CN106864713A - 一种仿水母水下航行器 - Google Patents
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Abstract
仿水母水下航行器的特征是：内部是一个多层长方形壳体，壳体材料采用亚克力，里面有均匀分布的六层动力系统安装板，壳体外部有半月头推杆伸出，推杆的头部是一个半月状，每层长方形壳体的两边各伸出一个，前一层与下一层的推杆伸出的方向垂直，壳体与半月头推杆之间的密封采用在舱体和支撑杆间的缝隙中加装密封圈，以及将有弹性的塑料薄膜(类似气球的材质)的一段缠在支杆上，另一端粘在舱体上；外层采用了柔性乳胶翼膜模仿水母的表皮，推杆的头部贴在乳胶翼膜上，将乳胶翼膜撑开，沿着长方体的壳体展长的方向有三组推杆，由内部舵机不同的相位来控制推杆伸缩的原始位置，这些推杆的位置经过优化，相互垂直的推杆组成一个“十字型”，为一组，便用三组点来尽可能地模拟出正弦波，最大化实现吸排水的可能。
Description
技术领域
本发明涉及水下航行器领域，具体为一种仿水母水下航行器。
背景技术
我国海域辽阔，防御和侦察起来比较困难。近年来，由于中国经济社会的飞速发展，给西方某些国家造成了“中国威胁论”，于是他们想方设法遏制中国的发展。其中，对中国的领海挑衅愈演愈烈，诸如钓鱼岛、黄岩岛、南海事件等，更是引发国人的愤慨。因此捍卫我国的领海，大力发展航海事业显得尤为重要。
同时，我国对海权的重视及对海洋资源利用程度的日益提高，我们越来越依赖于海洋。然而，现如今的水下航行器的运动原理并不是十全十美。因此，改变传统水下航行器的运动机理，研制出一种噪声小，能耗低，又相对稳定的动力系统对于我国的国防，战略以及对海洋资源的利用至关重要。
如今的水下航行器推进方式有噪声大、效率低、湍流强度大等缺点。本发明改变传统水下航行器的运动机理，模仿并改进水母的运动原理，运用简谐波的传递性，利用舵机、半月头推杆、乳胶翼膜等装置，提出一套噪声小，能耗低，又相对稳定的水下航行器。此航行器通过舵机提供动力，带动半月头推杆作往复运动，从而带动翼膜做纵截面为简谐波、横截面为大小可变的圆的运动。最终实现翼膜带动水向后移动、推进器向前运动的原理。其优点已经在上面阐述过，因此仿水母水下航行器具有非凡的意义，而国内公开对仿水母水下航行器的研究相当少，制造更是少，因此，仿水母水下航行器虽然只是一台原型机，但也是想法到实物的一个实践创新。
发明内容
要解决的技术问题
实现仿水母水下航行器在水中能做到平稳运行，低噪声，需要解决以下几点，动力问题便首当其冲，如何降低噪声，而平稳运行则是传动方案的优化问题，理想情况下，一段简谐波是由无数个质点的简谐振动组成，但本项目只能将简谐振动的质点(曲支撑杆)有限次的细分，让这些简谐振动的质点带动周围翼膜，使整个翼膜的纵截面呈现近似简谐波，同时为了运动效率的提高，需将支杆的安放位置优化；由于支撑杆数量较多，使其穿过舱体的孔的密封技术显得尤为重要；压强差的问题，由于乳胶翼膜内侧水速快于外侧，在高速航行时，翼膜会被水压压变形，很有可能会影响航行器的动力系统的效率。
技术方案
本发明解决技术问题所采用的方案是：内部是一个多层长方形壳体，壳体材料采用亚克力，里面有均匀分布的六层动力系统安装板，壳体外部有半月头推杆伸出，推杆的头部是一个半月状，每层长方形壳体的两边各伸出一个，前一层与下一层的推杆伸出的方向垂直，壳体与半月头推杆之间的密封采用在舱体和支撑杆间的缝隙中加装密封圈，以及将有弹性的塑料薄膜(类似气球的材质)的一段缠在支杆上，另一端粘在舱体上；外层采用了柔性乳胶翼膜模仿水母的表皮，推杆的头部贴在乳胶翼膜上，将乳胶翼膜撑开，沿着长方体的壳体展长的方向有六组推杆，由内部舵机不同的相位来控制推杆伸缩的原始位置，这些推杆的位置经过优化，相互垂直的推杆组成一个“十字型”，为一组，便用三组点来尽可能地模拟出正弦波，最大化实现吸排水的可能。
