CN106628076A

CN106628076A - 旋转翼水下滑翔机

Info

Publication number: CN106628076A
Application number: CN201610913907.6A
Authority: CN
Inventors: 叶效伟; 郁荣; 俞圣杰; 周念福; 裴晴
Original assignee: 702th Research Institute of CSIC
Current assignee: 702th Research Institute of CSIC
Priority date: 2016-10-20
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2036-10-20
Also published as: CN106628076B

Abstract

本发明涉及一种旋转翼水下滑翔机，包括机体及内部平台安装结构，所述机体内安装有综合控制机构、控制通信和电力系统、可旋转翼系统和测量传感器。本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过将净浮力和重心调节机构集成为姿态综合调节机构，有效节省内部载重空间和系统重量，有效载重能够提高80%左右，占总重的10%到20%；旋转翼设计能够有效提升滑翔器升阻比，提升滑翔效率，同时使滑翔机具有转向能力及在水平面运动的能力，有效提升滑翔器的机动性和灵活性。

Description

旋转翼水下滑翔机

技术领域

本发明涉及海洋监测设备技术领域，尤其是一种能够依靠旋转翼及姿态综合调节机构在水平面和垂直面运动的旋转翼水下滑翔机，是一种时间和空间上连续监测海洋环境及采集数据的系统。

背景技术

当前，用于海洋资源调查和勘探及海洋水质环境调查、监测和数据采集的各种技术手段各有优缺。例如：浮标能够大范围监测海洋环境，但不具有动力源，其观测区域和线路不受控制；自主式水下运载器（AUV）可以监测任意区域的海洋环境，但携带能量有限，作业周期短；远距离遥控机器人（ROV）能源供应充足，但受母船限制，活动范围有限，且使用成本高；海洋调查船能够在时间上和空间上连续监测和采样，但是人财物耗费大，作业效费比低。

续航力大、自持力久的无动力固定翼水下滑翔器的出现一定程度上弥补了上述缺陷。这种滑翔器依靠净浮力进行上下潜浮运动，依靠固定翼生成向前的动力，驱动机体在垂直剖面内沿着锯齿型曲线向前运动。然而，固定翼水下滑翔器存在如下缺点：

1）浮力和重心两个主要的调节机构占据了滑翔器大部分有效空间，使得滑翔器的有效载重比较低，仅为总重的6%到10%；

2）滑翔器升阻比是决定滑翔效率的关键因素，现有滑翔器机翼均固定设计，升阻比难以改变和提高，滑翔效率难以提升；

3）只能在一个方向的垂直面内沿锯齿型曲线向前运动，不具有水平面运动能力和自主转向能力，机动能力比较差。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的旋转翼水下滑翔机，从而有效提升滑翔效率、增大有效载重、增加机动能力。

本发明所采用的技术方案如下：

一种旋转翼水下滑翔机，包括机体及内部平台安装结构，所述机体内安装有综合控制机构、控制通信和电力系统、可旋转翼系统和测量传感器。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述机体采用流线型机体。

包括有流线型模块化结构，其具体结构为包括模块化耐压壳体，所述模块化耐压壳体的两端分别通过密封件和连接件密封装配有艏密封盖和艉密封盖，所述艏密封盖上安装有艏部导流罩，所述艉密封盖上安装有艉部导流罩，所述艏部导流罩上固定有共形透水孔滤网，所述艉密封盖上通过螺纹连接有舷外T型支架；所述模块化耐压壳体内间隔安装有两块水密隔板，两块水密隔板之间及分别与艏密封盖和艉密封盖之间均安装有内部安装平台，所述艉密封盖上固定有第一密封穿舱件；所述艉部导流罩上固定安装有固定式稳定翼。

所述艏部导流罩上焊接有固定式稳定翼。

所述艏部导流罩上粘接有固定式稳定翼。

所述综合控制机构的结构为：包括固定在艏密封盖上的液缸，所述内部安装平台上固定有步进电机及驱动控制器，所述步进电机的输出端连接传动丝杆，所述传动丝杆与液缸的活塞连接；还包括位移传感器，所述位移传感器的一端固定在内部安装平台上，另一端固定在活塞上。

