一种智能型水下目标声模拟UUV结构

本发明属于水下机器人领域，具体地说是一种智能型水下目标声模拟uuv(无人水下航行器)结构，适用于在水下以悬停或机动巡航工作模式，模拟各种水下目标辐射噪声的作业。

背景技术：

1、甚低频声源在水声探测领域具有广泛应用，主要用于测试声纳性能、对声纳操作员进行培训或进行水声研究。特别是在反潜训练中，甚低频声源常用来模拟敌方潜艇的声学特征，为声纳反潜训练和鱼雷搜索攻击潜艇的海上性能考核提供水声目标。在海底观测网建设中也常用甚低频声源模拟潜艇入侵噪声，来校验声纳探测阵的性能，辅助海底观测网的建设和运维。

2、随着水下机器人技术的发展和进步，可水下自主航行的水下机器人具有航行稳定、携带多种载荷、水下长时间续航、可自主完成多种使命等优势，已经成为海洋探测活动的重要技术手段之一。

3、传统上，甚低频声源主要采取船基吊放、空基吊放或者水下固定的方式使用；存在作业效率底，使用方便性差，使用成本高的不足。

技术实现思路

1、针对甚低频声源现有工作应用方式的不足，本发明的目的在于提供一种智能型水下目标声模拟uuv结构。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、本发明包括能够水下自主航行的水下航行器本体以及搭载在水下航行器本体上能够水下发声作业的甚低频声源，其中水下航行器本体包括艏部的控制导航舱段、舯部载荷补给舱段及艉部能源与推进舱段，所述甚低频声源分布式搭载在水下航行器本体上，即所述甚低频声源包括声源换能器、声源功放及声源补偿气囊，所述控制导航舱段搭载声源换能器、声源功放及控制系统，所述声源补偿气囊安装在舯部载荷补给舱段内，并与所述声源换能器相连通，用于所述声源换能器发声作业时压力补偿，所述舯部载荷补给舱段内还安装有分别位于声源补偿气囊前后两端的前垂直航行槽道桨、后垂直航行槽道桨；所述艉部能源与推进舱段的前段内部搭载提供能源动力的动力源，所述艉部能源与推进舱段的后段内部安装舵机驱动机构，所述艉部能源与推进舱段后段舱外设有由舵机驱动机构操纵的舵翼，所述艉部能源与推进舱段的最艉部安装有推进器。

4、其中：所述声源换能器通过减振器安装在支架上，所述支架固接在控制导航舱段的前段舱壳内；所述减振器包括外框架、内框架、承力弹簧、悬挂弹簧、前限位弹簧及后限位弹簧，所述外框架固接在支架上，所述内框架位于外框架内部，所述内框架的底面通过承力弹簧与外框架连接，所述内框架的顶面通过悬挂弹簧与外框架连接，所述内框架的前后两侧分别通过前限位弹簧、后限位弹簧与外框架连接；所述声源换能器固接在内框架上。

5、所述支架为呈环形的艏部偏心支架，所述艏部偏心支架的内环与外环偏心设置。

6、所述控制导航舱段为干舱段，所述声源换能器通过通气管路与声源补偿气囊连通，所述通气管路的一端位于控制导航舱段内、并与所述声源换能器连通，所述通气管路的另一端穿舱后位于舯部载荷补给舱段内、并与所述声源补偿气囊连通。

7、所述控制系统包括自动驾驶单元、声源电池、dvl、声通、集成天线及惯导单元，所述自动驾驶单元安装在控制导航舱段后段的舱壳内，所述声源电池通过电池滑道a安装在控制导航舱段中段的舱壳内，所述dvl穿舱安装在控制导航舱段下部，所述声通及集成天线安装在控制导航舱段上部，所述惯导单元安装在dvl的上部。

8、所述舯部载荷补给舱段为浸水舱段，所述声源补偿气囊外围设有保护罩，所述保护罩用于保护柔性的声源补偿气囊避免被尖物刺伤，同时保持所述声源补偿气囊形状，使所述声源补偿气囊沿着设定方向收缩；在所述前垂直航行槽道桨及后垂直航行槽道桨上部的舱壳上分别安装有起吊环；所述舯部载荷补给舱段内的下部分别安装有电磁铁、抛载压铁及深高度计，所述舯部载荷补给舱段的上部安装有用于舱段维护的舱盖。

