全文摘要
本申请提供了一种用于改变水下机器人的航行姿态的方法以及可变航行姿态水下机器人。利用本公开所揭示的方法，该水下机器人能够在下潜、上浮过程中，以阻力最小的垂直方向下潜和上浮，从而实现快速的垂直运动。而在到达规定深度后，通过抛弃特殊压载、配合微调重心以及稳定翼辅助的方式，潜水器主体旋转90°，进入同样是阻力最小的水平航行姿态，实现在规定深度的高效率巡航、观测或作业。
主设计要求
1.一种用于改变水下机器人航行姿态的方法，包括：在所述水下机器人的主体的头部的缆绳切割器上悬挂压载牵引缆绳；在所述缆绳末端悬挂下潜可抛弃压载，使所述水下机器人以垂直状态下潜；在所述主体的头部放置上浮可抛弃压载；其中，所述主体和所述上浮可抛弃压载的合重心位置为G0，所述主体和所述上浮可抛弃压载以及所述下潜可抛弃压载的合重心位置为G1，所述主体的浮心位置为B，G0和B位于同一横截面内，G1与B位于一条铅垂线线上，所述下潜可抛弃压载的质量为m1，所述主体的质量为M，所述上浮可抛弃压载的质量为m2，所述缆绳的根部距离B在所述水下机器人的长度方向上的距离为h1，G0与B在所述水下机器人的高度方向上的距离为h2，则满足：(m2+M)h2=m1h1，其中所述方法进一步包括：在某一深度，抛弃所述上浮可抛弃压载，使所述水下机器人恢复垂直状态。
设计方案
1.一种用于改变水下机器人航行姿态的方法，包括：
在所述水下机器人的主体的头部的缆绳切割器上悬挂压载牵引缆绳；
在所述缆绳末端悬挂下潜可抛弃压载，使所述水下机器人以垂直状态下潜；
在所述主体的头部放置上浮可抛弃压载；
其中，所述主体和所述上浮可抛弃压载的合重心位置为G0<\/sub>，所述主体和所述上浮可抛弃压载以及所述下潜可抛弃压载的合重心位置为G1<\/sub>，所述主体的浮心位置为B，G0<\/sub>和B位于同一横截面内，G1<\/sub>与B位于一条铅垂线线上，所述下潜可抛弃压载的质量为m1<\/sub>，所述主体的质量为M，所述上浮可抛弃压载的质量为m2<\/sub>，所述缆绳的根部距离B在所述水下机器人的长度方向上的距离为h1<\/sub>，G0<\/sub>与B在所述水下机器人的高度方向上的距离为h2<\/sub>，则满足：
(m2<\/sub>+M)h2<\/sub>=m1<\/sub>h1<\/sub>，
其中所述方法进一步包括：在某一深度，抛弃所述上浮可抛弃压载，使所述水下机器人恢复垂直状态。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：在所述深度，抛弃所述下潜可抛弃压载，使所述水下机器人恢复水平状态。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述上浮可抛弃压载的重心距离B在所述水下机器人的高度方向上的距离为H，且满足：
m2<\/sub>H=(m2<\/sub>+M)h2<\/sub>。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述下潜可抛弃压载距离所述主体的头部在所述水下机器人的长度方向上的距离不小于所述主体长度的70%。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上浮可抛弃压载被放置在远离所述主体的位置，其中所述上浮可抛弃压载的重心距离所述主体的浮心位置在所述水下机器人的高度方向上不小于所述主体的高度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述下潜可抛弃压载和所述上浮可抛弃压载均设置在所述主体的外部。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在所述主体的尾部放置垂直稳定翼和水平稳定翼，用于实现下潜和上浮过程的微调。
