CN109204812B - 一种固定翼与滑翔机结合的海空两栖航行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固定翼与滑翔机结合的海空两栖航行器，包括飞行控制装置组件、水下控制装置组件及防水密封舱组件；飞行装置组件与防水密封舱组件相连接，包含有旋翼组件、主机翼组件及尾翼组件，尾翼组件包含固定尾翼、垂直翼与水平翼；水下控制装置组件位于防水密封舱组件内，包括最前端的水囊与抽排水控制系统组件。本发明将固定翼飞行器与水下滑翔机的设计理念相结合，使用固定翼飞机的结构，结合水下滑翔机的运动控制系统，既可实现空中长距离、高速、高效率飞行，也可以实现水下长时间、长距离、低功耗滑翔航行。可以根据需求自由设置水下滑翔路径，高效的进行锯齿状，或者螺旋潜浮运动，具有快速大范围水体采样、海空联合观测等广泛应用。

Description

一种固定翼与滑翔机结合的海空两栖航行器

技术领域

本发明涉及一种智能多栖航行器，具体地，一种固定翼与滑翔机结合的海空两栖航行器。

背景技术

海洋机器人作为海洋观测采样的前沿手段得到越来越广泛的应用。目前常见的海洋机器人有水面无人船、螺旋桨驱动的自主水下航行器和水下滑翔机等等。尽管这些机器人已经能够实现水下的功能或完成水下任务，但是他们都存在行动较为缓慢、机动性差、需要复杂的水面支持系统等问题，并且对需要作业的水域的地理环境有较大的局限性。无法做到海空协同观测，无法实现跨越例如大坝的地理上等障碍。

混合型海洋机器人成为了目前海洋机器人的发展趋势。包括自主水下机器人与遥控水下机器人的混合，水面无人船和水下机器人的混合，无人机、水面无人船和水下机器人的混合等。

水下滑翔机以自身净浮力作为动力，通过改变自身重心和浮力完成上浮下潜动作，其低功耗、长航程、造价低、低噪音、高隐蔽性等优势在海洋资源勘探、环境监测、海底侦查等军事、民用领域表现出了越来越重要的应用价值。但是滑翔机存在着速度慢、机动性差、无法在空中观察等缺陷，其实际应用仍具有很大的局限性。因此对海洋机器人提出了海空两栖的新要求。

固定翼无人机主要靠机翼产生升力平衡飞机重量，其飞行速度快，航程和巡航时间长，但起降距离长，不能垂直起降、悬停，机动性较差。多旋翼无人机拥有垂直起降、空中悬停等优越性，但其在空中飞行时存在效率低、航程短的缺点。目前国内外研制的海空两栖航行器多采用旋翼类型，包括美国乔治亚理工大学研制的GTQ-Cormorant，美国罗格斯大学研制的Naviator，美国奥克兰大学于研制的Loon Copter，以及上海交通大学研制的“哪吒”海空两栖航行器样机，均存在空中飞行与水下航行效率较低、续航能力有限的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的提供一种固定翼与滑翔机结合的海空两栖航行器，是一种具备空中与水中高效率航行，能实现大范围海空观测采样的两栖航行器。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种固定翼与滑翔机结合的海空两栖航行器，包括飞行控制装置组件、水下控制装置组件以及防水密封舱组件，其中：

