CN110143269B - 一种多维度运动圆盘形水下滑翔器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多维度运动圆盘形水下滑翔器，涉及水下滑翔器领域，该水下滑翔器使用圆盘形结构形式，其对称的结构保证主体结构能够在各个方向运动且具有相同的水动力性能，浮力调节装置能够调节净浮力的大小，生成该水下滑翔器沉浮的驱动力及保证该水下滑翔器在水下的悬浮，联动调节装置通过随动稳定翼和滑动质量块的联动调节该水下滑翔器的重心分布，从而保持沿某一方向地稳定滑翔以及快速转向，该水下滑翔器具备水下空间内的多维运动能力，能够满足对三维空间海洋环境调查的实际需求及对某一重点区域长时间监测和数据采集的需求。

Description

一种多维度运动圆盘形水下滑翔器

技术领域

本发明涉及水下滑翔器领域，尤其是一种多维度运动圆盘形水下滑翔器。

背景技术

水下滑翔器具有功耗低、使用费用低等特点，能够长时间在大尺度空间上对海洋环境进行连续的监测和数据采样，已经成为当前海洋环境调查的重要应用工具。但是，当前水下滑翔器多为细长圆柱体固定翼结构形式，其应用存在如下典型问题：

(1)只能在某一特定垂直面内沿着锯齿形曲线进行二维的连续运动，转向和避障能力比较弱，运动模式比较单一。在运动方向调整或避障转向时，涉及到重心调整和滑翔机物理机体方向的调整。受结构形式的限制，现有水下滑翔器仅在沿机体方向的水动力性能比较优异，由于速度较低，机体转向半径为的机体长度几百甚至上千倍，无法进行灵活的方向调整，往往来不及调整方向即碰撞到前方障碍物，甚至大部分滑翔机不具有方向调整能力和避障能力。

(2)受机体结构形式限制，细长圆柱体结构形式水下滑翔器转向比较困难、转向半径比较长，且容易受到海流影响，其姿态调节只能在大尺度空间内实现，因此无法对水下某一重要区域进行长时间监测和数据采集。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种多维度运动圆盘形水下滑翔器，该水下滑翔器在各个方向具有相同的水动力性能和较强的转向能力，因此具有较强的转向和避障运动能力，同时能够在水下进行小尺度范围波动运动，满足对三维空间海洋环境调查的实际需求。

本发明的技术方案如下：

一种多维度运动圆盘形水下滑翔器，该多维度运动圆盘形水下滑翔器包括：圆盘形外壳、浮力调节装置和联动调节装置，圆盘形外壳的内部中空，圆盘形外壳内部设置有滑块导向环，滑块导向环与圆盘形外壳同轴，圆盘形外壳内部的中空区域对称设置有耐压舱，耐压舱内部设置水下滑翔器中的电子器件；浮力调节装置设置在圆盘形外壳内部的中心位置，浮力调节装置通过水泵与圆盘形外壳的外部联通；联动调节装置包括驱动电机、旋转杆、滑动质量块、减速轴和随动稳定翼，驱动电机设置在圆盘形外壳内部的轴线上且固定在浮力调节装置，驱动电机的输出轴与圆盘形外壳的轴线重合，旋转杆的一端连接驱动电机的输出轴、另一端连接滑动质量块，滑动质量块置于滑块导向环中；减速轴沿着圆盘形外壳的轴线方向设置，减速轴的减速器端连接在驱动电机的输出轴上、另一端伸出至圆盘形外壳外，减速轴位于圆盘形外壳外的部分连接随动稳定翼。

其进一步的技术方案为，圆盘形外壳由上壳体盘和下壳体盘进行连接构成，上壳体盘和下壳体盘之间支撑有环形结构，环形结构与圆盘形外壳同轴，滑块导向环位于环形结构的外侧，随动稳定翼所在的一侧的壳体盘的外表面设置有与圆盘形外壳同轴的翼导向环，随动稳定翼置于翼导向环中。

