CN109080802B - 一种基于拍翼驱动的混合动力型滑翔机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于拍翼驱动的混合动力型滑翔机，包括壳体和信号装置，所述壳体内设有浮力调节装置、横滚姿态调节装置、俯仰姿态调节装置和控制装置。所述壳体上设有一对滑翔翼，所述壳体内设有用于驱动滑翔翼拍动的拍翼驱动装置，所述拍翼驱动装置包括左摆臂、右摆臂、齿轮一、齿轮二以及能驱动齿轮一和齿轮二转动的电机。本发明所述的基于拍翼驱动的混合动力型滑翔机在低功耗滑翔巡航模式，通过浮力调节驱动升沉运动，通过两侧水平滑行翼产生水动力，通过姿态调节装置以调节姿态，在必要时可以启动拍翼驱动模式，产生驱动滑翔机前进和上升的水动力，实现了滑翔机高速、高机动地运动，不增大额外阻力，扩展了水下滑翔机地应用领域。

Description

一种基于拍翼驱动的混合动力型滑翔机

技术领域

本发明涉及一种水下滑翔机，属于海洋探测设备领域，具体涉及一种基于拍翼驱动的混合动力型滑翔机。

背景技术

水下滑翔机是一种新型的海洋探测装备，其通过净浮力和质心调节实现低能耗地滑翔运动，具有效率高，续航能力强、探测时间长等特点，在海洋科学研究和军事作战等领域有广泛的应用需求。然而，由于单纯使用浮力驱动方式，水下滑翔机在水下只能做锯齿形和螺旋回转轨迹航行，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。该缺点在一定程度上限制了水下滑翔机的探测范围。因此，改进水下滑翔机的驱动方式、提高水下滑翔机的机动能力将会拓展水下滑翔机在海洋环境监测中的应用，提高国家在深远海的长期探测能力。

天津大学研制了现有基于螺旋桨辅助推进的混合动力型水下滑翔机，在滑翔模式工作时，螺旋桨会产生附加阻力，影响滑翔机整体运动性能。

中国实用新型专利201720319472.2公开了“一种具有非固定翼的菱形翼水下滑翔机”，该水下滑翔机通过在一定范围内改变非固定翼的位置，来提高水下滑翔机升阻比，改善滑翔性能。虽然该滑翔机也具有可动的机翼，但其机翼不具有连续拍动的驱动能力，其只能实现单纯净浮力驱动的滑翔运动。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研究设计一种基于拍翼驱动的混合动力型滑翔机。本发明采用的技术手段如下：

一种基于拍翼驱动的混合动力型滑翔机，包括壳体和信号装置，所述壳体内设有浮力调节装置、横滚姿态调节装置、俯仰姿态调节装置和控制装置，所述壳体上设有一对滑翔翼，所述壳体内设有用于驱动滑翔翼拍动的拍翼驱动装置，所述拍翼驱动装置包括左摆臂、右摆臂、齿轮一、齿轮二以及能驱动齿轮一和齿轮二转动的电机，所述齿轮一和齿轮二的转动中心轴沿滑翔机的前后方向布置，所述左摆臂一端与壳体左侧的滑翔翼固定连接，所述左摆臂的另一端与齿轮一固定连接，所述右摆臂的一端与壳体右侧的滑翔翼固定连接，所述右摆臂的另一端与齿轮二固定连接，所述拍翼驱动装置还包括齿轮三和齿轮四，所述齿轮三和齿轮四外啮合，所述齿轮一和齿轮二外啮合，所述齿轮一和齿轮二的传动比为1:1，所述齿轮四和齿轮二同轴设置，所述电机通过变速箱驱动齿轮三转动，带动齿轮四转动进而带动齿轮二和齿轮一转动，进而驱动一对滑翔翼拍动。

