CN110683026A

CN110683026A - 一种海流驱动的飞翼型拖鱼

Info

Publication number: CN110683026A
Application number: CN201910957010.7A
Authority: CN
Inventors: 廖煜雷; 雷明; 李晔; 曹建; 李可
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2019-10-10
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2020-01-14

Abstract

本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及一种海流驱动的飞翼型拖鱼。本发明在不依赖浮力调节装置的情况下，通过锚泊基座和锚链固定在一定的区域内，通过调节翼身与海流之间的攻角改变海流的作用升力，实现上浮、下潜和悬浮三种不同的运动效果。本发明不依赖水面通信浮标，可以定期浮出水面，利用水翼型天线杆进行通信与数据传输。本发明采用翼身融合形式的导流外壳，可以极大地提高飞翼型拖鱼的升阻比，保证在海流较小的条件下仍能正常工作。同时飞翼式外壳提供了较大的容积空间，可以搭载更多的任务传感器，满足不同的任务需求。本发明具有能耗低、有效载荷量大、安全性高与隐秘性好的特点，可用于长时间监测区域内的海洋环境。

Description

一种海流驱动的飞翼型拖鱼

技术领域

本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及一种海流驱动的飞翼型拖鱼。

背景技术

近年来，水下机器人在海洋环境研究、海洋资源探测和海底侦察等民用领域具有巨大的应用价值，引起了科研工作者的广泛关注。水下滑翔机是一种特殊的水下机器人。它通过调节自身的重力与浮力之差和运动姿态来实现滑翔运动，具有很多智能水下机器人所不具备的优点，例如长航程、灵活和低成本。它就已经被广泛应用于海洋数据的采集，通过搭载不同的传感器，实现对不同的海洋环境参数进行测量。但由于机动能力差，水下滑翔机难以消除海流的干扰，具有随波逐流的运动特性。

常规的潜标虽然固定在水下，但依赖用于通信的浮标。在一些重要的繁忙水域，它的安全性与隐秘性存在不足。部分锚泊式潜标具有剖面运动的能力。但在海流的影响下，其剖面运动的能力会受到极大的限制。同时，剖面运动的调节方式能耗较高，其携带的能源系统难以满足超长作业时间的要求。

综上所述，如何长时间有效地监测存在海流影响的重要海域，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供不依赖浮力调节装置，实现长时间检测海洋环境的一种海流驱动的飞翼型拖鱼。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括外壳，外壳内部设有耐压舱和任务模块；所述的耐压舱与任务模块通过水密接插件连接；所述的耐压舱中设有电池组、控制系统和姿态调节系统；还包括锚泊系统；所述的外壳底部设有拖环，外壳尾部安装有天线杆；所述的锚泊系统包括锚泊基座，锚泊基座通过锚链连接在飞翼式外壳底部的拖环上；所述的姿态调节系统包括伺服电机、压载物和丝杆；所述的丝杆一端通过轴承安装于第一板材上，另一端穿过第二板材与安装于第二板材上的伺服电机连接；所述的第一板材与第二板材之间通过细轴固定；所述的压载物通过丝杆螺母安装在丝杆上。

本发明还可以包括：

所述的外壳为翼身融合形式的飞翼式外壳结构；所述的安装于外壳尾部的天线杆为水翼型天线杆。

所述的压载物包括第三板材和第四板材；所述的电池组安装在第三板材和第四板材之间。

所述的丝杆为滚珠丝杆。

本发明的有益效果在于：

本发明通过锚泊基座和锚链固定在一定的区域内，有效地利用了海流，通过调节自身的姿态来调节翼身与海流之间的攻角，从而改变海流的作用升力，实现上浮、下潜和悬浮三种不同的运动效果。本发明不依赖水面通信浮标，可以定期浮出水面，利用水翼型天线杆进行通信与数据传输，其大部分时间悬浮在水下一定的深度，具有很高的安全性与隐秘性。本发明采用翼身融合形式的导流外壳，可以极大地提高飞翼型拖鱼的升阻比，保证飞翼型拖鱼在海流较小的条件下仍能正常工作。同时，飞翼式外壳提供了较大的容积空间，可以搭载更多的任务传感器，满足不同的任务需求。本发明可以以在不依赖浮力调节装置的情况下驱动飞翼型拖鱼的上浮或下潜，并能控制飞翼型拖鱼悬浮在一定深度，还能长时间监测锚泊区域内的海洋环境。本发明具有能耗低、有效载荷量大、安全性高与隐秘性好的特点，可用于长时间监测区域内的海洋环境。

