一种爬游混合型无人潜水器及其使用方法与流程

本发明属于海洋工程水下装备与系统技术领域，特别涉及一种爬游混合型无人潜水器及其使用方法。

背景技术：

进入二十一世纪以来，世界各国都在大力开展探索深海、开发深海和利用深海的科研、经济和军事活动，而海洋考察、探测与作业最重要的装备之一就是无人潜水器。目前，无人潜水器主要分为AUV和ROV这两类传统巡游型潜水器，AUV具备快速机动能力，而ROV具备精确移动能力，但是均不能满足在大深度、复杂环境下稳定工作的需要。特别是在研究、开发价值极大的深海热液区，海底地形复杂、洋流扰动强烈，环境苛刻，传统有缆ROV使用不便和AUV稳定性弱的不足日益凸显。另外，现有爬行机器人尽管稳定性高，具备较强的越障能力，但多在陆地使用，速度慢且关键部件无法承受高水压，设备也不具备水动力外形，不能直接应用于海洋特别是深海环境。

因此，有必要提出一种爬游混合型无人潜水器，兼具AUV高效、大范围的机动能力、ROV的精确移动定位能力以及爬行机器人的抗洋流稳定能力。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供一种爬游混合型无人潜水器及其使用方法，满足复杂海底环境近距离精确、稳定观测、取样、打捞等作业需求。

本发明的技术方案是：一种爬游混合型无人潜水器，它包括：无人巡游装置和至少四个多关节机械腿；

无人巡游装置包括：主透水舱、耐压球舱、卫星通信模块、潜浮与抛载模块、能源模块、推进模块和深度探测模块；主透水舱为AUV整体式结构，或为ROV框架式结构；耐压球舱包括：控制模块、水声通信模块及导航模块，布置在主透水舱内，位于中部；卫星通信模块布置透水舱内，位于后部；潜浮与抛载模块包括多个潜浮与抛载子单元，设在主透水舱内，位于最底部；能源模块布置在透水舱内，位于潜浮与抛载模块上部；推进模块包括至少1个水下推进器，布置在主透水舱外，位于主透水舱尾部；深度探测模块设在主透水舱顶部。无人巡游装置还包括负载模块，根据任务需求配置。

至少四个多关节机械腿包括两个前多关节机械腿和两个后多关节机械腿，布置在所述无人巡游装置的主透水舱外，位于底部两侧，左右对称。至少四个多关节机械腿包覆蒙皮，以提高水动力性能。

至少四个多关节机械腿中的前多关节机械腿至少包括三个自由度，包括：前水密旋转电机、前水密摆动电机A、前水密摆动电机B、前舵和前机械臂。前舵与主透水舱连接，由前水密旋转电机驱动绕主透水舱旋转，由前水密摆动电机A驱动摆动；前机械臂与前舵连接，由前水密摆动电机B驱动，绕前舵摆动。

至少四个多关节机械腿中的后多关节机械腿至少包括三个自由度，包括：后水密旋转电机、后水密摆动电机A、后水密摆动电机B、后机械臂和尾舵。后机械臂与主透水舱连接，由后水密旋转电机驱动绕主透水舱旋转，由后水密摆动电机A驱动摆动；尾舵与后机械臂连接，由后水密摆动电机B驱动，绕后机械臂摆动。

无人巡游装置的推进模块中的至少1个水下推进器，当水下推进器为单个时，可通过改变前多关节机械腿的前舵和后多关节机械腿的尾舵姿态调节爬游混合型无人潜水器的运动方向；当水下推进器为多个时，以多个水下推进器推力差为主，改变前多关节机械腿的前舵和后多关节机械腿的尾舵姿态为辅来实时调整爬游混合型无人潜水器的运动方向。

至少四个多关节机械腿中的两个前多关节机械腿包括两个多功能机械手，以满足海底作业的需要。

至少四个多关节机械腿中的两个前多关节机械腿可作为水平翼，两个后多关节机械腿可作为垂直翼使用，以提高爬游混合型无人潜水器的巡游稳定性。

一种爬游混合型无人潜水器的使用方法，它使用如上所述的爬游混合型无人潜水器，并包括以下步骤：

a)爬游混合型无人潜水器由工作母船携带至任务海域，采用工作母船上的起重机下放。

b)爬游混合型无人潜水器处于下潜/上浮姿态，负浮力下潜。深度探测模块检测到距离海底一定距离时触发爬游混合型无人潜水器开始工作，能源模块、水声通信模块及导航模块开启，通过能源模块为所有电子设备提供能源，通过水声通信模块与工作母船实时通讯，通过导航模块为无人潜水器提供航线。控制模块控制爬游混合型无人潜水器抛出部分潜浮与抛载子单元，爬游混合型无人潜水器处于零浮力。

