CN113086139A - 一种无人水翼航行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无人水翼航行器，包括：浮体、连接件、动力系统和任务载荷；所述连接件与所述浮体固定连接，所述动力系统设于所述连接件上且设于水面下，所述动力系统用于提供驱动力，所述任务载荷用于侦测水下和/或水上的信息或携带负载。本发明公开的无人水翼航行器，以运动时的水翼升力与重力平衡，在推进器作用下实现航行，在航行时，浮体脱离水面，使阻力降低，同时降低波浪对无人水翼航行器的干扰，可以有效提高无人水翼航行器的稳定性。通过任务载荷，同时对水面和水下进行侦测或携带负载。

Description

一种无人水翼航行器

技术领域

本发明涉及水域监控领域，尤其涉及一种无人水翼航行器。

背景技术

在港口、船队驻泊及其他特定水域，需要对水上和水下的情况进行监控，如人员泅渡、船运或无人艇等从水面上接近的方式，或水下潜器、蛙人等从水下接近的方式。

目前，在港口安防领域，一般是通过雷达和视频对水面进行过监控，通过定点安置声呐或防护网对水下进行监控或阻拦。

但现有的防控方式部署时间周期长，成本高，而且，灵活性差，一旦布设完成，扩张或变更，仍需要较高的时间和经济成本。

发明内容

本发明提供一种无人水翼航行器，以解决上述问题。

一种无人水翼航行器，包括：浮体、连接件、动力系统和任务载荷；

所述连接件与所述浮体固定连接，所述动力系统设于所述连接件上且设于水面下，所述动力系统用于提供驱动力，所述任务载荷用于侦测水下和/或水上的信息或携带负载。

进一步地，所述动力系统包括水翼和推进器；

所述水翼设于所述连接件上，用于提供升力；

所述推进器设于所述连接件上，所述推进器后方设有第一舵板和第二舵板，所述第一舵板和第二舵板相互垂直。

进一步地，所述推进器包括壳体，所述壳体内设有第一转轴和第二转轴，所述第一舵板设于第一转轴上，所述第二舵板设于第二转轴上；

所述第一转轴与所述推进器之间的距离小于所述第二转轴与所述推进器之间的距离，所述第一舵板包括第一板件和第二板件，所述第一板件和第二板件设于同一平面内，所述第二转轴设于所述第一板件和第二板件之间。

进一步地，所述动力系统包括水翼，所述水翼包括第一水翼、第二水翼和水翼连杆，所述水翼连杆一端与所述第一水翼连接，另一端与所述第二水翼连接。

进一步地，所述动力系统包括水翼和至少两个推进器，所述水翼设于所述连接件上，所述推进器对称设于所述水翼的两端，所述推进器的后方设有舵板。

进一步地，所述连接件呈杆状，所述连接件的横截面呈流线型。

进一步地，所述动力系统包括水翼和至少三个推进器，所述水翼设于所述连接件上，所述水翼的两端分别设有至少一个所述推进器，且所述连接件上至少设有一个所述推进器。

进一步地，所述动力系统还包括至少三个推进器，所述第一水翼或第二水翼的两端分别设有至少一个所述推进器，且所述连接件上至少设有一个所述推进器。

进一步地，所述动力系统还包括至少两个推进器，所述推进器设于所述第一水翼或第二水翼的两端。

进一步地，所述推进器后设有舵板。

进一步地，所述动力系统还包括推进器，所述推进器设于所述连接件上，所述推进器后方设有第一舵板和第二舵板，所述第一舵板和第二舵板相互垂直。

进一步地，所述第一水翼和第二水翼在同一平面内，或所述第一水翼所在平面高于所述第二水翼所在平面，或所述第一水翼所在平面低于所述第二水翼所在平面。

进一步地，所述浮体包括本体、设于本体内的供能系统和控制器，所述供能系统用于给所述动力系统、任务载荷和控制器提供能量，所述本体上设有传感器和通讯部。

进一步地，所述供能系统包括电池，所述本体内设有电池仓，所述电池仓内设有滑轨，所述滑轨的方向与所述无人水翼航行器的行进方向相同，所述电池通过滑块安装在所述滑轨上，所述电池仓内设有调整电机，所述调整电机驱动所述电池沿所述滑轨滑动。

