CN100431918C - 混合型水下航行器 - Google Patents

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Abstract

一种混合型水下航行器,将水下滑翔器和水下自航行器的优点集于一身,由头部仓、浮力驱动控制仓、姿态控制仓、机翼仓、电池仓、尾仓依次连接成一体。浮力驱动系统由外皮囊、内皮囊、液压系统构成;姿态调整系统由俯仰调节系统、横滚调节系统构成;机翼仓外的两个机翼在驱动传动系统控制下各具有两个旋转自由度,展开时可以实现滑翔前进及回转运动,也可以收回与机仓贴合实现快速推进;导航与控制系统实现航行器的姿态测量、导航、浮力控制、机翼的旋转和收回控制以及驱动螺旋桨电机的控制。本发明采用模块化设计结构,搭载相应的测量传感器和任务模块,可以长时间实现对大范围水域的监测和勘测,还可以对具体目标进行精确快速的跟踪监测等作业。

Description

混合型水下航行器
技术领域
本发明涉及一种可搭载测量传感器的水下航行器。
技术背景
为了保护海洋环境,高效利用海洋资源,海洋探测必不可少。对海洋的探测,仅仅依靠人力是远远不够的,很大程度上须依靠海洋探测工具。目前发达国家对水下环境监测所用的水下航行器主要有两种;一种是依靠电池提供能源的水下自航行器(AUV),其主要缺点是,因受能源制约,航程很短,一般在几公里到几百公里,最大不超过1000公里,作业时间有限,通常为几小时到几十小时;另一种是水下滑翔器(underwaterglider),1989年Henry Stommel提出了原创性概念,巧妙地将物体的重力和浮力转化为前进驱动力,1995年SLOCUM制造出原理样机,1999年Seaglider和Spray的研制成功水下滑翔器,只提供很少的能量,航程都超过了2000公里,水下航行时间达到几百天甚至近一年,但水下滑翔器在水下只能做锯齿形的航行,其航迹和定位控制困难,甚至无法实现,且航速较慢。
发明内容
为了克服现有技术的缺点,本发明即混合型水下航行器将水下滑翔器(underwaterglider)和AUV功能集于一身,各自扬长避短,在长距离的航行过程中采用滑翔器的形式,消耗较少的能量到达目的地,当到达目标或接近目标时则采用AUV模式航行,对目标跟踪和精确监测。
本发明的技术方案是,所述的航行器由依次连接成一体的头部仓、浮力驱动控制仓、姿态控制仓、机翼仓、电池仓、尾仓及机翼仓外对称的两个机翼组成,头部仓和外面水域相通,其余各仓体密封;
浮力驱动系统由安装在头部仓11中的外皮囊12和浮力驱动控制仓10内的内皮囊9、液压系统8构成;
导航与控制系统7位于浮力驱动控制仓10内,由惯性导航系统INS、全球定位系统GPS及控制系统CPU单片机组成,实现航行器的姿态测量、导航、浮力控制、机翼的旋转和收回控制以及驱动螺旋桨电机的控制;
姿态控制仓3内,姿态调整系统由俯仰调节系统4和横滚调节系统6构成,俯仰调节系统4可以沿着姿态调节中间杆5前后运动,横滚调节系统6做成半圆型并可以绕姿态调节中间杆5旋转;
机翼仓1内,有左机翼旋转电机26、右机翼旋转电机33和机翼收回电机30及机翼传动机构,所述的机翼传动机构采用机翼旋转传动轴20和机翼收回传动轴34为同心轴的形式,且外部转动采用机翼收回外部被动锥齿轮35和机翼收回外部主动锥齿轮36为一对啮合的锥齿轮的设计形式以保证机翼有旋转和收回两个旋转自由度;
电池仓13内有电池包14;
