CN105882925B - 一种二自由度滑翔太阳能水下航行器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种二自由度滑翔太阳能水下航行器及其控制方法，水下航行器通过独立控制左右对称的单翼并协调双翼一起运动，使航行器具有爆发力强、机动性高、稳定性好、噪声低等特点。同时将光伏板搭载在具有滑翔能力的水下航行器上，使机载蓄电池的电能得到持续的补充。载体结合了太阳能水下机器人SAUV和利用浮力驱动的水下滑翔机器人AUG的特点，相比国外SAUV有更大的能源优势，扩大其运行范围，并进一步增强了其续航能力，可应用于海洋参数测量、海地信息的调查和定点作业、军事侦察等领域。

Description

一种二自由度滑翔太阳能水下航行器及其控制方法
技术领域
本发明涉及海洋工程技术领域，具体为一种二自由度滑翔太阳能水下航行器及其控制方法。
背景技术
无人水下航行器(UUV)作为一种水下无人智能移动平台，广泛应用于海洋环境研究、海洋资源探测开发、海底地形地貌勘探、海洋科学考察等领域。在海洋科学考察、环境研究中考虑到海底地形复杂，存在暗流、浪、涌的区域，要完成海洋参数测定、海底信息调查和定点作用等任务，UUV必须具有灵活性好、机动性高等优点。而随着近海域海洋资源的过度开采和利用，人们对较远海域的开发和考察就显得尤为重要，而远海考察和远洋资源运输就需要UUV同时具备低功耗和航程远等优点。此外，作为探测器使用的UUV，一旦遭遇敌情，必须能迅速做出反应逃离危险区，这就需要UUV具备短程内高速机动的优点。
发明专利CN101519113公开了一种基于波浪能的滑翔推进器，它采用在滑翔推进器机体内部布置框架、重锤及传动齿轮等部件的方式布置波浪能发电装置，受波浪作用后使重锤与内框架产生相对运动，从而实现波浪能的捕获，其结构比较复杂，占用较多内部空间。
发明专利201210439258.2中公开了一种“用于水下滑翔机的温差能和太阳能混合动力推进系统，它利用海洋温差能和太阳能作为动力推进，仅仅考虑了动力来源，其滑翔装置简单，翼的可行域受到限制，运动模式不够多样。
目前，大多种滑翔机采用单自由度滑翔，运动模式单一，机动性不高，并且需要携带大量沉重能源。
发明内容
为了实现使水下航行器不需要携带大量沉重的能源，能长时间工作，提高水下航行器在海底复杂环境的机动性、稳定性及改善噪声高等目的，本发明提出了一种二自由度滑翔太阳能水下航行器，通过独立控制左右对称的单翼并协调双翼一起运动，使航行器具有爆发力强、机动性高、稳定性好、噪声低等特点。同时将光伏板搭载在具有滑翔能力的水下航行器上，使机载蓄电池的电能得到持续的补充。载体结合了太阳能水下机器人SAUV和利用浮力驱动的水下滑翔机器人AUG的特点，相比国外SAUV有更大的能源优势，扩大其运行范围，并进一步增强了其续航能力，可应用于海洋参数测量、海地信息的调查和定点作业、军事侦察等领域。
本发明的技术方案为：
所述一种二自由度滑翔太阳能水下航行器，包括机身(9)、侧翼(7)、柔性尾翼(12)；柔性尾翼(12)通过尾翼连接件(11)连接在机身(9)后端的尾翼驱动舵机(10)上；侧翼(7)通过舵机连接部件安装在机身(9)两侧；
其特征在于：
所述舵机连接部件包括第一级舵机(1)、第二级舵机(5)；第一级舵机(1)固定安装在机身侧面，第一级舵机(1)的输出轴垂直于机身平面；第一级舵机(1)的输出轴通过第一舵盘(2)固定连接舵机连接件(3)；第二级舵机(5)固定安装在舵机连接件(3)上，第二级舵机(5)输出轴与第一级舵机(1)的输出轴垂直；第二级舵机(5)输出轴通过第二舵盘(6)与侧翼(7)翼根固定连接；
