CN104590496B - 一种远距离无能耗自主航行的波浪滑翔机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及波浪滑翔机领域，旨在提供一种远距离无能耗自主航行的波浪滑翔机。该种远距离无能耗自主航行的波浪滑翔机包括浮体、柔性缆索和动力装置；浮体包括浮体连接板、第一浮子密封圆筒、第二浮子密封圆筒、GPS、单片机、太阳能电池板、蓄电池、控制器，动力装置包括侧板、固定螺杆、机翼片、步进电机和舵片，柔性缆索设有两根，即第一柔性缆索和第二柔性缆索，第一浮子密封圆筒利用第一柔性缆索与动力装置对应侧的侧板连接，第二浮子密封圆筒利用第二柔性缆索与动力装置对应侧的侧板连接。本发明通过波浪滑翔机翼片与水流相互作用力，来驱动整个滑翔机前进，太阳能板产生的电能只需用来调整波浪滑翔机转向，滑翔机的续航能力强。
Description
技术领域
本发明是关于波浪滑翔机领域，特别涉及一种远距离无能耗自主航行的波浪滑翔机。
背景技术
波浪滑翔机是一种通过利用浮体随波浪上下浮动，带动下层动力装置上倾斜的机翼片上下移动，通过水流与机翼片的相互作用，将水流的冲击力转换为水平方向的推动力从而实现无能耗自主航行的新型浅海推进平台。广泛应用于海洋水质检测，浅层资源勘探，海洋气象监测等领域。传统的水下滑翔机主要采用机载蓄电池供电，电池能量有限，续航能力不足，很大程度上限制了其远距离大范围探测的能力。而国外已有的同类型滑翔机作为重要的战略性军事、资源物资，出口受到极大限制，在我国无法直接购买。
而国内外现有的通用波浪滑翔机，在结构上均采用中间一个主板、两侧12个翼板的鸟型结构，该结构的平衡稳定性、翼板受水面积、运动速度都还不够理想。为填补这方面空白，波浪滑翔机的研发十分关键。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种无能耗、可靠，且最大程度上利用波浪能实现超远距离航行的新型浅海自主推进结构。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种远距离无能耗自主航行的波浪滑翔机，包括浮体、柔性缆索和动力装置，所述浮体包括浮体连接板、浮子密封圆筒、GPS、单片机、太阳能电池板、蓄电池、控制器；
所述浮子密封圆筒的内部装设有蓄电池、控制器和至少一台单片机，且单片机与蓄电池连接，蓄电池用于向单片机提供电能，浮子密封圆筒的两侧安装有密封盖，用于将浮子密封圆筒的内部密封；浮子密封圆筒设有两个，即第一浮子密封圆筒和第二浮子密封圆筒，第一浮子密封圆筒和第二浮子密封圆筒分别(通过紧固螺钉)对称固定连接在浮体连接板的两侧；所述太阳能电池板设有两块，即第一太阳能电池板和第二太阳能电池板，第一太阳能电池板和第二太阳能电池板分别(通过紧固螺钉)固定连接在浮体连接板上；所述GPS(通过紧固螺钉)安装在浮体连接板上，并通过电线分别与第一浮子密封圆筒和第二浮子密封圆筒中的单片机、蓄电池相连接，蓄电池用于向GPS提供电能，GPS用于向单片机提供波浪滑翔机的位置数据；
所述控制器包括太阳能板控制器和步进电机驱动器，步进电机驱动器与同一浮子密封圆筒内的一台单片机的数字端口连接；第一太阳能电池板与第一浮子密封圆筒内的太阳能板控制器连接，第二太阳能电池板与第二浮子密封圆筒内的太阳能板控制器连接，且第一太阳能电池板和第二太阳能电池板分别通过连接的太阳能板控制器与同一浮子密封圆筒内的蓄电池连接，用于将太阳能电池板的电能存储在对应的蓄电池里，太阳能板控制器用于控制太阳能电池板向蓄电池输送电能；
所述动力装置包括侧板、固定螺杆、机翼片、步进电机和舵片；所述侧板采用薄板，侧板的下方开有槽口，用于减少侧向阻力以及提供挂载空间，侧板的槽口上方设有孔洞，用于安装固定机翼片；侧板设有两片，两片侧板之间采用至少两根固定螺杆对称连接固定；
