CN109591985A - 一种模块化通用的滑翔控位运载平台及其控制方法 - Google Patents

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CN109591985A CN201811581297.XA CN201811581297A CN109591985A CN 109591985 A CN109591985 A CN 109591985A CN 201811581297 A CN201811581297 A CN 201811581297A CN 109591985 A CN109591985 A CN 109591985A
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陈刚
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Abstract

本发明提供一种模块化通用的滑翔控位运载平台，依次将浮力调节段、质心调节段、导航控制段、动力推进段对接成一个整体，将滑翔翼组件以箍带的形式固定于壳体外部，组装成滑翔控位运载平台，最后将所要搭载的载荷部分连接于该运载平台的浮力调节段，共同组成水下滑翔控位运载系统，用以完成水下探测、调查、搜救、勘探及潜在的军事用途，由此可见，本发明模块化程度高、通用性强、搭载能力强、使用范围广、综合成本低、效费比更高。

Description

一种模块化通用的滑翔控位运载平台及其控制方法
技术领域
本发明属于海洋环境监测与调查技术领域，尤其涉及一种模块化通用的滑翔控位运载平台及其控制方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展，海洋在人们的经济和生产生活中起到越来越重要的作用。海洋环境监测和调查成为了人们了解和认识海洋的重要手段。伴随着人们对海洋认知的不断深入，海洋环境监测和调查也逐渐向更深更远的大洋发展，必将使人类面对更大的挑战。在此背景下，以成本低廉，长期、连续、高效探测为代表的UUV、水下滑翔器等无人自主航行器发展成为海洋环境监测和调查的一个重要分支。
目前已有UUV、水下滑翔器等无人自主航行器基本针对某种特定的用途而有针对性的设计。如海洋水文探测型水下滑翔器主要搭载CTD等温盐深水文传感器，UUV主要搭载侧扫声呐等探测和搜救设备。虽然都具备一定的扩展功能，但大多模块化程度低，基本不具备通用性，且工作模式相对较单一。由于每一型号均需要根据所搭载仪器设备的变化重新设计，所需人力、财力、时间成本较高。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种模块化通用的滑翔控位运载平台及其控制方法，能够完成水下探测、调查、搜救、勘探及潜在的军事用途，模块化程度高、通用性强。
一种模块化通用的滑翔控位运载平台，包括顺次对接的浮力调节段1、质心调节段2、导航控制段3、动力推进段4，以及以箍带的形式固定于质心调节段2上的滑翔翼组件5，其中，所述滑翔翼组件5的安装位置根据所述运载平台所搭载的外部载荷的长度而定，使搭载了外部载荷的运载平台的升阻比符合设定要求；
所述浮力调节段1用于控制所述运载平台的上浮和下沉；
所述质心调节段2用于控制所述运载平台的俯仰角；
所述导航控制段3用于获取所述运载平台的位置信息、方位角以及深度；
所述动力推进段4用于驱动所述运载平台做水平推进运动，还用于改变所述运载平台的航向和深度；
所述滑翔翼组件5用于为所述运载平台提供滑翔运动时的升力。
