CN106516110A - 可垂直起降飞行的水空两栖滑翔机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可垂直起降飞行的水空两栖滑翔机，属于水下智能机器人技术领域。其改变了固定翼水下滑翔机存在的不能应用于空中和水中协同观察的局限性、以及解决了多旋翼空中飞行存在的转换效率较低和飞行距离较短的问题。本发明主控舱体内自前往后依次设置有浮力调节机构、俯仰调节机构、横滚调节机构，俯仰调节机构加载有在水平方向上转动的电池包，横滚调节机构加载有在垂直方向上转动的电池包；机翼上设置有与主控舱体平行的支架横杠，支架横杠前后两端至少各设置有一个旋翼。本发明不但能够在水下长时间、长航程工作，也可以在空气中垂直升降并大范围飞行，且可实现空中飞行和水下航行之间随意切换，可完成空中和水下协同观测。

Description

可垂直起降飞行的水空两栖滑翔机

技术领域

本发明涉及一种可垂直起降飞行的水空两栖滑翔机，属于水下智能机器人技术领域。

背景技术

无人潜水器广泛用于海洋资源探查，海底地形地貌勘察，海洋环境监测，海洋工程维护等。水下滑翔机是无人潜水器的一种，是典型的海洋探测搭载平台。它能够在大范围内运动，其动力由浮力与重力的净差提供，并配合重心在横向和纵向的调整以及机翼，完成向前航行以及姿态调整，它具有低成本、低噪声、长航程等优点。目前国内外已开发出多款水下滑翔机，如国外的Seaglider、Spray、Slocum等，国内有天津大学研制的“海燕”号水下滑翔机，中科院沈阳自动化研究所研制的“海翼”号水下滑翔机，等等。这些水下滑翔机各有特点，且功能强大，但它们面临的一个局限性是：只能在水下工作，不能应用于空中和水中协同观察。

此外，在空气中飞行的无人机中，四旋翼甚至多旋翼式飞行技术受到越来越多的应用。多旋翼飞行控制比较简单，可实现无人机的垂直升降、悬停、前进后退等多个动作，机动性比较灵活，但是多旋翼式飞行能量转换效率较低，大大影响了无人机的航程和活动范围，而传统固定翼式飞机，不能垂直起降、悬停，机动性较差。

发明内容

本发明的目的在于克服水下滑翔机应用中存在的上述缺陷，提出了一种可垂直起降飞行的水空两栖滑翔机，一方面为了使水下滑翔机能够在空气中起飞，本发明在水下滑翔机的基础之上，水平方向布置旋翼，通过旋翼高速旋转获得升力而起飞，使得水下滑翔机不但可以在水下航行，也可以空中飞行；另一方面为了增加水下滑翔机在空气中的飞行距离，本发明集成了旋翼和机翼，并在尾部设置一个桨叶可折叠的螺旋桨，使得水下滑翔机可在空气中采用螺旋桨加固定翼方式飞行，并在水空之间可进行切换飞行或航行。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种可垂直起降飞行的水空两栖滑翔机，包括密封的主控舱体和对称设置的宽大的机翼，主控舱体内自前往后依次设置有浮力调节机构、俯仰调节机构、横滚调节机构和主控电路板，浮力调节机构位于主控舱体前端；俯仰调节机构加载有在水平方向上转动的电池包，横滚调节机构加载有在垂直方向上转动的电池包，使得滑翔机在下潜和上浮过程中向前进行锯齿形运动；主控电路板分别与浮力调节机构、俯仰调节机构和横滚调节机构相连；主控舱体前端底部设置有前支架点；机翼上设置有与主控舱体平行的支架横杠，支架横杠前后两端至少各设置有一个旋翼，支架横杠后端设置有尾翼；主控舱体后端设置有尾部螺旋桨，尾部螺旋桨的两侧设置有若干个副翼。