所述步进电机设有两个，两个步进电机分别对称安装在两片侧板的尾部上端，每个步进电机分别通过步进电机控制线(设置在对应的柔性缆索表面)连接到对应的浮子密封圆筒内的步进电机驱动器，步进电机驱动器用于通过其连接的单片机控制步进电机的运动，且每个步进电机还分别与蓄电池连接，蓄电池用于向步进电机提供电能；所述舵片设有两片，两片舵片分别对称安装在两片侧板的尾部下端，且每片舵片分别与同一片侧板上的步进电机主轴连接，舵片用于利用步进电机提供的电能，通过控制舵片转动以实现波浪滑翔机的转向调整；
所述机翼片包括外侧机翼片和内侧机翼片，内侧机翼片设置在两片侧板之间，外侧机翼片分别对称设置在两片侧板的外侧，且机翼片采用机翼片组结构与侧板垂直连接；所述机翼片组结构包括连接圆轴、扭簧、轴承、一片内侧机翼片和两片外侧机翼片，内侧机翼片的两端(通过紧固螺钉)各固定有两个连接圆轴，两片外侧机翼片分别(通过紧固螺钉)利用连接圆轴各自固定在内侧机翼片的一端；带有扭簧的连接圆轴穿过侧板上的孔洞，利用固定在侧板上的轴承与侧板紧固在一起，使机翼片组结构与两片侧板连接，保证机翼片的位置的相对固定；
所述柔性缆索设有两根，即第一柔性缆索和第二柔性缆索；第一浮子密封圆筒利用第一柔性缆索与动力装置对应侧的侧板连接，第二浮子密封圆筒利用第二柔性缆索与动力装置对应侧的侧板连接。
在本发明中，所述浮体连接板的后方还安装有导流罩，用于固定波浪滑翔机的前进方向。
在本发明中，所述侧板的头部采用半圆形结构，尾部采用“丁”字形结构；侧板上的槽口的后方采用半圆形结构，槽口的前方采用弧形结构，且弧形的半径与侧板头部的半径相同。
在本发明中，所述浮子密封圆筒内部还设有两块圆筒腔体隔板，用于密封两块圆筒腔体隔板之间的圆筒区域；浮子密封圆筒内部的蓄电池、控制器和至少一台单片机设置在两块圆筒腔体隔板之间的圆筒区域内。
在本发明中，所述柔性缆索与浮子密封圆筒的连接处、柔性缆索与侧板的连接处，都采用铰链形式连接。
在本发明中，所述用于连接两片侧板的固定螺杆设有四根。
在本发明中，所述波浪滑翔机共设有18片机翼片，包括12片外侧机翼片和6片内侧机翼片。
在本发明中，所述浮体的表面和浮子密封圆筒的内部还装设有拓展性实验仪器，拓展性实验仪器分别与浮子密封圆筒内的对应单片机连接，单片机用于将拓展性实验仪器采集的数据进行储存；拓展性实验仪器包括CTD(海洋温度盐度深度探测传感器)、叶绿素传感器。
在本发明中，所述GPS采用U-blox 7代GPS；单片机采用C8051F340单片机；步进电机驱动器采用DS335两相步进电机驱动器；太阳能板控制器为LD10A型锂电池控制器。
在本发明中，所述浮体连接板、浮子密封圆筒、密封盖、连接圆轴、扭簧、轴承的材质都采用304不锈钢；所述柔性缆索采用聚酰胺合成纤维绳索；所述侧板、固定螺杆都采用304不锈钢基架。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过波浪滑翔机翼片与水流相互作用力，来驱动整个滑翔机前进，不需要额外的二次供给；太阳能板产生的电能只需要供给步进电机用来间隔控制舵片转动以调整波浪滑翔机转向，电能损耗极低，极大地提高了滑翔机的续航能力；作为平台装置可根据需要搭载不同的传感器以实现不同的数据采集需求。
附图说明
图1为本发明的整体结构图。
图2为本发明中的机翼片组结构示意图。
图中的附图标记为：1第一浮子密封圆筒；2第二浮子密封圆筒；3第一太阳能电池板；4GPS；5浮体连接板；6第二太阳能电池板；7圆筒腔体隔板；8蓄电池；9单片机；10控制器；11导流罩；12第一柔性缆索；13第二柔性缆索；14侧板；15固定螺杆；16外侧机翼片；17内侧机翼片；18步进电机；19舵片；20密封盖；21紧固螺钉；22连接圆轴；23扭簧；24轴承。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图1所示的一种远距离无能耗自主航行的波浪滑翔机，包括浮体、柔性缆索和动力装置。
