CN112660347A - 一种节能式水下滑翔机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节能式水下滑翔机。本发明包括壳体结构、机翼结构和外接通讯设备。壳体结构包括首部导流罩、浮力控制舱、电源供电舱、电路控制舱和电机驱动舱，各个舱体之间通过支撑板隔开；左右机翼结构、上下机翼结构均采用节能式传动和角度调节机构，将该新型节能式传动和角度调节机构应用于滑翔机的左右机翼结构、上下机翼结构中，可使左右机翼结构、上下机翼结构分别在左右电机、上下电机的驱动下旋转至固定角度；同时通过该新型节能式传动和角度调节机构，能够使机翼在电机不工作的情况下不受洋流压力的影响，锁死在固定角度，从而使滑翔机能够在水下平稳滑翔；同时采用左右机翼结构、上下机翼结构两对机翼来保障滑翔机的滑翔功能。

Description

一种节能式水下滑翔机

技术领域

本发明属于水下滑翔机和海洋环境监测领域，具体涉及一种节能式水下滑翔机。

背景技术

水下滑翔机又称为水下滑翔机器人，是上世纪90年代发展起来的一种新型水下无人潜器。作为一种新型水下无人航行器，水下滑翔机借助于浮力驱动方式，对自身重心和浮力进行调节，在水中作锯齿形运动。水下滑翔机在军事和民用方面具有十分广泛的应用，是人类开发海洋的重要工具，水下滑翔机能够通过遥控或自主操作方式在水下移动完成某些特定任务。相比科考船拖曳探测设备，使用水下滑翔机进行海洋资源的探测，效率和安全性大大得以提高，而且还能深入危险水域进行长时间作业。而近年来，水下滑翔机的技术研究在基础性技术(包括智能控制、水下目标检测与识别技术、传感器与信息融合技术等)、能源技术、自主导航、协同合作规划以及模块优化设计等领域取得了突破性进展，使得其应用优势得以进步彰显。

但仍需要指出能耗问题依然是水下滑翔机应用的瓶颈技术难题。由于水下滑翔机自身携带的电池容量有限，以及环流对于工作效率和能量消耗的强烈影响，能源限制依然限制着水下滑翔机在长期观测或监视任务的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种节能式水下滑翔机，克服当前水下滑翔机耗电大、操纵复杂、工作时间短以及航程短的缺点。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种节能式水下滑翔机，包括壳体结构、机翼结构和外接通讯设备。

壳体结构包括首部导流罩、浮力控制舱、电源供电舱、电路控制舱和电机驱动舱，各个舱体之间通过支撑板隔开；

左右机翼结构、上下机翼结构均采用节能式传动和角度调节机构，将该新型节能式传动和角度调节机构应用于滑翔机的左右机翼结构、上下机翼结构中，可使左右机翼结构、上下机翼结构分别在左右电机、上下电机的驱动下旋转至固定角度；同时通过该新型节能式传动和角度调节机构，能够使机翼在电机不工作的情况下不受洋流压力的影响，锁死在固定角度，从而使滑翔机能够在水下平稳滑翔；同时采用左右机翼结构、上下机翼结构两对机翼来保障滑翔机的滑翔功能：当滑翔机进行滑翔的时候，其中一对机翼进行方向控制，另一对机翼保持机身稳定；左右机翼结构、上下机翼结构在布置设计时上下错开并分别由两个舵机进行控制，使左右机翼结构、上下机翼结构在工作时互不干扰，同时每个自由度都有动力装置驱动。

进一步的，外接通讯设备主要采用外接天线进行信号传输与发送。

进一步的，壳体结构为双层壳体结构，内层耐压壳为舱内的仪器设备提供水密空间，并且抵抗外部海水压力，外层壳体的作用则是降低阻力，优化流体性能。

进一步的，针对左右机翼结构、上下机翼结构，该节能式机翼传动和角度调节机构的结构如下：通过N对齿轮将左右电机、上下电机的转矩通过联轴器传递给机翼转动轴，同时利用丝杆机构对靠近机翼一侧的双向棘轮进行锁死，丝杆机构由杆体、丝杆组成；双向棘轮齿部与杆体通过齿部锁死起到固定机翼角度的作用；通过锁死能够使左右电机、上下电机在停止工作的状态下，左右机翼结构、上下机翼结构仍然保持固定的角度来维持滑翔机的滑翔工作，以此节省大量的电能消耗，起到节能的作用。

