 申請人 ：天津大學
- 申請日：2007年1月23日
- 申請號：2007100565064
- 公布號：CN101007566
- 公布日：2007年8月1日
- 發明人：王樹新、武建國、陳超英、張宏偉、王延輝
- 地址：天津市南開區衛津路92號
- 分類號：B63G8/00(2006.01)、B63B1/24(2006.01)、G05D1/02(2006.01)、G01C21/10(2006.01)
- 代理機構：天津市北洋有限責任專利代理事務所
- 代理人：江鎮華
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
為了保護海洋環境，高效利用海洋資源，海洋探測必不可少。對海洋的探測，僅僅依靠人力是遠遠不夠的，很大程度上須依靠海洋探測工具。2007年前已開發國家對水下環境監測所用的水下航行器主要有兩種；一種是依靠電池提供能源的水下自航行器（AUV），其主要缺點是，因受能源制約，航程很短，一般在幾公里到幾百公里，最大不超過1000公里，作業時間有限，通常為幾小時到幾十小時；另一種是水下滑翔器（underwater glider），1989年Henry Stommel提出了原創性概念，巧妙地將物體的重力和浮力轉化為前進驅動力，1995年SLOCUM製造出原理樣機，1999年Seaglider和Spray的研製成功水下滑翔器，只提供很少的能量，航程都超過了2000公里，水下航行時間達到幾百天甚至近一年，但水下滑翔器在水下只能做鋸齒形的航行，其航跡和定位控制困難，甚至無法實現，且航速較慢。
發明內容
專利目的
該發明所要解決的技術問題是，提供一種集滑翔器和AUV兩種功能集合於一身，可搭載測量轉感器長時間實現對大範圍水域的監測和勘測的混合型水下航行器。
技術方案
《混合型水下航行器》包括有：由頭部罩、機體罩、尾部罩構成的骨架；分別安裝在機體罩外部兩側的三角機翼；設定在機體罩外側底部的CTD感測器；設定在機體罩外側後部的垂直固定尾舵；設定在尾部罩下側的高度計；安裝在頭部罩內的導航模組；設定在機體罩內部的由中間耐壓倉頭部殼體和中間耐壓倉尾部殼體組成的中間耐壓倉；設定在機體罩內部並分別形成在中間耐壓倉兩側的由左側小耐壓倉尾部殼體和左側小耐壓倉頭部殼體組成的左側耐壓倉，以及由右側小耐壓倉頭部殼體和右側小耐壓倉尾部殼體組成的右側耐壓倉；設定在機體罩內的水聲通信模組；設定在機體罩和中間耐壓倉頭部殼體內的浮力驅動系統；設定在中間耐壓倉頭部殼體內的控制系統；設定在中間耐壓倉尾部殼體內的俯仰調節塊，和固定在中間耐壓倉尾部殼體內的底部用於支撐俯仰調節塊的俯仰調節塊支撐桿；對稱的固定連線在尾罩的尾部上的兩個導管螺旋槳推進器。
在尾罩上還設定有拋載重物以及與其相連的釋放機構。所述的中間耐壓倉、左側耐壓倉、右側耐壓倉是由密封殼體構成。由頭部罩、機體罩、尾部罩構成的骨架的空隙間填充浮力材料並與外面水域相連通。所述的浮力驅動系統包括有設定在機體罩內的外皮囊和設定在中間耐壓倉頭部殼體內的內皮囊及液壓系統。所述的液壓系統是由伺服電機、高壓注塞泵、單向閥、電磁二通閥、過濾器以及連通管路構成。所述的導航模組是由慣性導航系統INS、都卜勒計程儀DVL、全球定位系統GPS組成。所述的中間耐壓倉、左側耐壓倉、右側耐壓倉均為扁平形狀。所述的由頭部罩、機體罩、尾部罩構成的骨架為扁平形狀。
改善效果
《混合型水下航行器》具有結構簡單，製作方便，航行器機身做成扁平式，有利於提高在滑翔時的滑翔效率，同時採用兼顧滑翔性能和AUV操作性能的三角翼作為航行器的機翼，實現航行器將滑翔器和AUV兩種功能集合於一身。自航行器（AUV）的優點集於一身，搭載相應的測量感測器和任務模組，可以長時間實現對大範圍水域的監測和勘測，還可以對具體目標進行精確快速的監測、考察、跟蹤等作業。
