CN112124489B - 一种基于折叠翼的无人地效翼船 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于折叠翼的无人地效翼船，包括船体、主翼、垂直尾翼、水平尾翼、推进模块、控制模块和无线通信模块，所述主翼包括第一翼、第二翼、第三翼和液压伸缩杆，所述第一翼水平的固定安装在船体侧部，第二翼内侧通过转动副安装在第一翼外侧，第三翼内侧通过转动副安装在第二翼外侧，第三翼外侧设有尖侧板，所述液压伸缩杆水平的固定在第一翼上，液压伸缩杆的自由伸缩端通过铰链安装在第三翼的外侧，第三翼和第二翼长度相同，使得液压伸缩杆能保证在水平面自由伸缩，并且液压伸缩杆完全收回时，第三翼的尖侧板朝下；本发明通过折叠翼及主辅协同电力推进，兼顾水中多级速航行和地效高速航行两种航行模式的同时，大幅降低了工作能耗。

Description

一种基于折叠翼的无人地效翼船

技术领域

本发明属于水域及陆地平坦地形的无人巡视、监测、考察、测绘等领域，涉及一种地效翼船，具体涉及一种基于折叠翼的无人地效翼船。

背景技术

随着社会的发展、工作的复杂危险化，部分工作逐渐不适宜人工进行。在环境监测、测绘调查、安防救援、运输、清洁、军事等诸多的工作领域中，各式无人船、无人机应运而生。虽然无人船、无人机的大范围使用取得了传统人工工作所没有的优势，但两者在部分工作中也展现出一些不足之处。大范围的无人巡视、监测、考察、测绘等工作中，搭载相关仪器设备的无人船，普遍存在着低航速导致的工作效率低下、小船型导致抗风浪能力差等实际问题；并且由于其作为航行器的特性限制，无人船在草原、雪地、沼泽等陆上平坦地形条件下完全无法工作，对工作领域限制极大。而无人机应用于上述领域的大范围工作时，则存在着续航能力差、能耗较高、载重能力差、售价较高等问题；使用者还需获取驾驶资格证才能在工作中使用无人机；此外，部分地区为了规范无人机的使用还暂行了相关的管理办法，导致无人机的使用要求进一步提高。

现有无人地效翼船普遍具有着航速高、船型宽大、柴油发动机驱动螺旋桨提供动力等特点，在空旷水域的无人工作中较普通无人船、无人机的部分工作优势明显，但若是在船舶较为密集的水域、狭长的河道等区域工作时，由于其船型宽大导致的机动性差、利用地面效应高速航行对周围有气动干扰等缘故，多种无人工作无法有效进行；此外，该船以化石燃料供能，不利于 “绿色”工作；船型宽大，易受波浪拍击，材料使用寿命缩短；水中排水航行时速度优势无法展现。

发明内容

本发明要解决的问题：提供一种基于三段折叠翼无人地效翼船的设计，在部分无人工作中搭载相关设备仪器实现工作区域的拓宽、工作效率的提升、能耗的降低、航行性能的提高、使用和管理的简化，弥补部分工作中无人船和无人机的不足及现有无人地效翼船的缺陷。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案：

一种基于折叠翼的无人地效翼船，包括船体、主翼、垂直尾翼、水平尾翼、推进模块、控制模块和无线通信模块，其特征在于：两个主翼分别安装在船体两侧中部，所述垂直尾翼设于船体尾部，所述水平尾翼设于垂直尾翼顶部，所述主翼上设有主翼副翼，所述垂直尾翼上设有尾翼副翼；

所述主翼为三折叠翼，其包括第一翼、第二翼、第三翼和液压伸缩杆，所述第一翼水平的固定安装在船体侧部，第二翼内侧通过转动副安装在第一翼外侧，第三翼内侧通过转动副安装在第二翼外侧，第三翼外侧设有尖侧板，所述液压伸缩杆水平的固定在第一翼上，液压伸缩杆的自由伸缩端通过铰链安装在第三翼的外侧，第三翼和第二翼长度相同，使得液压伸缩杆能保证在水平面自由伸缩，并且液压伸缩杆完全收回时，第三翼的尖侧板朝下；