进一步地，所述任务载荷包括声呐和云台，所述声呐设于所述连接件的下端，所述云台设于所述浮体上。

进一步地，所述推进器为螺旋桨。

本发明公开的无人水翼航行器，以运动时的水翼升力与重力平衡，在推进器作用下实现航行，在航行时，浮体脱离水面，使阻力降低，同时降低波浪对无人水翼航行器的干扰，可以有效提高无人水翼航行器的稳定性。通过任务载荷，可以同时对水面和水下进行侦测或携带负载。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中公开的一种无人水翼航行器结构示意图；

图2为本发明实施例1中公开的动力系统结构剖视图；

图3为本发明实施例1中公开的动力系统后视图；

图4为本发明实施例2中公开的一种无人水翼航行器结构示意图；

图5为本发明实施例3中公开的一种无人水翼航行器结构示意图；

图6为本发明实施例1中的连接件剖视图；

图7为本发明实施例1中的浮体剖视图；

图8为本发明实施例4中公开的一种无人水翼航行器结构示意图；

图9为本发明实施例4中公开的一种无人水翼航行器结构主视示意图；

图10为本发明实施例5中公开的一种无人水翼航行器结构示意图；

图11为本发明实施例6中公开的一种无人水翼航行器结构示意图；

图12为本发明实施例7中公开的一种无人水翼航行器结构示意图；

图13为本发明实施例8中公开的一种无人水翼航行器结构示意图；

图14为本发明实施例9中公开的一种无人水翼航行器结构示意图；

图15为本发明实施例10中公开的一种无人水翼航行器结构示意图；

图16为本发明实施例11中公开的一种无人水翼航行器结构示意图；

图17为本发明实施例12中公开的一种无人水翼航行器结构示意图。

图中：1、浮体；11、本体；12、供能系统；13、电池；14、滑轨；15、调整电机；2、连接件；3、水翼；31、第一水翼；32、第二水翼；33、水翼连杆；4、动力系统；41、推进器；42、桨叶；43、第一舵板；44、第二舵板；45、壳体；46、第一转轴；47、第二转轴；5、任务载荷。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1-3所示，一种无人水翼航行器，包括：浮体1、连接件2、动力系统4和任务载荷5；

连接件2与浮体1固定连接，动力系统4设于水面下，动力系统4包括水翼3，水翼3设于连接件2上，用于提供升力，动力系统4用于提供驱动力，任务载荷5用于侦测水下和/或水上的信息或携带负载。

浮体1包括本体11，本体11内设有供能系统，本实施例中，供能系统采用电池，也可以采用柴油发电机及其配属油箱，本体11内还设有传感器和控制器等。

本体11提供浮力，使无人水翼航行器可以无动力漂浮在水中。本实施例中，动力系统4还包括推进器41，本实施例中的推进器采用螺旋桨，也可以采用水流喷射的驱动结构或其他推进设备作为动力系统。

水翼，即水中运动的机翼。水翼在水中运动时，水翼与来流有一定攻角，翼截面有拱度，因而上下表面产生的压力不同，下表面的压力大于上表面，从而产生升力。当速度达到一定程度后，水翼产生的升力与水翼结构重力抵消，从而实现了水翼结构在水中的快速运动。由于水的密度是空气密度的800倍，因此水翼升力大，使用较小的水翼面积就可以产生较大的升力。

