CN106143801B - 一种利用光波互补工作的无人艇 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用光波互补工作的无人艇，包括通过中间缆绳相连的水面母船和水下滑翔机，水下滑翔机主要利用水翼与水之间的作用力作为其前进的动力，同时，波浪能‑动能转换机构将水翼翻转过程中收集到的波浪能转换为动能，螺旋桨带动水下滑翔机前进，进而通过中间缆绳带动水面母船前进。推进装置的电机设置在最后一组水翼后缘，一方面在风浪较小时推动水下滑翔机前进，另一方面通过控制两组推进装置的电机不同的功率，使推进装置的推力不同，进而控制其转向。本发明综合利用太阳能与波浪能互补进行工作，使装置在任何一种能源缺失的情况下，如在长时间的阴雨天气或在波浪较小海域，也能较长时间的工作，真正做到光波互补的目的。

Description

一种利用光波互补工作的无人艇
技术领域
本发明涉及海洋勘探装置技术领域，尤其涉及一种利用光波互补工作的无人艇。
背景技术
21世纪，随着人类对海洋发展的逐渐重视，各国都对海洋的利用和开发加大投入。其中海洋所蕴藏的巨大经济利益以及在政治上的重要地位，使得各国对海洋权利的争夺日趋激烈。于是，各种各样的无人海洋观测、开发工具不断涌现。但是，这些无人航行器的续航能力受到了其携带能源的限制，能源的供给大大限制了移动监测平台实现长时间、大范围内的监测活动。因此我们需要致力开发出一套不再受能源限制而能够进行长期的大范围作业，且无需维护，成本耗费较低的自主操作平台，以延伸人类了解世界海洋的触角。
现有几种比较有特点的海洋勘探装置，
有缆水下机器人：也称无人遥控潜水器，在潜器后面拖带长长电缆，由操纵人员控制其航行和作业的潜器。它本身不携带能源，能源通过电缆由母船提供。由于电缆的限制，使其工作范围大大受限。有缆水下机器人的工作必须有母船进行配合，因母船的工作海域与工作海况受到限制，所以有缆水下机器人无法做到全天候的监测，并且其经济型较差。
无人水面水下航行器：航行器工作时能源由自身携带蓄电池提供，在工作过程中，没有外部能源的供给，续航能力受到了其携带能源的限制。现在大多数无人水面航行器会利用太阳能进行辅助供电，在一定程度上可以缓解续航能力较差的缺陷。
水下滑翔机：在滑翔机航行过程中，水下滑翔机借助机体内部质量分布的调整改变机体重心和浮心的相对位置，以产生横滚力矩和俯仰力矩，配合方向舵对其自身的姿态和运动轨迹进行控制，实现三维空间内的螺旋运动和垂直剖面内的锯齿形运动。巧妙的通过调整净浮力与姿态来获取前进的动力，续航力大大增强。然而，由于单纯使用浮力驱动方式，水下滑翔机在水下只能做锯齿形和螺旋回转轨迹航行，其航迹控制和定位精度低，航速慢，在风浪较大的海面可能会出现随波逐流的情况。
波浪滑翔机：波浪滑翔机由水面浮体、中间缆绳与水下滑翔机组成。在随波浪起伏过程中，通过缆绳的作用，使水下滑翔机随波浪上升与下沉，利用机翼将波浪能转化为装置前进的动力，并通过搭载在浮体上的设备完成各种任务。驱动设备所需要的能源，由浮体上的太阳能电池板吸收太阳能供给。装置的动能由波浪能提供，各种用电设备的工作用太阳能供电。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中无人艇航行时间短，使用范围较小的缺陷，提供一种工作不受携带能源、工作环境和天气情况限制的利用光波互补工作的无人艇。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种利用光波互补工作的无人艇，包括通过中间缆绳相连的水面母船和水下滑翔机，其中：
水面母船的甲板上设置有多块太阳能电池板，水面母船的前后两端的下方均设置有减摇鳍，减摇鳍与水面母船内部的发电机相连；
水下滑翔机包括多组水翼、波浪能-动能转换机构和螺旋桨。其主要利用水翼与水之间的作用力作为其前进的动力，同时，波浪能-动能转换机构将水翼翻转过程中收集到的波浪能转换为动能，并传递给螺旋桨，螺旋桨带动水下滑翔机前进，进而通过中间缆绳带动水面母船前进。
进一步地，本发明的波浪能-动能转换机构包括转动轴、滑动轴、摇杆、连杆、飞轮、链条、齿轮箱和传动机构，其中：
每组水翼中相对的两个水翼通过穿过滑翔机主体的转动轴和滑动轴相连，转动轴靠近滑翔机主体前缘，靠后的滑动轴在滑翔机主体上设置的滑道中运动；