进一步的，针对滑翔机翼板丝杆锁死机构的结构如下：杆体的上下移动由锁死机构小电机进行驱动；杆体由丝杆螺母座与丝杆相套，丝杆由光杆顶部支座和光杆底部支座通过丝杆机构壳体固定。

进一步的，针对壳体结构，水下滑翔机的壳体整体布局如下：

首先，首部导流罩位于机体前部，为椭圆形剖面，末端与下一舱室连接；

其次，浮力控制舱与首部导流罩末端相连，浮力控制舱内有液压系统和油囊结构，通过改变油囊的排水体积来调节滑翔机重力与浮力的相对大小关系；

然后，电源供电舱与浮力控制舱末端相连，电源供电舱用于放置可供滑翔机续航的足够电池组；且将重量较大的电池组安排在滑翔机重心下部；

再然后，电路控制舱与电源供电舱末端相连，电路控制舱内有大量控制元件和电路元件，用来实现整个滑翔机的控制功能；采用嵌入式休眠模式的驱动电路系统与电机启停控制系统，并结合节能式翼板的设计，最大程度上达到滑翔机的低功耗状态；当翼板角度不需要调节时启动电路休眠系统，使电路停止对电机的控制，同时启动电机启停系统，使电机不再转动，减少能耗；以单片机为核心，通过保持继电器控制传感器和通信模块的供电状态，减少待机功耗，继而达到低功耗的目的；

最后，电机驱动舱与电路控制舱末端相连，电机驱动舱放置有左右电机、上下电机和节能式机翼传动和角度调节机构。

本发明的有益说明：

1.克服传统水下滑翔机的耗能而导致的续航能力差缺点，设计一种节能式机翼结构。为保障水下滑翔机具有可靠的滑翔功能，为该滑翔机设计两对翼板，通过调节翼板对滑翔式潜标的移动进行控制。当滑翔机进行移动的时候，其中一对翼板进行方向控制，另一对翼板使机身保持稳定。并利用丝杆锁死机构固定机翼，使电机在停止运转的状态下，机翼依旧保持并稳定在固定的调整角度，使滑翔机在深海压力下依旧保持平稳滑翔。

2.为使该滑翔机拥有更好的节能效果，采用具有休眠功能的驱动电路系统与电机启停控制系统。解决了水下滑翔机的电力局限性与长时间续航之间的矛盾，以适应节能特殊电机驱动器的有效利用。当翼板角度不需要调节时启动电路休眠系统，使电路停止对电机的控制，同时启动电机启停系统，使电机不再转动，减少能耗，并结合节能式翼板的设计，可最大程度上达到滑翔机的低功耗状态。

3.通过对大量的电池组等重量较大的组件进行合理布局安排，可以维持潜标在竖直方向的稳定，同时协调液压系统改变潜标内部的密度和重量，可以使外接通讯设备始终朝向向上，有利于返航式潜标进行有效准确的通讯。

附图说明

图1为滑翔机俯视图；

图2为滑翔机内部结构示意图；

图3为滑翔机机翼翼板结构示意图；

图4为滑翔机节能式机翼传动与角度调节机构示意图；

图5为滑翔机翼板丝杆锁死机构示意图。

图中，1-外接通讯设备，2-左右机翼，3-首部导流罩，4-滑翔机壳体，5-上下机翼，6-左右机翼电机，7-电机驱动舱，8-电路控制舱，9-支撑板，10-浮力控制舱，11-电源供电舱，12-上下机翼电机，13-锁死机构联轴器，14-丝杆机构壳体，15-双向棘轮，16-驱动齿轮对，17-机翼转动轴，18-机翼转动轴联轴器，19-杆体，20-丝杆，21-锁死机构小电机，22-光杆顶部支座，23-光杆底部支座，24-丝杆螺母座。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明作进一步描述。此处所描述的具体实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种节能式水下滑翔机，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，节能式水下滑翔机包括壳体结构4、左右机翼结构2、上下机翼结构5和外接通讯设备1。

