CN109292061A - 一种仿生摆动与螺旋桨混合推进的双体水下航行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生摆动与螺旋桨混合推进的双体水下航行器，涉及一种仿生与螺旋桨相结合推进的双体结构水下航行器。用于解决现有仿生和螺旋桨式水下航行器二者优势的局限性，以及现有的一种仿生与滑翔混合推进的水下航行器上浮下潜速度低、转弯灵活性低的问题。本发明所采用的技术方案是：一种水下航行器，其特点是结合了仿生摆动式和螺旋桨式推进，通过尾部尾鳍的摆动实现在水平方向上的仿生摆动式推进，实现小半径转弯；竖直方向上通过中部前后两个螺旋桨实现快速上浮下潜；航行器双体结构增加转动惯量，使航行器受到水流扰动时转动阻力增大，提升抗干扰能力。其搭载的探测装置可以用于水下的环境监测、水下目标探测等领域。

Description

一种仿生摆动与螺旋桨混合推进的双体水下航行器

技术领域

本发明涉及水下航行器领域。特别是涉及一种仿生与螺旋桨相结合推进的双体结构水下航行器。

背景技术

目前水下航行器的推进方式可分为两种水下机器人共有三种推进方式：螺旋桨推进具有推进动力大，航行器速度快但是噪音大的特点；仿生推进方式具有机器人灵活性高、水下平衡姿态调整易、噪音低，转弯半径小但作业半径小，效率不高的特点；滑翔推进方式具有能耗低、大航程、但转弯半径大、不够灵活的特点。

无人水下航行器的推进方式多种多样。一种是长期以来以UUV为代表的螺旋桨式推进水下航行器；另一种是近几年来新兴起来的仿生热潮而产生的各类仿生机器人。而仿生机器人的推进方式也分为很多种，主要包括扑翼式推进、滑翔式推进、喷水式推进、摆动式推进等。目前各高校研制的以及在市场上的这两种水下航行器呈现完全不同的两种路线互不相融，但是这两种类型的水下航行器都有自身的优点也有自身的局限性，同时二者具有很强的互补性。

螺旋桨推进由于定位于深水以及实用性，因而一般使用多个螺旋桨进行推进以增加其稳定性以及灵活性，但缺点在于其过多的推进装置导致其体积庞大、过于笨重、隐蔽性差以及单位重量的续航能力差；而对于仿生航行器而言，由于其定位于仿生，其外形会更加合理、省能、续航能力强，但是由于其仿生条件的限制，其推进力相比于UUV而言相对较弱，从而会导致其运动性能差而且由于其体积一般较小，因而可搭载的装置较少，功能比较单一，实用价值不大。于是人们希望能找到一款结合了仿生推进方式和传统螺旋桨式推进方式优点的水下航行器。

文献1“申请公布号是CN108241179A”公开了一种仿生与滑翔混合推进方式的水下机器人，该机器人包括头部、沉浮调节机构、重心调节机构、电路舱、滑翔翼和尾部组成。该航行器结合了滑翔式仿生推进以及摆动式仿生推进方式；同时由丝杠调节以及液压泵调节航行器的重浮心以及浮力实现航行器的浮沉以及姿态。虽然其摆动式的仿生推进方式与其滑翔式的航行方式水阻低、噪音低，但却不能快速地上浮与下潜，航行机动性差；其次受制于其滑翔翼的大水阻面积使得其转弯半径大，导致航行器航行灵活性差；同时其通过丝杠以及重浮力来调节航行器的上浮与下潜的方式速度较慢且不易控制，而其翼展过大也不能在复杂狭窄的水域航行，降低了航行空间。

发明内容

为解决上述现有航行器所存在的不足，本发明提供了一种结合摆动式仿生推进与螺旋桨式推进的水下航行器，结合了螺旋桨推进的快速性的优点以及仿生推进的平稳性、低耗性、隐蔽性以及灵活性的优点。同时为增加航行器的稳定性与增加推进装置的容错率，本发明采用双舱双动力设计，使得航行器在受到干扰时能更加稳定，在一套推进动力故障时仍能继续航行。基于该平台可以增加各种具体的传感层和应用层使其在军事应用的水下搜救中具有较好的实用价值，在海洋的开发与应用上具有很好的应用前景。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种仿生摆动与螺旋桨混合推进的双体航行器，其特点是包括左舱部分59、右舱部分60、中骨51、第一推进机构61和第二推进机构62。所述左舱部分59与所述右舱部分60通过所述中骨51相固连；所述第一推进机构61在所述左舱部分59后部，与左舱部分59相固连；所述第二推进机构62在所述右舱部分60后部，与右舱部分60相固连。