8.一种可变航行姿态水下机器人，包括：
主体；
缆绳切割器，位于所述主体的头部；
压载牵引缆绳，悬挂于所述缆绳切割器；
下潜可抛弃压载，悬挂于所述压载牵引缆绳上，以使所述水下机器人以垂直状态下潜；以及
上浮可抛弃压载，位于所述主体的头部，
其中，所述主体和所述上浮可抛弃压载的合重心位置为G0<\/sub>，所述主体和所述上浮可抛弃压载以及所述下潜可抛弃压载的合重心位置为G1<\/sub>，所述主体的浮心位置为B，G0<\/sub>和B位于同一横截面内，G1<\/sub>与B位于一条铅垂线线上，所述下潜可抛弃压载的质量为m1<\/sub>，所述主体的质量为M，所述上浮可抛弃压载的质量为m2<\/sub>，所述缆绳的根部距离B在所述水下机器人的长度方向上的距离为h1<\/sub>，G0<\/sub>与B在所述水下机器人的高度方向上的距离为h2<\/sub>，则满足：
(m2<\/sub>+M)h2<\/sub>=m1<\/sub>h1<\/sub>，
其中在某一深度，抛弃所述上浮可抛弃压载，使所述水下机器人恢复垂直状态。
9.如权利要求8所述的水下机器人，其特征在于，在所述深度，抛弃所述下潜可抛弃压载后，所述水下机器人恢复水平状态。
10.如权利要求9所述的水下机器人，其特征在于，所述上浮可抛弃压载的重心距离B在所述水下机器人的高度方向上的距离为H，且满足：
m2<\/sub>H=(m2<\/sub>+M)h2<\/sub>。
11.如权利要求8所述的水下机器人，其特征在于，所述下潜可抛弃压载距离所述主体的头部在所述水下机器人的长度方向上的距离不小于所述主体长度的70%。
12.如权利要求8所述的水下机器人，其特征在于，所述上浮可抛弃压载被放置在所述主体的头部，其中所述上浮可抛弃压载的重心距离所述主体的浮心在所述水下机器人的高度方向上不小于所述主体的高度。
13.如权利要求8所述的水下机器人，其特征在于，所述下潜可抛弃压载和所述上浮可抛弃压载均设置在所述主体的外部。
14.如权利要求8所述的水下机器人，其特征在于，进一步包括：位于所述主体的尾部的垂直稳定翼和水平稳定翼，用于实现下潜和上浮过程的微调。
设计说明书
技术领域
本申请涉及水下装备工程领域，具体地，涉及一种用于改变水下机器人的航行姿态的方法以及一种可变航行姿态水下机器人。
背景技术
目前，潜水器主要分为载人潜水器和无人潜水器两大分类。其中，无人潜水器一般称为水下机器人。载人潜水器和水下机器人在相关技术上通用性很强，故此，在本领域中一般不对其进行明显区分。
众所周知，潜水器的工作原理是，它需要下潜至某一深度，然后开展水下观测或者其他作业。而潜水器的移动过程，因此被区分为垂直移动和水平移动两种。垂直移动包括上升和下潜，而水平移动包括前进、后退、转向和横移。若潜水器要实现水平移动，必须依赖外部动力系统，在水中产生推力，利用水的反作用力推进潜水器移动。而要实现垂直移动，则分为“无动力”和“有动力”两种方式。
其中，“无动力”方式主要是通过使潜水器的重力大于浮力来下潜，而通过使浮力大于重力来实现上升。以潜水器的下潜为例，在下潜之前，携带超过其自身浮力的压载重物，使其重力大于浮力，则潜水器可以实现下潜。在下潜过程中，重力与浮力之差等同于水的阻力。即：
G-F=R
其中，G为总重力，F为浮力，R为某一速度下的阻力。当到达规定速度的时候，则抛弃掉精确重量的压载，使其重力等于浮力，则逐渐停留在某一深度附近进行水下观测或者其他作业。无动力下潜的方式，基本不需要外在推进器消耗动力，因此，尤其适合自身携带电池、能源存储有限的潜水器，并且特别适合较大潜深的情况。
