CN104386228A - 一种鱼尾式扑翼混合动力水下滑翔机构型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种鱼尾式扑翼混合动力水下滑翔机构型，其机体壳前上部安装舱盖，机体壳后上部安装太阳能电池板，机体壳、舱盖构成密封壳体，机体壳两侧安装滑翔翼，机体壳内部安装浮力调节系统、重力调节系统、尾摆杆、连杆、随动齿轮、驱动电机模块，随动齿轮安装于驱动电机模块后部，驱动电机模块上的输出齿与随动齿轮啮合，连杆左端安装于随动齿轮上，连杆右端安装于尾摆杆前段，尾摆杆后端输出轴穿出机体壳，与尾柄前段连接，尾柄后端连接尾鳍，尾鳍后端连接柔性鳍片。本发明相比常规水下滑翔机机动性大幅提高；相比螺旋桨式混合动力水下滑翔机具有滑翔段废阻力小、无噪音等优点。

Description

一种鱼尾式扑翼混合动力水下滑翔机构型

技术领域

本发明涉及一种鱼尾式扑翼混合动力水下滑翔机构型，属于仿生水下机器人技术领域。

背景技术

水下滑翔机(Autonomous underwater glider,简称AUG)是为了满足当前海洋环境监测与测量的需要，将浮标技术与水下机器人技术相结合而研制的一种新型水下航行器。它不仅可以沿垂直剖面进行监测作业，还可以在水平剖面进行大范围的海洋环境测量与监测。与当前被广泛用于海洋环境监测与测量的浮标技术相比，水下滑翔机具有优越的机动性、可控性和实时性。与传统水下航行器相比，水下滑翔机具有作业时间长、航行距离大、作业费用低和对母船的依赖性小等优点。但由于水下滑翔机航行速度低，而其所处海洋环境又比较复杂，导致其易受风浪海流的影响，航迹和定位精度低。

所以在此基础上出现了混合驱动水下滑翔机(Hybrid Autonomous UnderwaterVehicle，简称HAUV)，现有的混合驱动水下滑翔机是一种通过增加螺旋桨推进系统，提高航行定位精度和机动性的新型水下航行器。混合驱动水下滑翔机的设计目标就是寻求一种既具有超长航程又有水平航行能力及较高机动性的新型水下航行器。但相对于传统的水下滑翔机，混合驱动水下滑翔机增加舵和螺旋桨的阻力，这部分阻力会减小滑翔状态下的航程。以天津大学研制的混合驱动水下滑翔机为例，根据攻角的不同，螺旋桨和舵所产生的阻力占整个航行器总阻力的比值大约在10％～35％，这意味着其航程会比传统的水下滑翔机减小10％～35％。因此，如果探索一种新的混合驱动水下滑翔机构型，能减掉这10％～35％的阻力，那将又是AUG技术的一次小小革命。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有螺旋桨式混合动力水下滑翔机滑翔段废阻力大、机动段噪声大的现状，本发明基于仿生学原理提出一种鱼尾式扑翼混合动力水下滑翔机全新构型，可在保持基本滑翔性能的前提下，大幅提高常规水下滑翔机机动性。本发明尾部机构通过模仿鱼类尾部的摆动来为航行器提供推力。

仿生学是生命科学与工程技术相互交融形成的一门综合性边缘学科，其极大地促进了仿生机器人科学的发展壮大。目前AUV基本上采用螺旋桨推进，其效率只能达到40％，而鱼类推进效率可达80％以上。本构型的设计在对鱼类波动游动机理研究的基础上，将鱼类的运动形式应用到HAUV的推进系统上，以改善目前人工机械推进方式在推进效率、机动性、稳定性、隐蔽性方面的劣势。鱼类大体上可划分为鳗鲡模式、鲹科模式和月牙尾推进等三种模式。鳗鲡模式是指整个鱼体从头到尾作波状摆动；鲹科模式的游动速度较高，波状摆动仅集中在鱼体后半部或后1/3段，往后摆幅增加很快，鱼体后段先收缩，形成尾柄，然后连接尾鳍；月牙尾推进模式的游速更高，在鲹科模式基础上发展了大展弦比、新月形尾鳍，月牙尾的大幅度摆动形成一个高效推进器。

