CN107953981A - 一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器 - Google Patents

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Abstract

一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器属于水下航行器技术领域，目的在于解决现有技术存在的效率低、水下稳定性差以及续航能力不强的问题。本发明包括：机架，所述机架连接架和外壳，所述连接架包括顺次连接的鱼翼连接架和鱼尾连接架；所述鱼翼连接架位于所述外壳内部，所述鱼尾连接架从外壳末端伸出；和所述鱼翼连接架连接并从外壳伸出的十个折翼式鱼翼，十个鱼翼分布在同一椭圆上，并关于鱼翼连接架及鱼尾连接架共同轴线对称；所述鱼翼可调节张角并可向后回收或伸出；和所述鱼尾连接架端部连接的摆动式鱼尾；以及电控系统，所述电控系统给整体供电并控制整体动作。

Description

一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器
技术领域
本发明属于水下航行器技术领域，具体涉及一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器。
背景技术
由于地形和交通状况的多样性及复杂性，功能单一的交通工具已经无法满足人们的需求，功能单一的交通工具也造成了严重的资源浪费；随着世界各国对海洋资源的不断深入研究，不论是近海还是深海都是各国探究争夺的区域。潜航器是实现海洋开发利用的重要工程装备。它通过搭载各种电子设备、机械装置，快速地潜浮于深海复杂环境中，实现对海洋的勘探、科考、开发、作业等，其技术水平在一定程度上标志着国家海洋资源勘探开发甚至海洋权益维护能力。
传统的水下航行器都是螺旋桨叶推进式，由多个推进器分布放置，分别用于上升、前行和转向，且效率不高，而且在水下的稳定性不强。水下机器人都是由蓄电池供电，充电打捞过程繁琐，续航能力不强。
发明内容
本发明的目的在于提出一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器，解决现有技术存在的效率低、水下稳定性差以及续航能力不强的问题。
为实现上述目的，本发明的一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器包括：
机架，所述机架连接架和外壳，所述连接架包括顺次连接的鱼翼连接架和鱼尾连接架；所述鱼翼连接架位于所述外壳内部，所述鱼尾连接架从外壳末端伸出；
和所述鱼翼连接架连接并从外壳伸出的十个折翼式鱼翼，十个鱼翼分布在同一椭圆上，并关于鱼翼连接架及鱼尾连接架共同轴线对称；所述鱼翼可调节张角并可向后回收或伸出；
和所述鱼尾连接架端部连接的摆动式鱼尾；
以及电控系统，所述电控系统包括固定在机架上的主控制器、电源调节器、发电机和蓄电池组；所述发电机通过电源线和所述蓄电池组连接，所述蓄电池组通过电源线和电源调节器连接并给整体供电，所述主控制器控制整体动作。
每个所述鱼翼包括：
前翼，所述前翼包括前支架以及固定在前支架上片状的前驱动翼；
后翼，所述后翼包括后支架以及固定在后支架上片状的后驱动翼，所述后支架前端上方和所述前支架后端铰接，所述前驱动翼和后驱动翼整体从前驱动翼前端向后驱动翼后端宽度逐渐变大；
以及鱼翼驱动机构，所述鱼翼驱动机构带动前翼和后翼运动改变张角，并带动后翼相对机架向后收回或伸出。
所述鱼翼驱动机构包括：
固定在机架上的电机底座；
固定在电机底座上的驱动电机，所述驱动电机通过电源线和蓄电池组连接；
和所述驱动电机输出轴同轴连接的驱动盘；
一端和所述驱动盘外圆周铰接的摇杆，所述摇杆的另一端和所述前支架前端铰接；
一端和所述摇杆中间位置铰接的连接杆，所述连接杆另一端和所述后支架前端下方铰接，所述前支架、后支架、摇杆和连接杆构成四杆机构；
以及鱼翼驱动活塞缸，所述鱼翼驱动活塞缸的活塞杆端部和所述前支架下端铰接，所述鱼翼驱动活塞缸的缸筒端部和机架铰接。
所述鱼尾包括：
一端和所述鱼尾连接架端部转动连接的鱼尾根部；
一端和所述鱼尾根部另一端转动连接的鱼尾中部；
一端和所述鱼尾中部另一端转动连接的鱼尾端部；
以及摆动驱动机构，所述摆动驱动机构带动鱼尾摆动。
所述摆动驱动机构包括对称设置在鱼尾根部两侧的鱼尾驱动液压缸，每个鱼尾驱动液压缸的活塞杆和鱼尾根部侧面铰接，鱼尾驱动液压缸的缸筒和所述鱼尾连接架铰接。