浮体包括浮体连接板5、浮子密封圆筒、GPS4、单片机9、太阳能电池板、蓄电池8、控制器10。所述浮子密封圆筒的内部设有两块圆筒腔体隔板7，用于密封两块圆筒腔体隔板7之间的圆筒区域；浮子密封圆筒内部的两块圆筒腔体隔板7之间的圆筒区域，装设有蓄电池8、控制器10和单片机9，且单片机9与蓄电池8连接，蓄电池8用于向单片机9提供电能；浮子密封圆筒的两侧还安装有密封盖20，用于将浮子密封圆筒的内部密封。浮子密封圆筒设有两个，即第一浮子密封圆筒1和第二浮子密封圆筒2，第一浮子密封圆筒1和第二浮子密封圆筒2分别通过紧固螺钉21对称固定连接在浮体连接板5的两侧。所述太阳能电池板设有两块，即第一太阳能电池板3和第二太阳能电池板6，第一太阳能电池板3和第二太阳能电池板6分别通过紧固螺钉21固定连接在浮体连接板5上。所述GPS4通过紧固螺钉21安装在浮体连接板5上，并通过电线分别与第一浮子密封圆筒1和第二浮子密封圆筒2中的单片机9、蓄电池8相连接，蓄电池8用于向GPS4提供电能，GPS4用于向单片机9提供波浪滑翔机的位置数据。浮体连接板5的后方还安装有导流罩11，用于固定波浪滑翔机的前进方向。
所述控制器10包括太阳能板控制器和步进电机驱动器；步进电机驱动器与同一浮子密封圆筒内的单片机9的数字端口连接。第一太阳能电池板3和第二太阳能电池板6，分别与第一浮子密封圆筒1和第二浮子密封圆筒2内的太阳能板控制器对应连接，并通过太阳能板控制器与同一浮子密封圆筒内的蓄电池8连接，用于将太阳能电池板的电能存储在对应的蓄电池8里；太阳能板控制器10用于控制太阳能电池板向蓄电池8输送电能。
动力装置包括侧板14、固定螺杆15、机翼片、步进电机18和舵片19。所述采用薄板，侧板14头部采用半圆形设计，尾部采用“丁”字形设计，以便于搭载舵机和舵片19；侧板14的下方开有槽口，用于减少侧向阻力以及提供挂载空间，槽口后方采用半圆形设计，前方采用弧形设计，弧形半径与侧板14头部相同；侧板14的槽口上方设有孔洞，用于安装固定机翼片。侧板14设有两片，两片侧板14之间采用四根固定螺杆15对称连接固定。
步进电机18设有两个，两个步进电机18分别对称安装在两片侧板14的尾部上端，且每个步进电机18分别分别通过步进电机控制线(设置在对应的柔性缆索表面)连接到对应的浮子密封圆筒内的步进电机驱动器8，步进电机驱动器8用于通过其连接的单片机9控制步进电机18的运动；且每个步进电机18还分别与蓄电池8连接，蓄电池8用于向步进电机18提供电能。所述舵片19设有两片，两片舵片19分别对称安装在两片侧板14的尾部下端，且每片舵片19分别与同一片侧板14上的步进电机18主轴连接；舵片19用于利用步进电机18提供的电能，通过控制舵片19转动以实现波浪滑翔机的转向调整。
所述机翼片共设有18片，包括12片外侧机翼片16和6片内侧机翼片17；内侧机翼片17设置在两片侧板14之间，外侧机翼片16分别对称设置在两片侧板14的外侧，且机翼片采用机翼片组结构与侧板14垂直连接。如图2所示，所述机翼片组结构包括连接圆轴22、扭簧23、轴承24、一片内侧机翼片17和两片外侧机翼片16，内侧机翼片17的两端通过紧固螺钉21各固定有两个连接圆轴22，两片外侧机翼片16分别通过紧固螺钉21，利用连接圆轴22各自固定在内侧机翼片17的一端。带有扭簧23的连接圆轴22穿过侧板14上相应位置的孔洞，利用固定在侧板14上的轴承24与侧板14紧固在一起，使机翼片组结构与两片侧板14连接，保证机翼片的位置的相对固定。
柔性缆索设有两根，即第一柔性缆索12和第二柔性缆索13。第一浮子密封圆筒1、第二浮子密封圆筒2分别利用第一柔性缆索12、第二柔性缆索13与动力装置对应的侧板14连接；且柔性缆索与浮子密封圆筒的连接处、柔性缆索与侧板14的连接处，都采用铰链形式连接。
