一种深海定域航行器

本发明属于水下航行器领域，尤其是涉及一种竖直对接的深海定域航行器。

背景技术：

1、深海海底无人科学实验站是海洋资源勘探、开发的重要设备。然而，目前深海无人实验站与陆地之间的通信与数据传输技术与装备一直有待研发，特别是缺少能够支持大数据量快速、长期、远距离传输的技术与装备。

2、cn118514809a提供了一种具有非接触式数据传输结构的深海浮标阵列，该方法实现了控制舱与浮标控制电路的无线通信，控制舱的测量数据可以通过非接触的无线传播方式传输给深海浮标，进而浮标在释放时不存在切断数据线的问题，可以采用简单的释放装置，简化了深海浮标释放装置的设计，降低了成本，并能够应用于大规模深海浮标的数据传输。然而，所有基于浮标的深海通信方法都具有单次释放、不可回收的弊端，只能作为应急通讯方法。

3、cn118041459a提供了一种深海水声通信多通道联合处理方法及水声通信系统，利用多通道接收的增益，根据多通道观测值迭代的更新符号，信道和噪声，在逼近信道与噪声最大后验估计的同时完成符号的最大似然估计，实现更低的误码率；利用ptr-dfe均衡后的符号构建初始观测矩阵，保证收敛性。然而，水声通信的方法速率有限，难以满足大数据量的实时交互；此外水声通信需要在岸基布置接收端，难以在远洋实现长期无人自主的通信应用。

4、cn118343276a提供了一种具备滚转和尾舵双模航向调节功能的水下滑翔机，主体的内部安装滚转航向调节单元，包括可动偏心质量块以及驱动所述可动偏心质量块移动并改变其在水下滑翔机主体内部周向位置的驱动器；主体的后部安装尾舵航向调节单元，包括可动尾翼和驱动所述可动尾翼翻转角度的舵机。水下滑翔机具有响应速度快、调节能力强、可靠性高和横摇中位动态调整能力等优点，能够适应复杂多变的海洋环境，确保长期稳定可靠地执行观测任务。然而，水下滑翔机尚不具备垂直、快速穿越大深度实现数据中继的能力，同时也不具备快速运动控制实现精准对接入坞的能力，并不适用于深海通信中继。

技术实现思路

1、本发明提供了一种竖直对接的深海定域航行器，具备快速运动控制实现精准对接入坞的能力，同时适用于深海通信中继，打通从深海到陆地的数据通信链路。

2、一种深海定域航行器，所述的深海定域航行器整体呈回转体鱼雷状，包括头部对接舱段、中间耐压主舱段和尾部舱段，并设有推进器系统、传输系统、感知系统、浮力系统和姿态系统；

3、中间耐压主舱段包含耐压腔体，所述的浮力系统包括设置在耐压腔体内部的内油缸和设置在耐压腔体外部的外油囊；

4、所述的姿态系统设置在耐压腔体内，通过改变深海定域航行器重心与浮心的相对位置改变深海定域航行器的稳定姿态；

5、所述的推进器系统包括设置在头部对接舱段外部的径向推进器以及设置在尾部舱段外部的径向推进器和轴向推进器；

6、所述的传输系统包括设置在头部对接舱段的传输天线、无线充电线圈以及设置在尾部舱段的卫星天线；

7、所述的感知系统设置在头部对接舱段，包括水声信标、水下摄像头和高度压力计。

8、进一步地，所述的耐压腔体包括顺次连接的头部钛合金端盖、碳纤维腔体、钛合金连接环、后段碳纤维腔体和尾部钛合金端盖；耐压腔体的内部为干舱段，所有内部器件通过头部钛合金端盖、尾部钛合金端盖的水密连接件与头部对接舱段、尾部舱段的相关器件实现电气连接。

9、进一步地，所述的头部对接舱段外部设有两个径向推进器，尾部舱段外部设有一个径向推进器和两个轴向推进器。

10、进一步地，感知系统中，水声信标配合海底坞站所搭载的声学应答器进行声学定位，在长距离时引导深海定域航行器向海底坞站行进；水下摄像头在距离海底坞站较近时开启，精确引导深海定域航行器进行入坞对接；高度压力计用于获取绝对深度与高度，辅助深海定域航行器完善自身定位。