飞行控制装置组件与防水密封舱组件相连接，飞行控制装置组件包括旋翼组件、主机翼组件以及尾翼组件；

水下控制装置组件设置于防水密封舱组件内，水下控制装置组件包括水囊和抽排水控制系统组件，水囊连接抽排水控制系统组件，水囊设置于防水密封舱组件内部的前端。

优选地，所述旋翼组件包括电机支架、电机以及旋翼桨体，电机和旋翼桨体固定于电机支架上，电机支架紧固防水密封舱组件的前端。

优选地，所述主机翼组件包括前翼、机翼板以及固定翼支撑环，前翼和机翼板连接形成完整机翼，机翼板通过固定翼支撑环紧固于防水密封舱组件的外部壳体上。

优选地，所述尾翼组件包含固定尾翼、垂直翼以及水平翼，其中：

水平翼与垂直翼通过合页与固定尾翼连接；

固定尾翼用于实现航行器平衡；

水平翼和垂直翼用于调节航行器空中飞行的方向和水中滑翔的方向。

优选地，所述尾翼组件通过连接杆连接防水密封舱组件的后端。

优选地，所述防水密封舱组件包括头部密封舱盖、抱箍、耐压密封壳体、尾部密封舱盖以及密封接头，其中：

头部密封舱盖通过抱箍紧固连接耐压密封壳体的前端，头部密封舱盖连接旋翼组件；

尾部密封舱盖紧固连接耐压密封壳体的后端，尾部密封舱盖上固定有密封接头，尾翼组件通过连接杆与密封接头连接。

优选地，所述抽排水控制系统组件包括水泵、流量计、电磁阀、压力传感器、排水管密封穿舱件、主控板以及水泵驱动；

流量计用于测量水流量；

压力传感器用于测量航行器所在位置的水压；

排水管密封穿舱件用于实现航行器的进水和出水；

主控板控制水泵驱动，进而控制电磁阀的开闭与水泵的抽排水。

优选地，所述水平翼和垂直翼分别由水平翼调节舵机和垂直翼调节舵机控制。

优选地，所述电机为防水无刷电机。

优选地，前翼和机翼板均为中空碳纤材料。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果和优点：

1、本发明将固定翼飞行器与水下滑翔机的设计理念相结合，使用固定翼飞机的结构，结合水下滑翔机的控制系统，既可实现空中长距离、高速、高效率飞行，也可以实现水下长时间、长距离、低功耗滑翔航行，能跨越例如大坝的地理上等障碍，实现大范围，多区域观测采样；

2、本发明通过水下控制系统将航行器整体重心后移，并运用高推力无刷电机使机体垂直出水，实现海空跨介质运动；

3、本发明可以根据观测采样需求设置多种模式的水下的滑翔路径，通过改变其净浮力与姿态角，改变尾翼的方向，不仅可以改变其水下滑翔的速度与方向，同时还可以根据任务进行小旋转半径的螺旋下潜或上浮运动，具有快速大范围水体采样、海空联合观测的广泛应用。

