CN109436267B - 用于水下无人平台的洋流推进方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于水下无人平台的洋流推进方法，在水下无人平台的艇体上安装固定翼和翼帆，固定翼与翼帆之间布置折叠机构和转向机构，当艇体航行方向与洋流方向夹角在‑90‑到90°之间时，转向机构调整翼帆的角度使水下无人平台朝着指定的航向角前进；当艇体航行方向与洋流方向角度大于90°时翼帆折叠，由电池储能模块和传统推进子系统提供艇体自航行动力。本发明使用洋流产生水下无人平台的自航动力，解决了水下无人平台的推进能源自治难题，增强了水下无人平台的续航与生存能力。

Description

用于水下无人平台的洋流推进方法

技术领域

本发明涉及水下无人自航平台的工作方法，具体而言是用于水下无人平台的洋流推进方法。

背景技术

海洋是人类的宝库，海洋资源是我国重要的战略资源。采集海洋水文、地理等数据，是利用海洋资源的基础前提和重要步骤。我国现有的对海洋的信息采集，主要通过人造卫星、海洋测量船等方式进行。基于人造卫星的海洋信息收集，基本上只能收集海平面以上的信息。对于隐藏在海平面以下的信息，人造卫星的信息收集能力将大大减弱。这时，将主要依靠海洋测量船进行信息收集。然而我国现有的海洋测量船的数量是有限的，其不能够在全球海洋各个重要海域进行部署并全天候实时探测与监控。当海洋地理环境在经过人为或非人为的作用产生变化时，基于人造卫星和海洋测量船的信息收集模式将不能及时有效的对信息进行更新。尤其是，各种海洋测量船平台均位于水面之上，其排水量也比较大，均在百吨数量级以上，目标明显，隐蔽性差，不可能对属于其他国家或地区势力范围内的重要海域，尤其是军事性质的港口、岛屿或岛礁等敏感区域进行信息收集。

传统的海洋测量船在和平时期还可以正常出海收集信息，一旦发生战争，这些前沿测量与信息探测平台将会首先成为敌方的重要目标。即使在和平时期，海洋测量船等探测平台若想深入其他国家的重要海域，尤其是军事性质的港口、岛屿或岛礁等敏感区域，去获取各种重要的图像、电磁辐射、声音等信息，也是不可行的。因此，传统的基于人造卫星和海洋测量船的海洋信息收集模式不仅时效性差，而且探测点太少，不能够对全球的海洋，尤其是重要敏感区域的海洋信息进行全面、实时、有效地进行监控更新。所以，颠覆传统的海洋信息收集模式，尤其是远海信息的收集模式，构建一种目标小、隐蔽性强、续航能力可满足长期远洋航行的信息探测与收集系统，是十分必要的。

无人自主水下航行器(Autonomous underwater vehicle，AUV)，是水下机器人的一种，依靠自身的自治能力来管理和控制自己以完成所赋予的使命。水下无人平台可折叠翼帆洋流推进技术，是在现有水下无人平台的基础上，在有适当洋流的海域，其翼帆通过折叠并展开为垂直于航行器机体的状态以形成翼帆。根据航向、洋流方向及流速，调整翼帆的迎角，以获取较为理想的推进动力并辅助驱动AUV。

AUV目标小、水下隐蔽性较强，在详细海洋勘探、预警搜索侦查、反潜、反水雷、防御、战斗支援等方面均有不可估量的潜在应用价值。因此，可考虑使用AUV来代替海洋测量船进行远海信息的收集。当前世界各国均已展开AUV、Glider、HUG等水下无人平台的研究和开发。

发明人基于从事该领域研发的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，为水下无人平台研究出一种新的推进方式，使其更具实用性。经过不断研究、设计、计算，并经模拟验证及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供可折叠翼帆、水下无人平台及洋流推进方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的用于水下无人平台的洋流推进方法，应用的水下无人平台具有艇体、固定翼和可折叠翼帆，在固定翼与翼帆之间具有折叠机构和转向机构，所述折叠机构用于切换翼帆与固定翼的共面和垂直状态，所述转向机构在翼帆与固定翼垂直时用于调整翼帆的迎流角度；

当艇体航行方向与洋流方向夹角在-90-到90°之间时，转向机构调整翼帆的角度使水下无人平台朝着指定的航向角前进；当艇体航行方向与洋流方向角度大于90°时翼帆折叠，由电池储能模块和传统推进子系统提供艇体自航行动力。

具体地，在艇体表面敷设具有保护色特性的太阳能发电薄膜，在艇体逆流时，则上浮至水面进行太阳能充电，储备航行动力。

具体地，所述固定翼包括安装在艇体两侧的第一固定翼、第二固定翼、第三固定翼和第四固定翼，所述第一固定翼与第三固定翼以艇体中轴线为对称轴线相互对称，所述第一固定翼与第二固定翼平行。

具体地，所述翼帆包括与第一固定翼连接的第一翼帆，与第二固定翼连接的第二翼帆，与第三固定翼连接的第三翼帆，与第四固定翼连接的第四翼帆，所述第一翼帆和第三翼帆向上折叠，所述第二翼帆和第四翼帆向下折叠。