尾仓15内有电机16与仓外的螺旋桨17连接。
机翼19-1,19-2可旋转收回到和电池仓13贴合,机翼纵截面为具有和电池仓13弧度相同弧度的弧形。
尾仓15之后加一尾罩18,尾罩18具有一定的弹性并为薄壁结构,通过一定过盁配合和尾仓体装配在一起,这样可以减少滑翔时的阻力,通常状态下尾罩18和尾仓15之间充满海水,当螺旋桨旋转时产生向后的水冲力可以使尾罩脱落,这时便转换为AUV模式。尾罩18脱落后不能重新收回。
当航行器在滑翔模式时,机翼伸展并旋转到需要的角度,这时机翼起到的作用和常规水下滑翔器机翼的作用相同,并可以调整机翼的角度,以适应滑翔的需要。在滑翔器模式下,姿态调整系统只在到达水面上部或水底时才运行一次,且其功率较小,这样在实现同样的航程时可大大节约能量。当航行器需要快速或按精确轨迹航行时,航行器的螺旋桨17旋转,其产生的向后水流推力使尾罩18脱落,这时航行器变换为AUV模式。当需要直线运动时,航行器将机翼19-1,19-2通过旋转收回到和机身相贴合,这时水阻变小,在螺旋桨的驱动下做快速直线运动;当需要转弯时,机翼展开并分别实时调整两个机翼的旋转角以实现对航行器的回转控制。无论在滑翔模式还是在AUV模式下,航行器的俯仰和横滚姿态控制靠俯仰调节系统4和横滚调节系统6来完成。
浮力驱动系统布置在航行器的前部,这样一方面给后面的螺旋桨推进系统布局留出空间;另一方面,使得浮力驱动过程产生的姿态变化和滑翔需要的姿态变化一致,减轻了俯仰姿态调整系统调节的幅度,减小了能量的消耗。当横滚调节系统6绕姿态调节中间杆5旋转时由于质量绕航行器轴向的质量分布变化使得航行器产生横滚运动。通常状态下使航行器的密度和海水的密度相同,且质量沿前后轴向是分布均匀的,因此当俯仰调节系统4沿着姿态调节中间杆5前后运动时,必然会引起沿轴线方向质量分布的相应变化,这样的航行器就会实现相应的俯仰运动。航行器的两个机翼三个电机的带动下具有三个自由度,分别为两机翼共同的收回运动自由度和左机翼19-1的旋转运动自由度和右机翼19-2的旋转运动自由度。当两个机翼完全展开并处于水平状态时可实现水下滑翔器机翼的功能,当机翼完全收回到和机身贴合时,在螺旋桨17的推动下可实现快速的直线运动。当需要回转运动时,调节两个机翼的旋转角度,使得处于要旋转一侧的机翼旋转一定的角度,另一个机翼保持水平,这样处于选择一侧的机翼受到的水阻大,而另一侧的机翼受到的水阻小,由于水阻的不一致,故产生了一个回转力矩,在这个力矩的作用下使航行器产生回转运动。
本发明将水下滑翔器和水下自航行器(AUV)的优点集于一身,采用模块化设计结构,搭载相应的测量传感器和任务模块,可以长时间实现对大范围水域的监测和勘测,还可以对具体目标进行精确快速的跟踪监测等作业。
附图说明
图1水下航行器整体连接组装结构图。
1机翼仓、2机体连接部件、3姿态控制仓、4俯仰调节系统、5姿态调节中间杆、6横滚调节系统、7导航与控制系统、8液压系统、9内皮囊、10浮力驱动控制仓、11头部仓、12外皮囊、13电池仓、14电池包、15尾仓、16螺旋桨电机、17螺旋桨、18尾罩
图2机翼部分机构局部放大图(去除机翼仓1和左机翼外部传动壳)。
19机翼、20机翼旋转传动轴、21左机翼连接轴、22左机翼旋转轴被动齿轮、23左机翼旋转轴主动齿轮、24机翼收回传动被动齿轮、25右机翼旋转轴被动齿轮、26左机翼旋转电机、27连接螺钉、28右机翼连接轴、29机翼外部传动壳、30机翼收回电机、31右旋转主动齿轮、32机翼收回主动齿轮、33右机翼旋转电机、34机翼收回传动轴、35机翼收回外部被动锥齿轮、36机翼收回外部主动锥齿轮