控制通信和电力系统包括固定在内部安装平台的动力电池，通过集成式配电管理模块进行电力分配，备用电源直接为步进电机和右翼旋转电机及左翼旋转电机应急供电，陀螺仪采集艇体摇摆倾斜加速度数据，艏姿态数据采集模块和艉姿态数据采集模块采集艇体工作姿态，深度传感器采集下潜深度，集成天线和GPS模块接收陆基控制中心数据及传输采集到的数据和定位水面位置，所述集成天线安装在固定式稳定翼上；控制单元用于上述传感器采集数据的输入、处理和输出。

可旋转翼系统包括固定在内部安装平台上固定有右翼旋转电机，通过第二密封穿舱件与滑翔翼连接，右翼旋转电机驱动控制器固定在位于右翼旋转电机上侧的内部平台上，并控制右翼旋转电机的正反方向旋转，驱动滑翔翼的正反方向转动；左翼旋转电机与右翼旋转电机对称布置，左翼旋转电机上侧的内部平台上固定左翼旋转电机驱动控制模块。

测量传感器组包括传感器组、舷外T型支架、CTD传感器和数据采集存储模块。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过将净浮力和重心调节机构集成为姿态综合调节机构，有效节省内部载重空间和系统重量，有效载重能够提高80%左右，占总重的10%到20%；旋转翼设计能够有效提升滑翔器升阻比，提升滑翔效率，同时使滑翔机具有转向能力及在水平面运动的能力，有效提升滑翔器的机动性和灵活性。

具体优点如下：

（一）旋转滑翔翼设计。本发明设计的旋转滑翔翼左右可以同方向或不同方向同角度及不同角度进行旋转，具有的优点是：

1）通过滑翔翼的旋转，可以极大的提高本发明稳定工作时的升阻比，增加滑翔效率；

2）通过滑翔翼的旋转，可以方便灵活的控制滑翔姿态和升阻比，有效抵抗外界干扰（内流或内波）对滑翔姿态的影响，增强本发明滑翔姿态的稳定性；

3）通过滑翔翼的不同方向旋转，可以控制本发明进行转向，增强本发明的机动性；

4）通过滑翔翼的旋转可以控制本发明在水平面内运动，改变传统固定翼滑翔器只能在垂直面内上下潜浮运动的缺点，增强本发明的空间监控能力；

（二）综合调节机构设计。本发明将传统固定翼水下滑翔器的浮力调节机构和重心调节机构合并为一个综合调节机构。其优点是：

1）有效减轻了调节机构的重量和体积，提升了约80%的有效载荷搭载能力；

2）采用体积重量可控可测的注射泵形式的综合调节机构，增强了净浮力和重心的可控性，消除了传统净浮力调节机构中的自由液面，消除了传统采用液压系统时粘压和温压特性的影响；