进一步地，所述浮力调节段1包括油箱、液压油泵以及设置在浮力调节段1外部的皮囊；
所述液压油泵用于将油箱中的液压油压入所述外部皮囊，或将所述液压油从外部的皮囊抽回油箱。
进一步地，所述质心调节段2包括配重块；
所述配重块可在质心调节段2内部前后移动，使浮力调节段1低于或高于动力推进段4，从而改变运载平台的俯仰角。
进一步地，所述配重块为向运载平台提供能源的电池组。
进一步地，所述导航控制段3通过卫星获取所述运载平台的位置信息。
进一步地，所述动力推进段4包括螺旋桨、垂直舵板以及水平舵板；
所述螺旋桨用于为所述运载平台做水平推进运动时提供动力；
所述垂直舵板用于改变所述运载平台的航向；
所述水平舵板用于改变所述运载平台的深度。
一种模块化通用的滑翔控位运载平台的控制方法，所述运载平台包括顺次对接的浮力调节段1、质心调节段2、导航控制段3、动力推进段4，以及以箍带的形式固定于质心调节段2上的滑翔翼组件5；所述控制方法包括三种模式：滑翔模式、水平推进模式以及区域控位模式；
所述滑翔模式包括至少一个滑翔周期，且滑翔周期的控制过程如下：
所述浮力调节段1控制运载平台下沉；
所述质心调节段2调节运载平台的俯仰角，使浮力调节段1低于动力推进段4，然后通过滑翔翼组件5产生升力使整个运载平台向下且向前运动；
当运载平台到达设定深度后，浮力调节段1控制运载平台上浮；
所述质心调节段2调节运载平台的俯仰角，使浮力调节段1高于动力推进段4，然后通过滑翔翼组件5产生升力使整个运载平台向上且向前运动，直至运载平台浮出水面，完成一个滑翔周期；
所述水平推进模式的控制过程如下：
所述浮力调节段1控制运载平台下沉，使运载平台下沉至预设深度时处于微正浮力状态；
所述质心调节段2调节运载平台的俯仰角，使整个运载平台的姿态保持水平；
通过动力推进段4推进运载平台进行水平运动，并调整运载平台的水平运动的航向和深度；
所述运载平台完成预设任务后，浮力调节段1控制运载平台上浮；
所述质心调节段2调节运载平台的俯仰角，使整个运载平台姿态保持水平；
所述导航控制段3向卫星发送定位数据，整个水平推进模式结束；
所述区域控位模式的控制过程如下：
所述质心调节段2调节运载平台的俯仰角，使整个运载平台姿态保持水平；
导航控制段3获取运载平台的当前位置；
获取当前位置与设定目标区域中心点的相对位置后，整个运载平台通过所述滑翔模式向设定目标区域中心点滑翔；
当运载平台到达设定目标区域中心点位置时进行探测工作；
经过设定时间间隔后，浮力调节段1控制运载平台上浮至水面；
导航控制段3获取运载平台的当前位置；
判断当前水流流速是否大于预设值：
若不大于，且当前位置与设定目标区域中心点的偏离大于设定值，则重新以滑翔模式向设定目标区域中心点运动，使整个运载平台与设定目标区域中心点位置的距离小于预设值；
若大于，且当前位置与设定目标区域中心点的偏离大于设定值，则重新以水平推进模式向设定目标区域中心点运动，直到完成探测任务。
进一步地，一种模块化通用的滑翔控位运载平台的控制方法，所述浮力调节段1包括油箱、液压油泵以及设置在浮力调节段1外部的皮囊；
所述液压油泵用于在运载平台上浮时，将油箱中的液压油压入所述外部皮囊，还用于在运载平台下沉时，将所述液压油从外部的皮囊抽回油箱。
进一步地，一种模块化通用的滑翔控位运载平台的控制方法，所述质心调节段2包括配重块；
所述配重块在调节运载平台的俯仰角时，在质心调节段2内部前后移动。
进一步地，一种模块化通用的滑翔控位运载平台的控制方法，所述动力推进段4包括螺旋桨、垂直舵板以及水平舵板；
所述螺旋桨用于为所述运载平台做水平推进运动时提供动力；