具体地，所述水下无人平台包括电池储能模块、传统推进子系统、可折叠翼帆子系统、定位与测速子系统、智能探测及控制子系统、数据存储子系统以及通信子系统

作为模型验证，翼帆弦长0.2m，拱度为0.1，厚度为15mm，展长0.2m，首尾采用圆弧过渡；所述固定翼外轮廓与翼帆一致，在厚度方向向外多出5mm；主艇体长0.6m。

使用时，水下无人平台可折叠翼帆利用洋流推进技术，是在现有水下无人平台的基础上，在有适当洋流的海域，其艇翼通过折叠并展开为垂直于航行器艇体的状态，以形成翼帆。根据AUV航行任务、洋流方向及流速、洋流方向及速，合理规划航行轨迹，合理规划航行轨迹，调整帆向角，以获取较为理想的推进动力，来驱动AUV航行。

有益效果：本发明为水下无人平台设计了新型可折叠翼帆，可利用洋流为AUV产生推进的动力，以便解决AUV的推进能源自治难题，增强其在敌对或恶劣环境下的生存能力。由于其目标小，不易被探测，行动隐蔽，同时采用了能源自治技术，不需要母船或接驳设备等进行回收或者靠近充电，续航时间长。因此可使得利用AUV进行目标探测和信息收集更加的隐蔽和持久。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是图1中翼帆展开及连接方式示意图；

图3是可折叠翼帆竖起工作状态图；

图4是本发明实施例的系统架构图；

图5是翼身融合AUV外形结构透视图（翼帆未展开）；

图6是翼身融合AUV外形结构透视图（翼帆已展开）；

图7是可折叠翼展开竖起变形状态透视图；

图8是可折叠翼展开竖起变形状态俯视图；

图9是可折叠翼展开竖起变形状态图(左下、右上翼帆旋转 180°) ；

图10是可折叠翼展开竖起工作状态1；

图11是可折叠翼展开竖起工作状态2；

图12是可折叠翼展开竖起工作状态3；

图中：主艇体1，固定翼2，翼帆3，折叠电机4-1，蜗轮蜗杆减速器4-2，连接杆4-3，转向电机5。

具体实施方式

实施例：

本实施例基于可折叠翼帆的在水下无人平台洋流推进上的应用，其自航平台模型如图1所示。模型具有四个翼帆3、四个固定翼2以及主艇体1。翼帆3的弦长0.2m，拱度为0.1，厚度为15mm，展长0.2m，首尾采用圆弧过渡；由于翼帆3从固定翼2中伸出，因此，固定翼2外观与翼帆3基本保持一致，仅厚度方向向外多出5mm；主艇体1的长度为0.6m。

其安装结构如图2和图3所示，翼帆3与转向电机5通过安装固定件以及螺丝安装固定，转向电机5的输出轴通过连接杆4-3与蜗轮蜗杆减速器4-2的输出轴固定联接，蜗轮蜗杆减速器4-2的输入轴与折叠电机4-1的动力输出轴固定联接，折叠电机4-1与固定翼2通过固定安装固定件、螺丝安装固定，蜗轮蜗杆减速器4-2实现了翼帆3向上/向下90°的折叠，翼帆3沿其中轴线的自由旋转（调整航行方向）是通过固定安装在连接杆4-3上的转向电机5输出轴实现的。以上安装固定方式可采用过盈配合，折叠电机4-1与转向电机5均采用防水结构设计。

如图4所示，水下无人平台样机主要由电池储能模块、传统推进子系统、可折叠翼帆子系统、定位与测速子系统、智能探测及控制子系统、数据存储子系统、以及通信子系统构成。

电池储能模块为整个水下无人平台提供电力能量来源， 其主要功能是提供其他各个模块或子系统的基本电力能量来源。

传统推进子系统主要负责为水下无人平台的航行提供所需的动力，其在水下无人平台航行时，利用螺旋桨推进器产生推进的动力，以为水下无人平台的正常航行提供动力。主要由螺旋桨控制模块、螺旋桨推进器、能耗控制模块等组成。可折叠翼帆推进子系统主要负责为水下无人平台的航行提供所需的动力，其在水下无人平台航行时，利用洋流驱动可折叠翼帆直接产生推进的动力，以为水下无人平台的航行提供辅助动力。主要由折叠控制模块、旋转控制模块、锁定与解锁控制模块组成。