在波浪滑翔机中，浮体的表面和浮子密封圆筒的内部还可装设拓展性实验仪器，包括CTD(海洋温度盐度深度探测传感器)、叶绿素传感器等，浮子密封圆筒的内部也可加装多台单片机9，拓展性实验仪器分别与浮子密封圆筒内的对应单片机9连接，单片机9用于将拓展性实验仪器采集的数据进行储存(另一侧对称)。整个过程可由太阳能电池板提供加装的多种传感器的供电，不需要提供额外的能量，从而通过简单的改变搭载仪器完成不同的功能需要，实现平台的多功能利用和拓展利用。
在波浪滑翔机中，所述GPS4采用U-blox 7代GPS；单片机9采用C8051F340单片机；步进电机驱动器采用DS335两相步进电机驱动器；太阳能板控制器为LD10A型锂电池控制器。所述浮体连接板5、浮子密封圆筒、密封盖20、连接圆轴22、扭簧23、轴承24的材质都采用304不锈钢；所述柔性缆索采用聚酰胺合成纤维绳索；所述侧板14、固定螺杆15都采用304不锈钢基架。
波浪滑翔机进行无能耗自主航行时：波浪滑翔机的浮体在遇到波峰时，即水流向上运动，将浮体抬起，浮体通过第一柔性缆索12和第二柔性缆索13拉动动力装置的侧板14，侧板14上的滑翔机翼片阵列(即12片外侧机翼片16和6片内侧机翼片17)向下摆动，水流作用于滑翔机翼片阵列(即12片外侧机翼片16和6片内侧机翼片17)上表面，对外侧机翼片16和内侧机翼片17产生斜向下作用力，水平方向分量推动波浪滑翔机前进，此时扭簧23处于拉伸状态。当扭簧23达到最大拉伸角度后，会阻止滑翔机翼片阵列(即12片外侧机翼片16和6片内侧机翼片17)继续拉伸变形，防止发生极限断裂，并在波浪上升力减小时带动滑翔机翼片阵列(即12片外侧机翼片16和6片内侧机翼片17)拉回原位置。
当浮体遇到波谷时，所述波浪滑翔机的动力装置在重力作用下向下运动，水流相对向上流作用于滑翔机翼片阵列(即12片外侧机翼片16和6片内侧机翼片17)使之向上转动，水流作用于滑翔机翼片阵列(即12片外侧机翼片16和6片内侧机翼片17)下表面，对18个平行滑翔机翼片产生斜向上作用力，水平分量推动滑翔机前进，此时扭簧23处于反向拉伸状态。当扭簧23达到最大拉伸角度后，会阻止滑翔机翼片阵列(即12片外侧机翼片16和6片内侧机翼片17)继续拉伸变形，防止发生极限断裂，并在到达波谷下降力减小时带动滑翔机翼片阵列(即12片外侧机翼片16和6片内侧机翼片17)拉回原位置。
整个过程，无外部能量供给，完全依靠机械结构将波浪能转换为向前的推力。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种远距离无能耗自主航行的波浪滑翔机，包括浮体、柔性缆索和动力装置，其特征在于，所述浮体包括浮体连接板、浮子密封圆筒、GPS、单片机、太阳能电池板、蓄电池、控制器；
所述浮子密封圆筒的内部装设有蓄电池、控制器和至少一台单片机，且单片机与蓄电池连接，蓄电池用于向单片机提供电能，浮子密封圆筒的两侧安装有密封盖，用于将浮子密封圆筒的内部密封；浮子密封圆筒设有两个，即第一浮子密封圆筒和第二浮子密封圆筒，第一浮子密封圆筒和第二浮子密封圆筒分别对称固定连接在浮体连接板的两侧；所述太阳能电池板设有两块，即第一太阳能电池板和第二太阳能电池板，第一太阳能电池板和第二太阳能电池板分别固定连接在浮体连接板上；所述GPS安装在浮体连接板上，通过电线与第一浮子密封圆筒的单片机、蓄电池相连接，并与第二浮子密封圆筒中的单片机、蓄电池相连接，蓄电池用于向GPS提供电能，GPS用于向单片机提供波浪滑翔机的位置数据；
所述控制器包括太阳能板控制器和步进电机驱动器，步进电机驱动器与同一浮子密封圆筒内的一台单片机的数字端口连接；第一太阳能电池板与第一浮子密封圆筒内的太阳能板控制器连接，第二太阳能电池板与第二浮子密封圆筒内的太阳能板控制器连接，且第一太阳能电池板和第二太阳能电池板分别通过连接的太阳能板控制器与同一浮子密封圆筒内的蓄电池连接，用于将太阳能电池板的电能存储在对应的蓄电池里，太阳能板控制器用于控制太阳能电池板向蓄电池输送电能；