所述的舵机动力系统由舵机、动力系统安装板、半月头推杆、滑动轴承以及齿轮齿条组成；考虑到齿轮齿条在高度以及水平方向的配合，需要提前计算好余量，将舵机的头部穿过动力系统安装板，用螺丝螺母将其固定在安装板上，舵机头部原本的部件拆下换成齿轮；之后将四个滑动轴承用螺丝螺母固定在动力系统安装板，同样要计算好位置，半月头推杆的杆身穿过两个滑动轴承，两个滑动轴承之间的杆身上，齿条通过螺丝螺母固定在杆身上，杆身两侧事先留有余量，以防齿条与滑动轴承相撞；在紧靠齿条的后侧平行安装上一颗挡杆螺丝，以防齿条和杆身发生横滚；通过计算，让杆身齿条与舵机头部的齿轮在高度上与水平方向上配合，使齿轮能有力地作用在齿条上，从而对半月头推杆进行驱动。
所述的舵机控制系统由电源、电源安装架、单片机、单片机安装架、舵机及控制开关组成；舵机与单片机通过一路电缆相连，单片机自身与电源相连，舵机与电源通过另一路电缆相连，其中一路电缆上接控制开关，由单片机直接供电，单片机由电源供电，电源安装在电源安装架上，电源模块通过螺丝螺母固定在动力系统控制板上；将舵机控制程序烧录进单片机，启动单片机开关，通过按下控制开关启动舵机，舵机的齿轮将做往复圆周运动，从而带动齿条，带动半月头推杆进行往复运动，半月头推杆头部推动外层乳胶翼膜进行扩张收缩，三层的推杆，通过舵机的初始角度不同，实现正弦波的运动，使航行器吸排水，从而模拟出水母的运动。
有益效果
相比较于传统的水下航行器，所述水下航行器具有以下优势：
1.传统的水下航行器多是用螺旋桨推进，而螺旋桨容易发生湍流等缺陷，而本发明的航行器模仿并改进水母的运动原理，运用简谐波的传递性，噪声相对小，能耗低，又相对稳定。
2.本发明不仅可以实现浅海航行器在极其安静的环境下对敌水域的侦查，还可以进一步实现对水下生物的仿真，监控洄游鱼类的动向。
3.本发明还可以通过深入的分析和优化，其新概念的动力系统能充分合理地利用能量，属绿色环保的创新。在实现航行器运动的基础上，还可对其升级，通过智能分析并利用控制器件实现自主前进，沉浮，转向，并可装载多种传感器、智能分析周围水体的复杂情况。
附图说明
图1：仿水母水下航行器推杆单层结构视图；
图2：仿水母水下航行器正视图；
图3：仿水母水下航行器D-D剖视图；
图中：1.亚克力侧板；2.亚克力底板；3.控制开关；4.信号接收模块；5.滑动轴承；6.半月头推杆；7.滑动轴承固定螺栓螺母；8.主驱动齿轮；9.挡杆螺丝；10.从动齿条；11.从动齿条与推杆固定螺栓螺母；12.舵机；13.舵机固定螺栓螺母；14.控制电缆；15.电源线；16.乳胶翼膜；17.亚克力盖板；18.电源控制盒；19.单片机；20.电源；21.航行器单层动力盒；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1、图2、图3所示，本发明的一个实施例为：一种仿水母水下航行器，由仿生水母外层蒙皮壳体系统、舵机动力系统以及舵机控制系统组成。
(1)仿生水母外层蒙皮壳体系统
仿生水母外层蒙皮壳体系统，由乳胶翼膜16与六个航行器动力模块21共同组成，两者之间仅仅只靠乳胶翼膜的张力包裹在半月头推杆上，六个航行器单层动力模块21相邻两者推杆方向相互垂直，前一个单层动力模块21的底板是下一个单层动力模块21的盖板，两者之间用强力胶粘合，并在粘合处用水密胶密封，由于内部的主驱动齿轮8与半月头推杆6上的从动齿条10啮合，由于舵机12有自锁功能，所以在未通电的情况下，半月头推杆6不会运动，能承受一定的压力，乳胶翼膜16包覆在推杆上。
