水下能量收集无人机及操作方法与流程

本公开中所示的实施方式整体涉及一种水下无人航行器(uuv)，并且更具体地，涉及采用的热电系统以在uuv操作的环境中使用温差来生成电力的uuv。

背景技术：

uuv被用于海底勘探、环境监测、以及安全操作的各种任务。uuv的操作配置文件(operationalprofile)使得加油操作能力受限且加油要求受限。深海是秘密军事行动的理想环境。此类行动通常依赖于uuv完成作战和侦察任务。

某些现有技术的uuv在海洋温变层中采用热梯度来生成能量或实现推进效应。然而，温变层在约1000米以下渐近地接近约3.5摄氏度的温度。因此，依赖于温变层中的梯度的uuv在深海环境中缺乏能量。因此，uuv必须经常浮出水面以以增加其能见度，并使uuv置于与水域舰艇发生碰撞或航向中断的潜在风险中。

技术实现要素：

示例性的实施方式提供了一种水下能量收集无人机，其具有浸入在海水中的主壳体和多个热电模块，所述多个热电模块中的每个模块具有与主壳体进行热接触的第一操作界面。热传递元件与多个热电模块上的第二操作界面进行接触，并且电力存储装置连接至多个热电模块。浸没主壳体的配置建立主壳体与热传递元件之间的热梯度以引起热电模块的发电，从而对电力存储装置进行充电。

示例性实施方式允许用于操作无人水下航行器(uuv)的第一方法，其中，在第一位置处将冷海水输送至内部存储箱中。然后，将内部存储箱放置在第二位置处以存储冷的海水。将uuv导航至热液出气口位置，将主壳体置于与周围海水相较的“热区”中。基于主壳体与内部存储箱之间的热梯度，利用热电模块生成电力，以对电力存储装置进行充电。

示例性实施方式允许用于操作无人水下航行器(uuv)的第二方法，其中，浸没的uuv浮出水面以将散热器暴露于空气中。操作热电模块以采用浸没在海水中的主壳体与和空气对流接触的散热器之间的温差来提供生成的电能用于对电力存储装置进行充电。

附图说明

独立于每个实施方式或结合又一些其他实施方式能够实现已经讨论的特征、功能、以及优点，参考下列描述及附图能够看到其他实施方式的进一步细节。

图1a是采用如本文描述的第一示例性实施方式的uuv的图形表示；

图1b是采用如本文描述的第二示例性实施方式的uuv的图形表示；

图2a是图1a的实施方式的前剖视图；

图2b是具有矩形外形的第一实施方式的结构替代方案的前剖视图；

图3是第一实施方式的示意性侧剖视图；

图4是处于“pogo”方位的第一实施方式的侧视图；

图5是具有导航和感测部件的示例性控制系统的框图；

图6是第二实施方式的示意性侧剖视图；

图7a、图7b、以及图7c是第二实施方式的操作顺序的图形表示；

图8a是第二实施方式的结构替代方案的侧视图；

图8b是第二实施方式的替代方案的示意性侧剖视图；

图9是示出第一实施方式的电力生成的第一方法的流程图；并且

图10是示出第二实施方式的电力生成的第二方法的流程图。

具体实施方式

本文描述的uuv的示例性实施方式提供了水下能量收集无人机(uehd)，更一般地，被描述为能量收集水下航行器，具有与多个热电模块上的第一操作界面进行热接触的浸没的主壳体、和与多个热电模块上的第二操作界面进行接触的热传递元件，因此，uehd的在主壳体与热传递元件之间建立热梯度的配置使热电模块生成电力。

参考附图，图1a示出了uehd10的第一实施方式。uehd10具有主壳体12并且利用推进器13(示例性地示出为标准多叶片式螺钉)和可枢转地连接至主壳体12用以控制uehd10的方向的控制面板14(例如，操纵舵或液压操纵面)在海洋环境中操纵(例如，导航)。从图2a中看出，采用内部存储箱16(如随后描述的，可用冷海水填充)作为热传递元件。在示出的实施方式中，内部存储箱16在主壳体12内基本上共心，并且多个热电模块18安装在内部存储箱16与主壳体12之间，每个热电模块18上的第一操作表面20与主壳体12进行热接触并且第二操作表面22与内部存储箱16进行热接触。热电模块可以选自珀尔结合装置(seebeck、thompson效应)及斯特林发动机中的至少一种。主壳体12与内部存储箱16之间的温差将为热电模块18的操作提供热梯度。