进一步地，所述壳体内设有密封隔板隔出的密封舱，所述电机和变速箱位于密封舱内，所述变速箱的输出轴通过联轴器与转轴连接，所述转轴穿过密封隔板并与密封隔板之间设有动密封件，所述齿轮三固定在转轴上且随转轴转动。

进一步地，所述壳体的两侧均设有通孔槽道，所述左摆臂和右摆臂分别穿过对应的通孔槽道且能在通孔槽道内上下摆动。

与现有技术比较，本发明所述的基于拍翼驱动的混合动力型滑翔机在低功耗滑翔巡航模式，通过浮力调节驱动升沉运动，通过两侧水平滑行翼产生水动力，通过姿态调节装置以调节姿态，在必要时可以启动拍翼驱动模式，滑翔机两侧的滑翔翼进行上下周期拍动，产生驱动滑翔机前进和上升的水动力，实现了滑翔机高速、高机动地运动，不增大额外阻力，扩展了水下滑翔机地应用领域。

附图说明

图1是本发明实施例的外部结构示意图。

图2是本发明实施例的外部结构侧视图(不含滑翔翼)。

图3和图4为本发明实施例的内部结构示意图。

图5是本发明实施例的滑翔翼拍动示意图。

具体实施方式

如图1至图5所示，一种基于拍翼驱动的混合动力型滑翔机，包括壳体1和信号装置，所述壳体1内设有浮力调节装置100、横滚姿态调节装置200、俯仰姿态调节装置500和控制装置400，所述壳体上设有一对滑翔翼2，所述壳体1内设有用于驱动滑翔翼2拍动的拍翼驱动装置300，本实施例中，非密封结构二6位于壳体中段的中部，用于安装拍翼驱动机构。所述拍翼驱动装置300包括左摆臂40、右摆臂38、齿轮一37、齿轮二36以及能驱动齿轮一37和齿轮二36转动的电机，本实施例中，驱动齿轮一37和齿轮二36转动的为第三电机25，所述齿轮一37和齿轮二36的转动中心轴沿滑翔机的前后方向布置，所述左摆臂40一端与壳体左侧的滑翔翼2固定连接，所述左摆臂40的另一端与齿轮一37固定连接，所述右摆臂38的一端与壳体右侧的滑翔翼2固定连接，所述右摆臂38的另一端与齿轮二36固定连接，所述第三电机25驱动齿轮一37和齿轮二36转动进而驱动一对滑翔翼2拍动，可以通过控制装置400实现第三电机25正反转的灵活转换。所述拍翼驱动装置300还包括齿轮三34和齿轮四35，所述齿轮三34和齿轮四35外啮合，二者规格参数相同，传动比1：1，转动方向相反。所述齿轮一37和齿轮二36外啮合，二者规格参数相同，传动比为1：1，转动方向相反，所述齿轮四35和齿轮二36同轴设置，转动角速度相等，转动方向相同，所述第三电机25通过变速箱27驱动齿轮三34转动，带动齿轮四35转动进而带动齿轮二36和齿轮一37转动。所述壳体1内设有密封隔板隔出的密封舱，本实施例中，第三电机25和变速箱27与四个齿轮通过第四密封隔板41隔开，所述第三电机25和变速箱27位于密封舱内，所述变速箱27的输出轴通过第四联轴器29与转轴28的一端连接，转轴28的另一端由轴承座30支撑，轴承座30通过螺钉固定在壳体1内。分别支撑齿轮二36和齿轮一37的转轴二32、转轴三33两端分别由相同规格的轴承座支撑，轴承座通过螺钉固定在非密封结构内，在同一水平面内并行排列。变速箱27可以对第三电机25实现多级调速，使第三电机25可以以较大的力量驱动滑翔翼2的上下拍动，从而避免了滑翔机水下拍翼驱动力不足的情况，所述转轴28穿过第四密封隔板41并与第四密封隔板41之间设有动密封件31，所述齿轮三34固定在转轴28上且随转轴28转动。所述壳体的两侧均设有通孔槽道39，所述左摆臂40和右摆臂38分别穿过对应的通孔槽道39且能在通孔槽道39内上下摆动，通孔槽道39作为摆臂上下摆动的轨迹滑道，其高度上下限为摆臂上下摆动的两端极限。