所述垂直舵板用于调整运载平台进行水平推进运动时的航向；
所述水平舵板用于调整运载平台进行水平推进运动时的深度。
有益效果：
1、本发明提供一种模块化通用的滑翔控位运载平台，依次将浮力调节段、质心调节段、导航控制段、动力推进段对接成一个整体，将滑翔翼组件以箍带的形式固定于壳体外部，组装成滑翔控位运载平台，最后将所要搭载的载荷部分连接于该运载平台的浮力调节段，共同组成水下滑翔控位运载系统，用以完成水下探测、调查、搜救、勘探及潜在的军事用途，由此可见，本发明模块化程度高、通用性强、搭载能力强、使用范围广、综合成本低、效费比更高。
2、本发明提供一种模块化通用的滑翔控位运载平台的控制方法，运载平台与所搭载的载荷部分共同组成水下滑翔控位运载系统后，具备多种工作模式，使用更灵活。
附图说明
图1为本发明提供的一种模块化通用的滑翔控位运载平台的结构示意图；
图2为本发明提供的一种搭载了外部载荷的模块化通用的滑翔控位运载平台的结构示意图；
图3为本发明提供的一种滑翔控位运载平台的俯视图；
1-浮力调节段、2-质心调节段、3-导航控制段、4-动力推进段、5-滑翔翼组件。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一
参见图1，该图为本实施例提供的一种模块化通用的滑翔控位运载平台的结构示意图。
一种模块化通用的滑翔控位运载平台，包括顺次对接的浮力调节段1、质心调节段2、导航控制段3、动力推进段4，以及以箍带的形式固定于质心调节段2上的滑翔翼组件5，其中，所述滑翔翼组件5的安装位置根据所述运载平台所搭载的外部载荷的长度而定，使搭载了外部载荷的运载平台的升阻比符合设定要求；
需要说明的是，若外部载荷的长度较长，则滑翔翼组件5的安装位置更靠近浮力调节段1，若外部载荷的长度较短，则滑翔翼组件5的安装位置更靠近导航控制段3，从而使得以滑翔翼组件5的安装位置为分割点，搭载了外部载荷的运载平台的前后两部分的长度比例在设定范围内，以使整个搭载了外部载荷的运载平台具有最佳的滑翔性能。
参见图2，该图为本实施例提供的一种搭载了外部载荷的模块化通用的滑翔控位运载平台的结构示意图。由图2可知，外部载荷搭载在浮力调节段1上。搭载了外部载荷的运载平台处于平衡位置时，在水中处于零浮力状态，整体的质心处于浮心的正下方，并具有所要求的质心下移量。所搭载的载荷部分，需具备流线型头部，载荷部分的衡重参数由运载平台的衡重参数和整体所需的衡重参数推算确定，具有可设计性。可设计系列化载荷，搭载能力强，使用范围广。
所述浮力调节段1用于控制所述运载平台的上浮和下沉；
所述质心调节段2用于控制所述运载平台的俯仰角；
所述导航控制段3用于获取所述运载平台的位置信息、方位角以及深度；
所述动力推进段4用于驱动所述运载平台做水平推进运动，还用于改变所述运载平台的航向和深度；
所述滑翔翼组件5用于为所述运载平台提供滑翔运动时的升力。
参见图3，该图为本实施例提供的一种滑翔控位运载平台的俯视图。
进一步的，所述浮力调节段1包括油箱、液压油泵以及设置在浮力调节段1外部的皮囊；
所述液压油泵用于将油箱中的液压油压入所述外部皮囊，或将所述液压油从外部的皮囊抽回油箱。
需要说明的是，当所述运载平台上浮时，所述液压油泵用于将油箱中的液压油压入所述外部皮囊，增大外部皮囊体积，从而增加运载平台的浮力，使运载平台上浮；
当所述运载平台下沉时，所述液压油泵用于将所述液压油从外部皮囊抽回油箱，减小外部皮囊体积，从而减小运载平台的浮力，使运载平台下沉。
进一步的，所述质心调节段2包括配重块；
所述配重块可在质心调节段2内部前后移动，使浮力调节段1低于或高于动力推进段4，从而改变运载平台的俯仰角。