本发明节能式水下滑翔机的整体布局如图2所示：

壳体结构4包括首部导流罩3、浮力控制舱10、电源供电舱11、电路控制舱8和电机驱动舱7，各个舱体之间通过支撑板9隔开。

其中，左右机翼结构2、上下机翼结构5均采用节能式传动和角度调节机构，将该新型节能式传动和角度调节机构应用于滑翔机的左右机翼结构2、上下机翼结构5中，可使左右机翼结构2、上下机翼结构5分别在左右电机6、上下电机12的驱动下旋转至固定角度；同时通过该新型节能式传动和角度调节机构，能够使机翼在电机不工作的情况下不受洋流压力的影响，锁死在固定角度，从而使滑翔机能够在水下平稳滑翔。同时采用左右机翼结构2、上下机翼结构5两对机翼来保障滑翔机的滑翔功能：当滑翔机进行滑翔的时候，其中一对机翼进行方向控制，另一对机翼保持机身稳定。左右机翼结构2、上下机翼结构5在布置设计时上下错开并分别由两个舵机进行控制，使左右机翼结构2、上下机翼结构5在工作时互不干扰，同时每个自由度都有动力装置驱动。

其中，机翼翼板结构如图3所示。机翼翼板模仿船桨的造型设计，相较于机翼结构，翼板结构可以更好的通过水流的压力推动滑翔机的移动。同时宽大的翼板造型也可以更好的让滑翔机在水下滑翔时保持平衡。

进一步的，外接通讯设备1主要采用外接天线进行信号传输与发送。为保障返航式潜标在上浮到水面时有利于通讯信号的发射和接受，需要保证外接通讯装备充分浮出水面。由于大量的锂电池组布置在潜标的下部使潜标的重心在下，可以维持潜标在竖直方向的稳定，同时协调液压系统改变潜标内部的密度和重量，可以使外接通讯设备始终朝向向上，因此，只需将外接通讯设备放置在滑翔机尾部即可实现通讯功能。

进一步地，壳体结构4为双层壳体结构，内层耐压壳为舱内的仪器设备提供水密空间，并且抵抗外部海水压力，外层壳体的作用则是降低阻力，优化流体性能，在长时间的深海航行中效益更高。同时壳体材料选择高强度耐压抗腐蚀材料，且表面涂有减阻材料，机体外型采用水滴型回转体线型。

进一步地，针对壳体结构4，水下滑翔机的壳体整体布局如下：

首先，首部导流罩3位于机体前部，为椭圆形剖面，有利于加工，末端与下一舱室连接。

其次，浮力控制舱10与首部导流罩3末端相连，浮力控制舱10内有液压系统和油囊结构，通过改变油囊的排水体积来调节滑翔机重力与浮力的相对大小关系。改变油囊体积的方式是通过高压泵向油囊内部注入或者抽出液体来实现，液体采用特制的油，在调节滑翔机净浮力的同时也能更好地保持其方向稳定性。

然后，电源供电舱11与浮力控制舱10末端相连，电源供电舱11用于放置可供滑翔机续航的足够电池组。将重量较大的电池组安排在滑翔机重心下部，可以更好的维持滑翔机的平衡。

其次，电路控制舱8与电源供电舱11末端相连，电路控制舱204内有大量控制元件和电路元件，用来实现整个滑翔机的控制功能。采用嵌入式休眠模式的驱动电路系统与电机启停控制系统，并结合节能式翼板的设计，可最大程度上达到滑翔机的低功耗状态。当翼板角度不需要调节时启动电路休眠系统，使电路停止对电机的控制，同时启动电机启停系统，使电机不再转动，减少能耗。以单片机为核心，通过磁保持继电器控制传感器和通信模块的供电状态，减少待机功耗，继而达到低功耗的目的。

最后，电机驱动舱7与电路控制舱8末端相连，电机驱动舱7放置有左右电机6、上下电机12和节能式机翼传动和角度调节机构。

进一步地，如图4和图5所示，针对左右机翼结构2、上下机翼结构5，该节能式机翼传动和角度调节机构的结构如下：通过N对齿轮16将左右电机6、上下电机12的转矩通过联轴器18传递给机翼转动轴17，同时利用丝杆机构(杆体19、丝杆20)对靠近机翼一侧的双向棘轮15进行锁死，双向棘轮15齿部与杆体19通过齿部锁死起到固定机翼角度的作用。通过锁死能够使左右电机6、上下电机12在停止工作的状态下，左右机翼结构2、上下机翼结构5仍然保持固定的角度来维持滑翔机的滑翔工作，以此可节省大量的电能消耗，使该滑翔机拥节能的优点。