在所示的中心横截面上，图2a中的uehd基本上是圆形的。图2b中示出了示例性的可替代实施方式，其中，中心横截面的形状为矩形，且主壳体12’与内部存储箱16’具有矩形横截面。热电模块18安装在存储箱16’的平侧17与主壳体12’的内平侧19的中间，以实现所需的热梯度。

从图3中看出，主壳体12容纳用于推进器13的电动机24和用于uehd10的操作和导航的控制系统26。具体地，控制系统26操作推进器13及一个或多个控制面板14以通过水推进并导航uehd10。电力存储装置28(其可以是可充电电池，包括单一电池元件、诸如锂离子、锂离子聚合物、镍镉、镍金属氢化物、铅酸等存储电池组、或诸如纳米技术超级电容器等电容存储系统)通过变压器电路30连接至热电模块18和电动机24。还可以从电力存储装置28提供用于控制系统26的电力+。

图3中所示的示例性实施方式具有连接内部存储箱16与主壳体12的外部的海水的进气口32和出气口34。进气口32与出气口34可以是用于打开和关闭位置的可收缩或合并门掣，以允许与外部海水选择性地流体连通。由电力存储装置28提供电力的泵36可用于将水从进气口32泵送至内部存储箱16中并且将水从出气口34排出，以更换内部存储箱中的水。可替代地，进气口32与出气口34可以打开至航行中的uehd10的外部海水，允许水的动态压力通过内部存储箱16形成水流。当进气口32与出气口34处于关闭位置时，存储被输送至内部存储箱16中的冷海水。

在操作中，uehd10由控制系统26根据导航配置文件(包括任务/操作配置文件的一部分)自主地或远程地导航到海底附近的热液出气口的位置。热液出气口领域的地域分布目前遍及全世界的海域。该热出气口产生温度范围为60°至646℃的热水羽流。当uehd10位于开放水域的情况下，进气口32与出气口34在内部存储箱16的第一位置处展开或打开并且将冷海水输送至内部存储箱16，然后通过关闭进气口32和出气口34来保持，而将内部存储箱16置于第二位置处从而储存冷海水。uehd在水深500米的深度处及以下水温可低至12℃至4℃或更低。然后，通过控制系统26导航uehd10，以将主壳体12定位在热液出气口中，并且徘徊在出气口的热羽流中或追随出气口的羽流汽流而保持主壳体12定位在与周围海水相比较的“热区”中并且保持存储在内部存储箱16中的水的初始温度。与主壳体12对流并且导热接触的热羽流和利用用作热电容器的内部存储箱16存储的冷水的温差为热电模块18的操作提供热梯度，热电模块18生成对电力存储装置28充电的电力。热电模块的操作使内部存储箱16中的水加热。当外部出气口羽流与内部存储箱之间的温差降低至通过热电模块生成有效电力停止的点时，通过控制系统26将uehd10操纵至开阔水域中并且通过进气口32和出气口34的操作排出并且重新填充内部存储箱16。然后，可以将uehd10重新配置在出气口羽流内或根据需要移至不同的出气口羽流，以用于电力存储装置28的再充电。在充电循环之间，通过其旨在的任务配置文件上的控制系统26可以操作uehd10。

可替代地，通过将uehd10导航至热出气口的羽流中并且打开进气口32和出气口34从羽流中输送热水而使得热梯度反向。然后，通过控制系统26将uehd10导航至开阔的冷海水中，并且与主壳体12对流并且进行导热接触的冷海水和来自利用用作热电容器的内部存储箱16存储的羽流的热水的温差提供用于热电模块18的操作的反向热梯度，热电模块18生成对电力存储装置28充电的电力。变压器电路30可以适于基于反向热梯度感测由热电模块生成的反向热流，并且为电力存储装置28的充电提供整流。热电模块的操作将产生内部存储箱16中的水的冷却。当内部存储箱和与主壳体12接触的外部海水之间的温差减小至由热电模块生成的有效电力停止的点时，通过控制系统26将uehd10操纵回至热出气口，并且通过进气口32和出气口34的操作排出和重新填充内部存储箱16。

uehd10中设置的系统允许在热液出气口之间“冲浪(surfing)”，以提供电力存储装置28的再充电，从而完成任务配置文件上的基本上不间断的操作。如描述的，任务(例如，操作)配置文件能够包括诸如勘探、环境监测、以及安全操作等活动。