所述控制模块包括环境监测模块、航行姿态控制模块和航行推进控制模块，所述航行推进控制模块用于通过推进模块推进船体前进，所述环境监测模块用于监测当前船体所处环境，航行姿态控制模块用于通过主翼副翼和尾翼副翼调整飞行姿态，所述无线通信模块用于控制模块与外界进行指令或者信息通信交换。

作为改进，所述船体两侧前部分别设有片体，所述推进模块包括主推进装置和两个辅助推进装置，两个辅助推进装置对称的设置在船体的两个片体上，所述主推进装置设于垂直尾翼前的船体顶部中间。

作为改进，所述主推进装置和两个辅助推进装置均为涵道风扇，其中主推进装置的涵道风扇比辅助推进装置的涵道风扇直径大。

作为改进，所述第二翼外侧顶部设有用于遮住第二翼与第三翼连接处的主翼遮罩。

作为改进，所述第一翼外侧底部设有用于遮住第一翼与第二翼连接处的主翼遮罩。

作为改进，所述船体采用虾型结构，船体前宽后窄；船底设计为平整；船首抬高；片体部分的船体进行向内缩短。

作为改进，所述主翼的第三翼上设有主翼副翼，主翼副翼一端通过转动副安装在第三翼上，另一端通过液压杆与第三翼相连，通过液压缸调整主翼副翼与第三翼的夹角，从而改变飞行模型的俯仰姿态；所述垂直尾翼上设有尾翼副翼，通过尾翼副翼的旋转，改变飞行状态的左右姿态。

作为改进，所述航行推进控制模块包括远程控制端、船载接收控制端、电子调速器和无刷电机，远程控制端发出PWM信号，船载接收控制端接收并传递给电子调速器处理，电子调速器带动无刷电机，无刷电机带动涵道风扇的扇叶工作，扇叶旋转速度的变化致使航速发生改变。

作为改进，所述的航行姿态控制包括远程控制端和船载接收端，远程控制端发出脉宽调制信号，船载接收端接收信号做出相应指令带动主翼副翼和尾翼副翼工作，实现船体的转向。

作为改进，所述环境监测模块包括移动侦测相机、图传相机、语音双向传输模块、红外热成像相机和彩色可见光相机，所述语音双向传输模块包括麦克风和播音喇叭，所述无线通信模块采用2G、3G、4G和5G进行通信，其中声音和控制信息通过2G、3G或4G通信，图传通过4G或5G通信。

本发明的有益效益：

本发明利用无人地效翼船，基于三段折叠翼，能够以更高的工作效率、更低的能耗、更佳的航行性能，兼顾水中多级速航行和地效高速航行两种航行模式，完成部分无人船、无人机关于水域和陆地平坦地形的巡视、监测、考察、测绘等工作；益于工业生产及环境保护，并减少无人船、无人机工作设备的种类和数量，简化上述工作领域中无人工作设备的统一管理和使用，取得社会、环境、经济等多重效益。

附图说明

图1为本发明实施例无人地效翼船的主翼展开的立体结构示意图。

图2为本发明实施例船底部的立体结构示意图。

图3为本发明实施例主翼三段折叠的立体结构示意图。

图4为本发明实施例主翼三段折叠翼机械结构示意图。

图5为本发明实施例主翼三段折叠原理示意图。

图6为本发明实施例主翼副翼摆动机械结构示意图。

图中：1-主翼，101-第一翼，102-第二翼，103-第三翼，104-主翼副翼，105-尖侧板，2-船体，3-垂直尾翼，301-尾翼副翼，4-水平尾翼，5-液压伸缩杆，6-辅助推进装置，7-主推进装置，8-集成摄像头，10-液压杆，11-片体，12-主翼遮罩，13-转动副。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下文将结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1至图6所示，一种基于折叠翼的无人地效翼船，包括船体2、主翼1、垂直尾翼3、水平尾翼4、推进模块、控制模块和无线通信模块，两个主翼1分别安装在船体2两侧中部，所述垂直尾翼3设于船体2尾部，所述水平尾翼4设于垂直尾翼3顶部，所述主翼1上设有主翼副翼104，所述垂直尾翼3上设有尾翼副翼301；