附图说明

图1是本发明的工作原理图。

图2是本发明的内部姿态调节系统的结构示意图。

图3是本发明的总体布置示意图。

图4是本发明的系统调节流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明涉及一种海流驱动的飞翼型拖鱼。具体地说，它是一种通过锚泊方式固定在目标区域的飞翼式拖鱼，具有纵倾调节能力，可以调节飞翼式外壳与来流的攻角，从而利用海流作用力实现上浮、下潜和悬浮的运动控制。它可用于长时间监测区域内的海洋环境，具有很高的安全性与隐秘性。

本发明提供的是一种海流驱动的飞翼型拖鱼。其组成部分主要包括：翼身融合形式的拖鱼和锚泊系统。其中，翼身融合形式的拖鱼主要由飞翼式外壳1、控制系统、电池组3、滚珠丝杆4、丝杆螺母5、伺服电机6、轴承7、不锈钢细轴8、铝合金板9、亚克力板10、任务模块16、水翼型天线杆17、耐压舱18、水密接插件19和拖环20构成。利用四根不锈钢细轴和八个联轴器，将两块亚克力板固定，使得这两块亚克力板不能有任何的相对位移。电池组3布置在两块亚克力板之间，构成压载物。丝杆螺母5固定在亚克力板10的端面。四根不锈钢细轴穿过两块亚克力板，通过八个联轴器将两块铝合金板固定，使得这两块铝合金板不能有任何的相对位移，构成一个承重结构。伺服电机6被固定于铝合金板9的端面，通过联轴器与滚珠丝杆4的一端相连。滚珠丝杆4的另一端通过轴承7被固定在另一块铝合金板上。伺服电机6带动滚珠丝杆4，使得压载物沿轴方向移动，改变拖鱼重心在纵向上的位置，调节拖鱼的纵倾姿态，从而改变飞翼式外壳1与来流之间的攻角，达到改变飞翼式外壳1作用升力的效果。以上的调节机构和控制系统被布置在耐压舱18中。任务模块16和耐压舱18位于飞翼式外壳1所囊括的空间当中。两者通过水密接插件19进行数据交流与通信。水翼型天线杆17位于尾部，用于通信与数据传输，同时具有抑制拖鱼横滚的作用。拖环20安装在拖鱼浮心的下部。而锚泊系统由锚泊基座21和零浮力锚链22构成。锚泊基座21被放置在一定深度的海底，通过零浮力锚链22与拖环20相连，使得拖鱼固定在一定的区域内。结合零浮力锚链22的作用力与飞翼式外壳1表面的流体作用力，拖鱼可以实现上浮、下潜和悬浮三种不同的运动效果。在区域海流存在的情况下，本发明具有很高的安全性和隐秘性，能耗低，长航时，控制可靠，适用于区域海洋环境的监测。

通过锚泊基座和锚链，拖鱼式潜标被固定在一定的区域内。它有效地利用了海流，通过调节自身的姿态来调节翼身与海流之间的攻角，从而改变海流的作用升力，实现上浮、下潜和悬浮三种不同的运动效果。

拖鱼式潜标不依赖水面通信浮标，可以定期浮出水面，利用水翼型天线杆进行通信与数据传输。其大部分时间悬浮在水下一定的深度，具有很高的安全性与隐秘性。

采用翼身融合形式的导流外壳，可以极大地提高拖鱼式潜标的升阻比，保证拖鱼式潜标在海流较小的条件下仍能正常工作。同时，飞翼式外壳1提供了较大的容积空间，可以搭载更多的任务传感器，满足不同的任务需求。

四根穿过亚克力板的不锈钢细轴可以防止由电池组构成的压载物绕轴旋转，从而简单地实现自锁，保护伺服电机6，不需要依赖蜗轮蜗杆结构。

结合图1介绍了海流驱动的飞翼型拖鱼的工作原理。

水翼在水中运动会产生一定的升力与阻力。其特性，主要取决于翼板的几何特征和几何要素。而锚链的作用力表现为拉力。三者的合力决定拖鱼式潜标的运动状态。因此，拖鱼式潜标可以通过调节水翼与来流之间的攻角，产生不同的升力与阻力以满足不同的运动需求。在本发明中，拖鱼式潜标始终保持正浮力，通过纵倾调节来控制飞翼式式外壳1与来流之间的攻角。具体的调节方式如下：压载物重心前移，纵倾角减小，攻角随之减小；压载物重心后移，纵倾角增大，攻角也随之增大。