（三）模块化耐压结构设计。本发明将耐压结构部分划分为几个模块功能舱，其优点是：

1）方便检修，携带及模块舱室的更换或增减；

2）模块化设计便于水密隔舱处理，一舱进水不影响其他舱室的实用；

3）模块化设计便于各种设备的搭载和布置。

附图说明

图1为本发明的主视图。

图2为图1中沿A-A截面的全剖视图。

图3为本发明一个滑翔周期运动原理图。

图4为本发明水平面运动原理图。

其中：1、艏部导流罩；2、艏密封盖；3、模块化耐压壳体；4、水密隔板；5、滑翔翼；6、艉密封盖；7、艉部导流罩；8、固定式稳定翼；9、舷外T型支架；10、密封件；11、连接件；12、内部安装平台；13、共形透水孔滤网；14、液缸；15、驱动控制器；16、艏姿态数据采集模块；17、备用电源；18、步进电机；19、控制单元；20、集成式配电管理模块；21、陀螺仪；22、右翼旋转电机驱动控制器；23、左翼旋转电机驱动控制模块；24、传感器组；25、第一密封穿舱件；26、集成天线；27、CTD传感器；28、深度传感器；29、数据采集存储模块；30、GPS模块；31、艉姿态数据采集模块；32、第二密封穿舱件；33、右翼旋转电机；34、左翼旋转电机；35、动力电池；36、位移传感器；37、传动丝杆；38、活塞。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本实施例的旋转翼水下滑翔机，包括机体及内部平台安装结构，机体内安装有综合控制机构、控制通信和电力系统、可旋转翼系统和测量传感器。

机体采用流线型机体。

如图1和图2所示，包括有流线型模块化结构，其具体结构为包括模块化耐压壳体3，模块化耐压壳体3的两端分别通过密封件10和连接件11密封装配有艏密封盖2和艉密封盖6，艏密封盖2上安装有艏部导流罩1，艉密封盖6上安装有艉部导流罩7，艏部导流罩1上固定有共形透水孔滤网13，艉密封盖6上通过螺纹连接有舷外T型支架9；模块化耐压壳体3内间隔安装有两块水密隔板4，两块水密隔板4之间及分别与艏密封盖2和艉密封盖6之间均安装有内部安装平台12，艉密封盖6上固定有第一密封穿舱件25；艉部导流罩7上固定安装有固定式稳定翼8。

内部安装平台12的设计，为设备提供布置安装平台。

艏密封盖2、模块化耐压壳体3和艉密封盖6通过耐密封件10和连接件11连接在一起组成本发明的耐压结构；共形透水孔滤网13固定在艏部导流罩1上，和艉部导流罩7通过连接件分别固定在艏密封盖2和艉密封盖6上，与耐压结构共同组成本发明的流线型结构。

艏部导流罩1上焊接有固定式稳定翼8。

艏部导流罩1上粘接有固定式稳定翼8。

综合控制机构的结构为：包括固定在艏密封盖2上的液缸14，内部安装平台12上固定有步进电机18及驱动控制器15，步进电机18的输出端连接传动丝杆37，传动丝杆37与液缸14的活塞38连接；还包括位移传感器36，位移传感器36的一端固定在内部安装平台12上，另一端固定在活塞38上。用于测量液缸14的注排水量。

综合控制机构主要包括液缸14、步进电机18、步进电机驱动控制器15、位移传感器36、传动丝杆37、活塞38。液缸14通过连接件密封固定在艏密封盖2上，步进电机18固定在内部平台，并与传动丝杆37连接，传动丝杆37与活塞38连接；固定在内部平台上的步进电机驱动控制器15控制步进电机18的正反转动，通过传动丝杆37控制活塞38往复运动，驱动液缸14的注排水。

控制通信和电力系统主要包括艏姿态数据采集模块16、备用电源17、控制单元19、集成式配电管理模块20、陀螺仪21、集成天线26、深度传感器28、艉姿态数据采集模块31、GPS模块30和动力电池35组成。具体的结构为：包括固定在内部安装平台12的动力电池35，通过集成式配电管理模块20进行电力分配，备用电源17直接为步进电机18和右翼旋转电机33及左翼旋转电机34应急供电，陀螺仪21采集艇体摇摆倾斜加速度数据，艏姿态数据采集模块16和艉姿态数据采集模块31采集艇体工作姿态，深度传感器28采集下潜深度，集成天线26和GPS模块30接收陆基控制中心数据及传输采集到的数据和定位水面位置，集成天线26安装在固定式稳定翼8上；控制单元19用于上述传感器采集数据的输入、处理和输出。

可旋转翼系统包括固定在内部安装平台12上固定有右翼旋转电机33，通过第二密封穿舱件32与滑翔翼5连接，右翼旋转电机驱动控制器22固定在位于右翼旋转电机33上侧的内部平台上，并控制右翼旋转电机33的正反方向旋转，驱动滑翔翼5的正反转动；左翼旋转电机34与右翼旋转电机33对称布置，左翼旋转电机34上侧的内部平台上固定左翼旋转电机驱动控制模块23。