附图说明

图1为固定翼与滑翔机结合的海空两栖航行器的仰视图；

图2为固定翼与滑翔机结合的海空两栖航行器防水密封舱组件内装置的透视图；

图3为固定翼与滑翔机结合的海空两栖航行器的俯视图；

图4为固定翼与滑翔机结合的海空两栖航行器的右视图。

图5为固定翼与滑翔机结合的海空两栖航行器海洋观测采样策略的示意图。

图中示出：

固定翼桨体1 垂直翼15

电机2 接收机16

抱箍3 流量计17

电机支架4 电磁阀18

中空碳纤前翼5 控制板19

中空机翼板6 水泵20

半圆形固定翼支撑环7 水泵驱动21

耐压密封壳体8 电池22

排水管密封穿舱件9 尾部密封舱盖23

压力传感器10 头部密封舱盖24

密封接头11 合页25

连接杆12 水平翼调节舵机26

固定尾翼13 垂直翼调节舵机27

水平翼14 水囊28

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明的目的、优点作进一步的说明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供的一种固定翼与滑翔机结合的海空两栖航行器，包括飞行控制装置组件、水下控制装置组件以及防水密封舱组件，飞行控制装置组件与防水密封舱组件相连接，飞行控制装置组件包括旋翼组件、主机翼组件及尾翼组件；尾翼组件包括固定尾翼13、垂直翼15与水平翼14；水下控制装置组件位于防水密封舱组件内，包括最前端的水囊28和与水囊28连接的抽排水控制系统组件。旋翼组件包括旋翼桨体1、电机2以及电机支架4，旋翼桨体1和电机2固定于电机支架4上，电机支架4固定于头部密封舱盖24上。密封舱盖为亚克力板与法兰结合的结构，具有足够的耐压防水能力。同时头部密封端盖24的两侧固定四根铁棒，运用抱箍3将头部密封端盖24固定于耐压密封壳体8上，增大了摩擦力，防止其在飞行时出现舱盖脱落现象。主机翼组件包括中空碳纤前翼5、中空机翼板6以及半圆形固定翼支撑环7，其中中空碳纤前翼5与中空机翼板6通过连接制成一块大机翼，中空碳纤前翼5主要提供机翼的流体外形，保证机翼上下的流速差。中空机翼板6扩大了机翼的面积，保证了空中机体能获得足够的升力，同时也保证了在水下做滑翔运动时，机体能够获得较大的动力；中空机翼板6通过半圆形固定翼支撑环7与耐压密封壳体8相连，便于拆卸和调整整体的重心平衡。尾翼组件通过连接杆12与密封接头11连接。密封接头11固定于尾部密封舱盖23上。尾部密封舱盖23上有三个接口，包含排水管密封穿舱件9、压力传感器10、密封接头11。排水管密封穿舱件9是航行器的进出水口。压力传感器10主要用于检测目前的水压，获取此时的水深。外部电机、舵机与防水密封舱内的主控板之间的电气连接主要通过密封接头11连接。尾翼部分主要由固定尾翼13、水平翼14、垂直翼15组成。固定尾翼13主要起平衡的作用；水平翼14用于调节空中飞行的仰俯方向和水中滑翔的姿态；垂直翼14用于调节空中飞行的水平方向与水中滑翔的方向。通过固定角度的垂直翼14可以实现螺旋运动。

如图2所示，本发明密封舱内部主要由水囊28、接收机16、主控板19、水泵20、流量计17、水泵驱动21、电磁阀18、电池22组成。主控板19负责控制接收接收机16、流量计17与外部压力传感器10的信号，控制电磁阀18的开闭与水泵20的抽排水，从而改变自身的重力与重心位置，实现水下的锯齿运动。出水时，主控板19能调节机体的深度并尽力排光水囊28中的水，同时以最大速度启动旋翼，将机体垂直拖出水面进入空中飞行。水囊28大小考虑需要结合机体自身重量。需要实现在水囊28中的水在一半容量时重力与浮力相平衡，实现水中悬停功能。

如图3所示，本发明尾翼部分的控制主要有水平翼调节舵机26与垂直翼调节舵机27来完成对尾翼的控制。尾翼间通过质量较轻的合页25连接。

下面结合图5，讲解本发明在海空两栖间切换的过程与水下锯齿形运动与螺旋运动的实施例。

本发明可以海空之间往复跨域、水下航行模式快速切换。航行器首先从空中飞速飞行至作业水域(状态1)，随后入水(状态2)。由空入水时，机体逐渐从在一定高度的飞行下降到贴近水面飞行，此时水囊28处于接近真空状态。随后停止旋翼转动，机体此时由于未储水而漂浮在水面上。

此后控制板19打开电磁阀18，并通过水泵驱动21控制水泵20抽水，同时控制器19接收压力传感器10和流量计17的信号。当流量计17给出的抽水流量接近水囊容量时停止抽水并关闭电磁阀。此时由于重力大于浮力，航行器开始做下潜滑翔。此时控制板19调动垂直翼调节舵机27，使得垂直翼15偏离中心一个角度，角度的大小取决于所需螺旋运动的半径。航行器在下潜过程中由于垂直翼15偏离中心的角度，前进方向不断改变，形成螺旋运动(状态3)。螺距可通过改变当前的净浮力来改变。螺旋运动具有广泛的应用，例如水柱采样、探测一小块区域的深度等。