附圖說明
圖1是《混合型水下航行器》的整體外觀結構的俯視圖；
圖2是圖1的側視圖；
圖3該發明的整體結構示意圖；
圖4是浮力驅動系統原理示意圖。
其中：1-1、1-2：三角機翼、2：機體罩、3：水聲通信模組、4：頭部罩、5：垂直固定尾舵、6：尾部罩、7-1、7-2：導管螺旋槳推進器、8：CTD感測器、9：導航模組、10：無線發射接收天線、11：高度計、12：俯仰調節塊支撐桿、13：俯仰調節塊、14：左側小耐壓倉尾部殼體、15：中間耐壓倉尾部殼體、16：液壓系統、17：內皮囊、18：外皮囊、19：左側小耐壓倉頭部殼體、20：右側小耐壓倉頭部殼體、21：中間耐壓倉頭部殼體、22：右側小耐壓倉尾部殼體、23：控制系統、24：拋載重物、25：伺服電機、26：高壓注塞泵、27：單向閥、28：電磁二通閥、29：過濾器。
權利要求
1.《混合型水下航行器》其特徵在於，包括有：由頭部罩（4）、機體罩（2）、尾部罩（6）構成的骨架；分別安裝在機體罩（2）外部兩側的三角機翼（1-1、1-2）；設定在機體罩（2）外側後部的垂直固定尾舵（5）；設定在尾部罩（6）下側的高度計（11）；安裝在頭部罩（4）內的導航模組（9）；設定在機體罩（2）內部的由中間耐壓倉頭部殼體（21）和中間耐壓倉尾部殼體（15）組成的中間耐壓倉；設定在機體罩（2）內部並分別形成在中間耐壓倉兩側的由左側小耐壓倉尾部殼體（14）和左側小耐壓倉頭部殼體（19）組成的左側耐壓倉，以及由右側小耐壓倉頭部殼體（20）和右側小耐壓倉尾部殼體（22）組成的右側耐壓倉；設定在機體罩（2）內的水聲通信模組（3）；設定在機體罩（2）和中間耐壓倉頭部殼體（21）內的浮力驅動系統；設定在中間耐壓倉頭部殼體（21）內的控制系統（23）；設定在中間耐壓倉尾部殼體（15）內的俯仰調節塊（13），和固定在中間耐壓倉尾部殼體（15）內的底部用於支撐俯仰調節塊（13）的俯仰調節塊支撐桿（12）；對稱的固定連線在尾罩（6）的尾部上的兩個導管螺旋槳推進器（7-1、7-2）。
2.根據權利要求1所述的混合型水下航行器，其特徵在於，在機體罩（2）外側底部還設定有CTD感測器（8）。
3.根據權利要求1所述的混合型水下航行器，其特徵在於，在尾罩（6）上還設定有拋載重物（24）以及與其相連的釋放機構。
4.根據權利要求1所述的混合型水下航行器，其特徵在於，所述的中間耐壓倉、左側耐壓倉、右側耐壓倉是由密封殼體構成。
5.根據權利要求1所述的混合型水下航行器，其特徵在於，由頭部罩（4）、機體罩（2）、尾部罩（6）構成的骨架的空隙間填充浮力材料並與外面水域相連通。
6.根據權利要求1所述的混合型水下航行器，其特徵在於，所述的浮力驅動系統包括有設定在機體罩（2）內的外皮囊（18）和設定在中間耐壓倉頭部殼體（21）內的內皮囊（17）及液壓系統（16）。
7.根據權利要求6所述的混合型水下航行器，其特徵在於，所述的液壓系統（16）是由伺服電機（25）、高壓注塞泵（26）、單向閥（27）、電磁二通閥（28）、過濾器（29）以及連通管路構成。
8.根據權利要求1所述的混合型水下航行器，其特徵在於，所述的導航模組（9）是由慣性導航系統INS、都卜勒計程儀DVL、全球定位系統GPS組成。
9.根據權利要求1所述的混合型水下航行器，其特徵在於，所述的中間耐壓倉、左側耐壓倉、右側耐壓倉均為扁平形狀。
10.根據權利要求1所述的混合型水下航行器，其特徵在於，所述的由頭部罩（4）、機體罩（2）、尾部罩（6）構成的骨架為扁平形狀。
實施方式