“有动力”方式即依赖于潜水器上携带的垂向推进器的动力，实现下潜。这种方式比较适合通过电缆、从母船获得近乎无限动力支持的“远程控制潜水器”（即ROV）。
潜水器在采用无动力下潜的过程中，基本上是垂直下潜。这里存在的问题在于，为了照顾“水平作业”的需求，潜水器一般被设计为主要体积沿水平方向分布。这就导致其水平前进阻力远远小于垂直运动阻力。或者说，在下潜过程中，实际上是沿着其阻力最大的方向移动。在潜深不大的情况下，垂直运动时间在总的工作流程中所占比例较小，可忽略不计。然而，当潜深很大时，尤其是潜深超过3000米之后，下潜至规定深度，完成作业之后上浮，垂直运动所占据的时间比例就非常大。以中国7000米潜水器“蛟龙号”为例，当其下潜至7000米深度，然后上浮，所花费的时间为８小时，而在7000米深度作业的时间也只有８小时。在当今正处于开发中的全海深（11000米）潜水器下潜、上浮所消耗时间则更为惊人，由此将进一步压缩在规定深度作业的时间，从而导致潜水器的工作效率进一步下降。
理论上讲，可以通过增加携带下潜压载的重量，从而增加重力与主体浮力的差值，来获得更快的下潜速度。但是，对大多数潜水器而言，由于水阻力与速度的平方呈正比，导致增加压载所获得的下潜速度增加，效果十分有限。例如，在垂向运动方向，某1.2吨重的潜水器，携带1000 N（牛顿）下潜压载（约100 kg，相当于潜水器本身重量的8%），可以获得约0.53 m\/s的下潜速度。若下潜压载翻倍，达到2000 N（已经相当于潜水器自身重量的17%），下潜速度也仅仅能够达到0.76 m\/s，增大比例仅为40%，如图3所示。参照7000米载人潜水器“蛟龙号”来说，携带下潜压载一般是不超过自身重量5%，否则将引起其他设计上的连锁问题。综上所述，采用增加下潜压载，来获得下潜速度增加的途径，在工程上其实并不可行。
因此，本领域对于改变现有的潜水器航行姿态，从而降低潜水器在下潜、上浮过程中所花费时间的需要。
发明内容
本申请突破了现有的潜水器的设计瓶颈，提出了一种用于改变水下机器人的航行姿态的方法及可变航行姿态水下机器人。借助于该方法，现有的水下机器人能够在下潜、上浮过程中，以阻力最小的垂直方向下潜和上浮，从而实现快速的垂直运动。在到达规定深度后，通过抛弃特殊压载、配合微调重心以及稳定翼辅助的方式，潜水器主体旋转90°，进入同样是阻力最小的水平航行姿态，实现在规定深度的高效率巡航、观测或作业。
根据本公开的第一方面，提出了一种用于改变水下机器人的航行姿态的方法。
根据本公开的第二方面，提出了一种可变航行姿态水下机器人。
附图说明
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出了潜水器的实例，即彩虹鱼11000混合型无人潜航器(ARV)；
图2示出了潜水器在不同方向的运动阻力曲线；
图3示出了不同的下潜压载所获得下潜速度的示例；
图4示出了根据本公开的实施例的可变航行姿态水下机器人的主要构件的示意图；
图5示出了根据本公开的实施例的下潜状态的说明示意图；
图6示出了根据本公开的实施例的垂直下潜状态变为水平航行状态的说明示意图；
图7示出了根据本公开的实施例的水平航行状态变为垂直上浮状态的说明示意图。
具体实施方式
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为了下文描述需要，将潜水器从头部到尾部的距离定义为潜水器的长度方向，而将与其垂直的方向定义为潜水器的高度方向。
图1示出了潜水器的实例，即彩虹鱼11000 ARV。如图1所示，为了照顾“水平作业”的需求，潜水器一般被设计为主要体积沿水平方向分布，从而导致其水平前进阻力远远小于垂直运动阻力。即，在下潜过程中，潜水器是沿其阻力最大的方向在移动的。这种方式导致潜水器在下潜、上浮过程花费太多不必要的时间，从而导致在水下水平作业时间减少。