9、所述动力源为动力电池，所述动力电池通过电池滑道b固定在艉部能源与推进舱段的舱壳内，所述电池滑道b的前端安装有用于控制推进器上下电的固态继电器。

10、所述舵机驱动机构为十字舵机构，所述舵翼包括呈“十”字分布的水平舵翼及垂直舵翼，所述水平舵翼及垂直舵翼分别安装在艉部能源与推进舱段的舱壳上，且分别具有能够转动的舵片；所述十字舵机构包括两个电机、两组齿轮传动机构、两根舵片连接转轴及两个安装架，每个所述安装架均固接在艉部能源与推进舱段的舱壳内，两个所述电机分别安装在两个安装架上，每个所述电机的输出端均通过一组齿轮传动机构连接一根舵片连接转轴，两根所述舵片连接转轴的两端分别与水平舵翼上的舵片、垂直舵翼上的舵片相连。

11、所述齿轮传动机构包括齿轮a及齿轮b，所述电机的输出端与齿轮a相连，所述齿轮b安装于舵片连接转轴上，并与所述齿轮a啮合传动。

12、本发明的优点与积极效果为：

13、1.本发明变浮力载荷与uuv载体一体化融合设计，将甚低频声源与水下机器人进行系统集成，甚低频声源采用分布方式搭载，有利于平衡声源补偿气囊体积随深度变化对uuv水下均衡的影响，有利于水下uuv载体设计的小型化设计。

14、2.本发明布置了前、后垂直航行槽道桨，布置在声源补偿气囊前后，通过前、后垂直航行槽道桨推力平衡声源补偿气囊在水面的正浮力，实现集成甚低频声源的轻型水下机器人大正浮力条件下水面下潜和水下任意深度悬停作业，前、后垂直航行槽道桨布置于浮心两侧，降低前、后垂直航行槽道桨对载体俯仰的影响，实现悬停时前、后垂直航行槽道桨工作，水下巡航时前、后垂直航行槽道桨不工作，降低能耗，实现本发明多模式水下作业需求。

15、3.本发明的声源换能器通过减振器安装在艏部，减振器采用弹簧减振设计，通过弹簧悬架，降低声源发生时声源换能器振动对水下航行器本体的影响，提高机器人水下工作的稳定性。

16、4.本发明在声源补偿气囊和声源换能器之间设有通气管路，便于补偿声源换能器水下工作时前后压力。

技术特征：

1.一种智能型水下目标声模拟uuv结构，其特征在于：包括能够水下自主航行的水下航行器本体以及搭载在水下航行器本体上能够水下发声作业的甚低频声源，其中水下航行器本体包括艏部的控制导航舱段(1)、舯部载荷补给舱段(2)及艉部能源与推进舱段(3)，所述甚低频声源分布式搭载在水下航行器本体上，即所述甚低频声源包括声源换能器(101)、声源功放(102)及声源补偿气囊(202)，所述控制导航舱段(1)搭载声源换能器(101)、声源功放(102)及控制系统，所述声源补偿气囊(202)安装在舯部载荷补给舱段(2)内，并与所述声源换能器(101)相连通，用于所述声源换能器(101)发声作业时压力补偿，所述舯部载荷补给舱段(2)内还安装有分别位于声源补偿气囊(202)前后两端的前垂直航行槽道桨(201)、后垂直航行槽道桨(203)；所述艉部能源与推进舱段(3)的前段内部搭载提供能源动力的动力源，所述艉部能源与推进舱段(3)的后段内部安装舵机驱动机构，所述艉部能源与推进舱段(3)后段舱外设有由舵机驱动机构操纵的舵翼，所述艉部能源与推进舱段(3)的最艉部安装有推进器(303)。

2.根据权利要求1所述的智能型水下目标声模拟uuv结构，其特征在于：所述声源换能器(101)通过减振器(105)安装在支架上，所述支架固接在控制导航舱段(1)的前段舱壳内；所述减振器(105)包括外框架(1051)、内框架(1052)、承力弹簧(1053)、悬挂弹簧(1054)、前限位弹簧(1055)及后限位弹簧(1056)，所述外框架(1051)固接在支架上，所述内框架(1052)位于外框架(1051)内部，所述内框架(1052)的底面通过承力弹簧(1053)与外框架(1051)连接，所述内框架(1052)的顶面通过悬挂弹簧(1054)与外框架(1051)连接，所述内框架(1052)的前后两侧分别通过前限位弹簧(1055)、后限位弹簧(1056)与外框架(1051)连接；所述声源换能器(101)固接在内框架(1052)上。