所述左舱部分59包括第一整流罩1、第一法兰盘2、第二法兰盘12、第一亚克力舱5、第一中连接件8、第二亚克力舱9、第一舱盖13、锂聚电池6；第一亚克力舱5前端通过第一法兰盘2与第一整流罩1相连，后端与第一中连接件8前部相连；所述第一中连接件8后端与第二亚克力舱9前端相固连，第二亚克力舱9后端通过第二法兰盘12与第一舱盖13相连接；第一推进机构61包括第一舵机连接架51、第一舵机20、第一尾鳍连接件19、第一尾鳍24；第一舵机连接架51与第一舱盖13后部相固连，所述第一舵机20通过卡槽与第一舵机连接架51相固连，第一舵机舵盘23与第一尾鳍连接件19相连，第一尾鳍24与第一尾鳍连接件19相固连；

所述右舱部分60包括第二整流罩25、第三法兰盘26、第四法兰盘38、第三亚克力舱39、第四亚克力舱40、第二中连接件35、第二舱盖41、云台27、摄像头28；第三亚克力舱39前端通过第三法兰盘26与第二整流罩25相连，后端与第二中连接35件前部相连；所述第二中连接件35后端与第四亚克力舱40前端相固连，第四亚克力舱40后端通过第四法兰盘38与第二舱盖41相连接；第二推进机构62包括第二舵机连接架52、第二舵机48、第二尾鳍连接件47、第二尾鳍53；第二舵机连接架52与第二舱盖41后部相固连，所述第二舵机48通过卡槽与第二舵机连接架52相固连，第二舵机舵盘50与第二尾鳍连接件47相连，第二尾鳍53与第二尾鳍连接件47相固连；所述中骨51侧面有四个连接口，左端接口与第一中连接件8相固连、右端与第二中连接件35相固连、前端与第一螺旋桨推进器55相固连、后端与第二螺旋桨推进器56相固连。

所述左舱部分59与右舱部分60构成双舱体结构，左舱部分59的第一中连接件通过中骨与右舱部分60的第二中连接件相连。

所述O型圈连接第一法兰盘2与第一亚克力舱5、第一亚克力舱5与第一中连接件8、第一中连接件8与第二亚克力舱9、第二亚克力舱9与第二法兰盘12、第三法兰盘26与第三亚克力舱39、第三亚克力舱39与第二中连接件35、第二中连接件35与第四亚克力舱40、第四亚克力舱40与第四法兰盘38。

所述锂聚电池6放置于第一隔板4上，第一隔板4与通过第二固定板10以及第二铜支柱组11与第二法兰盘12相固连。

所述摄像头28放置于云台27上，云台27与第一固定板3相固连。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)本发明将传统的螺旋桨式推进方式与CPG仿生摆动式推进方式相结合，兼顾了两种推进方式的优点取长补短，解决了仿生航行器上浮下潜时的速度低机动性差的问题，同时也解决了传统螺旋桨航行器航行时功耗大，单位电量续航时间短等短板。使得本发明具有仿生性能高、隐蔽性强、推进效率高、灵活性强、续航时间长的特点。

(2)本发明解决了仿生与滑翔混合推进方式航行器的上浮下潜速度低、转弯灵活性低的问题。

(3)本发明创新采用双舱结构，双舱结构使得航行器有更大的横滚转动惯量，增大了航行器的横滚阻抗力矩，提高航行器的侧向抗扰动性，在航行器受到侧向水流扰动时能趋向于稳定的横滚航行姿态，即使水流过大导致翻滚，其翻滚角速度也将更小。

(4)本发明采用双系统动力装置，增大了航行器的动力也提高了航行器的故障容错率。航行器正常工作时双套动力装置能提供更大的航行动力，

而在一套动力系统故障失灵时，另一套动力系统仍然能独自提供航行器的航行动力并完成相应的任务。

(5)模块化设计：水下机器人的机械主体分为：左舱部分59、右舱部分60、中骨51、第一推进机构61和第二推进机构62,各部分之间结构紧凑、互不干扰、可单独拆卸、维修及开发更为简易方便。

(6)密封方式的独特：海底高压环境下使得水下机器人的密封成为一项技术难题，本项目在端盖与舱壳体之间各采用双层O型圈过盈配合，整体性较好，连接紧密可靠。

(7)本发明的高稳定性结合其上搭载的定位、惯性制导、水温水压传感器等装置可以完成水下的图像传输识别以及水下水面的环境监测。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1为本发明的立体图

