CN110775234A - 一种仿生扑翼水下滑翔器构型 - Google Patents

一种仿生扑翼水下滑翔器构型 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种仿生扑翼水下滑翔器构型，由本体、电子舱、电池舱、质心调节机构、浮力调节机构和通讯天线组成；本体和翼面采用优化后的翼型作为剖面翼型；本体内部配置的电子舱控制各机构按预定程序稳定运行，保证设定各项数据的采集及发送工作。质心调节机构和浮力调节机构相互配合进行工作，实现滑翔器的下沉和上浮运动。质心调节机构可控制调节整机质心前后及左右的偏移；浮力调节机构配合油囊，通过吸、排油的方式调节整机所受浮力的大小。电池舱作为能源系统给各执行机构供电。通讯天线向地面站点发送整机运行情况、所处位置以及接受指令各类信息。滑翔器具有外形设计合理，内部空间利用率高，结构紧凑、可靠的特点。

Description

一种仿生扑翼水下滑翔器构型
技术领域
本发明涉及一种水下推进装置，具体地说，涉及一种仿生扑翼水下滑翔器构型；属于水下航行器推进技术领域。
背景技术
随着人们对空间、能源等资源需求的不断加大，可以为人们所用的陆地资源不断减缩，开发海洋已经成为当今时代各国的发展共识。水下滑翔机作为众多海洋高技术装备中的一员，是一种利用自身重力与浮力差驱动运动的新型水下机器人，具有无绳无缆自主运行，长航程大续航时间，噪声小不易被探测等优势，近年来世界各国纷纷对其进行研究。目前公开的技术文献中有四种成熟型号的水下滑翔机，分别是:斯克利普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography)研制的Spray Glider，华盛顿大学(Universityof Washington)研制的Sea Glider，韦伯研究集团(Webb Research Corp)研制的SlocumElectric Glider以及Slocum Thermal Glider。
仿生水下滑翔机是在水下滑翔机原理的基础上，将外形优化为仿海洋生物蝠鲼的形状。通过外形改动设计，使得仿生水下滑翔机具有更好的流体动力学外形，以及更大的内部装载空间。大展弦比能够使仿生水下滑翔机拥有更好的滑翔性能，提高能源的利用率，从而将航程、航时进一步增大；更大的内部空间能够使其拥有更多的装载量，从而搭载不同大小、形状的探测设备，拥有更强的探测能力、更多的水下功能。同时，仿生物外形使得水下滑翔机拥有更好的隐蔽性，噪声小的特点。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种仿生扑翼水下滑翔器构型；该滑翔器能够自主通过质心调节机构和浮力调节机构完成水下滑翔功能，通过通讯系统与地面建立连接，同时预留足够空间作为拓展功能区，执行更加复杂的水下任务。该仿生扑翼水下滑翔器具有外形设计合理，内部空间利用率高，结构紧凑可靠的特点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括本体、配重、电子舱、电池舱、质心调节机构、浮力调节机构、通讯天线、油囊和抛载机构，其特征在于所述电子舱位于本体内头部，所述质心调节机构固定在本体内，且以本体轴线靠前的位置，浮力调节机构位于本体中轴线靠后的位置，浮力调节结构后段设有圆台，通讯天线固连在浮力调节机构圆台上部，通信天线用于主体浮出水面后接收和发送信息；油囊位于本体内浮力调节结构后部；
所述本体中轴线对称面两侧设置有电池舱，电池舱内排布多块锂电池，且分别为电子舱内器件和其它各执行机构供电；抛载机构位于电池舱与浮力调节机构之间，两个抛载机构沿本体中轴线对称分布，且固定连接在本体下部，抛载机构通过电磁开关控制，抛载机构自行脱落以减轻质量；两电池舱外侧对称布设有配重块，用于稳定本体配平重浮力。
所述油囊为不规则光滑体，油囊位于本体内的尾部，且通过浮力调节机构调节油馕内油的体积进而改变浮力大小。
所述本体与翼面光滑过渡，采用优化后的NACA00系列翼型为基础翼型，通过优化系统进行优化，将优化系统寻优得到的翼型作为仿生滑翔器的三维构型。
有益效果
本发明提出的一种仿生扑翼水下滑翔器构型，由本体，电子舱，质心调节机构，浮力调节机构，油囊，电池舱，配重，抛载机构和通讯天线组成；其中,本体和两翼光滑过渡，且采用优化后的NACA翼型作为各部分剖面翼型，优化后的翼型更加逼近蝠鲼原有的外形，面积大，从而使得构成的三维模型装载量更大。
本发明仿生扑翼水下滑翔器内部配置中，电子舱控制整个滑翔器的各机构按预定程序稳定运行，保证滑翔器完成设定运动，用于各项数据的采集及发送工作。质心调节机构和浮力调节机构相互配合进行工作，实现仿生水下滑翔器的下沉和上浮运动。质心调节机构能控制内部大质量块，调节整机质心前后及左右的偏移；浮力调节机构能配合油囊，通过吸、排油的方式调节整机所受浮力的大小。电池舱作为能源系统给电子舱和各执行机构供电，保证能源供应。通讯天线在滑翔器位于水面时，向地面站点发送整机运行情况、所处位置以及接受指令各类信息。在水下抛载机构能够自行分离减小滑翔器的质量，从而保证滑翔器安全地浮出水面。仿生水下滑翔器具有外形设计合理，内部空间利用率高，结构紧凑可靠的特点。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种仿生扑翼水下滑翔器构型作进一步详细说明。