如图4和图5所示，所述主翼1为三折叠翼，其包括第一翼101、第二翼102、第三翼103和液压伸缩杆5，所述第一翼101水平的固定安装在船体2侧部，第二翼102内侧通过转动副安装在第一翼101外侧，第三翼103内侧通过转动副安装在第二翼102外侧，第三翼103外侧设有尖侧板105，所述液压伸缩杆5水平的固定在第一翼101上，液压伸缩杆5的自由伸缩端通过铰链安装在第三翼103的外侧，第三翼103和第二翼102长度相同，使得液压伸缩杆5能保证在水平面自由伸缩，并且液压伸缩杆5完全收回时，第三翼103的尖侧板105朝下；

所述控制模块包括环境监测模块、航行姿态控制模块和航行推进控制模块，所述航行推进控制模块用于通过推进模块推进船体2前进，所述环境监测模块用于监测当前船体2所处环境，航行姿态控制模块用于通过主翼副翼104和尾翼副翼301调整飞行姿态，所述无线通信模块用于控制模块与外界进行指令或者信息通信交换。

本发明船体2通过对现有高航速的F1摩托艇外形设计为适应地面效应本发明对其进行大幅改进，船体2设计成前宽后窄的虾型；船体2底部设计成较为平整的形状；船首适当抬高；片体部分的船体2进行适当缩短处理。该设计不仅减少了水中航行时船体2受到的阻力，在利用地面效应航行时也能够维持稳定的船身。

所述主翼1的第三翼103上设有主翼副翼104，主翼副翼104一端通过转动副安装在第三翼103上，另一端通过液压杆10与第三翼103相连，通过液压杆10的伸缩调整主翼副翼104与第三翼103的夹角，从而改变飞行模型的俯仰姿态；所述垂直尾翼上设有尾翼副翼301，通过尾翼副翼301的旋转，改变飞行状态的左右姿态，尾翼副翼301的旋转采用常规结构，比如舵机通过减速机构带动尾翼副翼301旋转，具体安装方式为公知常识，当然为了增加尾翼副翼301的稳定性，可以采用带自锁功能的减速机构，比如蜗轮蜗杆减速机。

主翼1截面与固定翼飞机的主翼1截面相似，航行时的机翼上下空气流速不同，产生压力差，进而机翼产生升力。通过主翼1的三段对称向内折叠（如图3所示）及推进装置的调节实现航行模式的切换。主翼1翼的尖侧板105用以增加主翼1三段折叠后摆脱地面效应降落时的缓冲时间、水中航行时的横稳性和削弱利用地面效应航行时的翼尖涡流影响。主翼1的副翼通过调整摆动角度造成主翼1上下表面产生压力差，主翼1由此产生一对力偶；垂直尾翼3的副翼也进行相应摆动使位于船尾的垂直尾翼3左右产生压力差，受到一个方向力，两者共同调控船体2转向。水平尾翼4远离地面效应范围，保持船身在产生地面效应后的稳定。

所述推进模块的推进方式包括主辅协同电力推进，主推进装置7位于船顶部靠近船尾，辅助推进装置6对称分布于船首片体上。实现的水中多级速航行和地效高速航向两种航行模式，其特征在于；

所述的无人地效翼船，由电力驱动三个涵道风扇作为推进动力来源，两个50mm涵道风扇位于两片体上部，作为辅助推进装置6；一个64mm涵道风扇位于船顶部靠近船尾，作为主推进装置7；