本发明所述的信号装置、浮力调节装置100、横滚姿态调节装置200、俯仰姿态调节装置500和控制装置400均为现有技术，如图2和图4，浮力调节装置100固定安装在机体前段内，包括外油囊7、第一电机9、第一联轴器10、双向齿轮泵11、内部油缸12、油管13、电磁截止阀14、水压计15。端部椭球状壳体上部设置进水口16，海水可进入椭球状壳体内。外油囊7设置在椭球状壳体内，与海水接触，外油囊7体积增大或减小使得整个滑翔机排液体积增大或减小，进而对滑翔机所受的浮力进行调节。第一电机9、双向齿轮泵11、内部油缸12位于密封耐压壳体内。第一电机9通过第一联轴器10与双向齿轮泵11的输入轴可靠连接，双向齿轮泵11通过油管13分别与外油囊7和内部油缸12连接，可以将指定体积的油液在外油囊7与内部油缸12之间抽吸转换。油管13穿过第一密封隔板17的开口要进行水密处理。常闭模式的电磁截止阀14用于防止外部海水压力将外油囊7内的油液压回到内部油缸12，当第一电机9和双向齿轮泵11工作时，电磁截止阀14处于接通状态。水压计15位于密封耐压壳体中后部的控制装置内，测试水压结果通过控制器可以控制第一电机9和电磁截止阀14的运行状态。

横滚姿态调节装置200固定安装在机体中前段，包括第二步进电机18、深沟球轴承19、横滚轴20、第二联轴器21、横滚电池包22等。第二步进电机18通过螺钉固定于第二密封隔板23，第三密封隔板24在与步进电机18对应的位置安装深沟球轴承19。横滚轴20一端通过第二联轴器21与第二步进电机18的轴相连，另一端由深沟球轴承19支撑。横滚电池包22固定在横滚轴20上，在第二步进电机18的驱动下，绕滑翔机主轴线旋转固定的角度，使得滑翔机整体绕主轴线产生固定的横滚角度。

控制装置400安装固定于机体密封耐压结构5前段内，包括控制器，存储卡，GPS定位模块42、水压计15等。控制器可以接收各传感器及远程通信的数据，对数据进行处理，并根据处理结果向浮力调节装置、横滚姿态调节装置、拍翼驱动装置、俯仰姿态调节装置等发出指令信号，以控制滑翔机的工作状态。存储卡可将滑翔机各观测仪器采集到的数据和滑翔机航行线路数据进行存储记录。GPS定位模块用于定位和导航，既可以校准滑翔机航行方向，又可以方便滑翔机的回收。水压计15可以反馈密封耐压壳体内水压，考虑到滑翔机的航速较低，测试水压结果基本上能够反映航行深度，该信息经过控制器处理后，可控制浮力调节装置、横滚姿态调节装置、拍翼驱动装置、俯仰姿态调节装置的运行状态，进而调节滑翔机的运动姿态。

俯仰姿态调节装置500安装于机体耐压结构5壳体中前段，包括第四步进电机43、深沟球轴承44、滚珠丝杠45、第五联轴器46、俯仰电池包46等。第四步进电机43通过螺钉固定于第六密封隔板47，第七安装板48在与第四步进电机43对应的位置安装深沟球轴承44，滚珠丝杠45一端通过第五联轴器46与第四步进电机43的轴相连，另一端由深沟球轴承44支撑。俯仰电池包46跟移动的螺母固定在一起充当姿态调节重物，丝杠带动姿态调节重物沿导轨做轴向移动，调整整个滑翔机系统的重心在主轴线方向的分布，实现滑翔机俯仰姿态角的调节。