进一步地，如图5所示，针对滑翔机翼板丝杆锁死机构的结构如下：杆体19的上下移动由锁死机构小电机21进行驱动。杆体19由丝杆螺母座24与丝杆相套，丝杆由光杆顶部支座22和光杆底部支座23通过丝杆机构壳体14固定。

Claims (6)

1.一种节能式水下滑翔机，其特征在于包括节能式水下滑翔机包括壳体结构、左右机翼结构、上下机翼结构和外接通讯设备；

壳体结构包括首部导流罩、浮力控制舱、电源供电舱、电路控制舱和电机驱动舱，各个舱体之间通过支撑板隔开；

左右机翼结构、上下机翼结构均采用节能式传动和角度调节机构，将该新型节能式传动和角度调节机构应用于滑翔机的左右机翼结构、上下机翼结构中，可使左右机翼结构、上下机翼结构分别在左右电机、上下电机的驱动下旋转至固定角度；同时通过该新型节能式传动和角度调节机构，能够使机翼在电机不工作的情况下不受洋流压力的影响，锁死在固定角度，从而使滑翔机能够在水下平稳滑翔；同时采用左右机翼结构、上下机翼结构两对机翼来保障滑翔机的滑翔功能：当滑翔机进行滑翔的时候，其中一对机翼进行方向控制，另一对机翼保持机身稳定；左右机翼结构、上下机翼结构在布置设计时上下错开并分别由两个舵机进行控制，使左右机翼结构、上下机翼结构在工作时互不干扰，同时每个自由度都有动力装置驱动。

2.根据权利要求1所述的一种节能式水下滑翔机，其特征在于外接通讯设备主要采用外接天线进行信号传输与发送。

3.根据权利要求1所述的一种节能式水下滑翔机，其特征在于壳体结构为双层壳体结构，内层耐压壳为舱内的仪器设备提供水密空间，并且抵抗外部海水压力，外层壳体的作用则是降低阻力，优化流体性能。

4.根据权利要求2所述的一种节能式水下滑翔机，其特征在于针对左右机翼结构、上下机翼结构，该节能式机翼传动和角度调节机构的结构如下：通过N对齿轮将左右电机、上下电机的转矩通过联轴器传递给机翼转动轴，同时利用丝杆机构对靠近机翼一侧的双向棘轮进行锁死，丝杆机构由杆体、丝杆组成；双向棘轮齿部与杆体通过齿部锁死起到固定机翼角度的作用；通过锁死能够使左右电机、上下电机在停止工作的状态下，左右机翼结构、上下机翼结构仍然保持固定的角度来维持滑翔机的滑翔工作，以此节省大量的电能消耗，起到节能的作用。

5.根据权利要求3所述的一种节能式水下滑翔机，其特征在于

针对滑翔机翼板丝杆锁死机构的结构如下：杆体的上下移动由锁死机构小电机进行驱动；杆体由丝杆螺母座与丝杆相套，丝杆由光杆顶部支座和光杆底部支座通过丝杆机构壳体固定。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种节能式水下滑翔机，其特征在于针对壳体结构，水下滑翔机的壳体整体布局如下：

首先，首部导流罩位于机体前部，为椭圆形剖面，末端与下一舱室连接；

其次，浮力控制舱与首部导流罩末端相连，浮力控制舱内有液压系统和油囊结构，通过改变油囊的排水体积来调节滑翔机重力与浮力的相对大小关系；

然后，电源供电舱与浮力控制舱末端相连，电源供电舱用于放置可供滑翔机续航的足够电池组；且将重量较大的电池组安排在滑翔机重心下部；

再然后，电路控制舱与电源供电舱末端相连，电路控制舱内有大量控制元件和电路元件，用来实现整个滑翔机的控制功能；采用嵌入式休眠模式的驱动电路系统与电机启停控制系统，并结合节能式翼板的设计，最大程度上达到滑翔机的低功耗状态；当翼板角度不需要调节时启动电路休眠系统，使电路停止对电机的控制，同时启动电机启停系统，使电机不再转动，减少能耗；以单片机为核心，通过保持继电器控制传感器和通信模块的供电状态，减少待机功耗，继而达到低功耗的目的；

最后，电机驱动舱与电路控制舱末端相连，电机驱动舱放置有左右电机、上下电机和节能式机翼传动和角度调节机构。

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