《混合型水下航行器》包括有：由頭部罩4、機體罩2、尾部罩6連線構成的骨架，所構成的骨架為扁平形狀。在機體罩2外部兩側分別對稱地安裝有三角機翼1-1、1-2；在機體罩2外側底部設定有CTD感測器8；在機體罩2外側後部設定有垂直固定尾舵5；在尾都罩6下側設定有高度計11；在頭部罩4內安裝有導航模組9，所述的導航模組9是由慣性導航系統INS、都卜勒計程儀DVL、全球定位系統GPS組成；在尾罩6上還設定有拋載重物24以及與其相連的釋放機構。
在機體罩2內部設定有由中間耐壓倉頭部殼體21和中間耐壓倉尾部殼體15組成的中間耐壓倉，其中間耐壓倉頭部殼體21和中間耐壓倉尾部殼體15兩者之間採用O形密封圈密封；在機體罩2內部還設定有分別形成在中間耐壓倉兩側的，由左側小耐壓倉尾部殼體14和左側小耐壓倉頭部殼體19組成的左側耐壓倉，以及由右側小耐壓倉頭部殼體20和右側小耐壓倉尾部殼體22組成的右側耐壓倉。其左側小耐壓倉尾部殼體14和左側小耐壓倉頭部殼體19兩者之間的採用O形密封圈密封，右側小耐壓倉頭部殼體20和右側小耐壓倉尾部殼體22兩者之間的採用O形密封圈密封。其中，所述的中間耐壓倉、左側耐壓倉、右側耐壓倉是由密封殼體構成，並且其形狀均為扁平形狀。
在機體罩2內還設定有水聲通信模組3，以及設定在機體罩2和中間耐壓倉頭部殼體21內的浮力驅動系統。所述的浮力驅動系統包括有設定在機體罩2內的外皮囊18和設定在中間耐壓倉頭部殼體21內的內皮囊17及液壓系統16。所述的液壓系統16是由伺服電機25、高壓注塞泵26、單向閥27、電磁二通閥28、過濾器29以及連通管路構成。
在中間耐壓倉頭部殼體21內設定有控制系統23；在中間耐壓倉尾部殼體15內設定有俯仰調節塊13和，固定在中間耐壓倉尾部殼體15內的底部用於支撐俯仰調節塊13的俯仰調節塊支撐桿12，其中，俯仰調節塊13是一個電池包，並套在俯仰調節塊支撐桿12上；將俯仰調節塊支撐桿12固定在整個滑翔器中心，在其上固定安裝齒條，並用螺釘固定；俯仰調節塊13作為一個質量塊，並在其端部固定安裝有電機和齒輪，電機由電池包供電驅動齒輪旋轉，而齒輪又與固定在俯仰調節塊支撐桿上的齒條嚙合，從而使得俯仰調節塊13可以沿著俯仰調節塊支撐桿12前後運動；在尾罩6的尾部上還對稱的固定連線有兩個導管螺旋槳推進器7-1、7-2，即兩導管螺旋槳推進器7-1、7-2對稱的固定連線在航行器軸線兩側的尾罩6上。將浮力驅動系統布置在航行器的前部，這樣一方面給後面的螺旋槳推進系統布局留出空間；另一方面，使得浮力驅動過程產生的姿態變化和滑翔需要的姿態變化一致，減輕了俯仰姿態調整系統調節的幅度，減小了能量的消耗。通常狀態下使航行器的密度和海水的密度相同，且質量沿前後軸向是分布均勻的，因此當俯仰調節塊13沿著俯仰調節塊支撐桿12前後運動時，必然會引起沿軸線方向質量分布的相應變化，這樣航行器就會實現相應的俯仰運動。由頭部罩4、機體罩2、尾部罩6構成的骨架的空隙間填充浮力材料並與外面水域相連通。
該發明的混合型水下航行器工作原理是，當航行器處於滑翔器模式時，採用浮力驅動系統驅動，通常狀態下航行器的重力和浮力相等。當二通閥28處於下位，即外皮囊18和內皮囊17相通，在外界水壓作用下外皮囊18中的液壓油經過二通閥28流到內皮囊17中時航行器的整體體積將減小，這時航行器在水中的重力將大於浮力，這時將二通閥28處於上位即外皮囊18和內皮囊17隔斷，這樣航行器將保持重力大於浮力，航行器整體將下沉；當二通閥處於上位，即外皮囊18和內皮囊17隔斷，伺服電機25帶動高壓注塞泵26工作，將內皮囊17中的液壓油經過濾器29輸送到外皮囊18中，航行器的總體體積將增大，這時航行器在水中的浮力將大於重力，航行器整體將上浮。