CN102975835B - 海水活塞调节式滑翔式潜水器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供海水活塞调节式滑翔式潜水器，包括密封桶、安装在密封桶外部的深度计和安装在密封桶里的活塞、电机、驱动器、单片机，密封桶里设置一块平板，平板沿纵向布置、宽度与密封桶直径相当，活塞、电机、驱动器、单片机依次相连并全部固定在平板上，其中活塞布置在密封桶的首部，电机布置在密封桶的中部，活塞针口直接布置在密封桶外部，通过电机的正转或反转，抽出或和推进活塞推杆，吸入或排出外部的水，以此进行密封桶内部重力的变化调节，深度计连接单片机。本发明活塞直接进行外部液体的抽推来进行质量变化调整，不但可以改变重力，而且可进行力臂的改变产生倾斜力矩。结构简单可靠，且纵倾调节能力和速度都明显增强。

Description

海水活塞调节式滑翔式潜水器

技术领域

本发明涉及的是一种水下机器人。

背景技术

水下滑翔机器人是为了满足大尺度、长时间、大范围海洋环境监测需要，将浮标、潜标技术与水下机器人技术相结合，研制出的一种依靠自身净浮力驱动的新型水下机器人，它具有制造成本和维护费用低、可重复利用、投放回收方便、可大量布放等特点。其为一种固定翼形、通过浮力驱动的水下无人运载器，具有低阻力，低噪声和长续航能力等特点。因此作为一种可长时间机动部署的水下运载平台或者监测平台，水下滑翔机已经越来越被海洋大国所重视。滑翔式潜水器是典型的海洋探测平台，它可以搭载一系列的测量仪器，如CTD、叶绿素传感器、声学传感器等，可用于测量盐度、温度、海流，甚至可以记录海洋生物声音，并且可以实现海洋环境数据的在线传输。因此，在未来的海洋开发以及海洋战略中，滑翔式潜水器有着很广阔的应用。

目前，滑翔式潜水器的运动控制模式主要有以下：

1．通过液压调节系统进行油囊的抽油与排油，将油囊膨胀，改变潜水器的排水体积，从而改变潜水器的浮力，而潜水器自身的重力不发生变化。

2．潜水器内部单独布置有进行纵倾调节的物体，通过潜水器内部重物（质量块）相对位置的改变，即移动重物进行纵倾调整。

以上控制模式见于已申报的中国专利局“海洋能驱动的联动活塞式水下滑翔运载器”、欧洲专利局“Underwatergliderfloatagecontroldevice”、“Floatagecontrolapparatusofunderwaterglider”。上海交通大学的“海洋能驱动的联动活塞式水下滑翔运载器”提出了一种利用海洋能驱动的联动活塞式水下滑翔运载器，利用海洋能，使得可变容积胆体积膨胀、缩小，进而使得运载器上升、下降。此种调节方式，抽水与排水均是潜水器内部原有的水，加大了潜水器的自重，使潜水器浮力的调节能力被限制；且利用海洋能进行调节只限制于对温度比较敏感的温跃层，减少了潜水器的运动范围。欧洲专利局“Underwatergliderfloatagecontroldevice”和“Floatagecontrolapparatusofunderwaterglider”设计一种水下滑翔机浮力控制装置及其载具，包括一个微型高压泵、微型电磁阀、单向阀、一个微型油腔内安排承压腔，可以准确地调整没有按要求倾斜的水下滑翔机的姿态。此种调节方式，也是利用潜水内部的油水的循环流动进行纵倾调节，而且装置较多，不利于潜水器自重的减少；调节系统的运转需要较多的外部能源，这就需要较多的供电电池。