本实施例中的水翼采用圆头尖尾形的亚低音速机翼翼型，其动力学特征与机翼基本一致。厚度为弦长的12％左右。

水翼安装在连接件下部，在高速航行时无人水翼航行器的重量完全由水对水翼产生的升力支持，使浮体全部离开水面，减少了水的阻力。

本项目采用自控式水翼方案，自控式水翼的浸深常略大于弦长，靠动力控制或襟翼等方式控制升力，获得稳定性，自控式水翼在水面下较深处，受到波浪扰动小，又加有自动控制系统，可随外力变化不断自动调整升力，所以耐波性能最好。水翼浸深大于水翼弦长，以获得较好的耐波性能。

本实施例中的无人水翼航行器控制模型为倒立摆。

螺旋桨设于连接件2上，螺旋桨的桨叶42后方设有第一舵板43和第二舵板44，第一舵板43和第二舵板44相互垂直。螺旋桨提供X轴，即前进方向上的驱动力，第一舵板43和第二舵板44将驱动力分解到Y轴和Z轴方向，通过对X轴、Y轴和Z轴方向力的合成，使无人水翼航行器实现6自由度的控制，包括沿前进水平x方向平动、水平y方向平动、垂直z方向平动(沉浮)、绕x轴的转动(横摇)、绕y轴的转动(俯仰)和绕z轴的转动。

考虑到无人水翼航行器在翼行状态下的受力情况，通过合理配置外形及质量分布，上述6自由度运动可实现近似解耦，包括以下几组强耦合关系

1)沿前进水平x方向平动、绕x轴的转动(横摇)和绕y轴的转动(俯仰)

2)绕z轴的转动

3)垂直z方向平动(沉浮)

4)水平y方向平动

通过合理解耦，以第一组耦合自由度为主要控制对象，以螺旋桨以及水平舵和垂直舵作为控制量，可实现对无人水翼航行器在翼行状态下的倒立摆控制。

本发明公开的无人水翼航行器，可以通过浮体漂浮在水面，通过任务载荷，同时对水面和水下进行侦测，而且可以通过动力系统在水域巡游，水翼提供升力，使巡游时，浮体离开水面，降低阻力，提高无人水翼航行器的灵活性，具有较大的侦测范围。变更保护区域时，只需要重新设定巡游区域和巡游路线，无需额外投入。

螺旋桨包括壳体45，桨叶42设于壳体45中，壳体45内设有第一转轴46和第二转轴47，第一舵板43设于第一转轴46上，第二舵板44设于第二转轴47上；可通过舵机控制转轴转动，进而控制舵板的转动。

第一转轴46比第二转轴47靠近桨叶，第一舵板43具有开口，第二转轴47设于开口内。第二转轴47在开口内转动，使两个舵板不会发生干涉。

如图6所示，本实施例中，连接件2的横截面呈流线型。

如图7所示，本体11内设有供能系统12和控制器，供能系统12用于给动力系统4、任务载荷5和控制器提供能量，本实施例中，供能系统12包括电池13，本体11内设有电池仓，电池仓内设有滑轨14，电池13通过滑块安装在滑轨14上，电池仓内设有调整电机15，调整电机15驱动电池13沿滑轨14滑动。滑轨沿前进方向设置，电池沿滑轨前后移动，调整无人水翼航行器的重心位置，用于控制无人水翼航行器的运动和平衡。

浮体1中设有传感器，传感器包括三维姿态传感器，用于感受自身三维运动状态，测距仪，用于测量巡航状态时，浮体距离水面的高度，降低波浪拍击的影响。

任务载荷5包括声呐和云台，声呐设于连接件2的下端，云台设于浮体1上，可安装包括红外相机、摄像头等，拍摄水面画面，还可以安装播音喇叭，用于警告和驱离目标。也可以在连接件2上设置水下摄像头，记录水下画面。任务载荷还可以是微型水下机器人或其它载荷。

浮体1中还设有通讯模块，浮体1表面设有通讯天线，将声呐、摄像头和红外相机采集到的数据，通过控制器完成数据的特征处理后，发送到控制中心。

本实施例中的无人水翼航行器无需载人操控，任务载荷还包括姿态传感器、激光雷达、激光测距仪、GPS/北斗全球定位系统以及通讯系统，控制系统包括动力控制系统、路径规划和导航避障系统、通讯控制系统。