根据uehd10的尺寸及其他考虑因素，可以采用具有适当控制阀40和泵或其他通风系统(在示例性实施方式中，包括泵36的使用)的定向压载舱36以改变uehd10的压重，以选择性地使如图4所示的竖直或“pogo”方位。如果内部存储箱16已被填充冷海水，则通过填充压载舱38则可以将uehd10操纵至热液出气口羽流42中并且重新配置至pogo位置，以使得主壳体12更多地暴露于出气口羽流。一旦完成热电充电循环或排出内部存储箱16中的温差，则从压载舱38排出水并且将uehd10重新定向至其常规的操作方位，以提供正常的巡航能力。如果采用主壳体12与内部存储箱16之间的负温差用于充电循环，还可以采用pogo方位辅助从羽流向内部存储箱16填充水。

从图5中看出，控制系统26整合了导航系统502，其可以被预加载有使用来自全球配置系统(gps)504或gps传感器、惯性导航(例如，指引)系统506、或比较性导航元件的输入进行自主操作的特定任务(例如，操作)配置文件503、或者可以利用通信模块508和远程控制系统509远程控制。可以将人工智能(ai)整合到控制处理器510中，用于在任务配置文件中的指定参数内操纵或徘徊。通过连接至电动机24的电动机控制器512和连接至控制面板14的控制面板致动系统514提供通过控制系统26对uehd10进行物理控制的控制信号。

图1b示出了uehd110的第二实施方式。如同第一实施方式，uehd110具有主壳体112并且利用推进器113(作为示例性，被示出为标准的多叶片式螺钉)和控制面板114在海洋环境中操纵。第二实施方式的热传递元件是安装至主壳体112的顶表面117并且从主壳体112的顶表面117延伸的散热器116。散热器116可以伸缩地扩展，以增加表面面积。从图6中看出，主壳体112容纳用于推进器113的电动机124和用于uehd110的操作的控制系统126。电力存储装置128通过变压器电路130连接至热电模块118和电动机124，电力存储装置128可以是单个电池元件、诸如锂离子、锂离子聚合物、镍镉、镍金属氢化物、铅酸等存储电池组、或者诸如纳米技术超级电容器等电容存储系统。从电力存储装置128也可以提供用于控制系统126的电力。热电模块118与每个热电模块118上的第一操作表面120和第二操作表面122连接，第一操作表面120与主壳体112热接触，并且第二操作表面122与散热器116热接触。

在如图7a至图7c表示的第二实施方式的操作中，uehd110根据通过控制系统126建立的任务配置文件在如图7a所示的浸没条件下巡航。在海水温度相对恒定(至少-2℃或更热)、而气温(具体地，夜间)明显寒冷(近似-20℃，但范围为约-60°至-10℃)的北极水中，发生第二实施方式中的预期操作。如图7b所示，当电力存储装置128需要充电时，控制系统126致使uehd110浮出水面，以使得散热器116从海水处选择性地暴露于空气中。浸没在海水140中的主壳体112与和周围空气142对流接触的散热器116之间的温差明显并且足够用于热电模块118的操作，以为电力存储装置的充电提供生成的电能。从图7c中看出，一旦完成充电或需要通过其他方式操作时，控制系统126则致使uehd110浸没以继续操作。

本领域中已熟知并且此处未描述提供uehd用于驱动、浮出水面、以及所需操作深度的公开实施方式的深度控制的每个压载舱及相关联的操作系统。

图8a和图8b中示出了第二实施方式的可替代结构布置。从图8a中看出，uehd210整合了主壳体212，其具有通过绝缘隔板213隔离的上部212a和下部212b。尽管壳体部分212a、212b被示出为对称地位于绝缘隔板213的上方和下方，然而，可以采用非对称的布置。从图8b中看出，热电模块218与每个热电模块218上的第一操作表面220和第二操作表面222接合，第一操作表面220与上部212a热接触，并且第二操作表面222与下部212b热接触。可以采用传热板214或其他导热元件用于第二操作表面222与下部212b之间的有效接触，或相反，用于第一操作表面220与上部212a之间的有效接触。如第一结构布置，uehd210整合了电力存储装置228、变压器电路230、电动机224、以及控制系统226。uehd210以与uehd110相似的方式操作，将主壳体212的上部212a暴露于空气中的浮出水面是散热器。