发明内容

本发明的目的在于提供自动调节重量分布从而改变运动状态的海水活塞调节式滑翔式潜水器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明海水活塞调节式滑翔式潜水器，其特征是：包括密封桶、安装在密封桶外部的深度计和安装在密封桶里的活塞、电机、驱动器、单片机，密封桶里设置一块平板，平板沿纵向布置、宽度与密封桶直径相当，活塞、电机、驱动器、单片机依次相连并全部固定在平板上，其中活塞布置在密封桶的首部，电机布置在密封桶的中部，活塞针口直接布置在密封桶外部，通过电机的正转或反转，抽出或和推进活塞推杆，吸入或排出外部的水，以此进行密封桶内部重力的变化调节，深度计连接单片机。

本发明还可以包括：

1、还包括安装在密封桶外部的整流罩，整流罩首部为半球封，艇体为圆柱形外壳，尾部为平滑过渡的锥形，采用流线型设计，整流罩上安装机翼，机翼采用NACA0014，展弦比λ＝4，整流罩的尾部安装尾部机翼。

2、整流罩为非水密。

本发明的优势在于：本发明的海水活塞调节式滑翔式潜水器，活塞直接进行外部液体的抽推来进行质量变化调整，不但可以改变重力，而且可进行力臂的改变产生倾斜力矩。结构简单可靠，且纵倾调节能力和速度都明显增强。

附图说明

图1为本发明的内部总布置图；

图2为本发明的内部部件的连线图；

图3为本发明的潜水器外观视图一；

图4为本发明的潜水器外观视图二；

图5为本发明的潜水器外观视图三。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～5，内部的密封桶1将所有的运动调节机构布置在里面，内部有一块平板，平板沿纵向布置宽度与密封桶直径相当，将所有部件固定在平板之上，通过水密插件接口将深度计布置在密封桶外部；内部所有的部件的排序方式如下：首部活塞6和单片机3和电机的专用驱动器7，中部是电机5，尾部是电池组4。同时结合图2，电池组4给单片机3供电，保证单片机的正常工作；深度计8测量潜水器的即时深度，将所得信号回馈给单片机3；单片机3将处理后的程序结果以信号的形式传递给电机的专用驱动器7；电机的驱动器7在电池组2的供电下正常工作；电机驱动器7将得到的信号输入给电机5，电机5在不同输入信号下可正转和反转，以此控制活塞6的推杆的前进与后退，从而实现抽水排水。以上就是潜水器的密封桶内部的总体布置。

纵倾调节装置由电机5与活塞6组成，通过电机5与活塞6的直接连接，调节重力以及重心位置的改变。活塞6针口直接布置在潜水器密封桶（耐压壳）1外部，通过电机5的正、反转，抽出和推进活塞推杆，吸入或排出外部的水，以此进行潜水器内部重力的变化调节。活塞6布置于潜水器的首部，这样当外部的水抽进来以后，重量大于浮力，且首部重量变大，潜水器的整体重心前移，出现转动力矩，使潜水器发生埋首运动；潜水器出现纵倾角时，由于滑翔翼与机身固定，相当于机翼出现攻角，在来流存在的情况下，产生的水动力在运动方向的分力推进潜水器运动；在一定范围内，纵倾角越大，产生的推力越大。这样就实现潜水器的下潜运动。当活塞6将水排完后，浮力大于重力，潜水器上浮，在此情况下，重心后移，出现抬首运动，与下潜相类似，潜水器在机翼作用下前进。

循环控制原理如下：将预设的程序写入单片机中，给单片机供电冷触发；深度计将深度压力信号传送给单片机；单片机根据预先写入的程序进行判断；单片机将所得的结果以信号的形式传递给电机驱动器；电机驱动器根据所得的0-1信号输出一个反馈信号给电机，控制电机的正、反转；电机与活塞推杆通过丝杠相连，当电机正转，通过丝杠使活塞推杆向后运动实现吸水，增加重量，使得重心位置前移，出现埋首力矩；当电机反转，通过丝杠使活塞推杆向前运动实现排水，减少重量，使得重力小于浮力，出现抬首力矩；抽水排水即实现重力改变，且相应的产生纵倾力矩使潜水器的纵倾角发生变化，在固定机翼水动力作用下运动。再通过深度计的测量水压，得到一个输入信号，反馈给单片机，单片机经程序处理得到新的信号参数，按照这个流程进行循环反馈控制，实现潜水器的俯仰运动。在此基础之上，考虑到程序控制的有可能产生的误差，外加两个限位开关，当活塞推杆运动到一定位置时，接触到限位开关，便会断电，这样电机就停止运动，停止抽排水。