所述鱼尾根部、鱼尾中部和鱼尾端部均为竖直放置的片状结构，整体由鱼尾根部的与鱼尾连接架连接一端向鱼尾端部的自由端尺寸依次变大。
所述机架还包括固定连接在外壳底部的支撑架，三个所述支撑架采用三脚支撑方式，每一个所述支撑架为中空结构。
所述机架内还固定设置有两个真空舱和一个密封舱。
所述机械鱼潜航器的头部布放云台，云台搭载摄像头，照明灯等设备，用于水下作业。
所述机械鱼式潜航器的头部布放云台，云台搭载摄像头和照明灯；所述潜航器的机架内部设置有传感器和液压站；
所述液压站通过液压管路与阀控系统相连，所述液压站和所述鱼翼中的鱼翼驱动活塞缸及鱼尾中的鱼尾驱动液压缸连接；
主控制器根据摄像头和传感器采集的水下信息控制潜航器动作。
本发明的有益效果为：本发明的一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器驱动电机通过电机轴将转矩传递到驱动盘，驱动盘带着盘连接轴将动力传递到摇杆上，摇杆、后支架、前支架和连接杆构成了一个四杆机构，前支架可绕着前端转动，动力由摇杆传递到四杆机构上实现鱼翼的扑翼运动，每个鱼翼单独工作，是个鱼翼呈“鳐鱼”的波浪式摆动，稳定性好。当调节鱼翼的鱼翼驱动活塞缸收缩和伸长量时，活塞杆带动前支架沿鱼身前后摆动呈一定张角，并且可以向后方向回收。主控制器控制鱼尾的鱼尾驱动液压缸伸缩，由鱼尾驱动液压缸活塞杆带动鱼尾根部左右摆动，动力由鱼尾根部与鱼尾中部连接处传递到鱼尾中部，同样的动力传递到鱼尾端部，整个鱼尾呈一定的摆角，实现机械鱼的转向。机械鱼在水下时由蓄电池组供电，当电源的电力不足时，机械鱼浮到水面上，此时发电机工作给蓄电池组充电，当电充满时机械鱼潜入水下，由蓄电池供电驱动电动机运转，再带动鱼翼机构，实现各种水下运作；机械鱼的这种串联式混合动力的方式省去了拆卸电池充电的过程，只需添加燃油即可且续航能力更强。本发明仿生机械鱼采用的是可折翼的鱼翼机构，可以自由的控制各个鱼翼的收放角度，以适应各种水下环境，并且可呈现圆形布放；另一方面，折翼式鱼翼可以向后方向回收，在打捞和运输时节省空间。本发明设计的鱼翼是独立解耦驱动翼，每个鱼翼由单独的电机驱动，并独立控制，各驱动翼之间互不干扰，以适合各种复杂的水下环境。本发明的鱼尾采用的三段式，用于水下导向，鱼身内设置真空舱提高浮力。
附图说明
图1为本发明的一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器整体结构示意图；
图2为本发明的一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器去掉壳体时结构示意图；
图3为本发明的一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器中机架结构示意图；
图4为本发明的一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器中鱼翼结构示意图；
图5为本发明的一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器中鱼翼结构主视图；
图6为本发明的一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器中鱼尾结构示意图；
其中：1、机架，101、鱼翼连接架，102、鱼尾连接架，103、外壳，104、支撑架，2、鱼翼，201、前驱动翼，202、前支架，203、后驱动翼，204、后支架，205、电机底座，206、驱动电机，207、驱动盘，208、摇杆，209、连接杆，210、鱼翼驱动活塞缸，3、鱼尾，301、鱼尾根部，302、鱼尾中部，303、鱼尾端部，304、鱼尾驱动液压缸，4、发电机，5、蓄电池组，6、真空舱，7、密封舱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
参见附图1-附图6，本发明的一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器包括：
机架1，所述机架1连接架和外壳103，所述连接架包括顺次连接的鱼翼连接架101和鱼尾连接架102；所述鱼翼连接架101位于所述外壳103内部，所述鱼尾连接架102从外壳103末端伸出；
和所述鱼翼连接架101连接并从外壳103伸出的十个折翼式鱼翼2，十个鱼翼2分布在同一椭圆上，并关于鱼翼连接架101及鱼尾连接架102共同轴线对称；所述鱼翼2可调节张角并可向后回收或伸出；
和所述鱼尾连接架102端部连接的摆动式鱼尾3；
