CN108974287A - 一种波动翼混合驱动水下滑翔机 - Google Patents

一种波动翼混合驱动水下滑翔机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种波动翼混合驱动水下滑翔机，包括滑翔机主体、姿态改变装置、吸排水舱、尾翼以及波动翼。所述姿态改变装置设于滑翔机主体内部，通过改变电池包的位置来实现滑翔机的横滚、俯仰等姿态变化。所述吸排水舱设于滑翔机主体内部，通过吸排水来改变滑翔机的净重量。所述尾翼位于滑翔机主体的尾部，主要功能为通信。所述波动翼位于滑翔机主体的两侧，在不同工作状态下充当的角色分别为动力源和滑翔翼。同时公开一种混合模式的水下滑翔机推进方法，使本发明能在不同的工作模式下自由切换，从而实现混合推进，增强了滑翔机在各种工作环境下的适应能力。其具有推进效率高、机动性能好、任务适应性强等优点。

Description

一种波动翼混合驱动水下滑翔机
技术领域
本发明涉及水下滑翔机，具体是一种波动翼混合驱动水下滑翔机及其推进方法。
背景技术
常规水下滑翔机是一种特殊类型的水下自主航行器(AUV)，它没有螺旋桨或者推进器等动力装置，它通过机内的可变浮力系统来控制自身的浮力变化，并通过滑翔翼将正浮力和负浮力转化为向前的推力，从而驱动滑翔机前进。其利用净浮力和姿态角调整获得推进力，能源消耗极小，只在调整净浮力和姿态角时消耗少量能源，并且具有效率高、续航力大的特点。但与其高效特点相伴的是其相对固定的运动形式和姿态，在水下只能做锯齿形和螺旋回转轨迹航行，机身姿态不能处于水平状态，只能保持一个攻角滑翔，机身回转半径大，在执行多样性观测任务时有明显缺陷，并且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。
现有混合动力水下滑翔机则在常规水下滑翔机的基础上增加了螺旋桨或者推进器等动力装置，使其具备较强的机动性。但外加的螺旋桨或者推进器等动力装置会在滑翔机处于滑翔状态时造成额外的阻力，从而降低了滑翔效率。
发明内容
为了解决现有水下滑翔机工作状态下机动性不强，执行多样性观测任务时缺陷明显，以及现有混合动力水下滑翔机滑翔阻力大，滑翔效率不高的现状问题，本发明提供了一种波动翼混合驱动水下滑翔机及其推进方法，在不同工作模式下的有效配合，从而实现混合推进，增强多样性观测任务能力，其具有滑翔效率高、机动性强、兼具有波动翼推进的灵活性和滑翔推进的高效性。为了达到上述目的本发明采用如下技术方案:
设计一种波动翼混合驱动水下滑翔机，包括滑翔机主体、姿态改变装置、吸排水舱、尾翼以及波动翼；所述姿态改变装置包含横滚运动机构和俯仰运动机构；所述横滚运动机构位于所述滑翔机主体内的前部，由横向分布不均匀（单向分部）的电池组、横滚驱动电机、支撑导轨构成，通过驱动电机驱动电池组在滑翔机横向方向上绕支撑导轨转动，实现滑翔机整体重心在横向方向上的改变，从而实现滑翔机的横滚动作。所述俯仰运动机构位于所述滑翔机主体内的中部，由纵向分布不均匀（单向分部）的电池组、俯仰驱动电机、滑轨构成，通过驱动电机驱动电池组在滑翔机纵向方向上沿滑轨前后滑动，实现滑翔机整体重心在纵向方向上的改变，从而实现滑翔机的俯仰动作。所述吸排水舱设于所述滑翔机主体内的后部，通过吸排水来改变滑翔机的净重量，实现滑翔机在不同密度的水域中具备保持中性浮力的能力，并在滑翔状态下控制滑翔机的运动。所述尾翼位于所述滑翔机主体的尾部，内置通信天线，主要功能为通信，其顶端适当高出所述滑翔机主体的背部，使滑翔机能在主体隐藏在水面以下的状态下进行通信。所述波动翼由舵机座、舵机组、波动翼杆以及波动翼面构成，以对称的方式设于滑翔机主体的两侧，通过波动翼连接件与所述滑翔机主体连接，其中所述舵机组由一排舵机构成，通过螺栓固定在所述舵机座上，所述波动翼杆固定在所述舵机的转轴上并能随之运动，所述波动翼面与每一根所述波动翼杆紧密相接，并能随之运动。