当主翼1三段折叠时，在三个涵道风扇的共同作用下，水中航行可以获得极高的航速，通过对涵道风扇的工作数量以及工作强度进行调节，实现水中多级速航行；

当主翼1展开时（如图1所示），启动三个涵道风扇后，船体2能够在较短时间内获得较高的航速，主翼1由此产生一定的升力，借助使主翼1折叠处的主翼遮罩12，可以大幅削弱由三段主翼1分开产生升力不足的问题，待无人地效翼船升起至合适的高度后，控制端发出逐渐减小辅助推进装置6工作强度直至关闭的信号指令，由于产生地面效应，船体2受到额外的升力，仅依靠船体2后部上方的涵道风扇作为推进动力来源依然可完成近水面的高速航行，实现地效高速航行；

当所述的无人地效翼船需要从上述状态降落时，通过主翼1三段折叠的方式，导致升阻比陡然减小，快速摆脱地面效应，在降落至水面时，折叠后的翼尖侧板105与水面接触可起到增加缓冲时间及横稳性的作用，实现快速且平稳的降落。

所述的主翼1三段折叠通过液压伸缩杆5的伸缩运动实现，如图4、图5所示。保证了折叠过程的稳定，以及展开主翼1时主翼1的整体强度。所述的两种航行模式包括水中多级速航行、地效高速航行。水中多级速航行时，主翼1保持三段折叠状态；地效高速航行时，主翼1保持展开状态。

所述的船体2控制部分包括航行姿态控制、航行推进控制；

航行姿态控制包括远程控制端、船载接收端、数据处理端。远程控制端包括图像显示器和发出PWM信号的操控装置；当航行至视线范围之外时，集成摄像头8的回传图像显示器辅助使用者通过操控装置发出合适的指令；船载接收端为一个具有多个PWM信号通道的接收装置，用以远距离接收多个发出的操控指令；数据处理端包括控制器、液压杆10和控制尾翼副翼的舵机，控制器通过控制液压杆10的伸缩长短，调整主翼副翼104的角度，通过控制舵机的旋转调整尾翼副翼301的角度，从而达到调整航行姿态的目的（如图6所示），此外，用以上述供电的电池为两组锂电池组，一组用于船体2前部涵道风扇、电调、所有舵机工作，一组用于船体2后部上方涵道风扇及其电调的工作；

航行推进控制包括两个50mm涵道风扇、一个64mm涵道风扇，电调控制单位时间内电流通过时间与切断时间的比例，实现对涵道风扇的工作强度、工作数量的调节。

所述的无线数据实时传输部分包括移动侦测相机、图传相机、语音双向传输模块、红外热成像相机、彩色可见光相机。通过集成高清摄像头实现上述目的，移动侦测用于侦测镜头捕捉范围内的移动事物，作为存放的安保措施。所述语音双向传输模块包括麦克风和播音喇叭，所述无线通信模块采用2G、3G、4G和5G进行通信，其中声音和控制信息通过2G、3G或4G通信，图传通过4G或5G通信。5G网络实时图像数据传输用以辅助远程操控，当工作范围超出视线范围时也可以准确给予指令；图像录制作为航行记录仪，用以保存留档拍摄内容便于核查相关信息；语音双向传输，用以对实时拍摄的不当行为进行警告或实现远距离的简单实时通信。红外热成像用以进行夜间清晰拍摄。彩色可见光相机用于光线条件合适情况下的彩色拍摄，实现精准拍摄。

本发明提供一种基于三段折叠翼无人地效翼船的设计，为部分领域提供了一种全新的无人工作搭载平台解决方案。本发明通过折叠翼及主辅协同电力推进，兼顾水中多级速航行和地效高速航行两种航行模式的同时，大幅降低了工作能耗；搭载相应的设备仪器，可以以更高的工作效率和更优的航行性能胜任水域或陆地平坦地形的无人巡视、监测、考察、测绘等多种工作；对部分无人船、无人机设备进行替代，并简化相应无人工作设备的使用和管理；利用基于5G图像回传技术的红外热成像相机和彩色可见光相机实现日夜工作中低延时的精准拍摄和图像回传。