姿态传感器用于测量无人水翼航行器的速度、角速度、加速度、角加速度等。这些参数作为输入量，进入到动力系统的控制系统中，速度等姿态参数与规划值之间的差异，经过闭环反馈控制，计算后得到当前动力系统所需要的状态，包括但不限于水翼的攻角、水翼襟翼角、推进器功率、舵面角度等。

激光雷达、测距仪和GPS/北斗全球定位系统作为路径规划和导航避障系统的传感器。

实施例2：

如图4所示，本实施例与实施例1不同的是，水翼3包括第一水翼31、第二水翼32和水翼连杆33，水翼连杆33一端与第一水翼31连接，另一端与第二水翼32连接。

两个水翼，沿前进方向前后设置，第一水翼大于第二水翼，两个水翼，可以提供更大的升力，同时，有利于控制无人水翼航行器的平衡。

本实施例中，无人水翼航行器的动力通过螺旋桨提供，螺旋桨和水翼连杆均安装在连接件2上，所述螺旋桨的桨叶42后方设有第一舵板43和第二舵板44，所述第一舵板43和第二舵板44相互垂直。

实施例3：

如图5所示，本实施例与实施例1不同的是，水翼3设于连接件2上，动力系统4包括至少两个螺旋桨，螺旋桨对称设于水翼3的两端，螺旋桨的桨叶42后方设有舵板。需要说明的是，桨叶42后方可以不设置舵板，通过两个螺旋桨，控制左右方向，以及通过螺旋桨对航行器推动力控制水翼3产生的升力大小，进而在竖直方向控制航行器。

通过控制两个螺旋桨，给无人水翼航行器提供转动的力，螺旋桨后方可以只设置一个方向的舵板，即提供向上或向下分量的力。

实施例4：

如图8、图9所示，本实施例与实施例1不同的是，所述动力系统4包括水翼3和至少三个螺旋桨，所述水翼3设于所述连接件2上，所述水翼3的两端分别设有至少一个所述螺旋桨，且所述连接件2上至少设有一个所述螺旋桨。

在连接件2上设置螺旋桨，直接在竖直方向上通过螺旋桨来推动，实现对无人水翼航行器的多维度控制。

实施例5：

如图10所示，本实施例与实施例1不同的是，本实施例中水翼3包括第一水翼31和第二水翼32，第一水翼31和第二水翼32处于同一平面，所述动力系统4还包括至少三个螺旋桨，所述第一水翼31的两端分别设有至少一个所述螺旋桨，且所述连接件2上至少设有一个所述螺旋桨。

实施例6：

如图11所示，本实施例与实施例1不同的是，本实施例中水翼3包括第一水翼31和第二水翼32，第一水翼31和第二水翼32处于同一平面，第二水翼32设于第一水翼31后方，所述动力系统4还包括至少三个螺旋桨，所述第二水翼32的两端分别设有至少一个所述螺旋桨，且所述连接件2上至少设有一个所述螺旋桨。

实施例7：

如图12所示，本实施例与实施例1不同的是，本实施例中水翼3包括第一水翼31和第二水翼32，第一水翼31和第二水翼32处于同一平面，第二水翼32设于第一水翼31后方，所述动力系统4还包括至少两个螺旋桨，所述第一水翼31的两端分别设有至少一个所述螺旋桨。

本实施例中，螺旋桨后方设置了舵板，用以控制向上或向下方向上的力，也可以不设置舵板，通过螺旋桨对无人水翼航行器的推动以及水翼产生的升力，在竖直方向上进行控制。

实施例8：

如图13所示，本实施例与实施例1不同的是，本实施例中水翼3包括第一水翼31和第二水翼32，第一水翼31和第二水翼32处于同一平面，第二水翼32设于第一水翼31后方，所述动力系统4还包括至少两个螺旋桨，所述第二水翼32的两端分别设有至少一个所述螺旋桨。

