[发明专利]基于浮力驱动与无轴矢量推进的变形潜水器及其工作方法

说明书

本发明公开了一种基于浮力驱动与无轴矢量推进的变形潜水器及其工作方法，属于海洋工程技术领域，变形潜水器包括主舱、浮力舱、电池舱、变形机构、无轴矢量推进器。本发明通过变形机构将浮力舱和电池舱与主舱连接，通过变形潜水器浮心和重心的位置变换，可实现潜水器的垂向运动形态和水平运动形态，配合浮力舱的浮力调整功能，可实现潜水器在垂向运动形态时具备上浮运动模式和下潜运动模式，通过变形机构调整浮力舱和电池舱分别处于主舱的正后方和正前方，可减少潜水器运动时的水阻，通过控制浮力舱中浮力的大小，可实现潜水器水中悬浮巡航和海底着陆功能，配合无轴矢量推进器的小幅度推动，可实现变形潜水器的高效巡航。

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，具体涉及一种基于浮力驱动与无轴矢量推进的变形潜水器及其工作方法。

背景技术

海洋中众多的矿产资源和生物资源，显示出巨大的商业利益和科学价值。近年来，随着我国“海洋强国”战略的推动和实施，海洋勘测无论在范围还是技术能力方面，都有了很大程度的提升。由于海洋环境的复杂性，潜水器是海洋探索中重要的观测和作业设备，可在高度危险环境、被污染环境以及零可见度的水域代替人工在水下长时间作业。其应用领域很广，主要包括：水产养殖，内陆河流、湖泊的打捞工作，水下下工程的施工，跨海大桥桥墩、海底隧道、内陆河湖桥梁的桥墩年检和海事安全、水下搜寻及海上救援工作以及海洋水文环境的观测等。

水下机器人主要分为两大类：一类是有缆水下机器人，称为遥控潜水器(英文名为Remote Operated Vehicle，简称ROV)；另一类是无缆水下机器人，称为自主式水下潜水器(英文名为Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)。当然随着技术的进步，还出现了第三类水下潜水器称为水下滑翔机(英文名为Autonomous Underwater Glider，简称AUG)。

第一类潜水器ROV，由于潜水器与岸站系统始终连接有线缆为其供电并实现数据回传和指令发送，因此续航能力可以得到保证；但是受电缆长度等影响，其工作深度大部分在百米水深内；并且由于线缆多方面因素的限制，ROV并不适合水下情况复杂的环境。

第二类潜水器AUV，是新一代水下机器人，具有活动范围大、机动性好、安全、智能化等优点，成为完成各种水下任务的重要工具。无缆水下机器人具有活动范围不受电缆限制，隐蔽性好等优点。但是AUV体积较小，内部空间有限，其所能携带的电源等能源设备非常有限，并且其动力驱动来源主要靠螺旋桨产生推力，耗能较高。因此能源问题一直是制约水下自治潜水器发展的一个关键问题。

第三类潜水器AUG，利用净浮力和姿态角调整获得推进力，能源消耗极小，只在调整净浮力和姿态角时消耗少量能源，并且具有效率高、续航力大(可达上千公里)的特点。但是水下滑翔机的航行速度较慢，运动剖面轨迹为锯齿形，航向改变和俯仰姿态改变较为缓慢，不能进行精确作业，只适合长时间、大范围海洋探索的需要。

在深海和复杂水域探测主要依靠AUV和AUG设备。但是AUV的续航能力不强，AUG机动性能低。因此，如何使潜水器既具备较强的机动性，又能保证较长的续航能力，是当前和以后水下潜器发展亟待解决的问题。为了使有限的能源发挥最大作用，延长水下机器人的作业时间，提高水下机器人高速航行时的推进效率，是目前的研究热点。但是目前的研究主要局限于以下两点：

Ⅰ.在当前AUV潜水器基础上，通过算法优化或降低推进器能耗等实现工作周期的延长。

Ⅱ.在当前AUG的基础上增添推进器设备，实现关键时刻或关键工作点的机动性能。

但是上述两个研究方向均不能解决水下潜器存在的最本质问题。