以上实例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术工作人员能够了解本发明的内容，并据以实施，本发明的保护范围不限于上述示例。所以，凡依据本发明所揭示的工作原理、设计思路所作的等同变换或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于折叠翼的无人地效翼船，包括船体、主翼、垂直尾翼、水平尾翼、推进模块、控制模块和无线通信模块，其特征在于：两个主翼分别安装在船体两侧中部，所述垂直尾翼设于船体尾部，所述水平尾翼设于垂直尾翼顶部，所述主翼上设有主翼副翼，所述垂直尾翼上设有尾翼副翼；

所述主翼为三折叠翼，其包括第一翼、第二翼、第三翼和液压伸缩杆，所述第一翼水平的固定安装在船体侧部，第二翼内侧通过转动副安装在第一翼外侧，第三翼内侧通过转动副安装在第二翼外侧，第三翼外侧设有尖侧板，所述液压伸缩杆水平的固定在第一翼上，液压伸缩杆的自由伸缩端通过铰链安装在第三翼的外侧，第三翼和第二翼长度相同，使得液压伸缩杆能保证在水平面自由伸缩，并且液压伸缩杆完全收回时，第三翼的尖侧板朝下；

所述控制模块包括环境监测模块、航行姿态控制模块和航行推进控制模块，所述航行推进控制模块用于通过推进模块推进船体前进，所述环境监测模块用于监测当前船体所处环境，航行姿态控制模块用于通过主翼副翼和尾翼副翼调整飞行姿态，所述无线通信模块用于控制模块与外界进行指令或者信息通信交换。

2.如权利要求1所述基于折叠翼的无人地效翼船，其特征在于：所述船体两侧前部分别设有片体，所述推进模块包括主推进装置和两个辅助推进装置，两个辅助推进装置对称的设置在船体的两个片体上，所述主推进装置设于垂直尾翼前的船体顶部中间。

3.如权利要求2所述基于折叠翼的无人地效翼船，其特征在于：所述主推进装置和两个辅助推进装置均为涵道风扇，其中主推进装置的涵道风扇比辅助推进装置的涵道风扇直径大。

4.如权利要求3所述基于折叠翼的无人地效翼船，其特征在于：所述第二翼外侧顶部设有用于遮住第二翼与第三翼连接处的主翼遮罩。

5.如权利要求3所述基于折叠翼的无人地效翼船，其特征在于：所述第一翼外侧底部设有用于遮住第一翼与第二翼连接处的主翼遮罩。

6.如权利要求4所述基于折叠翼的无人地效翼船，其特征在于：所述船体采用虾型结构，船体前宽后窄；船底设计为平整；船首抬高；片体部分的船体进行向内缩短。

7.如权利要求6所述基于折叠翼的无人地效翼船，其特征在于：所述主翼的第三翼上设有主翼副翼，主翼副翼一端通过转动副安装在第三翼上，另一端通过液压杆与第三翼相连，通过液压缸调整主翼副翼与第三翼的夹角，从而改变飞行模型的俯仰姿态；所述垂直尾翼上设有尾翼副翼，通过尾翼副翼的旋转，改变飞行状态的左右姿态。

8.如权利要求7所述基于折叠翼的无人地效翼船，其特征在于：所述的航行推进控制模块包括远程控制端、船载接收控制端、电子调速器和无刷电机，远程控制端发出PWM信号，船载接收控制端接收并传递给电子调速器处理，电子调速器带动无刷电机，无刷电机带动涵道风扇的扇叶工作，扇叶旋转速度的变化致使航速发生改变。

9.如权利要求8所述基于折叠翼的无人地效翼船，其特征在于：所述的航行姿态控制包括远程控制端和船载接收端，远程控制端发出脉宽调制信号，船载接收端接收信号做出相应指令带动主翼副翼和尾翼副翼工作，实现船体的转向。

10.如权利要求8所述基于折叠翼的无人地效翼船，其特征在于：所述环境监测模块包括移动侦测相机、图传相机、语音双向传输模块、红外热成像相机和彩色可见光相机，所述语音双向传输模块包括麦克风和播音喇叭，所述无线通信模块采用2G、3G、4G和5G进行通信，其中声音和控制信息通过2G、3G或4G通信，图传通过4G或5G通信。

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