根据上述月牙尾推进模式原理，本发明设计了一种鱼尾式扑翼混合动力水下滑翔机构型，包括机体壳、舱盖、浮力调节系统、重力调节系统、滑翔翼、太阳能电池板、尾柄、尾鳍、柔性鳍片、尾摆杆、连杆、随动齿轮、驱动电机模块；机体壳前上部安装舱盖，机体壳后上部安装太阳能电池板，机体壳两侧安装滑翔翼，机体壳内部安装浮力调节系统、重力调节系统、尾摆杆、连杆、随动齿轮、驱动电机模块；随动齿轮安装于驱动电机模块后部，驱动电机模块上的输出齿与随动齿轮啮合；连杆左端安装于随动齿轮上，连杆右端安装于尾摆杆前段；尾摆杆后端输出轴穿出机体壳，与尾柄前段连接；尾柄后端连接尾鳍；尾鳍后端连接柔性鳍片。

本发明的优点在于：

(1)相比常规水下滑翔机，大幅提高机动性；

(2)相比其它构型混合推进水下滑翔机，阻力最小；

(3)隐蔽性好，无螺旋桨空泡噪声，有很大军用潜力；

(4)相比螺旋浆，鱼尾式扑翼推进效率高；

(5)具有间歇太阳能充电功能，续航力强。

附图说明

图1是鱼尾式扑翼混合动力水下滑翔机构型示意图；

图2鱼尾式扑翼混合动力水下滑翔机构型装配示意图；

图3左满舵、右满舵时尾部示意图；

图4尾摆杆左右极限位置示意图；

图5尾摆杆输出轴示意图；

图6水面停歇通讯阶段充电状态示意图；

图中：

1.机体壳        2.舱盖   3.浮力调节系统

4.重心调节系统  5.滑翔翼 6.太阳能电池板

7.尾柄          8.尾鳍   9.柔性鳍片

10.尾摆杆       11.连杆  12.随动齿轮

13.驱动电机模块

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例只是一个较大系统的原理性简要描述。对于全系统，首先根据任务需求对混合动力水下滑翔机的航行深度、排水量、航程、航速等进行初步确定，同时规定鱼尾式扑翼推进模式实际工作时间不超过其总设计续航时间的10％。接着再通过后期设计反复迭代出HAUV的各项具体数据，形成图纸后设计加工。全系统分为以下八个部分：a、舱体模块，包括耐压壳体及滑翔翼；b、浮力调节模块；c、重心调节模块；d、导航控制模块；e、链路模块；f、鱼尾式扑翼推进模块；g、能源供给及太阳能充电模块；h、任务模块。在本实施例中为了原理阐述方便，将d、e、h略去，其它模块也只是做简单介绍。

本发明是一种鱼尾式扑翼混合动力水下滑翔机构型，如图1、图2所示，包括机体壳1、舱盖2、浮力调节系统3、重心调节系统4、滑翔翼5、太阳能电池板6、尾柄7、尾鳍8、柔性鳍片9、尾摆杆10、连杆11、随动齿轮12、驱动电机模块13。

机体壳1前上部安装舱盖2，机体壳1后上部安装太阳能电池板6，机体壳1、舱盖2构成密封壳体，机体壳1两侧安装滑翔翼5，机体壳1内部安装浮力调节系统3、重力调节系统4、尾摆杆10、连杆11、随动齿轮12、驱动电机模块13；随动齿轮12安装于驱动电机模块13后部，驱动电机模块13上的输出齿与随动齿轮12啮合；连杆11左端安装于随动齿轮12上，连杆11右端安装于尾摆杆10前段；尾摆杆10后端输出轴穿出机体壳1，与尾柄7前段连接；尾柄7后端连接尾鳍8；尾鳍8后端连接柔性鳍片9。

尾柄7、尾鳍8、柔性鳍片9、尾摆杆10、连杆11、随动齿轮12、驱动电机模块13构成鱼尾扑翼推动系统。

本发明中尾部安装有鱼尾扑翼推动系统，有别于传统无动力水下滑翔机。

本发明中无动力滑翔阶段鱼尾扑翼推动系统可以在不同角度锁定，以实现航迹的改变，有别于仅依靠侧向重心移动实现航迹改变的常规无动力水下滑翔机，也有别于螺旋桨式混合动力水下滑翔机。