其进一步的技术方案为，浮力调节装置包括球形水舱、进水泵和排水泵，球形水舱设置在圆盘形外壳内部的轴线上，进水泵和排水泵对称设置在球形水舱的两侧，球形水舱中安装有张力膜，进水泵通过进水管路联通球形水舱，排水泵通过排水管路联通球形水舱，进水泵和排水泵分别与圆盘形外壳的外部联通。

其进一步的技术方案为，滑块导向环上还设置有配重质量块。

本发明的有益技术效果是：

本申请公开了一种多维度运动圆盘形水下滑翔器，该水下滑翔器使用圆盘形结构形式，其对称的结构保证主体结构能够在各个方向运动且具有相同的水动力性能，联动调节装置通过控制随动稳定翼和滑动质量块的转动对重心进行重新分配，浮力调节装置能够调节净浮力的大小，滑翔器在净浮力和重心的共同作用下生成向某一方向运动的驱动力，保持沿某一方向的稳定滑翔；且该水下滑翔器在三维空间转向和避障时不需要进行滑翔器本体物理方向的调整，而仅是重心的重新分配，本体物理结构只需要调整姿态、不需整体参数转向，因此该水下滑翔器能够随时快速进行运动方向调整和避障，且转弯半径仅为该水下滑翔器的主尺度的几倍，具备水下空间内的多维运动能力，满足对三维空间海洋环境调查的实际需求。

该水下滑翔器在各个方向具有相同的水动力性能和较强的转向能力，能够快速调整迎流方向，减少海流对水下滑翔器的影响，且通过净浮力、重心位置和随动稳定翼角度的调整，能够在水下进行小尺度范围波动运动，保证该水下滑翔器在水下一定范围内实现悬停，满足对某一重点区域长时间监测和数据采集的需求。

附图说明

图1是本申请公开的多维度运动圆盘形水下滑翔器的结构图。

图2是图1结构的AA’方向的剖视图。

图3是图1结构的BB’方向的剖视图。

图4是本申请公开的多维度运动圆盘形水下滑翔器的随动稳定翼一侧的俯视图。

图5是本申请的浮力调节装置和联动调节装置部分的结构图。

图6是滑动质量块和随动稳定翼的联动示意图。

图7是本申请的水下滑翔器正向下潜的运动示意图。

图8是本申请的水下滑翔器逆向上浮的运动示意图。

图9是本申请的水下滑翔器正向上浮的运动示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种多维度运动圆盘形水下滑翔器，请参考图1-5，该多维度运动圆盘形水下滑翔器包括圆盘形外壳1，圆盘形外壳1为本申请的水下滑翔器的水动力外形，圆盘形外壳1的内部中空并用于安装水下滑翔器的其他设备，在本申请中，圆盘形外壳1由上壳体盘1a和下壳体盘1b进行连接构成，上壳体盘1a和下壳体盘1b之间形成圆盘形外壳1的内部中空区域，此处的上和下仅为相对位置关系，上壳体盘1a和下壳体盘1b均为圆盘形且两个壳体盘的轴线重合，该轴线即为圆盘形外壳1的轴线，如图2和3示出了圆盘形外壳1的轴线Z。上壳体盘1a和下壳体盘1b之间支撑有环形结构2，环形结构2与圆盘形外壳1同轴，也即环形结构2的轴线与圆盘形外壳1的轴线重合，环形结构2用于支撑两个壳体盘并为其他设备提供安装基础。圆盘形外壳1内部还设置有滑块导向环3，同样的，滑块导向环3与圆盘形外壳1同轴且滑块导向环3位于环形结构2的外侧。圆盘形外壳1内部的中空区域对称设置有耐压舱4，耐压舱4内部设置水下滑翔器中的电子器件，包括但不限于动力电池、通信设备、控制器、水质环境测量传感器和姿态传感器，耐压舱4的数量可以根据需要进行增加或减少。