进一步地，浮力调节机构包括储水囊及水泵机构，当滑翔机在水下运动时，通过水泵吸入海水到储水囊或者从储水囊中排出海水以改变自身重力，实现滑翔机的下潜和上浮，获得水下滑翔的驱动力。

进一步地，横滚调节机构加载有电池包，当滑翔机在水下运动时，通过垂直方向上转动电池包，从而改变滑翔机重心偏转来调节滑翔机横滚角，实现滑翔机对航向的控制。

进一步地，主控舱体内部还包括导轨，俯仰调节机构与导轨相连。

进一步地，俯仰调节机构加载有电池包，当滑翔机在水下运动时，通过在导轨上前后移动电池包，从而改变滑翔机重心来调节滑翔机俯仰角。

进一步地，主控舱体顶部设置有天线，天线采用通信天线及GPS/北斗定位天线。

进一步地，两支架横杠的后端通过连接杆固定形成一体。

进一步地，旋翼布置在水平方向上，旋翼包括桨叶和电机，桨叶与机身平行且相对于机身左右对称。

进一步地，尾翼包括稳定滑翔机的姿态的上尾翼和同时起到支撑机身作用的下尾翼。

进一步地，尾部螺旋桨包括为可折叠的桨叶，当滑翔机在水下航行时，尾部螺旋桨的桨叶不转动，在水阻力作用下会收拢；而当滑翔机在空中飞行时，螺旋桨需转动，其桨叶在旋转惯性和空气阻力的作用下会展开。

本发明的有益效果是：本发明所述的可垂直起降飞行的水空两栖滑翔机，将多旋翼和固定翼集成到水下滑翔机中，使得水下滑翔机不但能够在水下长时间、长航程工作，也可以在空气中垂直升降并大范围飞行，且可实现空中飞行和水下航行之间随意切换，可完成空中和水下协同观测。

附图说明

图1是本发明的俯视图。

图2是本发明的左视图。

图中：1 主控舱体；2 支架横杠；3 机翼；4 旋翼；5 尾翼；6 尾部螺旋桨；7 副翼；8主控电路板；9 横滚调节机构；10 导轨；11 俯仰调节机构；12 浮力调节机构；13 前支架点；14 天线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明所述的可垂直起降飞行的水空两栖滑翔机，可在水下大航程滑翔，也可在空中大范围内飞行，且两种工作状态之间可随意切换。当水下滑翔机水平浮在水面上，需要从水中航行切换到空中飞行时，会启动旋翼4高速旋转而垂直起飞，当飞到一定高度后，会启动尾部螺旋桨6推进飞行；而当水下滑翔机需要从空中入水观测时，可通过旋翼4垂直降落到水面，再通过横滚调节机构9，俯仰调节机构11以及浮力调节机构12进行水下滑翔。在水中滑翔时尾部螺旋桨6桨叶会在水阻力作用下收拢，以减小滑翔机水阻力。

为了减小滑翔机在空中飞行时的重量，水下滑翔机浮力调节机构12采用吸水排水方式工作，当需要在空中飞行时，水下滑翔机会排尽机身内部压载水，减轻机身整体重量，利于飞行，当水下滑翔机在水下航行时，会根据滑翔要求，通过吸水排水方式改变水下滑翔机净浮力来驱动前进。

