一种水下机器人在海流中的固定方法

1.本发明涉及一种水下机器人在海流中的固定方法，可解决水下机器人在稳定横流中抗流能力不足、能源不足，无法长期抗横流服役的问题。


背景技术：

2.目前世界水下机器人的抗流能力约为主运动方向速度的40％，水下机器人抗流技能已经很难进一步突破，面对过强的横流，水下机器人很可能失控。另外一方面，这种运动的抗流方法有巨大的能耗，水下机器人本身可携带的能源动力非常有限，根本无法实现水下机器人在横流环境中的长期服役与观测，目前水下机器人的技术非常先进，可以执行诸多观测任务，由于能源问题无法进行抗流长期服役是技术上的一大短板。


技术实现要素：

3.针对上述背景技术中存在的问题，本发明创新性地提出了一种固定式的水下机器人抗流方案，例如在南极海域中，即可使用该方法探索冰架，解决目前世界上探索南极冰架手段有限、技术不成熟、水下机器人无法充分发挥作用的问题，在类似问题中充分发挥水下机器人的技术优势。
4.本发明采用以下技术方案实现：
5.一种将水下机器人固定在海流中的方法，可以使得水下机器人固定在目标面上3-5年长期服役，具体包括如下步骤：
6.步骤1，首先水下机器人运动至预设地点，通过浮力控制与重力控制，产生正负浮力调整位置，产生力矩从水平姿势改变为竖直姿势；接着所述水下机器人的水翼变形为支架从而使水下机器人固定到目标面上，观察分析目标面性质；所述预设地点位于目标地点附近，所述目标面为预设地点的上方或下方平面；
7.步骤2，分析目标面的性质后，水下机器人通过定向发射微火箭实现定向微爆破，微火箭头部是锚头，微火箭尾部连有锚定用缆绳，将微火箭头部打入目标面，所述锚头固定于目标面内部；
8.步骤3，释放缆绳，然后通过一次收紧将水下机器人固定在目标地点附近，在服役过程中根据实际情况收紧或放松缆绳。
9.在上述方案中，进一步地，在步骤1中，由于海域工况的不同，水下机器人可以采用坐底或者是吊顶方式固定，例如对于传统海域，往往只具有底面而不具有顶面，水下机器人可以坐底固定在海底面上。在一些特殊的海域，例如岩石腔内，腔体上方存在岩石顶面，水下机器人可以吊顶固定在岩石顶面。坐底的水下机器人会用缆绳将自己固定在海底基面的上表面上方，吊顶的水下机器人会用缆绳将自身固定在岩石顶面的下底面。水下机器人从工作母船出发，向预设地点移动，移动过程中执行传统水下机器人功能，达到预设地点后水下机器人通过浮力控制、重力控制等手段调整自身位置以及姿态。
10.在上述技术方案中，进一步地，在步骤1中，浮力控制、重力控制是指通过抛载浮力
材料、排水、灌水等一系列方式使自身获得正浮力状态或者负浮力状态，其中吊顶的水下机器人获得正浮力状态，坐底的水下机器人获得负浮力状态，在正负浮力状态下水下机器人缓慢向目标面移动，浮力控制和重力控制也会通过变形移动内部质量块模组改变水下机器人的浮心、重心位置，从而使得水下机器人产生力矩，由水平姿势转变为竖直姿势，竖直姿势便于水下机器人在竖直方向的进一步控制，以及向目标面发射缆绳。
11.进一步地，在步骤1中，将水平姿势转变为竖直姿势除了方便发射微火箭外也可以更好地布放声学设备，接触流体以便水下机器人在服役期间执行其他功能。
12.进一步地，在步骤1中，水翼变形可以使用但不限于通过改变后掠角与展长的方式，使得水翼翼尖末端形成一个平面，从而使得变形后的水翼执行支架的作用。由于水下机器人的结构设计不同，不同的水下机器人底面不同。如果是底面适合与平面接触的水下机器人，例如以导管螺旋桨作为艉部的水下机器人，导管螺旋桨的底面与水翼翼尖末端所构成的平面在同一个平面上。以传统螺旋桨作为艉部的水下机器人，其底部并非一个平面，螺旋桨底面不适合与平面接触，水翼翼尖末端构成的平面在螺旋桨底部以下。
13.进一步地，在步骤2中，当竖直姿势的水下机器人距离目标面达到指定距离时，水下机器人停止运动，需求吊顶的水下机器人(以冰盖为例)通过勘探设备了解冰面材料，计算微爆破需采用的炸弹当量。炸弹爆炸能够使微火箭刺穿冰面，并插入足够的深度。过少的当量会导致缆绳插入冰面不足，影响服役时长、固定效果，甚至无法刺穿冰盖面。过多的当量会对水下机器人产生过强的反作用力导致水下机器人失控。需求坐底的水下机器人通过勘探设备了解海底面，根据底面是海底基岩或沉积岩以决定计算微爆破需采用的炸弹当量。过多以及过少当量的炸药同样会出现之前所述的问题。
14.进一步地，在步骤2中，由于释放缆绳时水下机器人处于液体环境，并不具有可以提供支持力使其不移动的对象，由于反作用力，发射高速的微火箭时，水下机器人会发生移动，为防止水下机器人在发射过程中由于反作用力产生的运动对微火箭的发射质量产生太强的影响，在发射时需要通过姿态控制使水下机器人的重心、微火箭的重心、水下机器人的浮心、水下机器人的形心都分布于微火箭运动所在的直线上。