为了增大拖鱼式潜标的升阻比以及排水体积，拖鱼式潜标的外壳采用翼身融合结构。同时，这也保证拖鱼式潜标能在海流速度较小的条件下正常工作。

结合图2，伺服电机6带动滚珠丝杆4，使得压载物沿轴方向移动，改变拖鱼重心在纵向上的位置，调节拖鱼的纵倾姿态，从而改变飞翼式外壳1与来流之间的攻角，达到改变飞翼式外壳1作用升力的效果。伺服电机6具有较高的控制精度，没有累计误差，结合滚珠丝杆，可以精确控制压载物重心位置的效果。

结合图3介绍了海流驱动的飞翼型拖鱼的总体布置。

以上的内部执行机构和控制系统被布置在耐压舱18中。任务模块16和耐压舱18位于飞翼式外壳1所囊括的空间当中。耐压舱18沿飞翼式外壳1的纵向轴心分布，以保证飞翼式外壳1的最小尺寸。任务模块16主要分布在耐压舱18的左右两侧。各个设备之间通过水密接插件19进行数据交流与通信。水翼型天线杆17位于尾部，用于通信与数据传输，同时具有抑制拖鱼横滚的作用。拖环20安装在拖鱼浮心的下部。

结合图4介绍系统调节流程。

本系统的执行器是伺服电机6，被控对象是海流驱动的飞翼型拖鱼的当前工作深度，其给定量为海流驱动的飞翼型拖鱼的期望工作深度，控制量为伺服电机6转动的角度。

根据任务需求(水面通信或者水下潜伏)，系统给定海流驱动的飞翼型拖鱼的期望工作深度。进行运动状态调节时，系统比较海流驱动的飞翼型拖鱼的期望工作深度和当前深度值。控制器根据比较器的结果，控制伺服电机6的转动方向和转动角度。任务模块16携带的深度传感器检测海流驱动的飞翼型拖鱼的当前深度值，并将检测结果反馈给比较器比较，闭环调节，从而达到精确控制海流驱动的飞翼型拖鱼当前工作深度的效果。

本发明的工作过程如下：

1)初始状态，海流驱动的飞翼型拖鱼处于水面，尾部水翼型天线杆露出水面；

2)任务模块16通信和数据传输后，向控制系统下达下潜指令。控制系统指令伺服电机6正转一定的角度，系统重心位置前移，纵倾角减小，飞翼式外壳1与来流之间的攻角随之减小。海流驱动的飞翼型拖鱼下沉。

3)控制系统根据任务模块16提供的深度信息控制伺服电机6的转动方向和转动角度，微调飞翼式外壳1与来流之间的攻角，以达到定深控制的效果；

4)海流驱动的飞翼型拖鱼达到预定的潜伏状态后，控制系统休眠，等待下一次唤醒；

5)一定时间后，任务模块16唤醒控制系统，向控制系统下达上浮指令。控制系统指令伺服电机6反转一定的角度，系统重心位置后移，纵倾角增大，飞翼式外壳1与来流之间的攻角随之增大。海流驱动的飞翼型拖鱼上浮至水面；

6)重复以上工作流程。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种海流驱动的飞翼型拖鱼，包括外壳，外壳内部设有耐压舱和任务模块；所述的耐压舱与任务模块通过水密接插件连接；所述的耐压舱中设有电池组、控制系统和姿态调节系统；其特征在于：还包括锚泊系统；所述的外壳底部设有拖环，外壳尾部安装有天线杆；所述的锚泊系统包括锚泊基座，锚泊基座通过锚链连接在飞翼式外壳底部的拖环上；所述的姿态调节系统包括伺服电机、压载物和丝杆；所述的丝杆一端通过轴承安装于第一板材上，另一端穿过第二板材与安装于第二板材上的伺服电机连接；所述的第一板材与第二板材之间通过细轴固定；所述的压载物通过丝杆螺母安装在丝杆上。

2.根据权利要求1所述的一种海流驱动的飞翼型拖鱼，其特征在于：所述的外壳为翼身融合形式的飞翼式外壳结构；所述的安装于外壳尾部的天线杆为水翼型天线杆。

3.根据权利要求1或2所述的一种海流驱动的飞翼型拖鱼，其特征在于：所述的压载物包括第三板材和第四板材；所述的电池组安装在第三板材和第四板材之间。

4.根据权利要求1或2所述的一种海流驱动的飞翼型拖鱼，其特征在于：所述的丝杆为滚珠丝杆。

5.根据权利要求3所述的一种海流驱动的飞翼型拖鱼，其特征在于：所述的丝杆为滚珠丝杆。