如图1和图2所示，本发明在水下滑翔机基础之上集成了旋翼4和机翼3，使得各自发挥优势，实现水空两栖功能。旋翼4采用多轴旋翼，通常采用四轴旋翼。

本发明水下滑翔机外观及内部主要结构组成示意图如图1所示，其中滑翔机支架横杠2，不但有支撑滑翔机机身作用，而且用于连接旋翼4以及尾翼5；旋翼4包括螺旋桨和电机，为滑翔机垂直起降提供动力；机翼3为了增加滑翔机的升阻比，采用了宽大的机翼3；机翼3的副翼7，用于滑翔机的姿态调整；如图2所示，尾翼5分为上尾翼和下尾翼，一方面用于稳定滑翔机的姿态，另一方面当滑翔机停留在地面时，下尾翼也起到支撑机身的作用。上尾翼采用带有桨叶的翼状结构，下尾翼采用带有支点的翼状结构。滑翔机尾部螺旋桨6的桨叶为可折叠式，此尾部螺旋桨6主要是为滑翔机在空气中飞行时提供前进的推力。主控舱体1内自前往后依次设置有浮力调节机构12、俯仰调节机构11、横滚调节机构9和主控电路板8，滑翔机内部主控电路板8为滑翔机控制中心，包括主控处理器以及姿态传感器；横滚调节机构9上面载有电池包，当滑翔机在水下运动时，通过垂直方向上转动电池包，从而改变滑翔机重心偏转来实现滑翔机横滚角的调节；俯仰调节机构11上面载有电池包，当滑翔机在水下运动时，通过在导轨10上前后移动电池包，从而改变滑翔机重心来实现滑翔机俯仰角的调节，使得滑翔机在下潜和上浮过程中向前进行锯齿形运动。电池包的移动方式有很多，例如，导轨10上设置有滑块，电池包设置于滑块上，通过控制滑块的移动来间接控制电池包的移动，电池包是指多块电池的集合。锯齿形运动是指滑翔机在水中或者空中的移动轨迹是一种类似于锯齿的波形运动，因此称之为锯齿形运动。

浮力调节机构12主要由储水囊及水泵机构组成，当滑翔机在水下运动时，通过水泵吸入海水到储水囊或者从储水囊中排出海水的方式改变自身重力，从而改变滑翔机本身的净浮力，为水下滑翔提供驱动动力。

本发明水下滑翔机侧视示意图如图2所示，主控舱体1采用圆柱体结构且流线型减少阻力。主控舱体1前端底部设置有前支架点13，当滑翔机停留在地面时可用于支撑机身，也可在滑翔机运动时，起到稳定导流作用。

旋翼4布置在水平方向上，桨叶与机身平行，且相对于机身是左右对称。机翼3是水下滑翔机机翼，可为空中飞行和水下滑翔提供升力。此外，水下滑翔机尾部还装有桨叶可折叠的螺旋桨，当滑翔机在水下航行时，尾部螺旋桨6不转动，其桨叶会收拢，以减小水阻力，节约能源，而当滑翔机在空中飞行时，螺旋桨需转动，其桨叶在旋转惯性和空气阻力的作用下展开，为滑翔机飞行提供动力。

结合图1和图2，介绍一下本发明水下滑翔机水空之间运动的过程。

本发明水下滑翔机可在水下大航程滑翔，也可在空中大范围内飞行，且两种工作状态之间可随意切换。当水下滑翔机需要从水中航行切换到空中飞行时，先通过浮力调节机构12，主要动作是水泵从储水囊中排水，减小自身重力，获得向上的净浮力，从而上浮到水面。然后通过俯仰调节机构11以及横滚调节机构9调整滑翔机处于水平状态，并使旋翼或者多旋翼4露出水面。当旋翼4露出水面后会被启动旋转，旋翼4的高速旋转下获得升力而垂直起飞，期间滑翔机会根据内部姿态传感器数据自动调整自身姿势，实现平稳上升。当滑翔机到达一定高度后，再启动尾部螺旋桨6旋转，桨叶在旋转惯性和空气阻力的作用下展开，实现推进飞行；而当水下滑翔机需要从空中入水观测时，可通过旋翼4垂直降落到水面，再通过浮力调节机构12吸水和排水的过程获得向下和向上的净浮力，并通过俯仰调节机构11改变自身俯仰角而实现水下滑翔，在水中滑翔时尾部螺旋桨6会停止运转，其桨叶会在水阻力作用下收拢，以减小滑翔机水阻力。