测量传感器组包括传感器组24、舷外T型支架9、CTD传感器27和数据采集存储模块29。

本发明存在两种运动方式，一是在垂直面内沿着锯齿形曲线连续滑翔运动，如图3所示；二是沿着波浪前进的方向的向前滑翔运动，如图4所示。

实际使用过程中，

一、在垂直面内沿着锯齿形曲线连续滑翔运动可以分六个状态进行：

状态1：水面正浮状态，此时液缸14进水量为图3中状态Ⅰ，滑翔翼5处于水平状态，如图3中P1位置所示。

状态2：下潜调整状态，本发明通过集成天线26接到下潜命令，综合调节机构驱动液缸14吸水，达到图3中状态Ⅱ，重量大于浮力，开始下潜。同时，增加的重量位于艏部，产生艏倾力矩，机体开始以一定的纵倾角下潜。此间，艏姿态数据采集模块16和艉姿态数据采集模块31采集姿态数据，陀螺仪21采集摇摆加速度数据，深度传感器28采集深度数据，并将数据汇集到控制单元19，经过处理后生成控制命令，由控制单元19向右翼旋转电机驱动控制器22和左翼旋转电机驱动控制模块23发送，控制右翼旋转电机33和左翼旋转电机34转动，驱动滑翔翼5的旋转，使机翼的攻角大于机体的攻角，使本发明在最佳升阻比工况下潜。

状态3：稳定下潜状态，经过状态2的调整阶段，本发明进入稳定滑翔阶段，此时机体3和滑翔翼5处于最佳升阻比的稳定状态，并呈一定角度，如图3 位置P2到位置P3所示。这一过程可以通过右翼旋转电机驱动控制器22和左翼旋转电机驱动控制模块23控制滑翔翼5的旋转控制滑翔状态，抵抗外部干扰对本发明运动的影响。

状态4：上浮调节状态，通过深度传感器28测量本发明的下潜深度，达到预设深度后，如图3中P3位置，综合调节机构开始驱动液缸14排水，如图3中状态Ⅲ，浮力大于重量，并产生艉倾。进一步，通过控制单元19向右翼旋转电机驱动控制器22和左翼旋转电机驱动控制模块23发送命令，控制滑翔翼5反向旋转。之后，本发明在惯性作用下到达最低点P4，并开始上浮。进一步，通过滑翔翼5的旋转调整到升阻比最佳的攻角。

状态5：稳定上浮状态，经过状态4的调整，本发明达到稳定上浮阶段。此阶段与稳定下潜阶段状态基本一致，仅滑翔翼5与机体的夹角方向相反。

上升到预定深度之后，如图3中P6位置，综合调节机构开始吸水，使液缸14的进水量达到图3中状态Ⅰ，进一步通过控制单元19向右翼旋转电机驱动控制器22和左翼旋转电机驱动控制模块23发送命令，驱动滑翔翼5与机体在水平剖面平行，在惯性和综合调节的作用下，本发明重新达到水面平衡状态，如图中P7位置。至此，本发明完成一个周期的滑翔运动，在整个滑翔周期中，本发明携带的传感器组24和舷外CTD传感器27时刻收集周围的水文水质数据，并经第一密封穿舱件25传输到数据采集存储模块29。本发明正浮于水面后，通过集成天线26和GPS模块30进行定位，并与水面控制中心进行通信，传输数据，接收命令，以便进行下一个周期的潜浮运动。

本发明的水平面运动实施办法为：

通过本发明携带的传感器组24，测得水面或者水下内波的运动方向和波高，并通过第一密封穿舱件25将数据传输到数据采集存储模块29和控制单元19，经过控制单元19的处理和分析，形成控制命令，发送右翼旋转电机驱动控制器22和左翼旋转电机驱动控制模块23，驱动右翼旋转电机33和左翼旋转电机34转动，带动滑翔翼5的转动，使滑翔翼5的翼面与波面具有一定夹角，生成向前运动的驱动力，驱动本发明在水平面内运动，如图4所示。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims

1.一种旋转翼水下滑翔机，其特征在于：包括机体及内部平台安装结构，所述机体内安装有综合控制机构、控制通信和电力系统、可旋转翼系统和测量传感器。

2.如权利要求1所述的旋转翼水下滑翔机，其特征在于：所述机体采用流线型机体。

3.如权利要求1所述的旋转翼水下滑翔机，其特征在于：包括有流线型模块化结构，其具体结构为包括模块化耐压壳体（3），所述模块化耐压壳体（3）的两端分别通过密封件（10）和连接件（11）密封装配有艏密封盖（2）和艉密封盖（6），所述艏密封盖（2）上安装有艏部导流罩（1），所述艉密封盖（6）上安装有艉部导流罩（7），所述艏部导流罩（1）上固定有共形透水孔滤网（13），所述艉密封盖（6）上通过螺纹连接有舷外T型支架（9）；所述模块化耐压壳体（3）内间隔安装有两块水密隔板（4），两块水密隔板（4）之间及分别与艏密封盖（2）和艉密封盖（6）之间均安装有内部安装平台（12），所述艉密封盖（6）上固定有第一密封穿舱件（25）；所述艉部导流罩（7）上固定安装有固定式稳定翼（8）。

4.如权利要求3所述的旋转翼水下滑翔机，其特征在于：所述艏部导流罩（1）上焊接有固定式稳定翼（8）。

5.如权利要求3所述的旋转翼水下滑翔机，其特征在于：所述艏部导流罩（1）上粘接有固定式稳定翼（8）。

6.如权利要求1所述的旋转翼水下滑翔机，其特征在于：所述综合控制机构的结构为：包括固定在艏密封盖（2）上的液缸（14），所述内部安装平台（12）上固定有步进电机（18）及驱动控制器（15），所述步进电机（18）的输出端连接传动丝杆（37），所述传动丝杆（37）与液缸（14）的活塞（38）连接；还包括位移传感器（36），所述位移传感器（36）的一端固定在内部安装平台（12）上，另一端固定在活塞（38）上。

7.如权利要求1所述的旋转翼水下滑翔机，其特征在于：控制通信和电力系统包括固定在内部安装平台（12）的动力电池（35），通过集成式配电管理模块（20）进行电力分配，备用电源（17）直接为步进电机（18）和右翼旋转电机（33）及左翼旋转电机（34）应急供电，陀螺仪（21）采集艇体摇摆倾斜加速度数据，艏姿态数据采集模块（16）和艉姿态数据采集模块（31）采集艇体工作姿态，深度传感器（28）采集下潜深度，集成天线（26）和GPS模块（30）接收陆基控制中心数据及传输采集到的数据和定位水面位置，所述集成天线（26）安装在固定式稳定翼（8）上；控制单元（19）用于上述传感器采集数据的输入、处理和输出。

8.如权利要求1所述的旋转翼水下滑翔机，其特征在于：可旋转翼系统包括固定在内部安装平台（12）上固定有右翼旋转电机（33），通过第二密封穿舱件（32）与滑翔翼（5）连接，右翼旋转电机驱动控制器（22）固定在位于右翼旋转电机（33）上侧的内部平台上，并控制右翼旋转电机（33）的正反方向旋转，驱动滑翔翼（5）的正反转动；左翼旋转电机（34）与右翼旋转电机（33）对称布置，左翼旋转电机（34）上侧内部平台固定左翼旋转电机驱动控制模块（23）。

9.如权利要求1所述的旋转翼水下滑翔机，其特征在于：测量传感器组包括传感器组（24）、舷外T型支架（9）、CTD传感器（27）和数据采集存储模块（29）。