可选的，所述配重块为向运载平台提供能源的电池组。
进一步的，所述导航控制段3通过卫星获取所述运载平台的位置信息。
需要说明的是，导航控制段3承压壳体为曲线回转体，并在垂直和水平方向共设计有四个导鳍。导航控制段3通过卫星接收运载平台的位置信息，并实时监测运载平台的方位、深度、速度等信息，并将这些信息反馈给控制中心，由控制中心根据这些反馈信息对运载平台的航向、速度、运动模式等进行调节。除此之外，控制中心还可以控制运载平台的上浮和下沉，以及俯仰角的调节，例如，控制中心可以通过设置相关的功能逻辑算法，向浮力调节段1、质心调节段2、导航控制段3或动力推进段4发送相应的控制指令，从而控制浮力调节段1、质心调节段2、导航控制段3或动力推进段4作出对应的动作。
进一步的，所述动力推进段4包括螺旋桨、垂直舵板以及水平舵板；
所述螺旋桨用于为所述运载平台做水平推进运动时提供动力；
所述垂直舵板用于改变所述运载平台的航向；
所述水平舵板用于改变所述运载平台的深度。
需要说明的是，动力推进段4承压壳体为圆锥段回转体，同样在垂直和水平方向共设计有四个导鳍。垂直导鳍后部安装有垂直舵板，水平导鳍后半部分安装有水平舵板，壳体尾部安装有推进用螺旋桨。动力推进段4通过垂直方向的舵板调整平台滑翔运动模式或推进运动模式时的航向，通过水平方向的舵板调整推进运动模式时的深度。
实施例二
基于以上实施例，本实施例提供一种模块化通用的滑翔控位运载平台的控制方法，所述运载平台包括顺次对接的浮力调节段1、质心调节段2、导航控制段3、动力推进段4，以及以箍带的形式固定于质心调节段2上的滑翔翼组件5；所述浮力调节段1包括外部皮囊、油箱以及液压油泵；所述质心调节段2包括配重块；所述动力推进段4包括螺旋桨、垂直舵板以及水平舵板；
所述控制方法包括三种模式：滑翔模式、水平推进模式以及区域控位模式；
所述滑翔模式包括至少一个滑翔周期，且滑翔周期的控制过程如下：
浮力调节段1的液压油泵将外部皮囊中的液压油抽回油箱，使整个运载平台的体积减小，浮力相应减小，整个运载平台下沉；
质心调节段2将其内部的配重块前移，使浮力调节段1低于动力推进段4，然后通过滑翔翼组件5产生升力使整个运载平台向下且向前运动；
当运载平台到达设定深度后，液压油泵将油箱中的液压油压入外部皮囊，使整个运载平台的体积增大，浮力相应增大，整个运载平台上浮；
质心调节段2将其内部的配重块后移，使浮力调节段1高于动力推进段4，然后通过滑翔翼组件5产生升力使整个运载平台向上且向前运动，直至运载平台浮出水面，完成一个滑翔周期。
需要说明的是，每个滑翔周期，运载平台出水后通过卫星定位自主调整下个滑翔周期的航向。
所述水平推进模式的控制过程如下：
浮力调节段1将液压油从外部皮囊泵入油箱，使整个运载平台的体积减小，浮力相应减小，整个运载平台下沉，使运载平台下沉至预设深度时处于微正浮力状态；
质心调节段2移动其内部的配重块，使整个运载平台的姿态保持水平；
启动动力推进段4的螺旋桨，依靠螺旋桨推进运载平台进行水平运动；
通过动力推进段4的垂直舵板调整运载平台的水平运动的航向，通过水平舵板调整运载平台的水平运动的深度；
运载平台完成预设任务后，浮力调节段1将油箱中的液压油抽回外部皮囊，使整个运载平台的体积增大，浮力相应增大，整个运载平台上浮至水面；
质心调节段2移动其内部的配重块，使整个运载平台姿态保持水平；
导航控制段3向卫星发送定位数据，整个水平推进模式结束。
所述区域控位模式的控制过程如下：
所述质心调节段2移动其内部的配重块，使整个运载平台姿态保持水平；
导航控制段3与卫星进行通信，获得运载平台位置坐标；