所述动力装置包括侧板、固定螺杆、机翼片、步进电机和舵片；所述侧板采用薄板，侧板的下方开有槽口，用于减少侧向阻力以及提供挂载空间，侧板的槽口上方设有孔洞，用于安装固定机翼片；侧板设有两片，两片侧板之间采用至少两根固定螺杆对称连接固定；
所述步进电机设有两个，两个步进电机分别对称安装在两片侧板的尾部上端，每个步进电机分别通过步进电机控制线连接到对应的浮子密封圆筒内的步进电机驱动器，步进电机驱动器用于通过其连接的单片机控制步进电机的运动，且每个步进电机还分别与蓄电池连接，蓄电池用于向步进电机提供电能；所述舵片设有两片，两片舵片分别对称安装在两片侧板的尾部下端，且每片舵片分别与同一片侧板上的步进电机主轴连接，舵片用于利用步进电机提供的电能，通过控制舵片转动以实现波浪滑翔机的转向调整；
所述机翼片包括外侧机翼片和内侧机翼片，内侧机翼片设置在两片侧板之间，外侧机翼片分别对称设置在两片侧板的外侧，且机翼片采用机翼片组结构与侧板垂直连接；所述机翼片组结构包括连接圆轴、扭簧、轴承、一片内侧机翼片和两片外侧机翼片，内侧机翼片的两端各固定有两个连接圆轴，两片外侧机翼片分别利用连接圆轴各自固定在内侧机翼片的一端；带有扭簧的连接圆轴穿过侧板上的孔洞，利用固定在侧板上的轴承与侧板紧固在一起，使机翼片组结构与两片侧板连接，保证机翼片的位置的相对固定；
所述柔性缆索设有两根，即第一柔性缆索和第二柔性缆索；第一浮子密封圆筒利用第一柔性缆索与动力装置对应侧的侧板连接，第二浮子密封圆筒利用第二柔性缆索与动力装置对应侧的侧板连接。
2.根据权利要求1所述的波浪滑翔机，其特征在于，所述浮体连接板的后方还安装有导流罩，用于固定波浪滑翔机的前进方向。
3.根据权利要求1所述的波浪滑翔机，其特征在于，所述侧板的头部采用半圆形结构，尾部采用“丁”字形结构；侧板上的槽口的后方采用半圆形结构，槽口的前方采用弧形结构，且弧形的半径与侧板头部的半径相同。
4.根据权利要求1所述的波浪滑翔机，其特征在于，所述浮子密封圆筒内部还设有两块圆筒腔体隔板，用于密封两块圆筒腔体隔板之间的圆筒区域；浮子密封圆筒内部的蓄电池、控制器和至少一台单片机设置在两块圆筒腔体隔板之间的圆筒区域内。
5.根据权利要求1所述的波浪滑翔机，其特征在于，所述柔性缆索与浮子密封圆筒的连接处、柔性缆索与侧板的连接处，都采用铰链形式连接。
6.根据权利要求1所述的波浪滑翔机，其特征在于，所述用于连接两片侧板的固定螺杆设有四根。
7.根据权利要求1所述的波浪滑翔机，其特征在于，所述波浪滑翔机共设有18片机翼片，包括12片外侧机翼片和6片内侧机翼片。
8.根据权利要求1所述的波浪滑翔机，其特征在于，所述浮体的表面和浮子密封圆筒的内部还装设有拓展性实验仪器，拓展性实验仪器分别与浮子密封圆筒内的对应单片机连接，单片机用于将拓展性实验仪器采集的数据进行储存；拓展性实验仪器包括CTD(海洋温度盐度深度探测传感器)、叶绿素传感器。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的波浪滑翔机，其特征在于，所述GPS采用U-blox 7代GPS；单片机采用C8051F340单片机；步进电机驱动器采用DS335两相步进电机驱动器；太阳能板控制器为LD10A型锂电池控制器。
10.根据权利要求1至8任意一项所述的波浪滑翔机，其特征在于，所述浮体连接板、浮子密封圆筒、密封盖、连接圆轴、扭簧、轴承的材质都采用304不锈钢；所述柔性缆索采用聚酰胺合成纤维绳索；所述侧板、固定螺杆都采用304不锈钢基架。
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