机身(9)内部安装有动力装置和沉浮装置；所述动力装置带动沉浮装置在水下航行器需要下潜时吸水，在水下航行器需要上浮时排水；
所述机身(9)和侧翼(7)上表面铺设有太阳能板(8)，太阳能板(8)与处于机身内部的蓄电池组成太阳能充电系统；太阳能充电系统给动力装置、尾翼驱动舵机(10)、第一级舵机(1)、第二级舵机(5)提供能源。
进一步的优选方案，所述一种二自由度滑翔太阳能水下航行器，其特征在于：所述沉浮装置包括储液腔和安装在储液腔内的活塞；当水下航行器需要下潜时，动力装置带动活塞运动，使储液腔吸水；当水下航行器需要上浮时，动力装置带动活塞运动，使储液腔排水。
进一步的优选方案，所述一种二自由度滑翔太阳能水下航行器，其特征在于：所述沉浮装置中还包括配重块；当水下航行器需要上浮时，配重块后移，使水下航行器产生抬头力矩；当水下航行器需要下潜时，配重块前移，使水下航行器产生低头力矩。
进一步的优选方案，所述一种二自由度滑翔太阳能水下航行器，其特征在于：机身(9)内部安装有压力传感器，根据压力传感器得到水下航行器的深度信息。
进一步的优选方案，所述一种二自由度滑翔太阳能水下航行器，其特征在于：机身(9)头部安装有照明灯(13)和摄像头(14)，太阳能充电系统给照明灯(13)和摄像头(14)提供能源。
所述一种二自由度滑翔太阳能水下航行器的控制方法，其特征在于：所述水下航行器具有滑翔运动和划水运动两种模式；
滑翔运动控制方式为：第一级舵机(1)输出轴角度位置保持不变，独立控制第二级舵机(5)的输出轴角度，使侧翼(7)产生攻角，其中当水下航行器吸水下潜时，侧翼(7)前缘下偏，产生负攻角，水下航行器下潜同时向前滑翔前进，当水下航行器排水上浮时，侧翼(7)前缘上偏，产生正攻角，水下航行器上浮同时向前滑翔前进；
划水运动控制方式为：划水运动分为划动和恢复两个过程；在划动过程起始时，调节第二级舵机(5)的输出轴角度，使侧翼(7)产生大攻角，然后在划动过程中，改变第一级舵机(1)的输出轴角度，使侧翼(7)划水，实现水下航行器前进或后退；在恢复过程起始时，调节第二级舵机(5)的输出轴角度，使侧翼(7)攻角为0，然后在恢复过程中，改变第一级舵机(1)的输出轴角度，使侧翼(7)恢复到划动过程起始位置。
有益效果
本发明提出的二自由度滑翔太阳能水下航行器，改变了传统水下滑翔机单自由度运动方式，使得滑翔翼具有更大的运动空间，可完成滑翔、划水等运动模式，大大增强了航行器的机动性，使航行器可以更好地适应海中复杂的环境。同时本发明结合了太阳能水下机器人及利用浮力驱动的水下滑翔机，相比以往航行器具有更大的能源优势。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明创造的水下滑翔机的整体轴测图。
图2为本发明创造的水下滑翔机的整体侧视图。
图3为本发明创造的水下滑翔机的整体俯视图。
图4为本发明创造的滑翔驱动机构整体轴测图。
图5为本发明创造的滑翔驱动机构整体主视图。
图6为本发明创造的滑翔驱动机构整体俯视图。
图7为本发明滑翔运动模式实例交替位置视图。
图8为本发明划水运动模式实例交替位置视图。