设计一种波动翼混合驱动水下滑翔机推进方法：在滑翔机主体的基础上，通过一对安装在滑翔机主体两侧的波动翼、姿态改变装置以及吸排水舱，在不同的工作模式下有效配合，实现混合推进。所述混合推进为滑翔推进锯齿形运动方式；当滑翔机进入滑翔状态时，波动翼的所有舵机打平，使波动翼面呈水平状态，此时波动翼充当的角色为滑翔翼。当需要进行滑翔下潜控制时，首先吸排水舱调节滑翔机的重力，使得FG大于FB，其中FG为滑翔机所受的重力，FB为滑翔机所受的浮力，然后通过俯仰运动机构控制驱动电机控制电池组沿滑轨向前移动，实现机身以前倾姿态的滑翔下潜，其中所需改变的重力大小和电池组前移距离需要根据实际情况做动态调整；当需要进行滑翔上升控制时，首先吸排水舱调节滑翔机的重力，使得FB大于FG，然后通过俯仰运动机构控制驱动电机控制电池组沿滑轨向后移动，实现机身以后倾姿态的滑翔上升，其中所需改变的重力大小和电池组前移距离需要根据实际情况做动态调整；
所述混合推进为波动翼推进水平面运动方式；滑翔机到达预定的观测水域时，吸排水舱调节滑翔机的重力，使得FG等于FB，滑翔机处于悬浮状态，此时通过两侧的波动翼以不同的波动方式实现不同状态的推进。
所述波动翼波动方式包括：波动翼向后波动，两侧的波动翼以相同周期相同振幅向与滑翔机头朝向相反的方向波动，实现滑翔机的直线非减速前进或直线减速后退；波动翼向前波动，两侧的波动翼以相同周期相同振幅向与滑翔机头朝向相同的方向波动，实现滑翔机的直线非减速后退或直线减速前进；波动翼转弯波动，其中一侧的波动翼向某一固定方向波动，另一侧以相同周期相同振幅向与之相反的方向波动，实现滑翔机的零半径转弯；波动翼下潜推进，在所述波动翼向后波动与所述俯仰运动机构电池组前移的配合下，实现滑翔机的快速下潜；波动翼上浮推进，在所述波动翼向后波动与所述俯仰运动机构电池组后移的配合下，实现滑翔机的快速上浮；
本发明提供的仿生水下滑翔机及其推进方法的优点在于:
(1)与常规水下滑翔机运动方式相比，具有运动状态可切换的混合推进能力，机动性好，任务适应性强；
(2)与现有混合动力水下滑翔机的运动方式相比，滑翔阻力小、滑翔效率高，拐弯半径更小（可实现零半径拐弯）;
(3)推进模式多样，可以满足不同的运动速度、方向和姿态的推进要求，具备多样性观测任务能力。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中:
图1是本发明滑翔机内部结构示意图;
图2是本发明滑翔机滑翔状态示意图；
图3是本发明滑翔机波动推进状态示意图；
附图标记：1-外壳、2-横滚驱动电机、3-俯仰驱动电机、4-固定电池组、5-横滚电池组、6-俯仰电池组、7-支撑导轨、8-滑轨、9-吸排水舱、10-舵机座、11-舵机、12-波动翼连接件、13-波动翼杆、14-波动翼面、15-尾翼。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例：