利用第二实施方式的任意结构布置，如果气温比水温更热，则uehd110、210通过热电模块118、218的热传递可以反向，由此提供反向热梯度。当反向温度梯度出现时，通过热电模块118、218生成的电流方向相反。使用变压器电路130、230内的二极管电路捕获反向电流并且然后将电荷存储在电力存储装置128、228中。

所公开的uehd的实施方式提供了用于uuv的操作的方法。如图9所示(参考图1a和图3)，在步骤902，通过介于海底附近的热液出气口的位置之间的控制系统26自动或远程地导航uehd10。

在第一序列中，当uehd10位于开阔水域时，在步骤904中，在第一位置，进气口32与出气口34展开或放置在打开位置，并且通过泵送或动态压力将冷海水输送至内部存储箱16中，然后，在步骤906中，进气口32与出气口34关闭，从而将内部存储箱16放置在第二位置来存储冷海水。在步骤908中，通过控制系统26将uehd10导航至热液出气口位置并且使得主壳体12徘徊在出气口的热羽流中或追随出气口羽流汽流而保持主壳体12处于与周围海水相比较的“热区”中并且保持内部存储箱16中的水的初始温度。在步骤910中，可以填充定向压载舱38，以将uehd10定向在pogo位置。同样，填充定向压载舱38而将uehd定向在pogo位置。在步骤912，与主壳体12对流并且导热接触的热羽流和利用用作热电容器的内部存储箱16存储的冷水的温差为基于主壳体与内部存储箱之间的热梯度操作的热电模块18提供热梯度，以为电力存储装置28的充电生成电力。在步骤914，通过控制系统26将uehd10操纵至开阔水域，并且在步骤904，通过进气口32与出气口34的操作排出并且重新填充内部存储箱16，以重复第一序列的过程。

在第二序列中，在步骤911中，当uehd10位于出气口羽流中时，可以填充定向压载舱38，从而将uehd10定向在pogo位置。在步骤905中，在第一位置，展开并且打开进气口32和出气口34并且通过泵送或动态压力将热水从羽流中输送至内部存储箱16中，并且然后，在步骤907中，关闭进气口32和出气口34，从而将内部存储箱16放置在第二位置(例如，相对于pogo位置旋转)而存储热水。在步骤909中，通过控制系统26将uehd10导航至出气口羽流之外并且至开阔海面上，其中，冷水提供相对于内部存储箱16中的热水的初始温度的负温差。在步骤913中，与主壳体12对流并且导热接触的冷开阔海水和利用用作热电容器的内部存储箱16存储的热水的温差提供热梯度并且基于主壳体与内部存储箱之间的热梯度操作热电模块18，以为电力存储装置28的充电生成电力。在步骤915中，通过控制系统26将uehd10操纵回至热液出气口羽流，并且在步骤905中，通过进气口32和出气口34的操作排出并且重新填充内部存储箱16，以重复第二序列中的过程。然后，通过任意序列，在步骤916中，关于导航和操作热电模块(18，118，218)对电力存储装置(28，128，228)充电，uehd可以在所需的任务配置文件中操作。从步骤904、905开始，uehd10可以重新配置在出气口羽流中或根据需要移至不同的出气口羽流，以对电力存储装置28再充电。

如图10所示(参考图1b、图6、以及图8a和图8b)，在步骤1002，在控制系统126指引的任务配置文件上操作浸没的uehd110、210。在步骤1004，当需要电力存储装置128充电时，控制系统126使uehd110、210浮出水面，以将散热器116、212a暴露于空气中。在步骤1006，热电模块118操作为采用浸没在海水140中的主壳体112(或212b)与和周围空气142对流接触的散热器116、212a之间的温差提供电力存储装置充电时所生成的电能。在步骤1008，一旦完成充电或根据需要通过其他方式操作时，控制系统126则致使uehd110浸没而继续操作。

进一步地，本公开包括根据下列项的实施例：

第1项.一种水下能量收集无人机，包括：主壳体，浸没地容纳在海水中；多个热电模块，所述多个热电模块中的每个模块具有与主壳体进行热接触的第一操作界面；热传递元件，与多个热电模块上的第二操作界面进行接触；以及电力存储装置，连接至多个热电模块；其中，主壳体的用于建立主壳体与热传递元件之间的热梯度的配置使通过热电模块生成电力，从而对电力存储装置进行充电。