当螺旋下潜到指定深度时，控制板19根据压力传感器10返回的信号，开始转移探测地点。若长距离转移则出水(状态5)，进行空中飞行；短距离转移则使用水下滑翔(状态4)。

进入滑翔状态时，控制板19打开电磁阀18并控制水泵20抽排水。根据需要设定锯齿运动的幅度。通过压力传感器10传回的深度信息，控制板19控制水泵重复的抽排水。下潜时与螺旋运动下潜过程相同，垂直翼无偏离。上浮时控制板19控制水泵20排水。不断重复此控制过程，实现水下的锯齿运动。可以通过改变水囊的储水量范围改变锯齿运动的幅度。

当航行器需要出水切换到空中快速飞行时(状态5)，控制器19控制航行器到达水下一定深度后，排开水囊28中所有的水。此时机体由于重心偏后，头部向上仰起，控制板19同时以最大功率启动旋翼，将机体垂直拖出水面进入空中飞行模式(状态1)。

重复上述过程本发明可以实现海空两栖航行间的切换，高效快速，能够承担起空中快速抵达作业区域，水下隐蔽探测采样等任务。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种固定翼与滑翔机结合的海空两栖航行器，其特征在于，包括飞行控制装置组件、水下控制装置组件以及防水密封舱组件，其中：

飞行控制装置组件与防水密封舱组件相连接，飞行控制装置组件包括旋翼组件、主机翼组件以及尾翼组件；

水下控制装置组件设置于防水密封舱组件内，水下控制装置组件包括水囊和抽排水控制系统组件，水囊连接抽排水控制系统组件，水囊设置于防水密封舱组件内部的前端；

所述尾翼组件通过连接杆连接防水密封舱组件的后端；

所述主机翼组件包括前翼、机翼板以及固定翼支撑环，前翼和机翼板连接形成完整机翼，机翼板通过固定翼支撑环紧固于防水密封舱组件的外部壳体上；

所述尾翼组件包含固定尾翼、垂直翼以及水平翼，其中：

水平翼与垂直翼通过合页与固定尾翼连接；

固定尾翼用于实现航行器平衡；

水平翼和垂直翼用于调节航行器空中飞行的方向和水中滑翔的方向。

2.根据权利要求1所述的一种固定翼与滑翔机结合的海空两栖航行器，其特征在于：所述旋翼组件包括电机支架、电机以及旋翼桨体，电机和旋翼桨体固定于电机支架上，电机支架紧固防水密封舱组件的前端。

3.根据权利要求1所述的一种固定翼与滑翔机结合的海空两栖航行器，其特征在于：所述防水密封舱组件包括头部密封舱盖、抱箍、耐压密封壳体、尾部密封舱盖以及密封接头，其中：

头部密封舱盖通过抱箍紧固连接耐压密封壳体的前端，头部密封舱盖连接旋翼组件；

尾部密封舱盖紧固连接耐压密封壳体的后端，尾部密封舱盖上固定有密封接头，尾翼组件通过连接杆与密封接头连接。

4.根据权利要求1所述的一种固定翼与滑翔机结合的海空两栖航行器，其特征在于：所述抽排水控制系统组件包括水泵、流量计、电磁阀、压力传感器、排水管密封穿舱件、主控板以及水泵驱动；

流量计用于测量水流量；

压力传感器用于测量航行器所在位置的水压；

排水管密封穿舱件用于实现航行器的进水和出水；

主控板控制水泵驱动，进而控制电磁阀的开闭与水泵的抽排水。

5.根据权利要求1所述的一种固定翼与滑翔机结合的海空两栖航行器，其特征在于：所述水平翼和垂直翼分别由水平翼调节舵机和垂直翼调节舵机控制。

6.根据权利要求2所述的一种固定翼与滑翔机结合的海空两栖航行器，其特征在于：所述电机为防水无刷电机。

7.根据权利要求1所述的一种固定翼与滑翔机结合的海空两栖航行器，其特征在于：前翼和机翼板均为中空碳纤材料。

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