(2)舵机动力系统
舵机动力系统由舵机12、舵机固定螺栓螺母13、主驱动齿轮8、从动齿条10、挡杆螺丝9、滑动轴承6、滑动轴承固定螺栓螺母7、从动齿条与推杆固定螺栓螺母11、亚克力底板2以及亚克力侧板1组成。
舵机12的驱动头部穿过亚克力底板2，用舵机固定螺栓螺母13穿过亚克力底板2将舵机12固定，主驱动齿轮8由过盈配合装在舵机驱动头部，根据尺寸和安装关系计算，将滑动轴承6用滑动轴承固定螺栓螺母7固定在亚克力底板2的相应位置上，半月头推杆6穿过亚克力侧板1后穿过两个滑动轴承6，半月头推杆6与亚克力侧板1用可动密封套密封，将从动齿条10用螺栓螺母11固定在半月头推杆6的杆身上，调整好舵机12的相位和从动齿条10的啮合位置，将挡杆螺丝9安装在亚克力底板2上，防止半月头推杆6的横滚，从而带动从动齿条10发生偏转。
(3)舵机控制系统
舵机控制系统由舵机12、控制线缆14、电源线15、单片机19、电源20、控制开关3、信号接收模块4、亚克力底板2以及亚克力侧板1组成。
确认单片机19与舵机12功能无误后，将单片机19和电源20用粘胶固定在亚克力底板2上，将4块亚克力侧板1垂直粘合亚克力底板2上，得到电源控制盒18，控制开关3为遥感控制器，信号接收模块4接收到信号后，控制单片机19的启动，从而控制整个系统的运作，每一块亚克力底板2上开数个孔，控制线缆14进行分线穿过前面每一层的亚克力底板2与舵机12相连，给予舵机12控制信号，电源线15同样进行分线并联从一侧穿过前面每一层的亚克力底板2与舵机12相连，为舵机12供电。
Claims (3)
1.一种仿水母水下航行器，由仿生水母外层蒙皮壳体系统、舵机动力系统以及舵机控制系统等组成；其特征在于所述的外层蒙皮壳体系统由乳胶翼膜、亚克力板方形壳体、半月头推杆、密封套以及配重组成；整个航行器的亚克力壳体是一个正方形，正方形壳体的侧边四个面上各伸出一根半月头推杆，每一个面上有三根，均匀分布，排成直线，其外层的乳胶翼膜用来模拟水母的表皮，具有相当的柔性，包裹在壳体上，其与壳体通过半月头推杆隔离，壳体上有孔，半月头推杆通过该孔与壳体配合，半月头推杆与壳体之间用密封套进行动密封，壳体内部配重根据最终结果进行适当的调整。
2.根据权利要求1所述的一种仿水母水下航行器，其特征在于所述的舵机动力系统由电源安装架、舵机、动力系统安装板、半月头推杆、滑动轴承以及齿轮齿条组成；舵机安装在动力系统安装板上，舵机的头部穿过动力系统安装板，用螺丝螺母固定在安装板上，舵机头部安装齿轮；将滑动轴承用螺丝螺母固定在动力系统安装板，半月头推杆的杆身穿过两个滑动轴承，两个滑动轴承之间的杆身上，齿条通过螺丝螺母固定在杆身上，杆身两侧事先留有余量，以防齿条与滑动轴承相撞；在紧靠齿条的后侧安装上两颗螺丝，以防齿条发生横滚；通过之前的计算，杆身齿条与舵机头部的齿轮在高度上与水平方向上配合。
3.根据权利要求1所述的一种仿水母水下航行器，其特征在于所述的舵机控制系统由电源、电源安装架、单片机、单片机安装架、舵机及控制开关组成；舵机与单片机通过控制开关相连，由单片机直接供电，单片机由内部12V电源供电，将舵机控制程序烧录进单片机，启动单片机开关，通过按下控制开关启动舵机，舵机的齿轮将做往复圆周运动，从而与齿条进行配合，带动半月头推杆进行往复运动，半月头推杆头部推动外层乳胶翼膜进行扩张收缩，三层的推杆，通过舵机的初始角度不同，实现航行器吸排水的功能，从而模拟出水母的运动。
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