如图1所示，该潜水器主要包括主体1、垂直稳定翼2、首水平翼3、尾水平推进器4、舯垂直推进器5、首槽道推进器6、水平稳定翼7。
图2示出了潜水器在不同方向上的运动阻力曲线。并且，如图3中的曲线所示，通过增加下潜压载来增加下潜速度的方式在工程上并不可行。如上所述，本申请突破了现有的潜水器的设计瓶颈，提出了一种用于改变水下机器人的航行姿态的方法以及可变航行姿态水下机器人。
图4示出了根据本公开的实施例的可变航行姿态水下机器人的主要构造，其主体1形状为流线型，包括：下潜可抛弃压载101、上浮可抛弃压载102、压载牵引缆绳103、缆绳切割器104、垂直稳定翼2、水平稳定翼7等。该潜水器的典型工作模式为：无动力垂直下潜、水平航行作业、无动力垂直上浮回收。在航行的不同阶段，潜水器姿态是不同的。无动力垂直下潜状态为：下水之前，挂载下潜压载，使其总重量大于潜水器自身浮力，进入下潜状态；无动力垂直上浮状态为：抛弃上浮压载之后，使总重量小于潜水器自身浮力，进入上浮状态；而水平航行作业状态为，在已经抛弃下潜压载的情况下，使得重量和浮力基本持平，采用推进器驱动在某一个深度进行各种作业。
将图1示出的现有潜水器与本公开的可变航行姿态水下机器人相比，该可变航行姿态水下机器人包括位于潜水器头部的下潜可抛弃压载101和上浮可抛弃压载102、压载牵引缆绳103以及缆绳切割器104，其中下潜可抛弃压载101和上浮可抛弃压载102两者都位于潜水器主体外部。与之不同，现有的潜水器中携带的下潜和上浮可抛弃压载均位于潜水主体内部。本公开中的下潜可抛弃压载101通过下潜用压载牵引缆绳103被固定于潜水器的头部。下潜压载在潜水器的长度方向上距离潜水器头部的距离，即缆绳的有效长度不小于70%的潜水器主体长度。缆绳切割器包含内部的电动或液压割刀，当潜水器下潜过程完成之后，由控制系统发出指令，对压载牵引缆绳进行切割，从而抛弃下潜压载101。下潜压载101的重量一般不超过主体重量的5%。
根据本公开实施例的潜水器，在下潜过程中能够以阻力最小的垂直方向下潜，从而实现快速的垂直运动，极大地减少了在下潜过程中所花费的时间，从而为潜水器水平作业提供更多的动力支持。
本公开还提供了一种用于改变水下机器人的航行姿态的方法。该方法主要包括：下潜阶段，水平阶段和上浮阶段。
1. 下潜阶段
图5示出了根据本公开的实施例的下潜状态的说明示意图。参照图5所示，下潜之前，在潜水器头部的缆绳切割器104上悬挂压载牵引缆绳103。缆绳材质为尼龙绳，也可以为本领域已知的其它材质。缆绳末端为下潜压载101，并且下潜压载距离潜水器头部在潜水器的长度方向上的距离（缆绳有效长度），不小于70%的潜水器长度。上浮可抛弃压载102被放置在潜水器头部，且采用垂直支架或者板架，将其放置在远离潜水器的位置（如图4和5所示）。上浮可抛弃压载102的重心距离潜水器浮心位置在潜水器的高度方向上，一般不小于1.0倍潜水器的高度。在潜水器尾部放置垂直稳定翼2和水平稳定翼7，用于航行过程中的稳定。
在下潜过程中，始终携带下潜可抛弃压载和上浮可抛弃压载。下潜过程结束时，由控制系统控制缆绳切割器切断下潜压载缆绳，抛弃下潜压载。但是上浮可抛弃压载，仍然挂载在潜水器主体上。
如图5所示，潜水器主体+上浮压载的合重心位置为G0<\/sub>。携带下潜压载的合重心位置为G1<\/sub>。潜水体主体的重心位置为G2<\/sub>。潜水器的浮心即其几何形状的中心，定义其浮心位置为B。通过潜水器设计，各部分重量的计算和调整，可以保证，G0<\/sub>和浮心B沿着潜水器长度方向，距离头部距离相同，即，G0<\/sub>和浮心B位于同一个潜水器横截面内。