定位与测速子系统主要通过卫星定位、惯性导航、深度测量等模块综合对AUV进行定位与实时测速。主要由卫星定位模块、惯性导航模块、深度测量模块、测速模块组成

智能探测及控制子系统主要通过声呐、水下摄像等手段获取目标对象的原始数据以供探测控制内核模块进行处理并获取信息。

数据存储子系统主要收集 AUV航行时上述模块的各种数据，并存储，以便在合适时机由通信子系统发送至试验数据收集设备。

通信子系统是水下无人平台与外界其他系统 （此处主要是指试验数据收集设备）进行信息交换的基础设施，为水下无人平台与远程控制中心通信提供必要的软硬件模块。

可折叠翼帆折叠和展开方法设计草图如图5-图12所示。该双层翼帆可以采用层叠式收放帆方式，左右双层翼帆的每层均设计为层叠样式。当翼帆不工作时，可折叠翼帆结构样式如图5所示。当洋流流场合适的情况下，每层翼帆的风帆向左右伸展至指定位置，如图6所示。随后翼帆再以收拢时平面的边缘为轴，上下层翼帆各自向相反方向旋转 90 度，如图 7和图 8 所示。随后，左上——右下两个翼帆分别沿各自竖起表面中轴线旋转 180度，使得所有翼帆的圆弧凹凸朝向一致，至此完成变形，如图 9所示。随后所有翼帆开始进入工作状态，可以通过调整合适的迎流角度产生最佳的推力效果，如图 10-图12 所示。当遇到流不合适需要收翼帆时，需将上述过程逆向演化，也即：首先，左下-右上两个翼帆分别沿各自竖起表面中轴线旋转 180度；其次，将竖起的上下层翼帆沿收拢时平面的边缘，各自向相反方向旋转 90 度，变成水平伸展状态；最后将水平伸展状态的翼收回层叠样式。

航向角在-90°到90°之间时，通过调整翼帆的角度可以使AUV朝着指定的航向角前进；当船体航行方向与洋流方向角度大于90°时，艇体自航行动力由电池储能模块和传统推进子系统提供，并在艇体表面敷设具有保护色特性的太阳能发电薄膜，在艇体逆流时，则上浮至水面进行太阳能充电，储备航行动力。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明为洋流推进提供了一种全新的思路与方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上仅是以示例的方式提供的优选实施方式。本领域技术人员可以在不偏离本发明的情况下想到许多更改、改变和替代。应当理解，在实践本发明的过程中可以采用对本文所描述的本发明实施方式的各种替代方案。所附权利要求旨在限定本发明的范围，并因此覆盖这些权利要求及其等效项的范围内的方法和结构。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种用于水下无人平台的洋流推进方法，

所述水下无人平台具有艇体、固定翼和可折叠翼帆，在固定翼与翼帆之间具有折叠机构和转向机构，所述折叠机构用于切换翼帆与固定翼的共面和垂直状态，所述转向机构在翼帆与固定翼垂直时用于调整翼帆的迎流角度；

所述固定翼包括安装在艇体两侧的第一固定翼、第二固定翼、第三固定翼和第四固定翼，所述第一固定翼与第三固定翼以艇体中轴线为对称轴线相互对称，所述第一固定翼与第二固定翼平行；

所述翼帆包括与第一固定翼连接的第一翼帆，与第二固定翼连接的第二翼帆，与第三固定翼连接的第三翼帆，与第四固定翼连接的第四翼帆，所述第一翼帆和第三翼帆向上折叠，所述第二翼帆和第四翼帆向下折叠；

翼帆采用层叠式收放帆方式，翼帆的每层均设计为层叠样式，当翼帆不工作时，翼帆结构锁入固定翼中；所述固定翼外轮廓与翼帆一致，固定翼在厚度方向相比翼帆向外多出；

其特征在于：

当艇体航行方向与洋流方向夹角在-90-到90°之间时，转向机构调整翼帆的角度使水下无人平台朝着指定的航向角前进；翼帆左右伸展至指定位置，随后翼帆再以收拢时平面的边缘为轴，上下层翼帆各自向相反方向旋转 90 度，随后，左上——右下两个翼帆分别沿各自竖起表面中轴线旋转 180度，使得所有翼帆的圆弧凹凸朝向一致，至此完成变形；随后所有翼帆开始进入工作状态，通过调整迎流角度产生最佳的推力效果；

当艇体航行方向与洋流方向角度大于90°时翼帆折叠，首先，左下-右上两个翼帆分别沿各自竖起表面中轴线旋转 180度；其次，将竖起的上下层翼帆沿收拢时平面的边缘，各自向相反方向旋转 90 度，变成水平伸展状态；最后将水平伸展状态的翼收回层叠样式，由电池储能模块和传统推进子系统提供艇体自航行动力。

2.根据权利要求1所述的用于水下无人平台的洋流推进方法，其特征在于：在艇体表面敷设具有保护色特性的太阳能发电薄膜，在艇体逆流时，则上浮至水面进行太阳能充电，储备航行动力。

3.根据权利要求2所述的用于水下无人平台的洋流推进方法，其特征在于：所述水下无人平台包括电池储能模块、传统推进子系统、可折叠翼帆子系统、定位与测速子系统、智能探测及控制子系统、数据存储子系统以及通信子系统。

4.根据权利要求3所述的用于水下无人平台的洋流推进方法，其特征在于：所述翼帆弦的长0.2m，拱度为0.1，厚度为15mm，展长0.2m，首尾采用圆弧过渡；所述固定翼在厚度方向比翼帆向外多出5mm；主艇体长0.6m。

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