第2项.根据第1项所述的水下能量收集无人机，其中，电力存储装置包括可充电电池和电容器中的至少一个。

第3项.根据第2项所述的水下能量收集无人机，其中，电池是锂离子、锂离子聚合物、镍镉、镍金属氢化物、和铅酸电池中的一种。

第4项.根据第2项所述的水下能量收集无人机，其中，电容器包括纳米技术超级电容器。

第5项.根据第1项所述的水下能量收集无人机，其中，热电模块包括珀尔结装置(peltierjunctiondevice)和斯特林发动机中的至少一种。

第6项.根据第1项所述的水下能量收集无人机，还包括：电动机，连接成从电力存储装置接收电力；推进器，由所述电动机驱动；控制面板，接合至主壳体；以及控制系统，适于根据导航配置文件向电动机和控制面板提供控制信号。

第7项.根据第6项所述的水下能量收集无人机，其中，热传递元件包括内部存储箱，内部存储箱适于在第一位置处接收冷海水并且在第二位置处存储冷海水，并且导航配置文件将主壳体配置在热液出气口的热羽流中。

第8项.根据第7项所述的水下能量收集无人机，其中，内部存储箱包括进气口和出气口，所述进气口和出气口具有用于内部存储箱的第一位置的打开位置和将内部存储箱放置在第二位置的关闭位置。

第9项.根据第7项所述的水下能量收集无人机，进一步包括适于选择性地诱导到主壳体的pogo位置的压载舱。

第10项.根据第7项所述的水下能量收集无人机，其中，当导航配置文件将主壳体定位在热羽流中时，内部存储箱还适于在第一位置处从热液出气口的热羽流接收热水，并且当导航配置文件将主壳体配置在冷海水中时，内部存储箱还适于在第二位置处存储热水，由此使用于操作热电模块的热梯度反向，以生成对电力存储装置进行充电的电力，并且变压器电路适于基于反向热梯度来感测有热电模块生成的反向电流并且对电力存储装置的充电提供整流。

第11项.根据第6项所述的水下能量收集无人机，其中，热传递元件包括安装至主壳体的顶表面并且从主壳体的顶表面延伸的散热器，并且导航配置文件致使主壳体选择性地浮出水面，以从海水中露出散热器。

第12项.根据第6项所述的水下能量收集无人机，其中，主壳体包括上部和下部，所述上部和下部通过绝缘隔板隔离，其中，上部包括热传递元件并且导航配置文件使主壳体选择性地浮出水面，以从海水中露出上部。

第13项.一种用于操作无人水下航行器(uuv)的方法，包括以下步骤：在第一位置处将冷海水输送至内部存储箱中；将内部存储箱放置在第二位置处以存储冷海水；将uuv导航至热液出气口位置，将主壳体置于相较于周围海水的出气口羽流“热区”中；并且基于主壳体与内部存储箱之间的热梯度，利用热电模块生成电力，以对电力存储装置进行充电。

第14项.根据第13项所述的方法，进一步包括：填充定向压载舱，以将uuv定向在pogo位置。

第15项.根据第13项所述的方法，进一步包括以下步骤：操纵至开阔水域；排出内部存储箱；并且通过操作进气口和出气口来重新填充内部存储箱。

第16项.根据第13项所述的方法，进一步包括：在所需的任务配置文件中操作uuv。

第17项.根据第16项所述的方法，进一步包括：在出气口羽流内重新配置并且移至用于对电力存储装置的再充电的不同出气口羽流。

第18项.一种操作无人水下航行器(uuv)的方法，包括：浮出水面，以将散热器暴露于外界的空气；并且操作热电模块，以采用浸没在海水中的主壳体与和外界空气对流接触的散热器之间的温差来提供生成的电能用于对电力存储装置进行充电。

第19项.根据第18项所述的方法，进一步包括：在完成充电时，浸没uuv。

第20项.根据第18项所述的方法，进一步包括：对由控制系统指引的任务配置文件操作浸没。

现已详细描述了专利法规所要求的每个实施方式，本领域技术人员应当认识到此处公开的具体实施方式的变形与替换。该变形在下列权利要求限定的本发明的范围和意图内。