摇杆设置有多个，分别与每个转动轴固定连接，摇杆与传动机构铰接，传动机构与连杆的一端铰接，连杆的另一端与飞轮连接，飞轮通过链条与齿轮箱相连，齿轮箱与螺旋桨相连。
进一步地，本发明的水面母船内设置有蓄电池，太阳能电池板和发电机均与蓄电池相连。
进一步地，本发明的水下滑翔机靠近尾部的水翼上设置有两组推进装置，推进装置通过中间缆绳内的导线与蓄电池相连。
进一步地，本发明的推荐装置的电机设置在水翼后缘内，通过给两组推进装置的电机不同的电压，使推进装置的推力不同，进而控制其转向。
进一步地，本发明的水面母船的底部和水下滑翔机的顶部均设置有一个万向节，中间缆绳的两端分别与两个万向节相连。
进一步地，本发明的水面母船底部的万向节设置在其重心的正下方。
进一步地，本发明的水面母船的前后甲板上均设置有吊耳。
进一步地，本发明的水翼设置有至少5组。
进一步地，本发明的中间缆绳的截面呈扁平状，缆绳外部为橡胶，内部设置有铜制导线。
本发明产生的有益效果是：本发明的利用光波互补工作的无人艇，能够综合利用太阳能与波浪能互补进行工作，使装置在任何一种能源缺失的情况下，如在长时间的阴雨天气或在波浪较小海域，也能较长时间的工作，真正做到光波互补的目的。装置巧妙的使用减摇鳍利用横摇与纵摇进行发电，一方面减小装置的横摇与纵摇，使设备在较大的波浪中也能较平稳的运行；另一方面，使装置在阴雨天气也有供电来源。其次水下滑翔体内部传动机构可以更有效的利用波浪能，使装置在相同波浪下有较高的航速。最后，因装置采用主动转向，转向更为灵活，在障碍物较多海域也能安全航行。本发明可以在环境恶劣的海域进行安全工作，比起现有类似装置环境适应能力更强，波浪能利用率更高。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的侧视结构示意图；
图2是本发明实施例的母船俯视结构示意图；
图3是本发明实施例的水下滑翔机的俯视机构示意图；
图4是本发明实施例的水下滑翔机的剖视结构示意图；
图中，1-水面母船，2-中间缆绳，3-水下滑翔机，4-减摇鳍，5-太阳能电池板，6-吊耳，7-万向节，8-转动轴，9-滑道，10-水翼，11-推进装置，12-螺旋桨，13-滑动轴，14-摇杆，15-连杆，16-飞轮，17-链条，18-齿轮箱，19-传动机构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1和图2所示，本发明实施例的利用光波互补工作的无人艇，包括通过中间缆绳2相连的水面母船1和水下滑翔机3，其中：
水面母船1的甲板上设置有多块太阳能电池板5，水面母船1的前后两端的下方均设置有减摇鳍4，减摇鳍4与水面母船1内部的发电机相连；
水下滑翔机3包括多组水翼10、波浪能-动能转换机构和螺旋桨12，波浪能-动能转换机构将水翼10收集到的波浪能转换为动能，并传递给螺旋桨12，螺旋桨12带动水下滑翔机3前进，进而通过中间缆绳2带动水面母船1前进。
如图3和图4所示，波浪能-动能转换机构包括转动轴8、滑动轴13、摇杆14、连杆15、飞轮16、链条17、齿轮箱18和传动机构19，其中：
每组水翼10中相对的两个水翼10通过穿过滑翔机主体的转动轴8和滑动轴13相连，转动轴8靠近滑翔机主体前缘，靠后的滑动轴13在滑翔机主体上设置的滑道9中运动；
摇杆14设置有多个，分别与每个转动轴8固定连接，摇杆14与传动机构19铰接，传动机构19与连杆15的一端铰接，连杆15的另一端与飞轮16连接，飞轮16通过链条17与齿轮箱18相连，齿轮箱18与螺旋桨12相连。
水面母船1内设置有蓄电池，太阳能电池板5和发电机均与蓄电池相连。水下滑翔机3靠近尾部的水翼10上设置有两组推进装置11，推进装置11通过中间缆绳2内的导线与蓄电池相连。推进装置11的电机设置在水翼后缘内，通过给两组推进装置11的电机不同的电压，使推进装置11的推力不同，进而控制其转向。
水面母船1的底部和水下滑翔机3的顶部均设置有一个万向节7，中间缆绳2的两端分别与两个万向节7相连。水面母船1底部的万向节7设置在其重心的正下方。水面母船1的前后甲板上均设置有吊耳6。水翼10设置有至少5组。中间缆绳2的截面呈扁平状，缆绳外部为橡胶，内部设置有铜制导线。
在本发明的另一个具体实施例中，利用光波互补工作的无人艇，包括水面母船、中间缆绳和水下滑翔机组成。水面母船上表面上布置有三块太阳能电池板，由玻璃胶和型钢卡槽固定。在水面母船首尾处上表面各有一个吊耳，方便无人艇的回收。在水面母船首尾舭部，各有一对减摇鳍，减摇鳍内部与发电机直接相连。在水面母船重心正下方底部固定有一个万向节，可以在左右、前后两个方向进行转动。