當航行器在水面時，浮力系統是航行器重力大於浮力使航行器下降，在航行器下降過程中調節航行器的俯仰調節塊13的位置，俯仰調節塊13向頭部方向移動，這時航行器重心將向前移動，航行器頭部向下以一定的滑翔角下降，這時在重力和由於攻角產生的垂直於機翼向上的升力合力的作用下，產生一個向前的分力，在這個力的作用下，航行器在下降的同時將向前滑翔；當航行器航行到一定深度時，浮力系統啟動使航行器的浮力大於重力，航行器將向上運動，這時調節俯仰調節塊13向尾部方向移動，航行器的重心將向後移，航行器頭部向上以一定攻角上浮，這時由於浮力和由於攻角作用產生的垂直於機翼向下的負升力作用下，產生一個向前的分力，航行器在上浮的同時將向前滑翔。航行器在浮力驅動系統的作用下不斷的重複上述下降和上升滑翔過程，航行器將以鋸齒形軌跡向前航行。在滑翔過程中所攜帶不同感測器（如CTD）可測量相應的海洋剖面參數。
當航行器處於AUV模式下時：浮力驅動系統首先工作使航行器的重力和浮力大致相同，然後停止工作。航行器尾部的導管螺旋槳推進器7-1和7-2在電機帶動下開始旋轉，且兩個導管螺旋槳推進器的葉片旋向做成一個左旋，一個右旋，使導管螺旋槳推進器旋轉方相反，使得推進器的推力都向後但產生的旋轉力矩可以相互抵消，若兩導管螺旋槳推進器的轉速相同則推進器工作不會帶來航行器的橫滾，只會產生向前的推力。在AUV模式下，航行器的俯仰調節仍然依靠中間耐壓倉15中的俯仰調節塊13在俯仰調節塊支撐桿12上的移動來實現，當俯仰調節塊13向頭部方向移動則航行器在導管螺旋槳推進器的作用下將頭部向下以一定攻角向下航行，當仰調節系統13向尾部方向移動則航行器在導管螺旋槳推進器的作用下將頭部向上以一定攻角向上航行。在AUV模式下，航行器的側轉控制依靠兩個導管螺旋槳推進器的不同轉速控制來實現，具體實現方式如下：當航行器向左側航行時，需要控制導管螺旋槳推進器7-1和7-1的轉速，使得右側導管螺旋槳推進器7-2的轉速大於左側導管螺旋槳推進器7-1的轉速，這是由於導管螺旋槳推進器7-2的推力大於導管螺旋槳推進器7-1的推力，故會產生一個向左的側轉轉距，在這個轉距的作用下航行器將會以一定的迴轉半徑實現側轉，在這個過程過航行器會產生一定的橫滾，但在垂直固定尾舵的穩定作用下，航行器在一定範圍內不會出現 失穩。航行器向右側迴轉的過程和向左側迴轉過程相同，但這是要導管螺旋槳推進器7-1的轉速大於導管螺旋槳推進器7-2的轉速。
當航行器在靜止時，調整航行器的俯仰調節塊13沿著俯仰調節塊支撐桿12向尾部移動到最下端，航行器將會頭部向上，尾部向下垂直在立在水中，這時若兩個導管螺旋槳推進器7-1、7-2以相同轉速旋轉推進航行器，則航行器將實現在水域中的垂直上升，相反將航行器俯仰調節塊13沿著俯仰調節塊支撐桿12向頭部移動到最上端，然後兩個導管螺旋槳推進器7-1、7-2以相同轉速旋轉推進航行器則會實現航行器的垂直下降。
航行器的姿態測量、導航、浮力系統控制、導管螺旋槳推進器的控制均通過控制系統23來實現，其中導航系統器件由慣性導航系統（INS）都卜勒計程儀（DVL）和全球定位系統（GPS）組成，控制系統採用基於CAN匯流排的分布遞階控制系統體系結構，微控制器採用PHILIPS公司的P87C591，它是由80C51衍生而來的帶片內CAN控制器（CAN Controller）的8位單片機，成功的包含並增強了PHILIPS半導體公司獨立的SJA1000CAN匯流排控制器。
當航行器遇到緊急情況需要上浮時根據緊急程度採取下述兩種方式之一實現緊急上浮：1.若航行器電量比較充足且不需要快速上浮，則浮力驅動系統工作，使液壓油在液壓系統16的作用下由內皮囊17流向外皮囊18，航行器體積增大，這樣使得浮力大於航行器的重力，航行器實現上浮。2.若情況比較緊急，需要實現快速上浮，則航行器將固定拋載重物24的機構打開，拋載重物24和航行器分離並拋扔，則航行器的質量將減輕，航行器浮力大於重力實現緊急上浮。
榮譽表彰
2015年11月27日，《混合型水下航行器》獲得第十七屆中國專利獎優秀獎。