c)水下推进器启动，爬游混合型无人潜水器调整为巡游姿态，通过水下推进器推力差或多关节机械腿的前舵和尾舵实时调整运动方向。

d)爬游混合型无人潜水器巡游至接近任务点上方，水下推进器关闭，调整多关节机械腿为落底姿态，爬游混合型无人潜水器依靠惯性慢慢滑翔落底。

e)落底后，爬游混合型无人潜水器调整为爬行姿态，爬行至任务点，利用负载模块或多功能机械手开始作业。

f)在作业过程中如遇到较大洋流，爬游混合型无人潜水器停止作业并调整为抗洋流姿态，以抵抗该洋流。

g)当前任务完毕后，调整多关节机械腿为起底姿态，重复步骤c)～f)进行下一任务。

h)所有任务完毕后，控制模块控制爬游混合型无人潜水器抛出全部潜浮与抛载子单元，以减轻潜水器重量。爬游混合型无人潜水器离开海底后调整为下潜/上浮姿态，正浮力上升至海面，通过卫星通信模块与工作母船通信并提供方位信息。

i)工作母船航行至爬游混合型无人潜水器浮出海面的位置，由起重机将其回收。

有益效果：本发明是一种既可在海洋中巡游，又可海底爬行的无人潜水器，兼具AUV高效、大范围的机动能力、ROV的精确移动定位能力以及爬行机器人的抗洋流稳定能力，具有稳定性高、能耗低、环境适应性强的特点，满足复杂海底环境近距离精确、稳定观测、取样、打捞搜救等应用需求。

附图说明

图1为爬游混合型无人潜水器示意图；

图2为爬游混合型无人潜水器使用方法示意图；

图3为爬游混合型无人潜水器下潜/上浮姿态示意图；

图4为爬游混合型无人潜水器巡游姿态示意图；

图5为爬游混合型无人潜水器落底姿态示意图；

图6为爬游混合型无人潜水器爬行姿态示意图；

图7为爬游混合型无人潜水器抗洋流姿态示意图；

图8为爬游混合型无人潜水器起底姿态示意图。

具体实施方式

实施例1，参见附图1，一种爬游混合型无人潜水器，它包括：无人巡游装置1和至少四个多关节机械腿2；

无人巡游装置1包括：主透水舱11、耐压球舱12、卫星通信模块13、潜浮与抛载模块14、能源模块15、推进模块16和深度探测模块17；主透水舱11为AUV整体式结构，或为ROV框架式结构；耐压球舱12包括：控制模块121、水声通信模块122及导航模块123，布置在主透水舱11内，位于中部；卫星通信模块13布置透水舱11内，位于后部；潜浮与抛载模块14包括多个潜浮与抛载子单元141，设在主透水舱11内，位于最底部；能源模块15布置在透水舱11内，位于潜浮与抛载模块14上部；推进模块16包括至少1个水下推进器161，布置在主透水舱11外，位于主透水舱11尾部；深度探测模块17设在主透水舱11顶部。无人巡游装置1还包括负载模块18，根据任务需求配置。

至少四个多关节机械腿2包括两个前多关节机械腿21和两个后多关节机械腿22，布置在无人巡游装置1的主透水舱11外，位于底部两侧，左右对称。至少四个多关节机械腿2还包覆蒙皮216，以提高水动力性能。

至少四个多关节机械腿2中的前多关节机械腿21至少包括三个自由度，包括：前水密旋转电机211、前水密摆动电机A212、前水密摆动电机B213、前舵214和前机械臂215。前舵214与主透水舱11连接，由前水密旋转电机211驱动绕主透水舱11旋转，由前水密摆动电机A212驱动摆动；前机械臂215与前舵214连接，由前水密摆动电机B213驱动，绕前舵214摆动。

至少四个多关节机械腿2中的后多关节机械腿22至少包括三个自由度，包括：后水密旋转电机221、后水密摆动电机A222、后水密摆动电机B223、后机械臂224和尾舵225。后机械臂224与主透水舱11连接，由后水密旋转电机221驱动绕主透水舱11旋转，由后水密摆动电机A222驱动摆动；尾舵225与后机械臂224连接，由后水密摆动电机B223驱动，绕后机械臂224摆动。

