CN105775072B - 自旋翼水下无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了自旋翼水下无人机,它包括主体，在主体的头部顶端安装有垂直于水平面的旋转轴，在所述的旋转轴上转动连接有垂直舵，在所述的主体的头部左右两侧对称的安装有水平固定鳍，在所述的主体头部的前端连接有推进器，它还包括旋翼，所述的旋翼包括桅杆,所述的桅杆安装在无人机整体机构的重心位置，所述的桅杆的两个支腿关于水下无人机主体的纵轴线左右对称设置,所述的桅杆与固定在主体上的焊接件通过螺栓固定连接，在所述的桅杆上通过转轴与姿态操纵杆转动相连，在所述的姿态操纵杆上通过旋转中心轴转动连接有旋翼支架，在所述的旋翼支架上对称的安装有前行旋翼片和后行旋翼片。本无人机实现了负浮力大载荷能力。

Description

自旋翼水下无人机

技术领域

本发明涉及水下无人机，尤其涉及自旋翼水下无人机。

背景技术

当前，国家正在推进和兴建海洋观测网络及水下空间站建设，在未来的海洋技术领域，不仅需要水下无人自治潜器(AUV)这样的中性浮力的移动观测动平台，还需要更大载荷的大型传感器搭载平台和能源物资运载平台。

传统的AUV主要由机身主体、水平固定鳍、尾舵和螺旋桨组成，如：天津大学自主研发的AUV所公开的结构。传统的AUV皆配平为近中性的正浮力状态，若AUV浮力太大则下潜困难，而且水下航行时需要保持平衡舵角和平衡攻角以平衡水动力，增加阻力耗费能源。反之，若配平为负浮力则入水即沉，失去水面驻留测控能力，且在低速下易出现失速情况。因此，中性浮力的AUV即使载荷略有调整，或不同海域、不同季节的海水密度稍有变化，都要重新配平。对于不同任务载荷的调整需求，都要从内部空间布局和衡重配平两方面进行总体设计，对于较大的负浮力，需要大量的浮力材料或浮力舱增加浮力来平衡，这必然不断增加潜器的体积和重量，并且需要为阻力的增加携带更多的能源，反过来再次加大了浮力负担。总之，基于中性浮力设计原理的局限性大大降低了AUV的使用性能。目前AUV任务传感器搭载能力一般为总重量的10％～20％，已渐渐不能满足日益增加的载荷能力需求。

目前，无人自转旋翼机主要依靠前飞时的相对气流吹动旋翼自转以产生升力。尽管有无人自转旋翼机的成功经验和理论成果可供借鉴，但是同样是在流体中运动的航行体，水下无人机面临与空气中的无人旋翼机完全不同的工作条件与任务需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种负载能力高、结构简单、可靠性高，满足水下大载荷航行需求的自旋翼水下无人机。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明的自旋翼水下无人机,它包括主体，在主体的头部顶端安装有垂直于水平面的旋转轴，在所述的旋转轴上转动连接有垂直舵，在所述的主体的头部左右两侧对称的安装有水平固定鳍，在所述的主体头部的前端连接有推进器，它还包括旋翼，所述的旋翼包括桅杆,所述的桅杆安装在无人机整体机构的重心位置，所述的桅杆的两个支腿关于水下无人机主体的纵轴线左右对称设置,所述的桅杆与固定在主体上的焊接件通过螺栓固定连接，在所述的桅杆上通过转轴与姿态操纵杆转动相连，在所述的姿态操纵杆上通过旋转中心轴转动连接有旋翼支架，在所述的旋翼支架上对称的安装有前行旋翼片和后行旋翼片。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明所提出的旋翼水下无人机采用高速旋转的旋翼产生的高水动力效率获取大升力，实现了负浮力大载荷能力，可在3～4节速度下使负浮力载荷达到总体重量的30％以上。