15.进一步地，在步骤2中，装置拥有可根据需求引爆不同当量的炸药的引爆机构。
16.进一步地，在步骤2中，释放微火箭时要保证微火箭与缆绳尽可能垂直于目标面以直线路径进入，对目标面的穿刺会造成目标面表面的破碎，破碎的表面可能会伤害缆绳，故尽可能保证微火箭与缆绳以直线路径进入目标面。
17.进一步地，在步骤2中，微火箭的尾部存在一个卸力机构。所述卸力机构可以使用但不限定于如下的设计，微火箭的尾部具有一个与外壳并不直接连接的盖板，该盖板与主体外壳通过剪切销连接，并且内部做好密封，在常规情况下剪切销可以抵抗液体压强差带来的剪切力，在引爆炸药的情况下微火箭尾部高压燃气会形成一个高压区，剪切销在该高压导致的强剪切力作用下会断裂，从而盖板被推出，实现卸力。
18.进一步地，在步骤3中，释放出去的缆绳略长于需求缆绳的长度，缆绳头部固定在目标面内后，逐步收紧缆绳，水下机器人不断靠近目标面，控制合适的张力将水下机器人固定在目标面上。
19.进一步地，在步骤3中，为了加强微火箭头部锚的固定效果，可采用的方法包括但不限于：所述锚头内部设有倒刺，且微火箭头部的锚头具有展开的功能，在插入目标面后，
锚头自动展开从而使倒刺弹出，以加强自身在目标面内的固定效果。锚头展开的动力可以为储能弹簧或电动方式。
20.进一步地，在步骤3中，在服役期间内，水下机器人在服役期间会受到持续的稳定的海域内海水扰动，长期的扰动会导致缆绳的长度过长，缆绳内没有足够的张力，因此需要在服役过程中不断地收紧缆绳，从而在缆绳中长期产生合适的张力，确保缆绳能够起到将水下机器人固定在目标面上的效果，在服役时间内使水下机器人紧贴目标表面。另外在一些特殊表面的固定中，例如在冰面的固定中，冰面的再冻结可能使得过多缆绳被冻结在冰面中，外部缆绳的长度过短，缆绳产生过强的张力，在这种情况下缆绳需要不断放松，产生合适的张力，使服役期间内水下机器人紧贴目标表面。
21.本发明的有益效果为：
22.本发明创新性地提出了一种具有可行性的水下机器人在海流中的固定方法，以解决水下机器人的抗流问题。该方案可使用的场景繁多，在一些传统大型海工装备不方便进入，水下机器人适合进入的有流海域，该方案为水下机器人在有流环境中的长期服役提供了全新的解决方案，可以发挥出水下机器人的技术优势。
附图说明
23.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征和优点将会变得更加明显。在全部附图中不通过图形形态表达具体结构，重点在于示出本发明的主旨。
24.图1是本发明实施例中一种水下机器人在海流中的新型固定方法的流程图。
25.图2是本发明实施例中坐底水下机器人的示意图。
26.图3是本发明中水翼变形的效果示意图。
27.图4是本发明中微火箭尾部的卸力机构示意图。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体的实施例对本发明中的结构作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
29.如图1所示，本发明公开了一种水下机器人在海流中的固定方法，具体地，该方案包括如下步骤：
30.步骤s1，水下机器人从工作母船出发执行传统水下机器人功能，在海域内运动，到达预设地点。到达预设地点后水下机器人通过浮力控制以及重力控制，产生正负浮力调整自身位置靠近目标面，产生外力矩调整自身姿态从水平姿势调整为竖直姿势，水翼1变形成为支架，分析目标面的性质。所述预设地点位于目标地点附近；，所述目标面为预设地点的上方或下方平面。
31.在图2中，水下机器人由最初的水平运动姿态，调整为竖直的固定服役姿态，其中结构1是水翼，结构2是导管螺旋桨，结构3是水下机器人艇体首部，结构4是水下机器人艇体，结构5是水翼变形后的支架，结构6是锚头，7是海底面。
32.在本发明的一个优选的实施例中，在上述步骤s1中，水下机器人采取坐底方案还是吊顶方案取决于布放前的总体方案设计与当地的海洋环境工况。
33.在本发明的一个优选的实施例中，在上述步骤s1中，浮力控制、重力控制是指通过抛载浮力材料、排水、灌水等一些列方式使自身获得正浮力状态或者负浮力状态，其中吊顶的水下机器人获得正浮力状态，坐底的水下机器人获得负浮力状态，在正负浮力状态下水下机器人缓慢向目标面移动，对于吊顶的水下机器人，目标面是岩石腔底面，浮冰底面等，对于坐底的水下机器人，目标面是海底面7。浮力控制和重力控制也会通过变形、移动内部质量块模组改变水下机器人的浮心、重心位置，从而使得水下机器人产生力矩，由水平姿势转变为竖直姿势，竖直姿态便于水下机器人在竖直方向的进一步的控制，以及向目标表面发射微火箭。