其中：1、第一级舵机；2、第一舵盘；3、舵机连接件；4、舵机固定件；5、第二级舵机；6、第二舵盘；7、侧翼；8、太阳能板；9、机身；10、尾翼驱动舵机；11、尾翼连接件；12、柔性尾翼；13、LED照明灯；14摄像头。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明的目的是为了实现使水下航行器不需要携带大量沉重的能源就能能长时间工作，并且提高水下航行器在海底复杂环境的机动性、稳定性，同时降低水下航行器噪声。为此，本发明提出了一种二自由度滑翔太阳能水下航行器，通过独立控制左右对称的单翼并协调双翼一起运动，使航行器具有爆发力强、机动性高、稳定性好、噪声低等特点。同时将光伏板搭载在具有滑翔能力的水下航行器上，使机载蓄电池的电能得到持续的补充。载体结合了太阳能水下机器人SAUV和利用浮力驱动的水下滑翔机器人AUG的特点，相比国外SAUV有更大的能源优势，扩大其运行范围，并进一步增强了其续航能力，可应用于海洋参数测量、海地信息的调查和定点作业、军事侦察等领域。
如图所示，本实施例中的二自由度滑翔太阳能水下航行器包括机身9、侧翼7、柔性尾翼12；柔性尾翼12通过尾翼连接件11连接在机身9后端的尾翼驱动舵机10上；侧翼7通过舵机连接部件安装在机身9两侧。
所述舵机连接部件包括第一级舵机1、第二级舵机5；第一级舵机1固定安装在机身侧面，第一级舵机1的输出轴垂直于机身平面；第一级舵机1的输出轴通过第一舵盘2固定连接舵机连接件3；第二级舵机5通过舵机固定件4固定安装在舵机连接件3上，第二级舵机5输出轴与第一级舵机1的输出轴垂直；第二级舵机5输出轴通过第二舵盘6与侧翼7翼根固定连接。舵机连接部件构成了二自由度滑翔结构的驱动装置。
机身9内部安装有动力装置和沉浮装置；沉浮装置包括储液腔和安装在储液腔内的活塞；当水下航行器需要下潜时，动力装置带动活塞运动，使储液腔吸水，从而使水下航行器重力大于浮力而下潜；当水下航行器需要上浮时，动力装置带动活塞运动，使储液腔排水，从而使水下航行器重力小于浮力而上浮。
所述机身9和侧翼7上表面铺设有太阳能板8，太阳能板8与处于机身内部的蓄电池以及太阳能控制器组成太阳能充电系统；太阳能充电系统给动力装置、尾翼驱动舵机10、第一级舵机1、第二级舵机5提供能源。
本实施例中，优选在沉浮装置中设置了配重块，通过配重块改变水下航行器重心位置。当水下航行器需要上浮时，配重块后移，使水下航行器产生抬头力矩；当水下航行器需要下潜时，配重块前移，使水下航行器产生低头力矩。
本实施例中，优选机身9头部安装有照明灯13和摄像头14，太阳能充电系统给照明灯13和摄像头14提供能源。
本实施例中，优选机身9内部安装有压力传感器，根据压力传感器得到水下航行器的深度信息。
基于上面对水下航行器结构描述，下面描述水下航行器的运动过程：
所述水下航行器具有滑翔运动和划水运动两种模式；
滑翔运动控制方式为：第一级舵机1输出轴角度位置保持不变，独立控制第二级舵机5的输出轴角度，使侧翼7产生攻角，其中当水下航行器吸水下潜时，侧翼7前缘下偏，产生负攻角，水下航行器下潜同时向前滑翔前进，当水下航行器排水上浮时，侧翼7前缘上偏，产生正攻角，水下航行器上浮同时向前滑翔前进；
划水运动控制方式为：划水运动分为划动和恢复两个过程；在划动过程起始时，调节第二级舵机5的输出轴角度，使侧翼7产生大攻角，然后在划动过程中，改变第一级舵机1的输出轴角度，使侧翼7划水，实现水下航行器前进或后退；在恢复过程起始时，调节第二级舵机5的输出轴角度，使侧翼7攻角为0，然后在恢复过程中，改变第一级舵机1的输出轴角度，使侧翼7恢复到划动过程起始位置。