本发明是一种一种波动翼混合驱动水下滑翔机及其推进方法，在常规水下滑翔机主体基础上，通过安装在滑翔机主体上的一对波动翼以及滑翔机主体内部的姿态改变装置、吸排水舱，在不同工作模式下的有效配合，从而实现混合推进。
如图1所示，2-横滚驱动电机、5-横滚电池组、7-支撑导轨共同构成横滚运动机构。3-俯仰驱动电机、6-俯仰电池组、8-滑轨共同构成俯仰运动机构。所述横滚运动机构和俯仰运动机构共同构成姿态改变装置。4-固定电池组、姿态改变装置、9-吸排水舱以同轴紧挨的方式依次排列，并由1-外壳包裹，共同构成水下滑翔机主体的主要构成部件。其中所述横滚运动机构通过2-横滚驱动电机驱动5-横滚电池组在滑翔机横向方向上绕7-支撑导轨转动，实现滑翔机整体重心在横向方向上的改变，从而实现滑翔机的横滚动作。其中所述俯仰运动机构通过3-俯仰驱动电机驱动6-俯仰电池组在滑翔机纵向方向上沿8-滑轨前后滑动，实现滑翔机整体重心在纵向方向上的改变，从而实现滑翔机的俯仰动作。其中9-吸排水舱通过吸排水来改变滑翔机的净重量，实现滑翔机在不同密度的水域中具备保持中性浮力的能力，并在滑翔状态下控制滑翔机的运动。10-舵机座、11-舵机、12-波动翼连接件、13-波动翼杆、14-波动翼面以及控制电路共同构成波动翼模块，并以对称的方式设于滑翔机主体的两侧，通过12-波动翼连接件与1-外壳连接，其中11-舵机通过螺栓固定10-舵机座上，13-波动翼杆固定在11-舵机的转轴上并能随之运动，14-波动翼面与每一根13-波动翼杆紧密相接，并能随之运动。15-尾翼位于所述滑翔机主体的尾部，内置通信天线，主要功能为通信，其顶端适当高出1-外壳的背部，使滑翔机能在1-外壳隐藏在水面以下的状态下进行通信。
混合推进方法有以下几种运动方式:
由图2所示，滑翔推进锯齿形运动方式为：当滑翔机进入滑翔状态时，波动翼的所有舵机打平，使波动翼面呈水平状态，此时波动翼充当的角色为滑翔翼。当需要进行滑翔下潜控制时，首先吸排水舱调节滑翔机的重力，使得FG大于FB，其中FG为滑翔机所受的重力，FB为滑翔机所受的浮力，然后通过俯仰运动机构控制驱动电机控制电池组沿滑轨向前移动，实现机身以前倾姿态的滑翔下潜，其中所需改变的重力大小和电池组前移距离需要根据实际情况做动态调整；当需要进行滑翔上升控制时，首先吸排水舱调节滑翔机的重力，使得FB大于FG，然后通过俯仰运动机构控制驱动电机控制电池组沿滑轨向后移动，实现机身以后倾姿态的滑翔上升，其中所需改变的重力大小和电池组前移距离需要根据实际情况做动态调整；
由图3所示，波动翼波动推进方式为：滑翔机到达预定的观测水域时，吸排水舱调节滑翔机的重力，使得FG等于FB，滑翔机处于悬浮状态，此时通过两侧的波动翼以不同的波动方式实现不同状态的推进。
所述波动翼波动方式包括:波动翼向后波动，两侧的波动翼以相同周期相同振幅向与滑翔机头朝向相反的方向波动，实现滑翔机的直线非减速前进或直线减速后退；波动翼向前波动，两侧的波动翼以相同周期相同振幅向与滑翔机头朝向相同的方向波动，实现滑翔机的直线非减速后退或直线减速前进；波动翼转弯波动，其中一侧的波动翼向某一固定方向波动，另一侧以相同周期相同振幅向与之相反的方向波动，实现滑翔机的零半径转弯。若对两侧波动翼的波动周期和振幅加以控制，则可以实现滑翔机任意半径的转弯。波动翼下潜推进，在所述波动翼向后波动与所述俯仰运动机构电池组前移的配合下，使滑翔机机身前倾，实现滑翔机的快速下潜；波动翼上浮推进，在所述波动翼向后波动与所述俯仰运动机构电池组后移的配合下，使滑翔机机身后倾，实现滑翔机的快速上浮；