该多维度运动圆盘形水下滑翔器还包括浮力调节装置，浮力调节装置用于调节净浮力的大小从而生成该水下滑翔器沉浮的驱动力及保证水下滑翔器在水下的悬浮。浮力调节装置设置在圆盘形外壳1内部的中心位置，该中心位置表示圆盘形外壳1的轴线及其周围的一定范围的区域，浮力调节装置的重心与圆盘形外壳1的轴线重合。浮力调节装置通过水泵与圆盘形外壳1的外部联通，浮力调节装置可以通过水泵从外部进水或者向外部排水从而调节净浮力的大小。在本申请中，浮力调节装置包括球形水舱5、进水泵6和排水泵7，球形水舱5设置在圆盘形外壳1内部的轴线上，球形水舱5的轴线与圆盘形外壳1内部的轴线重合。球形水舱5的内部安装有张力膜8，张力膜8用于约束球形水舱5内部液体的晃动。进水泵6和排水泵7对称设置在球形水舱5的两侧，进水泵6通过进水管路联通球形水舱5，排水泵7通过排水管路联通球形水舱5，进水泵6和排水泵7分别与圆盘形外壳1的外部联通。进水泵6和排水泵7的工作状态可以由耐压舱4内的控制器自动控制。该浮力调节装置通过球形水舱5内液体的量来调节净浮力的大小，进水泵6和进水管路构成浮力调节装置的进水通道向球形水舱5内注海水从而减小净浮力，排水泵7和排水管路构成浮力调节装置的排水通道将球形水舱5内的水排出从而增大净浮力。

该多维度运动圆盘形水下滑翔器还包括联动调节装置，该联动调节装置主要用于调整水下滑翔器的重心分布，联动调节装置包括驱动电机9、旋转杆10、滑动质量块11、减速轴12和随动稳定翼13。驱动电机9设置在圆盘形外壳1内部的轴线上且固定在浮力调节装置上，在本申请中驱动电机9固定在球形水舱5的基座上，驱动电机9的工作状态可以由耐压舱4内的控制器自动控制。驱动电机9的输出轴与圆盘形外壳1的轴线重合，旋转杆10沿着圆盘形外壳1的径向设置在圆盘形外壳1的内部，旋转杆10的一端连接驱动电机9的输出轴、另一端连接滑动质量块11，滑动质量块11置于滑块导向环3中，驱动电机9通过旋转杆10驱动滑动质量块11沿着滑块导向环3作旋转运动。滑块导向环3上还设置有配重质量块14，配重质量块14和滑动质量块11设置在滑块导向环3的不同侧，从而不影响滑动质量块11的旋转运动，配重质量块14与滑动质量块11的初始位置相对圆盘形外壳1的轴线对称，配重质量块14用于平衡该水下滑翔器的初始状态的姿态。减速轴12沿着圆盘形外壳1的轴线方向设置，减速轴12的减速器端连接在驱动电机9的输出轴上、另一端伸出至圆盘形外壳1外，减速轴12位于圆盘形外壳1外的部分连接随动稳定翼13，驱动电机9通过减速轴12驱动随动稳定翼13绕着圆盘形外壳1的轴线旋转。而且在本申请中，减速轴12并不与驱动电机9的输出轴固定在一起而是采用活动连接方式，减速轴12可以与驱动电机9的输出轴脱离。随动稳定翼13设置在圆盘形外壳1的外部且翼展平面沿着圆盘形外壳1的径向，随动稳定翼13所在的一侧的壳体盘的外表面设置有与圆盘形外壳1同轴的翼导向环1c，翼导向环1c用于随动稳定翼13的支撑和导向，在本申请的图示中，随动稳定翼13所在的一侧的壳体盘为上壳体盘1a，则上壳体盘1a的外表面设置有翼导向环1c，随动稳定翼13置于翼导向环1c中(也即在图中置于翼导向环1c的上部)沿着翼导向环1c作旋转运动。

本申请公开的多维度运动圆盘形水下滑翔器的定常运动为在垂直面内的沿锯齿型曲线运动，在定常运动过程中能够保证在机体不转向的情况下进行灵活的转向和避障三维运动。此外，能够通过重量、重心位置和机翼角度的调整，保证本申请在水下一定范围内实现悬停。现对其各种状态的工作过程进行介绍：