具体实施方式
以下通过实施例并参照附图对本发明的结构原理做进一步的说明。航行器由头部仓11、浮力驱动控制仓10、姿态控制仓3、机翼仓1、电池仓13和尾仓15通过机体连接部件2用螺钉连接为一体,并采用O型密封圈实现密封,机翼仓1外有对称的两个机翼19-1、19-2。当航行器处于滑翔器模式时,采用浮力驱动系统驱动,具体实现如下:浮力驱动系统由外皮囊12、内皮囊9和液压系统8构成,且外皮囊安装在头部仓11中并通过液压系统8和内皮囊9相连,头部仓11和外面水域相通。通常状态下使航行器的重力和浮力相等,当在液压系统8的作用下将外皮囊12中的液体在受外压作用并在液压系统控制下流回内皮囊9时,航行器的整体体积将减小,这时在水中的航行器的重力将大于浮力;当在液压系统8的作用下将内皮囊9中的液体泵入外皮囊12时,航行器的整体体积将增大,这时航行器在水中的浮力大于重力。当航行器在水面时,通过上方法使得航行器的重力大于浮力,也就是将航行器外皮囊12的液体通过液压系统8输入到内皮囊9中,这时航行器在水中具有负浮力,航行器将下降,同时调节俯仰调节系统4,使得俯仰调节系统4向航行器头部方向移动一定距离,这时航行器由于质量的重心向前移动,其头部将向下方以一定的攻角下降;航行器下降时机翼伸展如附图1所示,在负浮力和攻角存在的情况下,机翼19上将产生一个向前的力分量,这个力分量驱动航行器向前运动,这使得整个航行器的运动方向为前下方。当航行器运动到水域底部时,液压系统8调节浮力驱动系统使航行器具有正浮力,航行器在正浮力的作用下向上运动,俯仰调节系统4调节运动方向使得航行器头部翘起并以一定攻角向上滑翔;和下降过程相同,航行器这时也会产生一个向前的力分量,故航行器这时的运动方向为前上方。航行器不断重复上述下降和上升滑翔过程,以锯齿形轨迹向前航行。
当航行器处于AUV模式下时:浮力系统停止工作,这时航行器的重力和浮力相等。螺旋桨推动系统开始工作,当螺旋桨17在电机16的带动下转动时,引起向后的水流推开尾罩18,尾罩和机体脱落,这时转变为AUV模式。当在AUV模式下不需要回转运动时,机翼19-1和19-2从水平位置旋转90度后向后收回并和机身贴合,具体实现过程为:左机翼旋转电机26,右机翼旋转电机33分别带动和其相连的左机翼旋转轴主动齿轮23、右机翼旋转主动齿轮31旋转,左机翼旋转轴主动齿轮23带动左机翼旋转轴被动齿轮22、左机翼旋转传动轴20-1,最终带动左机翼旋转;右机翼旋转主动齿轮31旋转分别右机翼旋转轴被动齿轮25、右机翼旋转传动轴20-2,机翼外部传动壳29最终带动右机翼19-2旋转。当两个机翼各旋转90度后,如附图2,左机翼旋转电机26、右机翼旋转电机33停止转动。以左机翼19-1收回运动实现为例,这时机翼收回电机30旋转带动机翼收回主动齿轮32、机翼收回传动被动齿轮24、机翼收回传动轴34并带动机翼收回外部主动锥齿轮36、机翼收回外部被动锥齿轮35并最终带动左机翼连接轴21和其固连的机翼19-1实现另一个收回旋转运动以实现机翼收回。当机翼收回至和机身相贴合时,这时航行器的水阻变小,在螺旋桨的推力作用下可以实现航行器的快速直线前进;通过俯仰调节系统4和横滚调节系统6的调节,可以实现航行器在一个剖面内的上升和下降运动。当航行器的三个姿态都需要控制时,机翼收回电机30首先工作,使机翼最终展开后,然后左机翼旋转电机26、右机翼旋转电机33分别工作并带动机翼19-1,和19-2旋转到水平位置。