以及电控系统，所述电控系统包括固定在机架1上的主控制器、电源调节器、发电机4和蓄电池组5；所述发电机4通过电源线和所述蓄电池组5连接，所述蓄电池组5通过电源线和电源调节器连接并给整体供电，所述主控制器控制整体动作。
每个所述鱼翼2包括前支架202、前驱动翼201、后支架204、后驱动翼203、电机底座205、驱动电机206、驱动盘207、摇杆208、连接杆209及鱼翼驱动活塞缸210；驱动电机206与驱动电机底座205通过六角螺栓固定连接，驱动电机206的轴通过平键与驱动盘207过盈配合连接，驱动盘207与摇杆208通过鱼翼驱动杆连接销Ⅰ加装轴承连接，摇杆208与连接杆209用鱼翼驱动杆连接销轴Ⅰ加装滑动轴承连接，摇杆208与前支架202通过十字销轴Ⅱ加装滑动轴承连接，前支架202与前驱动翼201通过螺栓固定连接，后支架204与后驱动翼203通过螺栓固定连接，前支架202与后支架204通过销轴Ⅰ加滑动轴承连接，连接杆209与后支架204通过销轴Ⅱ加滑动轴承连接，前支架202与前驱动翼201连接销孔座加装滚动轴承连接，鱼翼驱动活塞缸210的活塞杆与前驱动翼201连接销孔座通过液压缸连接销轴加装滑动轴承连接，鱼翼驱动活塞缸210的缸筒与鱼支架连接销轴加装滑动轴承连接。各个鱼翼驱动活塞缸210通过液压管路与鱼身上的液压站相连，可以通过主控制器控制液压站的电控阀实现各个鱼翼的张角，以适应不同的水下环境，还可以实现鱼翼向后方向回收。
所述鱼尾3包括由鱼尾根部301连接轴Ⅰ、鱼尾根部301、鱼尾中部302连接轴Ⅱ、鱼尾中部302、鱼尾端部303连接轴Ⅲ、鱼尾端部303、鱼尾根部301连接销座、鱼尾驱动液压缸304、鱼尾驱动缸连接销组成。其中鱼尾连接架102与鱼尾根部301通过鱼尾根部301连接轴Ⅰ加装滑动轴承连接，鱼尾根部301与鱼尾中部302通过鱼尾中部302连接轴Ⅱ加装滑动轴承连接，鱼尾中部302与鱼尾端部303通过鱼尾端部303连接轴Ⅲ加装滑动轴承连接，鱼尾根部301与鱼尾驱动液压缸304的活塞杆通过鱼尾根部301连接销轴加装滑动轴承连接，鱼尾驱动液压缸304的缸筒与鱼尾连接架102通过鱼尾驱动缸连接销轴加装滑动轴承连接。鱼尾驱动液压缸304通过液压管路与鱼身的液压站相连接，液压站的阀控系统与主控制器连接，通过两侧液压缸的伸缩带动三段式鱼尾的摆动完成导向。
所述鱼尾根部301、鱼尾中部302和鱼尾端部303均为竖直放置的片状结构，整体由鱼尾根部301的与鱼尾连接架102连接一端向鱼尾端部303的自由端尺寸依次变大。
所述机架1还包括固定连接在外壳103底部的支撑架104，三个所述支撑架104采用三脚支撑方式，每一个所述支撑架104为中空结构，减轻重量，稳定性更好。机械鱼外型流线型设计，可减少水流阻力。
所述机架1内还固定设置有两个真空舱6和一个密封舱7。两个真空舱6通过螺栓连接的方式固定在鱼身上，发电机4以螺栓连接的方式固定在鱼身上，并通过电源线与同样螺栓连接固定在真空舱6上的蓄电池组5连接，蓄电池组5通过电源线与电源调节器相连接，电源调节器分别与十个驱动电机206和主控制器相连接，主控制器通过通讯线分别与十个驱动电机206连接，主控制器通过通讯线与传感器、摄像头以及液压站相连接。
所述机械鱼式潜航器的头部布放云台，云台搭载摄像头和照明灯；所述潜航器的机架1内部设置有传感器和液压站；
所述液压站通过液压管路与阀控系统相连，所述液压站和所述鱼翼中的鱼翼驱动活塞缸210及鱼尾中的鱼尾驱动液压缸304连接；
主控制器根据摄像头和传感器采集的水下信息控制潜航器动作，具体为：
所述传感器包括和所述主控制器通过通信线连接的水下超短基线定位系统、水下声通信调制解调器以及侧扫声呐，通过水下超短基线定位系统进行水下定位，通过侧扫声呐扫描获取海底地形图像数据，水下声通信调制解调器将信号处理后传输到主控制器；主控制器对水下数据进行处理并决策，将电信号传输给电调和伺服阀，通过控制电机的转速和液压缸的伸缩来实现潜航器的各种工作姿态。

Claims (9)

1.一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器，其特征在于，包括：
机架(1)，所述机架(1)连接架和外壳(103)，所述连接架包括顺次连接的鱼翼连接架(101)和鱼尾连接架(102)；所述鱼翼连接架(101)位于所述外壳(103)内部，所述鱼尾连接架(102)从外壳(103)末端伸出；
和所述鱼翼连接架(101)连接并从外壳(103)伸出的十个折翼式鱼翼(2)，十个鱼翼(2)分布在同一椭圆上，并关于鱼翼连接架(101)及鱼尾连接架(102)共同轴线对称；所述鱼翼(2)可调节张角并可向后回收或伸出；