11、进一步地，浮力系统中，通过设置气泵增压模块和液压模块来控制从内油缸到外油囊的打油和从外油囊到内油缸的回油。

12、浮力系统存在上浮、下潜和待命三种状态；

13、上浮时，浮力系统接收到打油指令以及油量目标，此时气泵增压模块调整至向内油缸内打气的状态，液压模块为向外油囊打油状态；

14、下潜时，浮力系统接收到回油指令以及油量目标，此时气泵增压模块调整至从内油缸内抽气的状态，液压模块为从外油囊回油状态

15、在上浮和下潜过程中，通过监测内油缸油量状态，直至达到指定油量时回到待命状态，在待命状态下，气泵增压模块和液压模块均关闭。

16、姿态系统以航行器搭载的两个圆环形的电池包作为配重，通过三个电机分别控制电池包整体的轴向移动和两个电池包围绕中轴的旋转，进而改变航行器俯仰和横滚的姿态。

17、姿态系统包括以下三种工作方式：

18、两个电池包沿垂面镜像对称分布，此时深海定域航行器的重心被移动至和中轴重合的位置，因此深海定域航行器实现垂直下潜；

19、两个电池包合拢，此时深海定域航行器的重心在垂直于轴向的剖面上向下移动，因此能够通过整体在腔体内沿轴向前后移动实现深海定域航行器的俯仰控制；

20、两个电池包同步旋转，此时产生一个角动量，并产生滚转扭矩，使得深海定域航行器能够沿着电池包旋转的反方向进行横滚。

21、深海定域航行器实现对接及信息中继的过程如下：

22、深海定域航行器在海面时传输系统中尾部的卫星天线露出水面，通过卫星天线与陆地进行远距离、大数据量的自主数据传输与任务更新；

23、深海定域航行器携带最新任务数据，调节浮力系统开始下潜，根据感知系统获取声学信号定位位于深海海底的对接坞站，通过姿态系统实现低功耗的姿态调节，在远距离对准坞站进行滑翔接近；

24、深海定域航行器到达坞站附近时，根据感知系统获取坞站的引导灯图像，基于推进器系统开展快速运动调节，对接进入坞站中；

25、深海定域航行器在坞站中通过传输系统将最新任务传输给海底坞站，并进行能量补充与数据交互；

26、传输交互完成后，深海定域航行器再次调节浮力系统上浮至海面，通过卫星天线将数据传输给卫星。

27、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

28、1、本发明针对深远海海底独立系统难以实现数据安全快速交互的难题，提出了利用可重复使用、灵活调配的深海定域航行器作为数据中继载体的方法，解决远程数据灵活中继问题。

29、2、本发明针对深海数据中继场景的耐压、能耗、自主、感知和机动性等需求，提出了系统性的6000m级深海定域航行器设计方案，包含3级舱段和5种功能系统，形成了一套新型深海信息中继的技术与装备。

30、3、本发明设计了重心调节与推进驱动混合的航行器结构，建立对应位姿调整控制方法，解决航行器因存在垂向位姿奇点致使控制不确定问题，提升航行器水下对接成功率。

技术特征：

1.一种深海定域航行器，其特征在于，所述的深海定域航行器整体呈回转体鱼雷状，包括头部对接舱段(1)、中间耐压主舱段(2)和尾部舱段(3)，并设有推进器系统(a)、传输系统(b)、感知系统(c)、浮力系统(d)和姿态系统(e)；

2.根据权利要求1所述的深海定域航行器，其特征在于，所述的耐压腔体(f)包括顺次连接的头部钛合金端盖(f-1)、碳纤维腔体(f-2)、钛合金连接环(f-3)、后段碳纤维腔体(f-4)和尾部钛合金端盖(f-5)；耐压腔体(f)的内部为干舱段，所有内部器件通过头部钛合金端盖(f-1)、尾部钛合金端盖(f-5)的水密连接件与头部对接舱段(1)、尾部舱段(3)的相关器件实现电气连接。

3.根据权利要求1所述的深海定域航行器，其特征在于，所述的头部对接舱段(1)外部设有两个径向推进器，尾部舱段(3)外部设有一个径向推进器和两个轴向推进器。

4.根据权利要求1所述的深海定域航行器，其特征在于，感知系统(c)中，水声信标(c-1)配合海底坞站所搭载的声学应答器进行声学定位，在长距离时引导深海定域航行器向海底坞站行进；水下摄像头(c-2)在距离海底坞站较近时开启，精确引导深海定域航行器进行入坞对接；高度压力计(c-3)用于获取绝对深度与高度，辅助深海定域航行器完善自身定位。

5.根据权利要求1所述的深海定域航行器，其特征在于，浮力系统(d)中，通过设置气泵增压模块和液压模块来控制从内油缸到外油囊的打油和从外油囊到内油缸的回油。

6.根据权利要求5所述的深海定域航行器，其特征在于，浮力系统(d)存在上浮、下潜和待命三种状态；

7.根据权利要求1所述的深海定域航行器，其特征在于，姿态系统(e)以航行器搭载的两个圆环形的电池包作为配重，通过三个电机分别控制电池包整体的轴向移动和两个电池包围绕中轴的旋转，进而改变航行器俯仰和横滚的姿态。

8.根据权利要求1所述的深海定域航行器，其特征在于，姿态系统(e)包括以下三种工作方式：

9.根据权利要求1所述的深海定域航行器，其特征在于，深海定域航行器实现对接及信息中继的过程如下：

技术总结
本发明公开了一种深海定域航行器，包括头部对接舱段、中间耐压主舱段和尾部舱段，并设有推进器系统、传输系统、感知系统、浮力系统和姿态系统；中间耐压主舱段包含耐压腔体，浮力系统包括设置在耐压腔体内部的内油缸和设置在耐压腔体外部的外油囊；姿态系统设置在耐压腔体内；推进器系统包括设置在头部对接舱段外部的径向推进器以及设置在尾部舱段外部的径向推进器和轴向推进器；传输系统包括设置在头部对接舱段的传输天线、无线充电线圈以及设置在尾部舱段的卫星天线；感知系统设置在头部对接舱段，包括水声信标、水下摄像头和高度压力计。本发明具备快速运动控制实现精准对接入坞的能力，同时适用于深海通信中继。

技术研发人员：陈燕虎,张所航,刘睿衡,钱士庞,王璐,费新宇,秦晓亚
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5