本发明中无动力滑翔阶段鱼尾扑翼推动系统锁定后呈流线型，无其它类似于停转螺旋桨一样的产生废阻力的副件，有别于螺旋桨式混合动力水下滑翔机。

本发明中动力阶段鱼尾扑翼推动系统呈鱼尾状扑动，不会产生空泡噪声，有别于螺旋桨式混合动力水下滑翔机。

本发明中尾柄7后端固连尾鳍8前端，尾鳍8后端固连有柔性鳍片9，尾柄7、尾鳍8、柔性鳍片9组成的扑动机构有较大的柔性并作正弦行波运动(顶视)，推进效率高。

本发明中机体壳1后上部外壁安装有太阳能电池板6，可在无动力的水面停歇阶段，为机内电源充电。本实施例中机体壳1、舱盖2采用铝合金6061T6加工，组成耐压壳体，前端舱体为浸水设计，用于安装外部皮囊和部分任务模块；浮力调节系统3由外皮囊、内皮囊、液压泵、电磁阀、过滤器等组成，固定安装于机体壳1中；重心调节系统4分为俯仰调节模块和横滚调节模块，安装在耐压壳体内部，俯仰调节模块主要由在滑轨上前后100mm范围内滑动的动力电源和电源支持结构组成，重量10kg，横滚调节模块由3kg的可偏心调整的配重构成；滑翔翼5固定安装在机体壳1中段左右两侧，采用聚四氟乙烯加工；太阳能电池板6安装在耐压壳体后上部外壁，并作防水处理。

驱动电机模块13是由驱动电机和驱动电机输出齿轮组成的独立零件，其在机体壳1内固定安装；随动齿轮12是由随动齿轮、曲柄轴组成的独立零件，随动齿轮12轴固定于机体壳1内部；其中驱动电机输出齿轮和随动齿轮应能顺利啮合，曲柄轴应能与连杆11左端自如连接；尾摆杆10前端应与连杆11右端自如连接；如图4所示，尾摆杆10后端输出轴上下两段均露出耐压壳体，此处做好密封；驱动电机的转动通过整个尾部机构的传动应使尾柄7能做±15°的左右摆动，如图5所示；驱动电机停转后，尾柄7应能按需求锁死于±15°范围内的任何位置。本实施例中的一级齿轮减速只是原理演示，无论采用何种减速方式，原理是相似的。

尾柄7、尾鳍8、柔性鳍片9顺序连接成一整体，应保证尾柄7、尾鳍8、柔性鳍片9的柔性运动不受其它结构阻碍；尾柄7采用聚四氟乙烯加工，其前端的安装孔应能与尾摆杆10的输出轴通过上下两个金属键自如连接，如图5所示；柔性鳍片9采用1mm碳纤板材加工，碳纤维铺层经过设计可以保证有适当柔性。

装配时：

舱盖2使用螺钉螺接在机体壳1上，当使用深度超过50m时，必须将整个耐压壳体分段制作并用O型橡胶圈密封连接，而不能使用侧壁口盖；浮力调节系统3、重心调节系统4分别使用螺钉螺接在耐压壳体内的专用支架上；滑翔翼5使用螺钉螺接在机体壳1中段左右两侧；太阳能电池板6使用树脂胶胶接在耐压壳体后上部外壁。

曲柄轴穿入连杆11左端轴承内孔；尾摆杆10前端轴穿入连杆11右端轴承内孔；尾摆杆10后端输出轴上下两段穿出耐压壳体后端的两个密封轴承，并通过2个金属键与尾柄7连接。

尾柄7与尾鳍8使用螺钉螺接，柔性鳍片9铆接在尾鳍8上。

无动力滑翔时：

浮力调节系统3通过液压泵减小全机排水量，重心调节系统4将重心向前调节，滑翔机将以机头下俯姿态，向前下方无动力滑翔，最高能达到0.5m/s的航速；此时通过将尾柄7锁死于不同位置并配合横滚调节模块的偏转将完成滑翔机的直航、左转和右转，如图3所示。