获取当前位置与设定目标区域中心点的距离后，整个运载平台通过所述滑翔模式向设定目标区域中心点滑翔；
当运载平台到达设定目标区域中心点位置时转入虚拟锚泊状态，然后进行探测工作；需要说明的是，运载平台处于虚拟锚泊状态时，浮力调节段1将整个运载系统调整为接近零浮力状态；
经过设定时间间隔后，浮力调节段1将内部油箱中的液压油压入外部皮囊，使整个运载系统的体积增大，浮力相应增大，整个运载平台上浮至水面；
导航控制段3与卫星进行通信，获取运载平台的当前位置；
判断当前流速是否大于预设值，若不大于，且当前位置与设定目标区域中心点的偏离大于设定值，则重新以滑翔模式向设定目标区域中心点运动，使整个运载平台与设定目标区域中心点位置的距离小于预设值；若大于，且当前位置与设定目标区域中心点的偏离大于设定值，则重新以水平推进模式向设定目标区域中心点运动，直到完成探测任务。
需要说明的是，流速可以根据导航控制段上安装的水流传感器测量得到，也可以对比滑翔模式中各个滑翔周期运载平台浮出水面后，通过导航控制段3与卫星进行通信，获取运载平台的当前位置，判断当前位置是否与设定目标区域中心点位置越来越远，如果越来越远，则说明流速较快，不适合用滑翔模式。
需要说明的是，区域控位模式是要对目标区域进行长时间探测，则正式进入区域控位模式之前，可以先将可将整个搭载了外部载荷的运载系统通过舰船直接布放在目标区域中心点附近，或者从布放点通过滑翔模式滑翔至目标区域中心点附近，然后再进入区域控位模式。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种模块化通用的滑翔控位运载平台，其特征在于，包括顺次对接的浮力调节段(1)、质心调节段(2)、导航控制段(3)、动力推进段(4)，以及以箍带的形式固定于质心调节段(2)上的滑翔翼组件(5)，其中，所述滑翔翼组件(5)的安装位置根据所述运载平台所搭载的外部载荷的长度而定，使搭载了外部载荷的运载平台的升阻比符合设定要求；
所述浮力调节段(1)用于控制所述运载平台的上浮和下沉；
所述质心调节段(2)用于控制所述运载平台的俯仰角；
所述导航控制段(3)用于获取所述运载平台的位置信息、方位角以及深度；
所述动力推进段(4)用于驱动所述运载平台做水平推进运动，还用于改变所述运载平台的航向和深度；
所述滑翔翼组件(5)用于为所述运载平台提供滑翔运动时的升力。
2.如权利要求1所述的一种模块化通用的滑翔控位运载平台，其特征在于，所述浮力调节段(1)包括油箱、液压油泵以及设置在浮力调节段(1)外部的皮囊；
所述液压油泵用于将油箱中的液压油压入所述外部皮囊，或将所述液压油从外部的皮囊抽回油箱。
3.如权利要求1所述的一种模块化通用的滑翔控位运载平台，其特征在于，所述质心调节段(2)包括配重块；
所述配重块可在质心调节段(2)内部前后移动，使浮力调节段(1)低于或高于动力推进段(4)，从而改变运载平台的俯仰角。
4.如权利要求3所述的一种模块化通用的滑翔控位运载平台，其特征在于，所述配重块为向运载平台提供能源的电池组。
5.如权利要求1所述的一种模块化通用的滑翔控位运载平台，其特征在于，所述导航控制段(3)通过卫星获取所述运载平台的位置信息。
6.如权利要求1所述的一种模块化通用的滑翔控位运载平台，其特征在于，所述动力推进段(4)包括螺旋桨、垂直舵板以及水平舵板；
所述螺旋桨用于为所述运载平台做水平推进运动时提供动力；
所述垂直舵板用于改变所述运载平台的航向；
所述水平舵板用于改变所述运载平台的深度。