2.作为负浮力水下潜器，自转旋翼机载荷能力强，具有明显的经济性优势。

3.与水下直升机方案相比，具有结构简单、成本低和可靠性高的优势。

4.从使用性能上，旋翼的滑流流场是从下向上通过桨盘，机体不会像直升机那样笼罩在复杂的涡环之中，而且自转旋翼实际上相当于一个很大的稳定陀螺，因此其抗扰流性能极好。

附图说明

图1是本发明的自旋翼水下无人机的整体结构示意图；

图2是图1所示的无人机的自旋翼结构图；

图3是图1所示的无人机的推进螺旋桨结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明无人机为在现有水下无人机基础上的改进。图1为本发明的整体结构示意图，所述的自旋翼水下无人机包括主体1，所述的主体1用于搭载传感器和运输物资，本身为负浮力，优选的主体1占无人机整体结构的总重的35-45％，在这一重量范围内不但有利于主体内部电力系统，动力系统空间布局的合理性，而且有利于航行的平稳性以及避免因重力过大对能源的消耗速度过快。在主体1的头部顶端安装有垂直于水平面的旋转轴，在所述的旋转轴上转动连接有垂直舵3，所述垂直舵3能够绕着旋转轴旋转，控制自旋翼水下无人机的左右摆动，进而控制航向，在所述的主体1的头部左右两侧对称的安装有水平固定鳍4，水平固定鳍4主要起维持整机在水平面的稳定性作用。在所述的主体1头部的前端连接有推进器5，推进器5是整机的动力装置，提供前进的动力。优选的推进器5是一个可拆分式螺旋桨。本无人机还包括旋翼2，所述的旋翼2包括桅杆2-1,所述的桅杆2-1安装在无人机整体机构的重心位置，所述的桅杆的两个支腿关于水下无人机主体的纵轴线左右对称设置。所述的桅杆2-1与固定在主体上的焊接件6通过螺栓固定连接，在所述的桅杆2-1上通过转轴2-6与姿态操纵杆2-2转动相连，在所述的姿态操纵杆2-2上通过旋转中心轴2-5转动连接有旋翼支架，在所述的旋翼支架上对称的安装有前行旋翼片2-3和后行旋翼片2-4，旋翼为自旋翼水下无人机的浮力装置，通过在水流场中的旋转提供浮力，平衡自旋翼水下无人机以及其上搭载的传感器、物资等载荷产生的负浮力，避免出现下沉。

图2是自旋翼水下无人机的自旋翼部分的机构简图，自旋翼主要是靠旋翼的自转而并非动力驱动装置来产生升力，自旋翼的旋转完全是靠水流场的来流作用和自身的惯性，因而动力系统十分简单，所以造价成本也就相应低廉。而且，由于自旋翼并不靠动力系统驱动，即使动力系统失效，自旋翼仍然能够旋转以保持足够的升力，避免整机下沉消失。

图3为自旋翼水下无人机的动力装置-螺旋桨，可以采用现有结构。螺旋桨通过旋转将电机的电能转化为前进的动能，而来流通过自旋翼，又导致旋翼的自转，产生向上的升力，共同维持自旋翼水下无人机前进的平稳性。

在航行过程中，旋翼形成的桨盘(桨盘是指旋翼片绕着旋转中心轴2-5旋转所形成的盘面)向后倾倒,后倾倒角度(旋转中心轴的轴线与桨盘垂线的夹角)以保持正迎流攻角(旋翼的翼腹面与水平面的夹角)获得升力。操作方案是由垂直尾舵3(垂直尾舵可以摆动，此处应该和鱼尾部摆动控制航行方向原理一样)操纵航向，旋翼部分的桅杆处有姿态操纵杆2-2与旋转中心轴2-5，通过操纵姿态操纵杆绕转轴2-6旋转，带动旋翼支架旋转，进而调整整个桨盘与竖直面的夹角，则可控制桨盘向后倾倒角度(如图2所示)，以控制升力方向，配合推进器一起实现总体俯仰姿态控制。本发明依据流体动力学原理，在运动中获取足够的升力以平衡负浮力，实现“水下飞行”。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，元件造型、连接方式不经创造性的设计，与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.自旋翼水下无人机,它包括主体，在主体的头部顶端安装有垂直于水平面的旋转轴，在所述的旋转轴上转动连接有垂直舵，在所述的主体的头部左右两侧对称的安装有水平固定鳍，在所述的主体头部的前端连接有推进器，其特征在于:它还包括旋翼，所述的旋翼包括桅杆,所述的桅杆安装在无人机整体机构的重心位置，所述的桅杆的两个支腿关于水下无人机主体的纵轴线左右对称设置,所述的桅杆与固定在主体上的焊接件通过螺栓固定连接，在所述的桅杆上通过转轴与姿态操纵杆转动相连，在所述的姿态操纵杆上通过旋转中心轴转动连接有旋翼支架，在所述的旋翼支架上对称的安装有前行旋翼片和后行旋翼片。

2.根据权利要求1所述的自旋翼水下无人机,其特征在于:所述的主体占无人机整体结构的总重的35-45％。

3.根据权利要求1或2所述的自旋翼水下无人机,其特征在于:所述的推进器是一个可拆分式螺旋桨。