为了减小滑翔机在空中飞行时的重量，水下滑翔机浮力调节机构12采用吸水排水方式工作，当需要在空中飞行时，水下滑翔机会排尽机身内部压载水，减轻机身整体重量，利于飞行。当水下滑翔机在水下航行时，会根据滑翔要求，通过吸水排水方式改变水下滑翔机净浮力来驱动前进。

当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种可垂直起降飞行的水空两栖滑翔机，包括密封的主控舱体(1)和对称设置的宽大的机翼(3)，其特征在于：主控舱体(1)内自前往后依次设置有浮力调节机构(12)、俯仰调节机构(11)、横滚调节机构(9)和主控电路板(8)，浮力调节机构(12)位于主控舱体(1)前端；俯仰调节机构(11)加载有在水平方向上转动的电池包，横滚调节机构(9)加载有在垂直方向上转动的电池包，使得滑翔机在下潜和上浮过程中向前进行锯齿形运动；主控电路板(8)分别与浮力调节机构(12)、俯仰调节机构(11)和横滚调节机构(9)相连；主控舱体(1)前端底部设置有前支架点(13)；机翼(3)上设置有与主控舱体平行(1)的支架横杠(2)，支架横杠(2)前后两端至少各设置有一个旋翼(4)，支架横杠(2)后端设置有尾翼(5)；主控舱体(1)后端设置有尾部螺旋桨(6)，尾部螺旋桨(6)的两侧设置有若干个副翼(7)。

2.根据权利要求1所述的可垂直起降飞行的水空两栖滑翔机，其特征在于：浮力调节机构(12)包括储水囊及水泵机构，当滑翔机在水下运动时，通过水泵吸入海水到储水囊或者从储水囊中排出海水以改变自身重力，从而实现滑翔机的下潜和上浮，获得水下滑翔前进的驱动力。

3.根据权利要求1所述的可垂直起降飞行的水空两栖滑翔机，其特征在于：横滚调节机构(9)加载有电池包，当滑翔机在水下运动时，通过垂直方向上转动电池包，从而改变滑翔机重心偏转来调节滑翔机横滚角，实现滑翔机对航向的控制。

4.根据权利要求1或3所述的可垂直起降飞行的水空两栖滑翔机，其特征在于：主控舱体(1)内部还包括导轨(10)，俯仰调节机构(11)与导轨(10)相连。

5.根据权利要求4所述的可垂直起降飞行的水空两栖滑翔机，其特征在于：俯仰调节机构(11)加载有电池包，当滑翔机在水下运动时，通过在导轨(10)上前后移动电池包，从而改变滑翔机重心来调节滑翔机俯仰角。

6.根据权利要求1所述的可垂直起降飞行的水空两栖滑翔机，其特征在于：主控舱体(1)顶部设置有天线(14)，天线(14)采用通信天线(14)及GPS/北斗定位天线(14)。

7.根据权利要求1所述的可垂直起降飞行的水空两栖滑翔机，其特征在于：两支架横杠(2)的后端通过连接杆固定形成一体。

8.根据权利要求1或7所述的可垂直起降飞行的水空两栖滑翔机，其特征在于：旋翼(4)布置在水平方向上，旋翼(4)包括桨叶和电机，桨叶与机身平行且相对于机身左右对称。

9.根据权利要求1或7所述的可垂直起降飞行的水空两栖滑翔机，其特征在于：尾翼(5)包括稳定滑翔机姿态的上尾翼和同时起到支撑机身作用的下尾翼。

10.根据权利要求1或7所述的可垂直起降飞行的水空两栖滑翔机，其特征在于：尾部螺旋桨(6)包括为可折叠的桨叶，当滑翔机在水下航行时，尾部螺旋桨(6)不转动，其桨叶在水阻力作用下会收拢；而当滑翔机在空中飞行时，尾部螺旋桨(6)转动，其桨叶在旋转惯性和空气阻力的作用下展开。