图1为本发明仿生扑翼水下滑翔器构型轴侧图。
图2为本发明仿生扑翼水下滑翔器构型布局示意图。
图3为本发明仿生扑翼水下滑翔器外形示意图。
图4为本发明仿生扑翼水下滑翔器上浮姿态示意图。
图5为本发明仿生扑翼水下滑翔器下潜姿态示意图。
图6为本发明仿生扑翼水下滑翔器横滚姿态示意图。
图中
1.本体 2.配重 3.电子舱 4.电池舱 5.质心调节机构 6.浮力调节机构 7.通讯天线 8.油囊 9.抛载机构
L为浮心相对位置 g为质心相对位置
具体实施方式
本实施例是一种仿生扑翼水下滑翔器构型。
参阅图1～图3，本实施例仿生扑翼水下滑翔器构型，由本体1、配重2、电子舱3、电池舱4、质心调节机构5、浮力调节机构6、通讯天线7、油囊8和抛载机构9组成；其中,电子舱3位于本体1内头部，质心调节机构5固定在本体1内，且以本体1轴线靠前的位置，浮力调节机构6位于本体1中轴线靠后的位置，浮力调节结构6后段设有圆台，通讯天线7固连在浮力调节机构6圆台上部，通信天线用于主体浮出水面后接收和发送信息；油囊8位于本体1内浮力调节结构6后部。
本体1中轴线对称面两侧设置有电池舱4，电池舱4内排布多块锂电池，且分别为电子舱3内器件和其它各执行机构供电；抛载机构9位于电池舱4与浮力调节机构6之间，两个抛载机构9沿本体1中轴线对称分布，且固定连接在本体1下部，抛载机构9通过电磁开关控制，抛载机构9自行脱落以减轻质量；两电池舱4外侧对称布设有配重块2，用于稳定本体1配平重浮力；油囊8为不规则光滑体，油囊8位于本体1内的尾部，且通过浮力调节机构6调节油馕内油的体积进而改变浮力大小。
安装及使用过程
为保证滑翔器运动中的使用安全，各部件固定连接应稳定可靠。各部件和机构除抛载机构9外，均通过螺栓固定连接在本体1上。电子舱3安装在本体1内头部；为提高空间利用率，其表面贴合滑翔器头部曲面，内含上位机、下位机，距离、角度传感器，惯性导航电子器件。为有效调节滑翔器质心位置和浮力大小，质心调节机构固定于本体1中轴线靠前的位置，中轴线靠后为浮力调节机构6。为配合滑翔器逐渐变窄的尾部，浮力调节结构6的后段设计为圆台结构；油囊8为不规则光滑体，恰好包裹在本体1内。浮力调节机构6圆台上表部安装通讯天线7；保证当滑翔器上浮在水面时，通讯天线7完全露在水面之上，以便与地面通信建立连接。滑翔器纵对称面两侧对称布置有两电池舱4，内部设置多块锂电池，锂电池分别为电子舱3内器件和其它各执行机构供电。两个电池舱4和浮力调节机构6之间设有抛载机构9，两个抛载机构9沿纵对称面对称分布，正常航行时固定连接在滑翔器下部，突遇紧急情况时，控制电磁开关打开锁扣，抛载机构9自行脱落以减轻滑翔器质量。电池舱4外侧对称分布有两配重块2，起到稳定滑翔器，配平重浮力的作用，并为后续其余可安装机构预留位置。
如图4、图5、图6，本实施例在使用时，先导入仿生水下滑翔器所需完成的任务指令，将其平稳地投放入湖中或海中。滑翔器电子系统下达下潜指令，质心调节机构5通过移动内部质量块，将整机质心前移，同时浮力调节机构6将油囊8中的油吸入机构中，油囊8变瘪，滑翔器排水量减小，从而整机浮力减小；在重力和浮力的作用下，仿生水下滑翔器呈现低头姿态，因为重力大于浮力，在重力的作用下，滑翔器开始滑翔下潜。当深度传感器探测到滑翔器到达指定深度时，将深度信息传回电子舱3，电子系统下达上浮指令，此时，质心调节机构5同样通过移动内部质量块，将整机质心后移，同时浮力调节机构6将油排入油囊8中，油囊8鼓起，滑翔器排水量增加，从而整机浮力增大，质心、浮心相对位置如图，滑翔器呈现抬头姿态。由于此时浮力大于重力，在浮力的作用下，滑翔器开始上浮。当深度传感器探测到仿生水下滑翔机浮至浅水时，将深度信息传回电子舱3，电子系统下达下沉指令。如此循环往复，滑翔器在海洋中不断下潜，上浮，再下潜，再上浮，在水中不断滑翔前进。当滑翔器循环运动指定周期后，其上浮至水面并露出通讯天线7，与地面单位建立连接，从而可以返回位置、水文信息数据，同时也可接受新的指令，完成后继续按照周期运动继续在海洋中滑翔。在滑翔前进过程中，若滑翔器探测到航向与原有设定有偏差，或收到新指令需要改变航行时，电子系统会下达横滚指令，此时质心调节机构5将会调节整机质心侧偏，在重力与浮力的作用下，滑翔器产生一定的横滚角。此时，滑翔器在下潜或上浮的同时，便能进行机动转弯，从而调整航向。当突遇紧急情况，滑翔器出现无法上浮时，电子舱系统下达指令给抛载机构9进行紧急上浮。在电磁开关的控制下，电磁锁扣打开，抛载机构9抛出重物，在浮力的作用下仿生水下滑翔机迅速上浮至水面，通过通讯天线7与地面单位取得联系，报告自身位置、运转情况信息，等待打捞。所有过程均由电池舱4电池供电，保证能源供应。