(1)斜向下滑翔下潜运动。

本申请在水面的平衡状态如图4所示，此时滑动质量块11处于初始位置，和配重质量块14相对圆盘形外壳1的轴线对称，随动稳定翼13的翼展平面和旋转杆10垂直，如图6所示，在这种状态下，随动稳定翼13处于I位置，旋转杆10和滑动质量块11位于a位置。此时，进水泵6启动，并通过进水管路将外部海水注入球形水舱5中，使该水下滑翔器的重力F_M大于浮力F_B，产生向下运动的驱动力。同时，驱动电机9启动，同时驱动旋转杆10和减速轴12运动，旋转杆10带动滑动质量块11以圆盘形外壳1的轴线为转轴沿着滑块导向环3转动，减速轴12带动随动稳定翼13以圆盘形外壳1的轴线为转轴转动。由于减速轴12的作用，因此可以保证滑动质量块11的转动角度和随动稳定翼13的转动角度成固定倍数关系，以保证该水下滑翔器的质量重新分配后的重心位置与随动稳定翼13的中纵剖面在同一个平面上。如图6所示，旋转杆10和滑动质量块11旋转θ角度后位于b位置，随动稳定翼13旋转X·θ角度后处于Ⅱ位置，X为一个参数，具体取值与减速轴12的减速作用有关。此时，该水下滑翔器向重心方向倾斜，如图6中的V₁方向，机体相当于机翼，产生升力和阻力等水动力，驱动该水下滑翔器沿着随动稳定翼13的中纵剖面所在的垂直面斜向下运动，如图7所示的正向下潜示意图，V表示速度方向，图中右侧为滑翔器的艏部，随动稳定翼13能够稳定该水下滑翔器的运动。

(2)斜向上滑翔上浮运动。当该水下滑翔器斜向下下潜到预定深度后，该水下滑翔器需要开始上浮，上浮有两种方式：

(2.1)沿着下潜路径返回上浮，即驱动电机9保持不动，保持随动稳定翼13方向不变，也即保持该水下滑翔器的向V₁方向的倾斜方向不变。启动排水泵7，将球型水舱5内的水通过排水管路排到外界，使浮力F_B大于重力F_M，该水下滑翔器开始沿着原来的下潜路径反向上浮滑翔，如图8的逆向上浮示意图，V表示速度方向，图中右侧为滑翔器的艏部，对比图7和8可以看出这种上浮方式并未改变水下滑翔器的姿态及重心位置，仅是整体反向运动。

(2.2)沿着原前进方向，斜向上上浮运动。在这种方式中，启动排水泵7，将球型水舱5内的水通过排水管路排到外界，使浮力F_B大于重力F_M。同时，减速轴12与驱动电机9的输出轴脱离，驱动电机9驱动旋转杆10转动，带动滑动质量块11沿着滑块导向环3相对下潜时的转动方向逆向转动，如图6中，转动至旋转杆10和滑动质量块11逆向转动至处于b’位置，使得该水下滑翔器的重心位置改变到浮心后侧，此处的后侧表示相对于水平运动前进方向的后侧。此时，该水下滑翔器在重量和重心位置变化的共同结果下开始抬艏斜向上滑翔上浮，如图9的正向上浮示意图，V示速度方向，图中右侧为滑翔器的艏部，对比图7和9可以看出，这种上浮方式改变了整体姿态、重心位置和运动方向。