浮力调节系统3通过液压泵加大全机排水量，重心调节系统4将重心向后调节，滑翔机将以机头上仰姿态，向前上方无动力滑翔，最高能达到0.5m/s的航速；此时通过将尾柄7锁死于不同位置并配合横滚调节模块的偏转将完成滑翔机直航、左转和右转，如图3所示。

动力推进时：

浮力调节系统3通过液压泵将全机浮力调到0，在机内电源供电下，驱动电机模块1通过传动机构带动尾鳍8左右摆动，实现水下滑翔机的动力推进，约能达到1.5m/s的航速。此时通过重心调节系统4前后左右的调节来改变深度和航迹。

水面停歇时：

浮力调节系统3通过液压泵将全机排水量调至最大，重心调节系统4将重心向前调至极限位置，滑翔机将以机头下俯姿态浮于水面，此时可完成太阳能电池板的充电及滑翔机与控制站的通讯，如图6所示。

在滑翔段，尾部机构锁定，全机水动外形与常规水下滑翔机无异，无多余废阻力；滑翔段，尾部机构锁定在左舷或右舷不同角度时，又可起到方向尾翼的作用；机动段尾部机构左右摆动，配合尾部零件的柔性作用，为全机提供推力。

根据上述原理，本发明采用的总体方案是：采用机体壳、舱盖、浮力调节系统、重心调节系统、滑翔翼组成常规水下滑翔机本体，通过浮力调节系统的调节，水下滑翔机可实现下潜和上浮，在下潜和上浮过程中，通过重心调节系统的调节配合机体壳和滑翔翼改变水下滑翔机姿态，实现无动力的锯齿形滑翔运动和回转运动；滑翔机本体后部安装鱼尾式扑翼推进系统用于机动段推进。

从扑动模式上看，月牙尾模式鱼类游速最快，鱼尾式扑翼外形应尽量接近月牙尾模式的鱼类。此类鱼体的推进行波从刚性鱼头向后到尾鳍方向传播，且行波波幅逐渐增大，在鱼体后颈部位置波幅达到最大值，鱼体波动运动的最大侧向位移出现在尾鳍处，鱼尾式扑翼的扑动模式要尽量复原这种运动。

根据上述原理，本发明采用的鱼尾式扑翼推进系统技术方案是：由尾柄、尾鳍、柔性鳍片相互连接共同构成推进体，尾柄、柔性鳍片均具有一定柔性，依靠整个推进体波动实现推进；通过材料设计实现尾柄、柔性鳍片不同位置的柔性，使得在驱动电机模块的驱动下推进体能够拟合1/3个行波波长。

对于混合驱动水下滑翔机，如果其推进动力电源在航行中能得到补充，将会显著提升AUV模式航时在整个航时中的比重，提高系统机动性。

根据上述原理，本发明在机体壳后上部外壁安装有太阳能电池板，可在无动力的水面停歇通讯阶段，为机内电源充电。

Claims (2)

1.一种鱼尾式扑翼混合动力水下滑翔机构型，包括机体壳、舱盖、浮力调节系统、重心调节系统、滑翔翼、太阳能电池板、尾柄、尾鳍、柔性鳍片、尾摆杆、连杆、随动齿轮、驱动电机模块；

机体壳前上部安装舱盖，机体壳后上部安装太阳能电池板，机体壳、舱盖构成密封壳体，机体壳两侧安装滑翔翼，机体壳内部安装浮力调节系统、重力调节系统、尾摆杆、连杆、随动齿轮、驱动电机模块，随动齿轮安装于驱动电机模块后部，驱动电机模块上的输出齿与随动齿轮啮合，连杆左端安装于随动齿轮上，连杆右端安装于尾摆杆前段，尾摆杆后端输出轴穿出机体壳，与尾柄前段连接，尾柄后端连接尾鳍，尾鳍后端连接柔性鳍片。

2.根据权力要求1所述的一种鱼尾式扑翼混合动力水下滑翔机构型，所述的尾柄、尾鳍、柔性鳍片、尾摆杆、连杆、随动齿轮、驱动电机模块构成的鱼尾扑翼推动系统，当滑翔机构型处于无动力滑翔阶段时，鱼尾扑翼推动系统在不同角度锁定，实现航迹改变。