Claims (3)

1.一种仿生扑翼水下滑翔器构型，包括本体、配重、电子舱、电池舱、质心调节机构、浮力调节机构、通讯天线、油囊和抛载机构，其特征在于:所述电子舱位于本体内头部，所述质心调节机构固定在本体内，且以本体轴线靠前的位置，浮力调节机构位于本体中轴线靠后的位置，浮力调节结构后段设有圆台，通讯天线固连在浮力调节机构圆台上部，通信天线用于主体浮出水面后接收和发送信息；油囊位于本体内浮力调节结构后部；
所述本体中轴线对称面两侧设置有电池舱，电池舱内排布多块锂电池，且分别为电子舱内器件和其它各执行机构供电；抛载机构位于电池舱与浮力调节机构之间，两个抛载机构沿本体中轴线对称分布，且固定连接在本体下部，抛载机构通过电磁开关控制，抛载机构自行脱落以减轻质量；两电池舱外侧对称布设有配重块，用于稳定本体配平重浮力。
2.根据权利要求1所述的仿生扑翼水下滑翔器构型，其特征在于:所述油囊为不规则光滑体，油囊位于本体内的尾部，且通过浮力调节机构调节油馕内油的体积进而改变浮力大小。
3.根据权利要求1所述的仿生扑翼水下滑翔器构型，其特征在于:所述本体与翼面光滑过渡，采用优化后的NACA00系列翼型为基础翼型，通过优化系统进行优化，将优化系统寻优得到的翼型作为仿生滑翔器的三维构型。
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