(3)快速转向或避障运动。

该水下滑翔器在沿着V₁方向下潜滑翔或上浮滑翔过程中，需要转向或者遇到障碍物需要规避转向时，启动驱动电机9，带动随动稳定翼13和滑动质量块11按照一定比例的角速度转动到一定位置后，如图6中，随动稳定翼13转动到Ⅲ位置，旋转杆10和滑动质量块11转动到c位置，此时该水下滑翔器的重心偏移到图6中的V₂方向，同时随动稳定翼13转动到V₂方向，驱动该水下滑翔器向V₂方向移动。由于机体未发生偏转，在随动稳定翼13受到水动力、重心变动及自身水动力作用下，该水下滑翔器能够很快由V₁方向转向V₂方向运动，其转向半径远远小于细长圆柱体固定翼水下滑翔器，能够有效转向并及时避开障碍物。其次，由于能够快速转向及调节俯仰角，因此本申请的水下滑翔器能够便捷快速的在空间中进行运动。

(4)水下小尺度范围波动运动。

通过驱动电机9带动随动稳定翼13转动，使其翼展方向与海流方向平行，同时保证该水下滑翔器的重心处于随动稳定翼13的翼展方向上，通过浮力调节装置调节该水下滑翔器的净浮力驱使该水下滑翔器的下潜速度变慢直至停止悬停。如果水下滑翔器的速度方向V和海流速度相反，可以调整重力F_M稍大于浮力F_B，在净浮力和水动力作用下，该水下滑翔器即能在小尺度范围内悬停。如果水下滑翔器的速度方向V和海流速度相同，则可以调整重力FM稍小于浮力FB，则在净浮力和水动力作用下，该水下滑翔器也能在小尺度范围内悬停。如果净浮力和水动力等作用力不能维持平衡，则可以通过净浮力和滑动质量块11的耦合调整使该水下滑翔器正向下潜、逆向上浮，维持一定深度范围的上下波动运动。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多维度运动圆盘形水下滑翔器，其特征在于，所述多维度运动圆盘形水下滑翔器包括：圆盘形外壳、浮力调节装置和联动调节装置，所述圆盘形外壳的内部中空，所述圆盘形外壳内部设置有滑块导向环，所述滑块导向环与所述圆盘形外壳同轴，所述圆盘形外壳内部的中空区域对称设置有耐压舱，所述耐压舱内部设置所述水下滑翔器中的电子器件；所述浮力调节装置设置在所述圆盘形外壳内部的中心位置，所述浮力调节装置通过水泵与所述圆盘形外壳的外部联通；所述联动调节装置包括驱动电机、旋转杆、滑动质量块、减速轴和随动稳定翼，所述驱动电机设置在所述圆盘形外壳内部的轴线上且固定在所述浮力调节装置上，所述驱动电机的输出轴与所述圆盘形外壳的轴线重合，所述旋转杆的一端连接所述驱动电机的输出轴、另一端连接所述滑动质量块，所述滑动质量块置于所述滑块导向环中；所述减速轴沿着所述圆盘形外壳的轴线方向设置，所述减速轴的减速器端连接在所述驱动电机的输出轴上、另一端伸出至所述圆盘形外壳外，所述减速轴位于所述圆盘形外壳外的部分连接所述随动稳定翼。

2.根据权利要求1所述多维度运动圆盘形水下滑翔器，其特征在于，所述圆盘形外壳由上壳体盘和下壳体盘进行连接构成，所述上壳体盘和所述下壳体盘之间支撑有环形结构，所述环形结构与所述圆盘形外壳同轴，所述滑块导向环位于所述环形结构的外侧，所述随动稳定翼所在的一侧的壳体盘的外表面设置有与所述圆盘形外壳同轴的翼导向环，所述随动稳定翼置于所述翼导向环中。

3.根据权利要求1所述的多维度运动圆盘形水下滑翔器，其特征在于，所述浮力调节装置包括球形水舱、进水泵和排水泵，所述球形水舱设置在所述圆盘形外壳内部的轴线上，所述球形水舱中安装有张力膜，所述进水泵和排水泵对称设置在所述球形水舱的两侧，所述进水泵通过进水管路联通所述球形水舱，所述排水泵通过排水管路联通所述球形水舱，所述进水泵和所述排水泵分别与所述圆盘形外壳的外部联通。

4.根据权利要求1所述的多维度运动圆盘形水下滑翔器，其特征在于，所述滑块导向环上还设置有配重质量块。

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