利用一个机翼和水平机翼具有一定的夹角时,非水平机翼受到的水阻力大的原理可实现在水平方向的回转。例如,航行器要向右回转,则使左机翼19-1保持展开水平状态,右机翼19-2相对左机翼19-1有一个夹角,这样右机翼19-2上受到的水阻力大,左机翼19-1受到的水阻力小,这样就会产生一个向右的转矩,在这个转矩的作用下航行器将向右回转。加上航行器内部的俯仰调节系统4和横滚调节系统6可实现航行器的三姿态控制。故在AUV模式下,在螺旋桨的推力下,通过调节机翼的收回和旋转可以实现航行器快速的直线运动或者精确的姿态控制。
航行器的姿态测量、导航、浮力系统控制、机翼的旋转和收回控制以及螺旋桨的控制均通过导航与控制系统7来实现,其中导航系统器件由惯性导航系统(INS)和全球定位系统(GPS)组成,控制系统采用基于CAN总线的分布递阶控制系统体系结构,微控制器采用PHILIPS公司的P87C591,它是由80C51衍生而来的带片内CAN控制器(CAN Controller)的8位单片机,成功的包含并增强了PHILIPS半导体公司独立的SJA1000CAN总线控制器。

Claims (4)

1.一种混合型水下航行器,由依次连接成一体的头部仓(11)、浮力驱动控制仓(10)、姿态控制仓(3)、机翼仓(1)、电池仓(13)、尾仓(15)及机翼仓(1)外对称的两个机翼(19)组成,所述的头部仓(11)和外面水域相通,其余各仓体密封;所述的浮力驱动系统由安装在头部仓(11)中的外皮囊(12)和浮力驱动控制仓(10)内的内皮囊(9)、液压系统(8)构成;所述的导航与控制系统(7)包含全球定位系统GPS和控制系统CPU单片机;所述的姿态调整系统由俯仰调节系统(4)和横滚调节系统(6)构成,其中的俯仰调节系统(4)可以沿着姿态调节中间杆(5)前后运动;所述的电池仓(13)内有电池包(14),其特征是:
所述的导航与控制系统(7)还包括惯性导航系统INS,实现航行器的姿态测量、导航、浮力控制、机翼的旋转和收回控制以及驱动螺旋桨电机的控制;
所述的姿态控制仓(3)内,姿态调整系统中的横滚调节系统(6)做成半圆型并可以绕姿态调节中间杆(5)旋转;
所述的机翼仓(1)内,有左机翼旋转电机(26)、右机翼旋转电机(33)和机翼收回电机(30)及机翼传动机构,所述的机翼传动机构的机翼旋转传动轴(20)和机翼收回传动轴(34)为同心轴,机翼收回外部被动锥齿轮(35)和机翼收回外部主动锥齿轮(36)为一对啮合的锥齿轮,使每个机翼有旋转和收回两个旋转自由度,一对机翼有两个旋转自由度和一个共同的收回自由度共三个旋转自由度;
所述的尾仓(15)内有电机(16)和仓外的螺旋桨(17)连接。
2.按照权利要求1所述的混合型水下航行器,其特征是:所述的导航与控制系统(7)其中的控制系统CPU单片机采用基于CAN总线的分布递阶控制系统体系机构的8位单片机,包含并增强了总线控制器。
3.按照权利要求1所述的混合型水下航行器,其特征是:所述的机翼(19-1,19-2)可旋转收回到和电池仓(13)贴合,机翼纵截面为具有和电池仓(13)弧度相同弧度的弧形。
4.按照权利要求1、2或3所述的水下混合型航行器,其特征是:所述的尾仓(15)之后加一尾罩(18),尾罩(18)具有一定的弹性并为薄壁结构,通过一定过盈配合和机体装配在一起。
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