和所述鱼尾连接架(102)端部连接的摆动式鱼尾(3)；
以及电控系统，所述电控系统包括固定在机架(1)上的主控制器、电源调节器、发电机(4)和蓄电池组(5)；所述发电机(4)通过电源线和所述蓄电池组(5)连接，所述蓄电池组(5)通过电源线和电源调节器连接并给整体供电，所述主控制器控制整体动作。
2.根据权利要求1所述的一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器，其特征在于，每个所述鱼翼(2)包括：
前翼，所述前翼包括前支架(202)以及固定在前支架(202)上片状的前驱动翼(201)；
后翼，所述后翼包括后支架(204)以及固定在后支架(204)上片状的后驱动翼(203)，所述后支架(204)前端上方和所述前支架(202)后端铰接，所述前驱动翼(201)和后驱动翼(203)整体从前驱动翼(201)前端向后驱动翼(203)后端宽度逐渐变大；
以及鱼翼驱动机构，所述鱼翼驱动机构带动前翼和后翼运动改变张角，并带动后翼相对机架(1)向后收回或伸出。
3.根据权利要求2所述的一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器，其特征在于，所述鱼翼驱动机构包括：
固定在机架(1)上的电机底座(205)；
固定在电机底座(205)上的驱动电机(206)，所述驱动电机(206)通过电源线和蓄电池组(5)连接；
和所述驱动电机(206)输出轴同轴连接的驱动盘(207)；
一端和所述驱动盘(207)外圆周铰接的摇杆(208)，所述摇杆(208)的另一端和所述前支架(202)前端铰接；
一端和所述摇杆(208)中间位置铰接的连接杆(209)，所述连接杆(209)另一端和所述后支架(204)前端下方铰接，所述前支架(202)、后支架(204)、摇杆(208)和连接杆(209)构成四杆机构；
以及鱼翼驱动活塞缸(210)，所述鱼翼驱动活塞缸(210)的活塞杆端部和所述前支架(202)下端铰接，所述鱼翼驱动活塞缸(210)的缸筒端部和机架(1)铰接。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器，其特征在于，所述鱼尾(3)包括：
一端和所述鱼尾连接架(102)端部转动连接的鱼尾根部(301)；
一端和所述鱼尾根部(301)另一端转动连接的鱼尾中部(302)；
一端和所述鱼尾中部(302)另一端转动连接的鱼尾端部(303)；
以及摆动驱动机构，所述摆动驱动机构带动鱼尾(3)摆动。
5.根据权利要求4所述的一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器，其特征在于，所述摆动驱动机构包括对称设置在鱼尾根部(301)两侧的鱼尾驱动液压缸(304)，每个鱼尾驱动液压缸(304)的活塞杆和鱼尾根部(301)侧面铰接，鱼尾驱动液压缸(304)的缸筒和所述鱼尾连接架(102)铰接。
6.根据权利要求4所述的一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器，其特征在于，所述鱼尾根部(301)、鱼尾中部(302)和鱼尾端部(303)均为竖直放置的片状结构，整体由鱼尾根部(301)的与鱼尾连接架(102)连接一端向鱼尾端部(303)的自由端尺寸依次变大。
7.根据权利要求1所述的一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器，其特征在于，所述机架(1)还包括固定连接在外壳(103)底部的支撑架(104)，三个所述支撑架(104)采用三脚支撑方式，每一个所述支撑架(104)为中空结构。
8.根据权利要求1所述的一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器，其特征在于，所述机架(1)内还固定设置有两个真空舱(6)和一个密封舱(7)。
9.根据权利要求1所述的一种串联式混合动力变翼型仿生机械鱼式潜航器，其特征在于，所述机械鱼式潜航器的头部布放云台，云台搭载摄像头和照明灯；所述潜航器的机架(1)内部设置有传感器和液压站；
所述液压站通过液压管路与阀控系统相连，所述液压站和所述鱼翼中的鱼翼驱动活塞缸(210)及鱼尾中的鱼尾驱动液压缸(304)连接；
主控制器根据摄像头和传感器采集的水下信息控制潜航器动作。
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