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明实施例,在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种波动翼混合驱动水下滑翔机，其特征在于：包括滑翔机主体、姿态改变装置、吸排水舱（9）、波动翼以及尾翼（15）；所述波动翼位于滑翔机主体的两侧，在不同工作状态下充当的角色分别为滑翔翼和动力源。
2.根据权利要求1所述的波动翼混合驱动水下滑翔机，其特征在于：所述波动翼由舵机座（10）、舵机组、波动翼杆（13）以及波动翼面（14）构成，以对称的方式设于滑翔机主体的两侧，通过滑轨方式与所述滑翔机主体外壳（1）通过波动翼连接件（12）连接，其中所述舵机组由一排舵机（11）构成，通过螺栓固定在所述舵机座（10）上，所述波动翼杆（13）固定在所述舵机（11）的转轴上并能随之运动，所述波动翼面（14）与每一根所述波动翼杆（13）紧密相接，并能随之运动。
3.一种波动翼混合驱动水下滑翔机推进方法，其特征在于：在滑翔机主体的基础上，通过一对安装在滑翔机主体两侧的波动翼、姿态改变装置以及吸排水舱（9），在不同的工作模式下有效配合，实现混合推进。
4.根据权利要求3所述的波动翼混合驱动水下滑翔机推进方法，其特征在于所述混合推进为滑翔推进锯齿形运动方式；当滑翔机进入滑翔状态时，波动翼的所有舵机（11）打平，使波动翼面呈水平状态，此时波动翼充当的角色为滑翔翼；当需要进行滑翔下潜控制时，首先吸排水舱（9）调节滑翔机的重力，使得FG大于FB，其中FG为滑翔机所受的重力，FB为滑翔机所受的浮力，然后通过俯仰运动机构控制俯仰驱动电机（3）控制俯仰电池组（6）沿滑轨（8）向前移动，实现机身以前倾姿态滑翔下潜，其中所需改变的重力大小和俯仰电池组（6）前移距离需要根据实际情况做动态调整；当需要进行滑翔上升控制时，首先吸排水舱（9）调节滑翔机的重力，使得FB大于FG，然后通过俯仰运动机构控制俯仰驱动电机（3）控制俯仰电池组（6）沿滑轨（8）向后移动，实现机身以后倾姿态的滑翔上升，其中所需改变的重力大小和俯仰电池组（6）前移距离需要根据实际情况做动态调整。
5.根据权利要求3所述的波动翼混合驱动水下滑翔机推进方法，其特征在于所述混合推进为波动翼推进；滑翔机到达预定的观测水域时，吸排水舱（9）调节滑翔机的重力，使得FG等于FB，滑翔机处于悬浮状态，此时通过两侧的波动翼以不同的波动方式实现不同状态的推进。
6.根据权利要求5所述的波动翼混合驱动水下滑翔机推进方法，其特征在于所述波动翼波动方式包括：波动翼向后波动，两侧的波动翼以相同周期相同振幅向与滑翔机头朝向相反的方向波动，实现滑翔机的直线非减速前进或直线减速后退；波动翼向前波动，两侧的波动翼以相同周期相同振幅向与滑翔机头朝向相同的方向波动，实现滑翔机的直线非减速后退或直线减速前进；波动翼转弯波动，其中一侧的波动翼向某一固定方向波动，另一侧以相同周期相同振幅向与之相反的方向波动，实现滑翔机的零半径转弯；波动翼下潜推进，在所述波动翼向后波动与所述俯仰运动机构电池组前移的配合下，实现滑翔机的快速下潜；波动翼上浮推进，在所述波动翼向后波动与所述俯仰运动机构电池组后移的配合下，实现滑翔机的快速上浮。
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