G1<\/sub>与浮心B位于一条铅垂线线上，或者说G1<\/sub>与B的连线与潜水器基线平行，是保证潜水器可以垂直下潜的关键。缆绳切割器的位置，或者说下潜压载缆绳根部位置，在潜水器上，相比浮心更为靠近潜水器顶部位置。定义下潜压载质量为m1<\/sub>，潜水器主体质量为M，上浮可抛弃压载质量为m2<\/sub>，缆绳根部距离浮心B在潜水器长度上的距离为h1<\/sub>，G0<\/sub>与B在潜水器高度上的距离为h2<\/sub>。则h1<\/sub>和h2<\/sub>需要满足以下关系：
(m2<\/sub>+M)h2<\/sub>=m1<\/sub>h1<\/sub>
下潜过程中的微调，可通过垂直稳定翼和水平稳定翼实现。
2. 水平阶段
图6示出了根据本公开的实施例的垂直下潜状态变为水平航行状态的说明示意图。当切断缆绳，抛弃下潜压载101之后，重心和浮心并不在同一条铅垂线上，这将促进潜水器进一步发生姿态改变。当潜水器主体+上浮可抛弃压载102的重量，与潜水器浮力持平时，重心与浮心在一条铅垂线上，潜水器恢复水平状态，在某一个深度进行作业。该状态下主要依靠推进器实现。其它使用相同附图标记标出的部件与图5相同，在此不做赘述。
3. 上浮阶段
图7示出了根据本公开的实施例的水平航行状态变为垂直上浮状态的说明示意图。当潜水器完成既定任务，需要进行上浮时，首先抛弃上浮压载102，合重心位置发生变化。此时，重心和浮心不在一条铅垂线上，将促使潜水器进一步发生姿态改变，浮力大于重力，潜水器上浮。由于上浮压载102靠近潜水器头部安装，因此，抛弃之后，潜水器重心向尾部移动。同时由于上浮压载102采用支架，在潜水器自身高度上距离B存在一定距离，故此，抛弃压载之后，重心也会向潜水器顶部移动。此后，重心与浮心在一条铅垂线上，潜水器变为垂直姿态，从而实现上浮。
定义上浮可抛弃压载102的重心距离浮心B在潜水器高度上的距离为H，而潜水器主体+上浮压载102的合重心位置G0<\/sub>与浮心B在潜水器高度上的距离为h2<\/sub>，则需满足：
m2<\/sub>H=(m2<\/sub>+M)h2<\/sub>
上浮过程中的微调，可通过垂直稳定翼和水平稳定翼实现。
借助于本公开所揭示的方法，水下机器人能够在下潜、上浮过程中，以阻力最小的垂直方向下潜和上浮，从而实现快速的垂直运动。而在到达规定深度后，通过抛弃特殊压载、配合微调重心以及稳定翼辅助的方式，潜水器主体旋转90°，进入同样是阻力最小的水平航行姿态，实现在规定深度的高效率巡航、观测或作业。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201910692111.6
申请日:2019-07-30
公开号:CN110203362A
公开日:2019-09-06
国家:CN
国家/省市:31(上海)
授权编号:CN110203362B
授权时间:20191206
主分类号:B63G 8/00
专利分类号:B63G8/00;B63G8/14;B63G8/18;B63G8/22;G06F17/50
范畴分类:32D;27D;
申请人:上海彩虹鱼海洋科技股份有限公司
第一申请人:上海彩虹鱼海洋科技股份有限公司
申请人地址:201306 上海市浦东新区南汇新城镇海基六路218弄7号楼5楼
发明人:高雷
第一发明人:高雷
当前权利人:上海彩虹鱼海洋科技股份有限公司
代理人:亓云;陈斌
代理机构:31100
代理机构编号:上海专利商标事务所有限公司
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计