图2为本发明的内部构造示意图

图3为本发明的主视图

图4为本发明的左视图

图5为本发明的尾鳍部分示意图

图中，第一整流罩1；第一法兰盘2；第一固定板3；第一隔板4；第一亚克力舱5；锂聚电池6；第一铜支柱组7；第一中连接件8；第二亚克力舱9；第二固定板10；第二铜支柱组11；第二法兰盘12；第一舱盖13；第一组O型密封圈14；第二组O型密封圈15；第三组O型密封圈16；第四组O型密封圈17；第一穿线螺丝组18；第一尾鳍连接件19；第一舵机20；第一舵机挡板21；电源开关22；第一舵机舵盘23；第一尾鳍24；第二整流罩25；第三法兰盘26；云台27；摄像头28；第三固定板29；控制装置30；图像处理装置31；通讯装置32；第三铜支柱组33；第二隔板34；第二中连接件35；第四固定板36；第四铜支柱组37；第四法兰盘38；第三亚克力舱39；第四亚克力舱40；第二舱盖41；第二穿线螺丝组42；第五组O型密封圈43；第六组O型密封圈44；第七组O型密封圈45；第八组O型密封圈46；第二尾鳍连接件47；第二舵机48；第二舵机挡板49；第二舵机舵盘50；第一舵机连接架51；第二舵机连接架52；第二尾鳍53；中骨51；第一螺旋桨推进器55；第二螺旋桨推进器56；第一浮块57；第二浮块58；左舱部分59；右舱部分60；第一推进机构61；第二推进机构62。

具体实施方式

以下实施例参照图1-5

本发明一种仿生摆动与螺旋桨混合推进的双体航行器包括左舱部分59、右舱部分60、中骨、第一推进机构61、第二推进机构62。

所述的左舱部分59包括第一固定板3、第一整流罩1、第一法兰盘2、锂聚电池6、第一铜支柱组7、第二固定板10、第二铜支柱组11、第一隔板4、第一组O型密封圈14、第二组O型密封圈15、第三组O型密封圈16、第四组O型密封圈17、第一穿线螺丝组18、第二法兰盘12、第一浮块57、第一亚克力舱5、第二亚克力舱9、第一舱盖13。所述第一固定板3通过第一铜支柱组7穿过第一中连接件8与第二固定板10相连接，第二固定板10通过第二铜支柱组11与第二法兰盘12相固连；所述第一隔板4一端与第一固定板3相固连，另一端与第二固定板10相固连，锂聚电池6放于第一隔板4上；所述第一整流罩1与第一法兰盘2通过螺丝相连，第一亚克力舱5一端通过第一组O型密封圈14与第一法兰盘2过盈配合连接，另一端通过第二组O型密封圈15与第一中连接件8过盈配合连接，第二亚克力舱9一端通过第三组O型密封圈16与第一中连接件8过盈配合连接，另一端通过第四组O型密封圈17与第二法兰盘12过盈配合连接，所述第一浮块57与第二亚克力舱9相固连。所述第二法兰盘12通过螺丝与第一舱盖13相连接，所述第一舱盖13上有圆形通孔，第一穿线螺丝组18穿过第一舱盖13上的通孔连接到航行器外部并与第一舱盖13固连。所述第一舵机20的电源控制线从第一舵机20引出穿过第一穿线螺丝组18进入左舱。

所述的第一尾部推进机构部分包括第一舵机连接架51、第一舵机20、第一舵机挡板21、电源开关22、第一舵机舵盘23、第一尾鳍连接件19、第一尾鳍24。所述第一舵机连接架51通过螺丝与第一舱盖13相连，所述第一舵机20放置在第一舵机连接架51上通过螺丝相固连，所述电源开关22与第一舵机连接架51相固连，所述第一舵机挡板21在侧面与第一舵机连接架51相固连；所述第一尾鳍24连接架套在第一舵机20的转轴上，所述第一舵机舵盘23在第一尾鳍连接件19的上部卡在第一舵机20转轴上，同时第一舵机舵盘23与第一尾鳍连接件19通过螺丝相固连；所述第一尾鳍24放置在第一尾鳍连接件19后部凹槽中，并通过螺丝将第一尾鳍连接件19与第一尾鳍24相固连。