3.根据权利要求2所述的智能型水下目标声模拟uuv结构，其特征在于：所述支架为呈环形的艏部偏心支架(112)，所述艏部偏心支架(112)的内环与外环偏心设置。

4.根据权利要求1所述的智能型水下目标声模拟uuv结构，其特征在于：所述控制导航舱段(1)为干舱段，所述声源换能器(101)通过通气管路(104)与声源补偿气囊(202)连通，所述通气管路(104)的一端位于控制导航舱段(1)内、并与所述声源换能器(101)连通，所述通气管路(104)的另一端穿舱后位于舯部载荷补给舱段(2)内、并与所述声源补偿气囊(202)连通。

5.根据权利要求1所述的智能型水下目标声模拟uuv结构，其特征在于：所述控制系统包括自动驾驶单元(103)、声源电池(106)、dvl(107)、声通(108)、集成天线(109)及惯导单元(111)，所述自动驾驶单元(103)安装在控制导航舱段(1)后段的舱壳内，所述声源电池(106)通过电池滑道a(110)安装在控制导航舱段(1)中段的舱壳内，所述dvl(107)穿舱安装在控制导航舱段(1)下部，所述声通(108)及集成天线(109)安装在控制导航舱段(1)上部，所述惯导单元(111)安装在dvl(107)的上部。

6.根据权利要求1所述的智能型水下目标声模拟uuv结构，其特征在于：所述舯部载荷补给舱段(2)为浸水舱段，所述声源补偿气囊(202)外围设有保护罩(204)，所述保护罩(204)用于保护柔性的声源补偿气囊(202)避免被尖物刺伤，同时保持所述声源补偿气囊(202)形状，使所述声源补偿气囊(202)沿着设定方向收缩；在所述前垂直航行槽道桨(201)及后垂直航行槽道桨(203)上部的舱壳上分别安装有起吊环(205)；所述舯部载荷补给舱段(2)内的下部分别安装有电磁铁(206)、抛载压铁(207)及深高度计(208)，所述舯部载荷补给舱段(2)的上部安装有用于舱段维护的舱盖(209)。

7.根据权利要求1所述的智能型水下目标声模拟uuv结构，其特征在于：所述动力源为动力电池(301)，所述动力电池(301)通过电池滑道b(304)固定在艉部能源与推进舱段(3)的舱壳内，所述电池滑道b(304)的前端安装有用于控制推进器(303)上下电的固态继电器(306)。

8.根据权利要求1所述的智能型水下目标声模拟uuv结构，其特征在于：所述舵机驱动机构为十字舵机构(305)，所述舵翼包括呈“十”字分布的水平舵翼(302)及垂直舵翼(307)，所述水平舵翼(302)及垂直舵翼(307)分别安装在艉部能源与推进舱段(3)的舱壳上，且分别具有能够转动的舵片；所述十字舵机构(305)包括两个电机(3053)、两组齿轮传动机构、两根舵片连接转轴(3054)及两个安装架(3055)，每个所述安装架(3055)均固接在艉部能源与推进舱段(3)的舱壳内，两个所述电机(3053)分别安装在两个安装架(3055)上，每个所述电机(3053)的输出端均通过一组齿轮传动机构连接一根舵片连接转轴(3054)，两根所述舵片连接转轴(3054)的两端分别与水平舵翼(302)上的舵片、垂直舵翼(307)上的舵片相连。

9.根据权利要求8所述的智能型水下目标声模拟uuv结构，其特征在于：所述齿轮传动机构包括齿轮a(3051)及齿轮b(3052)，所述电机(3053)的输出端与齿轮a(3051)相连，所述齿轮b(3052)安装于舵片连接转轴(3054)上，并与所述齿轮a(3051)啮合传动。

技术总结
本发明属于水下机器人领域，具体地说是一种智能型水下目标声模拟UUV结构，包括甚低频声源、控制导航舱段、舯部载荷补给舱段、艉部能源与推进舱段，声源是水下航行器作业部，水下航行器本体是甚低频声源的搭载平台，通过声源换能器与声源补偿气囊分布式搭载、变浮力载荷与UUV载体一体化融合设计的方案，将甚低频声源与水下航行器进行了系统集成。本发明改变了甚低频声源主要靠船基/空基吊放或海底固定的发声作业方式，具备定深悬停发声、定点/定向/定轨迹巡航发声功能，具有海面北斗自主定位、近程无线电通信、远程北斗通信，水下水声通信功能；具有高效率、低成本，智能化的优势，可广泛用于海洋目标噪声模拟，声纳性能验证试验、声纳搜潜训练、声诱饵、水声靶标等领域。

技术研发人员：赵宝德,王振宇,俞建成,王迪
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15