本实施例中，螺旋桨后方设置了舵板，用以控制向上或向下方向上的力，也可以不设置舵板，通过螺旋桨对无人水翼航行器的推动以及水翼产生的升力，在竖直方向上进行控制。

实施例9：

如图14所示，本实施例与实施例2不同的是，本实施例中，第一水翼31所在平面高于第二水翼32所在平面，第一水翼31和第二水翼32不在同一水平面，在前行时，两个水翼之间的干扰减弱，使无人水翼航行器获得更大的升力。

实施例10：

如图15所示，本实施例与实施例1不同的是，本实施例中，水翼3包括第一水翼31、第二水翼32和水翼连杆33，水翼连杆33一端与第一水翼31的尾部连接，另一端与第二水翼32的头部连接，水翼连杆33的横截面积从中间向两端逐渐减小。

第一水翼31所在平面低于第二水翼32所在平面，第一水翼31和第二水翼32不在同一水平面，在前行时，两个水翼之间的干扰减弱，使无人水翼航行器获得更大的升力。

两个水翼，沿前进方向前后设置，第一水翼大于第二水翼，两个水翼，可以提供更大的升力，同时，有利于控制无人水翼航行器的平衡。

本实施例中，无人水翼航行器的动力通过螺旋桨提供，螺旋桨和水翼连杆均安装在连接件2上，所述螺旋桨的桨叶42后方设有第一舵板43和第二舵板44，所述第一舵板43和第二舵板44相互垂直。

实施例11：

如图16所示，本实施例与实施例1不同的是，本实施例中水翼3包括第一水翼31和第二水翼32，所述动力系统4还包括至少三个螺旋桨，所述第一水翼31的两端分别设有至少一个所述螺旋桨，且所述连接件2上至少设有一个所述螺旋桨。

第一水翼31所在平面高于第二水翼32所在平面，第一水翼31和第二水翼32不在同一水平面，在前行时，两个水翼之间的干扰减弱，使无人水翼航行器获得更大的升力。

实施例12：

如图17所示，本实施例与实施例1不同的是，本实施例中，水翼3包括第一水翼31和第二水翼32，第一水翼31所在平面低于第二水翼32所在平面，第一水翼31和第二水翼32不在同一水平面，在前行时，两个水翼之间的干扰减弱，使无人水翼航行器获得更大的升力。

螺旋桨共设有2个，分别设置于第一水翼31的两端，且为对称设置。

本发明所公开的无人水翼航行器不限于上述控制方式，通过对动力系统不同的布设方式完成的无人水翼航行器的控制，如第一水翼和第二水翼上下高度的改变、尺寸大小的改变、螺旋桨布设位置和数量的选择、舵板设置位置的改变，均在本申请的保护范围之内。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (16)

1.一种无人水翼航行器，其特征在于，包括：浮体(1)、连接件(2)、动力系统(4)和任务载荷(5)；

所述连接件(2)与所述浮体(1)固定连接，所述动力系统(4)设于所述连接件(2)上且设于水面下，所述动力系统(4)用于提供驱动力，所述任务载荷(5)用于侦测水下和/或水上的信息或携带负载。

2.根据权利要求1所述的一种无人水翼航行器，其特征在于，所述动力系统(4)包括水翼(3)和推进器(41)；

所述水翼(3)设于所述连接件(2)上，用于提供升力。

3.根据权利要求2所述的一种无人水翼航行器，其特征在于，所述推进器(41)设于所述连接件(2)上，所述推进器(41)后方设有第一舵板(43)和第二舵板(44)，所述第一舵板(43)和第二舵板(44)相互垂直；

所述推进器(41)包括壳体(45)，所述壳体(45)内设有第一转轴(46)和第二转轴(47)，所述第一舵板(43)设于第一转轴(46)上，所述第二舵板(44)设于第二转轴(47)上；