所述的右舱部分60包括云台27、摄像头28、第三固定板29、第二整流罩25、第三法兰盘26、控制装置30、图像处理装置31、通讯装置32、第三铜支柱组33、第四固定板36、第四铜支柱组37、第二隔板34、第五组O型密封圈43、第六组O型密封圈44、第七组O型密封圈45、第八组O型密封圈46、第二穿线螺丝组42、第四法兰盘38、第二浮块58、第三亚克力舱39、第四亚克力舱40、第二舱盖41。所述云台27与第三固定板29相固连，摄像头28通过卡槽与云台27固连；所述第三固定板29通过第三铜支柱组33穿过第二中连接件35与第四固定板36相连接，第四固定板36通过第四铜支柱组37与第四法兰盘38相固连；所述第二隔板34一端与第三固定板29相固连，另一端与第四固定板36相固连；所述控制装置30、所述图像处理装置31、所述通讯装置32放于第一隔板4上并与第一隔板4相固连；所述第二整流罩25与第三法兰盘26通过螺丝相连，第三亚克力舱39一端通过第五组O型密封圈43与第三法兰盘26过盈配合连接，另一端通过第六组O型密封圈44与第二中连接件35过盈配合连接，第四亚克力舱40一端通过第七组O型密封圈45与第二中连接件35过盈配合连接，另一端通过第八组O型密封圈46与第四法兰盘38过盈配合连接，所述第二浮块58与第四亚克力舱40相固连。所述第四法兰盘38通过螺丝与第二舱盖41相连接，所述第二舱盖41上有圆形通孔，第二穿线螺丝组42穿过第二舱盖41上的通孔连接到航行器外部并与第二舱盖41固连。所述第二舵机48的电源控制线从第二舵机48引出穿过第二穿线螺丝组42进入右舱。

所述的第二尾部推进机构部分包括第二舵机连接架52、第二舵机48、第二舵机挡板49、第二舵机舵盘50、第二尾鳍连接件47、第二尾鳍53。所述第二舵机连接架52通过螺丝与第二舱盖41相连，所述第二舵机48放置在第二舵机连接架52上通过螺丝相固连，所述第二舵机挡板49在侧面与第二舵机连接架52相固连；所述第二尾鳍53连接架套在第二舵机48的转轴上，所述第二舵机舵盘50在第二尾鳍连接件47的上部卡在第二舵机48转轴上，同时第二舵机舵盘50与第二尾鳍连接件47通过螺丝相固连；所述第二尾鳍53放置在第二尾鳍连接件47后部凹槽中，并通过螺丝将第二尾鳍连接件47与第二尾鳍53相固连。

所述的中骨机构部分包括中骨51、第一中连接件8、第二中连接件35、第一螺旋桨推进器55和第二螺旋桨推进器56。所述第一中连接件8通过螺丝与中骨51的一端相固连，所述第二中连接件35通过螺丝与中骨51的另一端相连接。所述第一螺旋桨推进器55通过螺丝与中骨51前端相固连，所述第二螺旋桨推进器56通过螺丝与中骨51后端相固连。

在需要使用航行器时通过开启电源开关22使得航行器的控制装置30、第一舵机20、第二舵机48、第一螺旋桨推进器55推进装置、第二螺旋桨推进器56推进装置、摄像头28、通讯装置32、图像处理装置31从锂聚电池6上获得电能进行工作。

运用图像处理装置31以及通讯装置32将水下的图像传输回陆地上的使用者辅助使用者发送控制信号至水下，控制信号通过航行器上的控制装置30来控制舵机的摆动以及螺旋桨的转动实现航行器的运动以及姿态的调整。

航行器在向前游动时，由控制装置30发出指令，第一舵机20的转动带动第一尾鳍连接件19从而带动第一尾鳍24以左舱中轴线为轴线进行左右摆动，第二舵机48的转动带动第二尾鳍连接件47从而带动第二尾鳍53以右舱中轴线为轴线进行左右摆动，从而拍击水流通过反作用力实现航行器的向前直游动作。通过控制装置30控制舵机的转动角度最大值实现控制尾鳍的摆动幅度，从而控制航行器游动速度，尾鳍摆动幅度越大动力越大航行器行进越快，

航行器在转弯时，由控制装置30发出指令，第一舵机20的转动带动第一尾鳍连接件19从而带动第一尾鳍24以直线A为轴线进行左右摆动，第二舵机48的转动带动第二尾鳍连接件47从而带动第二尾鳍53进行左右摆动，若摆动轴线相对于舱体中轴线偏左，则航行器则向左转弯，两条直线若相对于舱体中轴线偏右，则航行器则向右转弯。第一尾鳍24、第二尾鳍53的摆动幅度越大，航行器的转弯半径越小，转弯速度越大。