潜水器密封桶装置采用聚合物材料。在活塞的针头位置加上一段金属细管与之相配合，穿过密封盖，金属针管与盖子之间用水密胶进行粘合，可以实现针管的密封要求。深度计布置在密封桶体外部，输出导线与单片机相连，导线通过水密接插件穿过密封桶首部。

外部的整流罩，结合图3、4、5，首部采用半球封，艇体采用圆柱形外壳，尾部平滑过渡，采用流线型设计。外部的整流罩是非水密的，主要用于保护里面的密封桶以及外部整流，使其外表美观，减小行进阻力，并且安装机翼。机翼的设计采用NACA0014，展弦比λ=4；机翼固定在两个半圆柱体上，将两个半圆柱拼接固定在整流罩外部，以实现机翼的位置变动，优化机翼布置。尾部机翼保证航向稳定性。

在设计过程中，考虑到重心在浮心之下，重心和浮心在同一铅垂线上，且重心和浮心的垂向距离不应该过大或过小。目的是在滑翔机产生纵倾时，重力和浮力产生的恢复力矩不至于过大，影响艇体的纵向攻角变化。

本发明采用51系列单片机开发板，使用STC公司生产的89C52单片机作为核心控制芯片，可以保证潜水器在水下运动时有良好的程序控制。

自动控制部分通过深度计8测量即时水深，将信号传送给单片机3，单片机3进行程序处理，将结果反馈给电机驱动器7，电机驱动器7将所得信号回馈给电机5，进而控制电机5的正、反转，实现活塞6的抽水推水，改变重力和力矩。在潜水器工作之前，将所有的程序寄存在单片机3内，所有的部件在下水后自动工作，电池组2供给电机等部件所需的能源；深度计8不断回馈电压信号，通过单片机3控制电机5，实现反馈循环。

本发明应用电机与活塞，采用活塞调节系统，结构简单，成本低，重力的改变依靠于潜水器外部的水，可以减少初始阶段潜水器的重量；且活塞与外部的密封较为简单。纵倾调节所需的力矩直接来源于活塞内部水的重力的加入所引起的重心位置的改变，无需质量块的位置调节，可以减少重量，减少电池组调节质量块的能耗。单片机控制比较简单，成本较低，易于编程实现程序的控制。

Claims (3)

1.海水活塞调节式滑翔式潜水器，其特征是：包括密封桶、安装在密封桶外部的深度计和安装在密封桶里的活塞、电机、驱动器、单片机，密封桶里设置一块平板，平板沿纵向布置、宽度与密封桶直径相当，活塞、电机、驱动器、单片机依次相连并全部固定在平板上，其中活塞布置在密封桶的首部，电机布置在密封桶的中部，活塞针口直接布置在密封桶外部，通过电机的正转或反转，抽出或和推进活塞推杆，吸入或排出外部的水，以此进行密封桶内部重力的变化调节，深度计连接单片机。

2.根据权利要求1所述的海水活塞调节式滑翔式潜水器，其特征是：还包括安装在密封桶外部的整流罩，整流罩首部为半球封，艇体为圆柱形外壳，尾部为平滑过渡的锥形，采用流线型设计，整流罩上安装机翼，机翼采用NACA0014，展弦比λ=4，整流罩的尾部安装尾部机翼。

3.根据权利要求2所述的海水活塞调节式滑翔式潜水器，其特征是：整流罩为非水密。