水下滑翔机的上升依赖水面母船从波浪的波谷到达波峰时的上升带动中间缆绳牵引，下降则依赖水下滑翔机从波峰到达波谷过程中水下滑翔机自身重力，攻角的变化依赖水下滑翔机上升下浮过程中水流对水翼冲击力来实现的。水翼偏转角度受槽道的限制，使水翼都能偏转一固定角度。利用五组水翼将源源不断波浪能转化为装置前进的动能。同时，在五组水翼翼转动时，通过滑翔机内部传动机构，即摇杆、连杆、飞轮、链条、齿轮箱，带动位于滑翔体尾部的螺旋桨。通过这一过程增加波浪能利用率。在装置前进的同时，位于水面母船上的太阳能电池板和与减摇鳍相连的电机将能量源源不断的储存在水面母船内部的蓄电池中。在波浪较小时，电能从位于水面母船内部的蓄电池通过中间缆绳内部的导线传给位于最后一组水翼上的电机，与水翼上电机相连的螺旋桨推水前进。需要转向时，通过给两组电机不同的电压，使位于两侧机翼上的电机转速不同，使推力不同，达到转向的目的。
中间缆绳上端通过万向节与水面母船连接，中间缆绳截面呈扁平状，缆绳外部由橡胶组成，内部有铜制导线组成。中间缆绳下端通过万向节与水下滑翔机相连。
万向节位于水下滑翔机重心正上方。水下滑翔机有五组水翼，相对的两个水翼通过穿过滑翔机主体的两根轴相连。两根轴中，靠近前缘的轴可以绕轴线转动，另一根轴可以在滑道里滑动。在靠近尾部的一组水翼，两侧的水翼上各有两个推进装置，推进装置的电机埋在水翼后缘。在滑翔体内部装有传动机构，传动机构有摇杆、连杆、飞轮、链条、齿轮箱和裸露在外部的螺旋桨组成，摇杆与发生转动的轴焊接在一起，摇杆与连杆、连杆与飞轮采用铰接的方式连接在一起。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种利用光波互补工作的无人艇，其特征在于，包括通过中间缆绳(2)相连的水面母船(1)和水下滑翔机(3)，其中：
水面母船(1)的甲板上设置有多块太阳能电池板(5)，水面母船(1)的前后两端的下方均设置有减摇鳍(4)，减摇鳍(4)与水面母船(1)内部的发电机相连；
水下滑翔机(3)包括多组水翼(10)、波浪能-动能转换机构和螺旋桨(12)，波浪能-动能转换机构将水翼(10)收集到的波浪能转换为动能，并传递给螺旋桨(12)，螺旋桨(12)带动水下滑翔机(3)前进，进而通过中间缆绳(2)带动水面母船(1)前进；
波浪能-动能转换机构包括转动轴(8)、滑动轴(13)、摇杆(14)、连杆(15)、飞轮(16)、链条(17)、齿轮箱(18)和传动机构(19)，其中：
每组水翼(10)中相对的两个水翼(10)通过穿过滑翔机主体的转动轴(8)和滑动轴(13)相连，转动轴(8)靠近滑翔机主体前缘，靠后的滑动轴(13)在滑翔机主体上设置的滑道(9)中运动；
摇杆(14)设置有多个，分别与每个转动轴(8)固定连接，摇杆(14)与传动机构(19)铰接，传动机构(19)与连杆(15)的一端铰接，连杆(15)的另一端与飞轮(16)连接，飞轮(16)通过链条(17)与齿轮箱(18)相连，齿轮箱(18)与螺旋桨(12)相连；
水面母船(1)内设置有蓄电池，太阳能电池板(5)和发电机均与蓄电池相连；
水下滑翔机(3)靠近尾部的水翼(10)上设置有两组推进装置(11)，推进装置(11)通过中间缆绳(2)内的导线与蓄电池相连；
推进 装置(11)的电机设置在水翼后缘内，通过给两组推进装置(11)的电机不同的电压，使推进装置(11)的推力不同，进而控制其转向。
2.根据权利要求1所述的利用光波互补工作的无人艇，其特征在于，水面母船(1)的底部和水下滑翔机(3)的顶部均设置有一个万向节(7)，中间缆绳(2)的两端分别与两个万向节(7)相连。
3.根据权利要求2所述的利用光波互补工作的无人艇，其特征在于，水面母船(1)底部的万向节(7)设置在其重心的正下方。
4.根据权利要求1所述的利用光波互补工作的无人艇，其特征在于，水面母船(1)的前后甲板上均设置有吊耳(6)。
5.根据权利要求1所述的利用光波互补工作的无人艇，其特征在于，水翼(10)设置有至少5组。
6.根据权利要求1所述的利用光波互补工作的无人艇，其特征在于，中间缆绳(2)的截面呈扁平状，缆绳外部为橡胶，内部设置有铜制导线。
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