34.在本发明的一个优选的实施例中，在上述步骤s1中，水下机器人从水平姿势转变为竖直姿势除了方便发射微火箭、便于进行竖直方向的运动控制以外，竖直姿势有利于水下机器人在后续的长期服役过程中，更好的布放声学传感设备，使传感器与海流充分接触等。
35.在本发明的一个优选的实施例中，在上述步骤s1中，水下机器人的水翼变形过程可以采用但不限于减小后掠角，增加展长等方式，但是最终目的均为水翼变形后水翼翼尖与水下机器人的导管螺旋桨2底面处在同一个平面上，以实现支架5的功能。可参考附图2与附图3。
36.步骤s2，分析目标面的性质后，水下机器人通过定向发射微火箭实现定向微爆破，微火箭头部是锚头6，微火箭尾部连有锚定用缆绳，将带锚头6的缆绳打入目标面，将锚头6固定于目标面内部。
37.在本发明的一个优选的实施例中，在上述步骤s2中，根据需求进行吊顶、坐底固定。吊顶时，水下机器人通过探勘设备了解顶部底面材料(以浮冰为例)，计算微爆破需求的炸药当量。引爆设备引爆适合当量的炸药，使微火箭带着头部锚头穿刺进入浮冰底面一定深度。
38.在本发明的一个优选的实施例中，在上述步骤s2中，过多的当量会产生过多的热量，促使浮冰融化，影响局部微环境，从而可能影响后续的固定效果。由于本发明的工况是液体环境中无依赖的水下机器人，因此引爆时水下机器人会受到强大的反作用力发生移动，过多的当量可能使水下机器人失控。过少的当量可能使微火箭与锚头无法穿刺冰盖底面，或进入冰盖内部深度不够，影响固定质量。
39.在本发明的一个优选的实施例中，在上述步骤s2中，对于坐底的水下机器人几乎同理，只是对于不同材质的目标面采用不同的炸药当量，最终实现的效果都是锚头穿刺进入目标面内。
40.在本发明的一个优选的实施例中，在上述步骤s2中，释放缆绳时水下机器人处于液体环境，由于反作用力，发射高速的缆绳时，水下机器人会发生移动，为防止水下机器人在发射过程中由于反作用力产生的运动对微火箭的发射质量产生太强的影响，在发射时需要通过姿态控制使水下机器人的重心、微火箭的重心、水下机器人的浮心、水下机器人的形心都分布于缆绳运动所在的直线上。
41.在本发明的一个优选的实施例中，在上述步骤s2中，释放微火箭时要保证微火箭与缆绳尽可能垂直于目标面以直线路径进入，对目标面的穿刺会造成目标面表面的破碎，破碎的表面可能会伤害缆绳，故尽可能保证微火箭与缆绳以直线路径进入目标面。
42.在本发明的一个优选的实施例中，在上述步骤s2中，微火箭的后端设计有一卸力机构，目的是进一步减小微火箭发生过程对水下机器人产生的反作用力。卸力机构可以采用但不限于类似附图4的设计方法，其中11是点火机构，点燃一定当量的炸药产生高压燃气为微火箭发射提供动力，12是微火箭的尾部，微火箭与周围管壁做了密封处理。10是卸力盖板，卸力盖板10并不与外壳直接固连为一体，由于内部是常压，外部是一定深度(以50m水深为例)的水压(0.5mpa)，因此卸力盖板10在一般工作情况下可以抵抗外部的压力，点火时内部产生高压燃气，压强约为200mpa，高压燃气的压强远大于外部水压，卸力盖板10在巨大的压力差下可以向外弹出完成卸力。结构8是剪切销，用于帮助盖板与外壳的连接，结构9是密封圈，用于实现内部的水密。
43.步骤s3，缆绳释放后，首先通过一次收紧将水下机器人固定在目标地点附近，在服役过程中根据实际情况收紧或放松缆绳。
44.在本发明的一个优选的实施例中，在上述步骤s3中，释放出去的缆绳略长于需求缆绳的长度，缆绳头部固定在目标面内后，逐步收紧缆绳，水下机器人不断靠近目标面，控制合适的张力将水下机器人固定在目标面上。
45.在本发明的一个优选的实施例中，在上述步骤s3中，为了加强微火箭头部锚的固定效果，可采用的方法包括但不限于：所述锚头内部设有倒刺且微火箭头部的锚头具有展开的功能，在插入目标面后，锚头展开从而倒刺弹出，以加强自身在目标面内的固定效果。锚头展开的动力可以为储能弹簧或电动方式。
46.在本发明的一个优选的实施例中，在上述步骤s3中，水下机器人在服役期间会受到持续的稳定的海域内海水扰动，长期的扰动会导致缆绳的长度过长，缆绳内没有足够的张力，因此需要在服役过程中不断地收紧缆绳，从而在缆绳中长期产生合适的张力，确保缆绳能够起到将水下机器人固定在目标面上的效果，在服役时间内使水下机器人紧贴目标表面。另外在一些特殊表面的固定中，例如在冰面的固定中，冰面的再冻结可能使得过多缆绳被冻结在冰面中，外部缆绳的长度过短，缆绳产生过强的张力，在这种情况下缆绳需要不断放松，产生合适的张力，使服役期间内水下机器人紧贴目标表面。