7.一种模块化通用的滑翔控位运载平台的控制方法，其特征在于，所述运载平台包括顺次对接的浮力调节段(1)、质心调节段(2)、导航控制段(3)、动力推进段(4)，以及以箍带的形式固定于质心调节段(2)上的滑翔翼组件(5)；所述控制方法包括三种模式：滑翔模式、水平推进模式以及区域控位模式；
所述滑翔模式包括至少一个滑翔周期，且滑翔周期的控制过程如下：
所述浮力调节段(1)控制运载平台下沉；
所述质心调节段(2)调节运载平台的俯仰角，使浮力调节段(1)低于动力推进段(4)，然后通过滑翔翼组件(5)产生升力使整个运载平台向下且向前运动；
当运载平台到达设定深度后，浮力调节段(1)控制运载平台上浮；
所述质心调节段(2)调节运载平台的俯仰角，使浮力调节段(1)高于动力推进段(4)，然后通过滑翔翼组件(5)产生升力使整个运载平台向上且向前运动，直至运载平台浮出水面，完成一个滑翔周期；
所述水平推进模式的控制过程如下：
所述浮力调节段(1)控制运载平台下沉，使运载平台下沉至预设深度时处于微正浮力状态；
所述质心调节段(2)调节运载平台的俯仰角，使整个运载平台的姿态保持水平；
通过动力推进段(4)推进运载平台进行水平运动，并调整运载平台的水平运动的航向和深度；
所述运载平台完成预设任务后，浮力调节段(1)控制运载平台上浮；
所述质心调节段(2)调节运载平台的俯仰角，使整个运载平台姿态保持水平；
所述导航控制段(3)向卫星发送定位数据，整个水平推进模式结束；
所述区域控位模式的控制过程如下：
所述质心调节段(2)调节运载平台的俯仰角，使整个运载平台姿态保持水平；
导航控制段(3)获取运载平台的当前位置；
获取当前位置与设定目标区域中心点的相对位置后，整个运载平台通过所述滑翔模式向设定目标区域中心点滑翔；
当运载平台到达设定目标区域中心点位置时进行探测工作；
经过设定时间间隔后，浮力调节段(1)控制运载平台上浮至水面；
导航控制段(3)获取运载平台的当前位置；
判断当前水流流速是否大于预设值：
若不大于，且当前位置与设定目标区域中心点的偏离大于设定值，则重新以滑翔模式向设定目标区域中心点运动，使整个运载平台与设定目标区域中心点位置的距离小于预设值；
若大于，且当前位置与设定目标区域中心点的偏离大于设定值，则重新以水平推进模式向设定目标区域中心点运动，直到完成探测任务。
8.如权利要求7所述的一种模块化通用的滑翔控位运载平台的控制方法，其特征在于，所述浮力调节段(1)包括油箱、液压油泵以及设置在浮力调节段(1)外部的皮囊；
所述液压油泵用于在运载平台上浮时，将油箱中的液压油压入所述外部皮囊，还用于在运载平台下沉时，将所述液压油从外部的皮囊抽回油箱。
9.如权利要求7所述的一种模块化通用的滑翔控位运载平台的控制方法，其特征在于，所述质心调节段(2)包括配重块；
所述配重块在调节运载平台的俯仰角时，在质心调节段(2)内部前后移动。
10.如权利要求7所述的一种模块化通用的滑翔控位运载平台的控制方法，其特征在于，所述动力推进段(4)包括螺旋桨、垂直舵板以及水平舵板；
所述螺旋桨用于为所述运载平台做水平推进运动时提供动力；
所述垂直舵板用于调整运载平台进行水平推进运动时的航向；
所述水平舵板用于调整运载平台进行水平推进运动时的深度。
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周徐斌: "水下热滑翔机的外壳形状分析研究与试验", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》 *

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