信号装置包括信号杆3和远程通信系统8，信号杆3固定安装在密封耐压壳体后段的椭球状尾部，通过预留线孔伸入水中，预留线孔做了水密处理。远程通信系统8安装固定于信号杆尾端，滑翔机下位机可以通过远程通信系统向上位机发送信息数据并接收控制指令，所得数据结果由电缆传输给存储卡和控制器作进一步存储和处理。

一般情况下，滑翔机工作在低功耗滑翔巡航模式，通过浮力调节装置100驱动升沉运动，通过两侧水平滑翔翼2产生水动力，通过横滚姿态调节装置200和俯仰姿态调节装置500调节姿态。此时滑翔翼2位于初始水平位置，电机断电，锁定电机转轴，滑翔翼2固定于机体横剖面中部。在一定海况下，必要时，滑翔机启动拍翼驱动模式。从滑翔机尾部朝首部方向，控制第三电机25启动，第三电机25经过变速箱27调速，使得转轴一28顺时针转动，齿轮三34顺时针转动，齿轮四35同步逆时针转动，从而转轴二32逆时针转动，齿轮二36逆时针转动，传动给齿轮一37同步顺时针转动，则左滑翔翼与右滑翔翼同步向上拍动。滑翔翼2到达预定高度上限后，控制第三电机25反转，经变速箱27调速，使得转轴一28逆时针转动，齿轮三34逆时针转动，齿轮四35同步顺时针转动，从而转轴二32顺时针转动，齿轮二36顺时针转动，传动给齿轮一37同步逆时针转动，则左滑翔翼与右滑翔翼同步向下拍动。当滑翔翼到达预定高度下限后，控制第三电机25反转，滑翔翼2重复向上拍动过程。如此往复，可实现滑翔翼2上下往复拍动，如图5所示，该过程配合静浮力，产生向上的升力与前进的推力，驱动滑翔机前进。当结束拍翼驱动模式后，滑翔翼还原至机体横剖面中部，第三电机25断电，锁定电机轴，滑翔翼2位置固定在水平初始位置，开始低功耗滑翔巡航模式。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于拍翼驱动的混合动力型滑翔机，包括壳体和信号装置，所述壳体内设有浮力调节装置、横滚姿态调节装置、俯仰姿态调节装置和控制装置，其特征在于：所述壳体上设有一对滑翔翼，所述壳体内设有用于驱动滑翔翼拍动的拍翼驱动装置，所述拍翼驱动装置包括左摆臂、右摆臂、齿轮一、齿轮二以及能驱动齿轮一和齿轮二转动的电机，所述齿轮一和齿轮二的转动中心轴沿滑翔机的前后方向布置，所述左摆臂一端与壳体左侧的滑翔翼固定连接，所述左摆臂的另一端与齿轮一固定连接，所述右摆臂的一端与壳体右侧的滑翔翼固定连接，所述右摆臂的另一端与齿轮二固定连接，所述拍翼驱动装置还包括齿轮三和齿轮四，所述齿轮三和齿轮四外啮合，所述齿轮一和齿轮二外啮合，所述齿轮一和齿轮二的传动比为1:1，所述齿轮四和齿轮二同轴设置，所述电机通过变速箱驱动齿轮三转动，带动齿轮四转动进而带动齿轮二和齿轮一转动，进而驱动一对滑翔翼拍动。

2.根据权利要求1所述的基于拍翼驱动的混合动力型滑翔机，其特征在于：所述壳体内设有密封隔板隔出的密封舱，所述电机和变速箱位于密封舱内，所述变速箱的输出轴通过联轴器与转轴连接，所述转轴穿过密封隔板并与密封隔板之间设有动密封件，所述齿轮三固定在转轴上且随转轴转动。

3.根据权利要求1或2所述的基于拍翼驱动的混合动力型滑翔机，其特征在于：所述壳体的两侧均设有通孔槽道，所述左摆臂和右摆臂分别穿过对应的通孔槽道且能在通孔槽道内上下摆动。

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