航行器在进行上浮下潜运动时，由控制装置30发出指令，控制第一螺旋桨推进器55和第二螺旋桨推进器56的一起正转实现航行器的下潜运动，一起反转实现航行器的上浮运动。

航行器在调整俯仰角时，由控制装置30发出指令，当需要减小航行器的仰角或增大航行器的俯角时，通过第一螺旋桨推进器55的正转同时第二螺旋桨推进器56的反转实现；当需要减小航行器的俯角或增大航行器的仰角时，通过第一螺旋桨推进器55的反转同时第二螺旋桨推进器56的正转实现。

Claims (5)

1.一种仿生摆动与螺旋桨混合推进的双体航行器，其特征在于：包括左舱部分(59)、右舱部分(60)、中骨、第一推进机构(61)、第二推进机构(62)；左舱部分(59)与右舱部分(60)通过中骨相连，第一推进机构(61)连接在左舱后部，第二推进机构(62)连接在右舱后部；所述左舱部分(59)包括第一整流罩(1)、第一法兰盘(2)、第二法兰盘(12)、第一亚克力舱(5)、第一中连接件(8)、第二亚克力舱(9)、第一舱盖(13)、锂聚电池(6)；第一亚克力舱(5)前端通过第一法兰盘(2)与第一整流罩(1)相连，后端与第一中连接件(8)前部相连；所述第一中连接件(8)后端与第二亚克力舱(9)前端相固连，第二亚克力舱(9)后端通过第二法兰盘(12)与第一舱盖(13)相连接；第一推进机构(61)包括第一舵机连接架(51)、第一舵机(20)、第一尾鳍连接件(19)、第一尾鳍(24)；第一舵机连接架(51)与第一舱盖(13)后部相固连，所述第一舵机(20)通过卡槽与第一舵机连接架(51)相固连，第一舵机舵盘(23)与第一尾鳍连接件(19)相连，第一尾鳍(24)与第一尾鳍连接件(19)相固连；所述右舱部分(60)包括第二整流罩(25)、第三法兰盘(26)、第四法兰盘(38)、第三亚克力舱(39)、第四亚克力舱(40)、第二中连接件(35)、第二舱盖(41)、云台(27)、摄像头(28)；第三亚克力舱(39)前端通过第三法兰盘(26)与第二整流罩(25)相连，后端与第二中连接(35)件前部相连；所述第二中连接件(35)后端与第四亚克力舱(40)前端相固连，第四亚克力舱(40)后端通过第四法兰盘(38)与第二舱盖(41)相连接；第二推进机构(62)包括第二舵机连接架(52)、第二舵机(48)、第二尾鳍连接件(47)、第二尾鳍(53)；第二舵机连接架(52)与第二舱盖(41)后部相固连，所述第二舵机(48)通过卡槽与第二舵机连接架(52)相固连，第二舵机舵盘(50)与第二尾鳍连接件(47)相连，第二尾鳍(53)与第二尾鳍连接件(47)相固连；所述中骨(51)侧面有四个连接口，左端接口与第一中连接件(8)相固连、右端与第二中连接件(35)相固连、前端与第一螺旋桨推进器(55)相固连、后端与第二螺旋桨推进器(56)相固连。

2.根据权利要求1所述的一种仿生摆动与螺旋桨混合推进的双体航行器，其特征在于：所述左舱部分(59)与右舱部分(60)构成双舱体结构，左舱部分(59)的第一中连接件通过中骨与右舱部分(60)的第二中连接件相连。

3.根据权利要求1所述的一种仿生摆动与螺旋桨混合推进的双体航行器，其特征在于：所述O型圈连接第一法兰盘(2)与第一亚克力舱(5)、第一亚克力舱(5)与第一中连接件(8)、第一中连接件(8)与第二亚克力舱(9)、第二亚克力舱(9)与第二法兰盘(12)、第三法兰盘(26)与第三亚克力舱(39)、第三亚克力舱(39)与第二中连接件(35)、第二中连接件(35)与第四亚克力舱(40)、第四亚克力舱(40)与第四法兰盘(38)。

4.根据权利要求1所述的一种仿生摆动与螺旋桨混合推进的双体航行器，其特征在于：所述锂聚电池(6)放置于第一隔板(4)上，第一隔板(4)与通过第二固定板(10)以及第二铜支柱组(11)与第二法兰盘(12)相固连。

5.根据权利要求1所述的一种仿生摆动与螺旋桨混合推进的双体航行器，其特点在于：所述摄像头(28)放置于云台(27)上，云台(27)与第一固定板相固连(3)。