无人巡游装置1的推进模块16中的至少1个水下推进器161，当水下推进器161为单个时，可通过改变前多关节机械腿21的前舵214和后多关节机械腿22的尾舵225姿态调节爬游混合型无人潜水器的运动方向；当水下推进器161为多个时，以多个水下推进器161推力差为主，改变前多关节机械腿21的前舵214和后多关节机械腿22的尾舵225姿态为辅来实时调整爬游混合型无人潜水器的运动方向。

至少四个多关节机械腿2中的两个前多关节机械腿21包括两个多功能机械手217，以满足海底作业的需要。

至少四个多关节机械腿2中的两个前多关节机械腿21可作为水平翼，两个后多关节机械腿22可作为垂直翼使用，以提高爬游混合型无人潜水器的巡游稳定性。

实施例2：参见附图2～图8，一种爬游混合型无人潜水器的使用方法，它使用如实施例1的爬游混合型无人潜水器，并包括以下步骤：

a)爬游混合型无人潜水器由工作母船100携带至任务海域，采用工作母船100上的起重机101下放。

b)爬游混合型无人潜水器处于下潜/上浮姿态(参见附图3)，即：前多关节机械腿21和后多关节机械腿22处于完全收拢状态。负浮力下潜，深度探测模块17检测到距离海底一定距离时触发爬游混合型无人潜水器开始工作，能源模块15、水声通信模块122及导航模块123开启，通过能源模块15为所有电子设备提供能源，通过水声通信模块122与工作母船100实时通讯，通过导航模块123为无人潜水器提供航线。控制模块121控制爬游混合型无人潜水器抛出部分潜浮与抛载子单元141，爬游混合型无人潜水器处于零浮力。

c)水下推进器161启动，爬游混合型无人潜水器调整为巡游姿态(参见附图4)，即：前多关节机械腿21中的前舵214处于水平且完全张开状态，前机械臂215处于向内折回状态，前舵214舵面水平，作为水平翼；后多关节机械腿22中的后机械臂224处于水平且完全张开状态，尾舵225及舵面与后机械臂224垂直，且处于竖直向上状态，作为垂直翼。通过水下推进器161推力差或多关节机械腿2的前舵214和尾舵225实时调整运动方向。

d)爬游混合型无人潜水器巡游至接近任务点上方，水下推进器161关闭，调整多关节机械腿2为落底姿态(参见附图5)，即：前多关节机械腿21中的前舵214处于朝前张开状态，前机械臂215处于朝下状态；后多关节机械腿22中的后机械臂224处于水平且完全张开状态，尾舵225及舵面与后机械臂224垂直，且处于竖直向上状态，作为垂直翼。此时，爬游混合型无人潜水器依靠惯性慢慢滑翔落底。

e)落底后，爬游混合型无人潜水器调整为爬行姿态(参见附图6)，即：前多关节机械腿21中的前舵214处于旋转、摆动状态，前机械臂215朝下且处于摆动状态；后多关节机械腿22中的后机械臂224处于旋转、摆动状态，尾舵225朝下且处于摆动状态。爬行至任务点，利用负载模块18或多功能机械手217开始作业。

f)在作业过程中如遇到较大洋流，爬游混合型无人潜水器停止作业并调整为抗洋流姿态(参见附图7)，即：无人巡游装置1中的主透水舱11底部坐沉海底；前多关节机械腿21中的前机械臂215自由端朝下且接触海底；后多关节机械腿22中的尾舵225自由端朝下且接触海底。

g)当前任务完毕后，调整多关节机械腿2为起底姿态(参见附图8)，即：爬游混合型无人潜水器前多关节机械腿21处于直立状态，后多关节机械腿22处于弯曲状态，前多关节机械腿21高度大于后多关节机械腿22高度。然后，重复步骤c)～f)进行下一任务。

h)所有任务完毕后，控制模块121控制爬游混合型无人潜水器抛出全部潜浮与抛载子单元141，以减轻潜水器重量。爬游混合型无人潜水器离开海底后调整为下潜/上浮姿态，正浮力上升至海面，通过卫星通信模块13与工作母船100通信并提供方位信息。

i)工作母船100航行至爬游混合型无人潜水器浮出海面的位置，由起重机101将其回收。