所述第一转轴(46)与所述推进器(41)之间的距离小于所述第二转轴(47)与所述推进器(41)之间的距离，所述第一舵板(43)包括第一板件(431)和第二板件(432)，所述第一板件(431)和第二板件(432)设于同一平面内，所述第二转轴(47)设于所述第一板件(431)和第二板件(432)之间。

4.根据权利要求1所述的一种无人水翼航行器，其特征在于，所述动力系统(4)包括水翼(3)，所述水翼(3)包括第一水翼(31)、第二水翼(32)和水翼连杆(33)，所述水翼连杆(33)一端与所述第一水翼(31)连接，另一端与所述第二水翼(32)连接。

5.根据权利要求1所述的一种无人水翼航行器，其特征在于，所述动力系统(4)包括水翼(3)和至少两个推进器(41)，所述水翼(3)设于所述连接件(2)上，所述推进器(41)对称设于所述水翼(3)的两端，所述推进器(41)的后方设有舵板。

6.根据权利要求1所述的一种无人水翼航行器，其特征在于，所述连接件(2)呈杆状，所述连接件(2)的横截面呈流线型。

7.根据权利要求1所述的一种无人水翼航行器，其特征在于，所述动力系统(4)包括水翼(3)和至少三个推进器(41)，所述水翼(3)设于所述连接件(2)上，所述水翼(3)的两端分别设有至少一个所述推进器(41)，且所述连接件(2)上至少设有一个所述推进器(41)。

8.根据权利要求4所述的一种无人水翼航行器，其特征在于，所述动力系统(4)还包括至少三个推进器(41)，所述第一水翼(31)或第二水翼(32)的两端分别设有至少一个所述推进器(41)，且所述连接件(2)上至少设有一个所述推进器(41)。

9.根据权利要求4所述的一种无人水翼航行器，其特征在于，所述动力系统(4)还包括至少两个推进器(41)，所述推进器(41)设于所述第一水翼(31)或第二水翼(32)的两端。

10.根据权利要求9所述的一种无人水翼航行器，其特征在于，所述推进器(41)后设有舵板。

11.根据权利要求4所述的一种无人水翼航行器，其特征在于，所述动力系统还包括推进器(41)，所述推进器(41)设于所述连接件(2)上，所述推进器(41)后方设有第一舵板(43)和第二舵板(44)，所述第一舵板(43)和第二舵板(44)相互垂直。

12.根据权利要求4、7、8、9或11中任意一项所述的一种无人水翼航行器，其特征在于，所述第一水翼(31)和第二水翼(32)在同一平面内，或所述第一水翼(31)所在平面高于所述第二水翼(32)所在平面，或所述第一水翼(31)所在平面低于所述第二水翼(32)所在平面。

13.根据权利要求1所述的一种无人水翼航行器，其特征在于，所述浮体(1)包括本体(11)、设于本体内的供能系统(12)和控制器，所述供能系统(12)用于给所述动力系统(4)、任务载荷(5)和控制器提供能量，所述本体(11)上设有传感器和通讯部。

14.根据权利要求13所述的一种无人水翼航行器，其特征在于，所述供能系统(12)包括电池(13)，所述本体(11)内设有电池仓，所述电池仓内设有滑轨(14)，所述滑轨的方向与所述无人水翼航行器的行进方向相同，所述电池(13)通过滑块安装在所述滑轨(14)上，所述电池仓内设有调整电机(15)，所述调整电机(15)驱动所述电池(13)沿所述滑轨(14)滑动。

15.根据权利要求1所述的一种无人水翼航行器，其特征在于，所述任务载荷(5)包括声呐和云台，所述声呐设于所述连接件(2)的下端，所述云台设于所述浮体(1)上。

16.根据权利要求2、3、5、7、8、9、10或11中任意一项所述的一种无人水翼航行器，其特征在于，所述推进器(41)为螺旋桨。

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