[发明专利]一种改变水下机器人航态的方法及可变航态水下机器人

说明书

本申请提供了一种用于改变水下机器人的航行姿态的方法以及可变航行姿态水下机器人。利用本公开所揭示的方法，该水下机器人能够在下潜、上浮过程中，以阻力最小的垂直方向下潜和上浮，从而实现快速的垂直运动。而在到达规定深度后，通过抛弃特殊压载、配合微调重心以及稳定翼辅助的方式，潜水器主体旋转90°，进入同样是阻力最小的水平航行姿态，实现在规定深度的高效率巡航、观测或作业。

技术领域

本申请涉及水下装备工程领域，具体地，涉及一种用于改变水下机器人的航行姿态的方法以及一种可变航行姿态水下机器人。

背景技术

目前，潜水器主要分为载人潜水器和无人潜水器两大分类。其中，无人潜水器一般称为水下机器人。载人潜水器和水下机器人在相关技术上通用性很强，故此，在本领域中一般不对其进行明显区分。

众所周知，潜水器的工作原理是，它需要下潜至某一深度，然后开展水下观测或者其他作业。而潜水器的移动过程，因此被区分为垂直移动和水平移动两种。垂直移动包括上升和下潜，而水平移动包括前进、后退、转向和横移。若潜水器要实现水平移动，必须依赖外部动力系统，在水中产生推力，利用水的反作用力推进潜水器移动。而要实现垂直移动，则分为“无动力”和“有动力”两种方式。

其中，“无动力”方式主要是通过使潜水器的重力大于浮力来下潜，而通过使浮力大于重力来实现上升。以潜水器的下潜为例，在下潜之前，携带超过其自身浮力的压载重物，使其重力大于浮力，则潜水器可以实现下潜。在下潜过程中，重力与浮力之差等同于水的阻力。即：

G-F=R

其中，G为总重力，F为浮力，R为某一速度下的阻力。当到达规定速度的时候，则抛弃掉精确重量的压载，使其重力等于浮力，则逐渐停留在某一深度附近进行水下观测或者其他作业。无动力下潜的方式，基本不需要外在推进器消耗动力，因此，尤其适合自身携带电池、能源存储有限的潜水器，并且特别适合较大潜深的情况。

“有动力”方式即依赖于潜水器上携带的垂向推进器的动力，实现下潜。这种方式比较适合通过电缆、从母船获得近乎无限动力支持的“远程控制潜水器”（即ROV）。

潜水器在采用无动力下潜的过程中，基本上是垂直下潜。这里存在的问题在于，为了照顾“水平作业”的需求，潜水器一般被设计为主要体积沿水平方向分布。这就导致其水平前进阻力远远小于垂直运动阻力。或者说，在下潜过程中，实际上是沿着其阻力最大的方向移动。在潜深不大的情况下，垂直运动时间在总的工作流程中所占比例较小，可忽略不计。然而，当潜深很大时，尤其是潜深超过3000米之后，下潜至规定深度，完成作业之后上浮，垂直运动所占据的时间比例就非常大。以中国7000米潜水器“蛟龙号”为例，当其下潜至7000米深度，然后上浮，所花费的时间为８小时，而在7000米深度作业的时间也只有８小时。在当今正处于开发中的全海深（11000米）潜水器下潜、上浮所消耗时间则更为惊人，由此将进一步压缩在规定深度作业的时间，从而导致潜水器的工作效率进一步下降。

理论上讲，可以通过增加携带下潜压载的重量，从而增加重力与主体浮力的差值，来获得更快的下潜速度。但是，对大多数潜水器而言，由于水阻力与速度的平方呈正比，导致增加压载所获得的下潜速度增加，效果十分有限。例如，在垂向运动方向，某1.2吨重的潜水器，携带1000 N（牛顿）下潜压载（约100 kg，相当于潜水器本身重量的8%），可以获得约0.53 m/s的下潜速度。若下潜压载翻倍，达到2000 N（已经相当于潜水器自身重量的17%），下潜速度也仅仅能够达到0.76 m/s，增大比例仅为40%，如图3所示。参照7000米载人潜水器“蛟龙号”来说，携带下潜压载一般是不超过自身重量5%，否则将引起其他设计上的连锁问题。综上所述，采用增加下潜压载，来获得下潜速度增加的途径，在工程上其实并不可行。

因此，本领域对于改变现有的潜水器航行姿态，从而降低潜水器在下潜、上浮过程中所花费时间的需要。

发明内容