航行器下潜初期，其重力与浮力基本相等，水下航行器通过动力装置带动沉浮装置吸水，并带动配重块前移，改变水下航行器重心的位置和重力大小，使重力大于浮力，水下航行器在下潜过程中向前滑翔运动，根据压力传感器反馈，滑翔至预定海水深度。而后两级舵机协调运行，转换为划水运动模式，进行预定海底位置进行探测。水下航行器运动时可通过改变尾翼驱动舵机的输出角度进而对柔性尾翼进行调节，起到推进和平衡作用。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种二自由度滑翔太阳能水下航行器，包括机身(9)、侧翼(7)、柔性尾翼(12)；柔性尾翼(12)通过尾翼连接件(11)连接在机身(9)后端的尾翼驱动舵机(10)上；侧翼(7)通过舵机连接部件安装在机身(9)两侧；
机身(9)内部安装有动力装置和沉浮装置；所述动力装置带动沉浮装置在水下航行器需要下潜时吸水，在水下航行器需要上浮时排水；
其特征在于：
所述舵机连接部件包括第一级舵机(1)、第二级舵机(5)；第一级舵机(1)固定安装在机身侧面，第一级舵机(1)的输出轴垂直于机身平面；第一级舵机(1)的输出轴通过第一舵盘(2)固定连接舵机连接件(3)；第二级舵机(5)固定安装在舵机连接件(3)上，第二级舵机(5)输出轴与第一级舵机(1)的输出轴垂直；第二级舵机(5)输出轴通过第二舵盘(6)与侧翼(7)翼根固定连接；
所述机身(9)和侧翼(7)上表面铺设有太阳能板(8)，太阳能板(8)与处于机身内部的蓄电池组成太阳能充电系统；太阳能充电系统给动力装置、尾翼驱动舵机(10)、第一级舵机(1)、第二级舵机(5)提供能源。
2.根据权利要求1所述一种二自由度滑翔太阳能水下航行器，其特征在于：所述沉浮装置包括储液腔和安装在储液腔内的活塞；当水下航行器需要下潜时，动力装置带动活塞运动，使储液腔吸水；当水下航行器需要上浮时，动力装置带动活塞运动，使储液腔排水。
3.根据权利要求1所述一种二自由度滑翔太阳能水下航行器，其特征在于：所述沉浮装置中还包括配重块；当水下航行器需要上浮时，配重块后移，使水下航行器产生抬头力矩；当水下航行器需要下潜时，配重块前移，使水下航行器产生低头力矩。
4.根据权利要求1所述一种二自由度滑翔太阳能水下航行器，其特征在于：机身(9)内部安装有压力传感器，根据压力传感器得到水下航行器的深度信息。
5.根据权利要求1所述一种二自由度滑翔太阳能水下航行器，其特征在于：机身(9)头部安装有照明灯(13)和摄像头(14)，太阳能充电系统给照明灯(13)和摄像头(14)提供能源。
6.一种权利要求1所述二自由度滑翔太阳能水下航行器的控制方法，其特征在于：所述水下航行器具有滑翔运动和划水运动两种模式；
滑翔运动控制方式为：第一级舵机(1)输出轴角度位置保持不变，独立控制第二级舵机(5)的输出轴角度，使侧翼(7)产生攻角，其中当水下航行器吸水下潜时，侧翼(7)前缘下偏，产生负攻角，水下航行器下潜同时向前滑翔前进，当水下航行器排水上浮时，侧翼(7)前缘上偏，产生正攻角，水下航行器上浮同时向前滑翔前进；
划水运动控制方式为：划水运动分为划动和恢复两个过程；在划动过程起始时，调节第二级舵机(5)的输出轴角度，使侧翼(7)产生大攻角，然后在划动过程中，改变第一级舵机(1)的输出轴角度，使侧翼(7)划水，实现水下航行器前进或后退；在恢复过程起始时，调节第二级舵机(5)的输出轴角度，使侧翼(7)攻角为0，然后在恢复过程中，改变第一级舵机(1)的输出轴角度，使侧翼(7)恢复到划动过程起始位置。
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