技术特征：
1.一种水下机器人在海流中的固定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，首先水下机器人运动至预设地点，通过浮力控制与重力控制，产生正负浮力调整位置，产生力矩从水平姿势改变为竖直姿势；接着所述水下机器人的水翼变形为支架从而使水下机器人固定到目标面上，观察分析目标面性质；所述预设地点位于目标地点附近，所述目标面为预设地点的上方或下方平面；步骤2，分析目标面的性质后，水下机器人通过定向发射微火箭实现定向微爆破，微火箭头部是锚头，微火箭尾部连有锚定用缆绳，将微火箭头部打入目标面，所述锚头固定于目标面内部；步骤3，释放缆绳，然后通过一次收紧将水下机器人固定在目标地点附近，在服役过程中根据实际情况收紧或放松缆绳。2.如权利要求1所述的一种水下机器人在海流中的固定方法，其特征在于，步骤1中，根据所属海洋环境的不同，所述水下机器人采用坐底或者吊顶方式固定。3.如权利要求1所述的一种水下机器人在海流中的固定方法，其特征在于，步骤1中所述水翼变形后，水翼翼尖末端形成一个平面，实现支撑的功能。4.如权利要求1所述的一种水下机器人在海流中的固定方法，其特征在于，步骤2中，所述水下机器人分析目标面的性质后得到适用于微爆破的炸药当量，然后通过引爆不同当量的炸药以发射微火箭。5.如权利要求1所述的一种水下机器人在海流中的固定方法，其特征在于，步骤2中，所述水下机器人发射微火箭时，通过姿态控制使水下机器人的重心、缆绳的重心、水下机器人的浮心、水下机器人的形心都分布于缆绳运动所在的直线上。6.如权利要求1所述的一种水下机器人在海流中的固定方法，其特征在于，步骤2中，所述微火箭的后端设有卸力机构。7.如权利要求1所述的一种水下机器人在海流中的固定方法，其特征在于，步骤3中，释放出去的缆绳长于所需缆绳的长度。8.如权利要求1所述的一种水下机器人在海流中的固定方法，其特征在于，步骤3中，所述锚头内部设有倒刺且所述锚头可展开，进入目标面后，所述锚头自动展开从而使倒刺弹出。

技术总结
本发明公开了一种水下机器人在海流中的固定方法，该方法步骤如下：1.水下机器人运动至预设地点，通过浮力控制与重力控制，产生正负浮力调整位置，产生力矩从水平姿势改变为竖直姿势；水下机器人的水翼变形成为支架固定在目标面上并观察分析目标面性质；所述预设地点位于目标地点附近，所述目标面为预设地点的上方或下方平面；2.分析目标面的性质后，水下机器人通过炸药定向微爆破，将锚头打入目标面内；3.缆绳释放后，首先通过一次收紧将水下机器人固定在目标地点附近，在服役过程中根据实际情况收紧或放松缆绳。本发明可以有效发挥水下机器人的技术优势，在一些传统大型海工装备难以到达的海域，将水下机器人长期布置在该海域中服役。域中服役。域中服役。


技术研发人员：冷建兴 刘旭林 陈伟 魏艳
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/6/12