CN114104199A - 一种基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标，属于水下定点观测平台领域。该潜标包括潜标本体，在潜标本体的上方设置无动力滑翔翼；无动力滑翔翼包括三角翼，三角翼的轴线与潜标本体的轴线平行，三角翼的尖端处于潜标本体的艏部正上方，在三角翼的尾部中心刚性固定有尾翼；在潜标本体的内部设置有电池组和用于带动电池组沿潜标本体轴线方向来回移动的驱动机构；在潜标本体的艏部设置有水深控制模块，水深控制模块包括内油囊、外油囊、油路和液压泵。本发明通过在潜标本体上方加装大面积三角形滑翔翼，再配合可移动的电池组和水深控制模块进行潜标本体俯仰姿态调整，使流体对滑翔翼产生升沉力，加速潜标的上浮下潜过程，降低了总体功耗。

Description

一种基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标及其工作方法

技术领域

本发明涉及水下定点观测平台领域，具体地说是涉及一种基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标，以及该潜标的工作方法。

背景技术

潜标是一种系泊在海面以下定点观测海洋环境要素的系统，可长期、连续、自动的向后端传输采集到的信息，是离岸监测的重要手段。应用时，潜标通过锚系布放在特定海域，写入指令后，下潜至一定的水深待机，定时上浮至海面，传输采集到的水文要素，之后再下潜到既定水深待机。潜标的上浮下潜周期，可以根据实际需要设定。由于潜标上浮下潜频繁，功耗高，且无法采用太阳能或风力发电装置进行供电，因此，如何降低其上浮下潜过程的功耗，提高续航能力，尤为重要。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提出一种基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标，以及该自升沉式潜标的工作方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标，包括潜标本体，在潜标本体的外部上方设置有无动力滑翔翼；无动力滑翔翼包括三角翼，三角翼的轴线与潜标本体的轴线平行，三角翼的尖端处于潜标本体的艏部正上方，从正上方往下看，三角翼的翼面将潜标本体覆盖；三角翼的尾部超出潜标本体的艉部，在三角翼的尾部中心刚性固定有尾翼；

在潜标本体的内部中段设置有电力模块，所述电力模块包括电池组和用于带动电池组沿潜标本体轴线方向来回移动的驱动机构；

在潜标本体的艏部设置有水深控制模块，所述水深控制模块包括内油囊、外油囊、油路和液压泵，内油囊和外油囊通过油路连通，液压泵用于控制外油囊充油或排油，外油囊设置在潜标本体的密闭舱外部，内油囊、油路和液压泵设置在潜标本体的密闭舱内部；

在潜标本体的艉段设置有中央控制模块和用于采集海洋数据信息及自身状态信息的数据采集模块，数据采集模块与中央控制模块连接，中央控制模块分别与电力模块和水深控制模块相连接，中央控制模块还连接有通信模块。

优选的，所述三角翼包括两个翼面，两个翼面固定在刚性框架上，且呈对称分布；

所述刚性框架包括中心支撑杆，在中心支撑杆的两侧设置有边缘支撑杆，边缘支撑杆和中心支撑杆在同一端头处相交，每个翼面对应固定在中心支撑杆和其中一个边缘支撑杆之间；

在潜标本体的外侧套设有抱箍，在中心支撑杆的对应位置设置有连接片，连接片与抱箍的端头处通过螺栓连接。

优选的，在三角翼的尖端处设置有端头，所述中心支撑杆和边缘支撑杆的端部均与端头相连接，在中心支撑杆和边缘支撑杆之间还设置有加强杆。

优选的，所述驱动机构包括电机和滚珠丝杠，电机与滚珠丝杠传动连接，电池组安装在滚珠丝杠上，在电池组上还穿过有若干个与滚珠丝杠相平行的支撑轴。

优选的，所述电池组的重心处于滚珠丝杠的下方。

优选的，所述油路设置在阀块上；所述液压泵为双向泵，正转时，外油囊排油，反转时，外油囊充油；所述潜标本体的密封舱两端设置有流线型保护罩，在流线型保护罩上设置有过流孔，所述外油囊设置在潜标本体艏部的流线型保护罩内。

优选的，该自升沉式潜标还包括用于控制潜标本体在一定海域范围内监测数据的系留系统，所述系留系统包括固定在海底的锚和缆绳，缆绳的一端与锚相连接，缆绳的另一端与索具相连接，索具转动固定在潜标本体上。

优选的，所述数据采集模块包括用于获取海洋水文信息的测流模块，和用于获取潜标当前姿态信息的姿态调整模块，测流模块和姿态调整模块均与中央控制模块连接；

所述通信模块包括通信天线，通信天线伸出潜标本体的密封舱，固定于密封舱的艉部，通信天线为柔性结构，从翼面和中心支撑杆之间穿过三角翼。

优选的，所述尾翼设置在中心支撑杆上，尾翼处于中心支撑杆所在的竖直面内。

一种基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标的工作方法，采用上述的自升沉式潜标，包括以下步骤：

（1）若潜标需要下潜，中央控制模块通过水深控制模块的液压泵控制外油囊排油，浮力小于重力，产生驱动潜标下潜的动力；同时，中央控制模块通过电力模块的驱动机构控制电池组沿潜标本体轴向向艉部方向移动，在重浮力力矩作用下，无动力滑翔翼向艉部方向倾斜，完成上仰动作，在海流作用下，翼面形成沉力，加速潜标下潜；到达预定深度后，中央控制模块通过数据采集模块所获取数据，判断潜标当前姿态，再次分别通过液压泵和驱动机构调整外油囊油量和电池组轴向位置，使潜标保持水平，水下悬停待机；

（2）若潜标需要上浮，中央控制模块通过水深控制模块的液压泵控制外油囊吸油，浮力大于重力，产生驱动潜标上浮的动力；同时，中央控制模块通过电力模块的驱动机构控制电池组沿潜标本体轴向向艏部方向移动，在重浮力力矩作用下，无动力滑翔翼向艏部方向倾斜，完成下俯动作，在海流作用下，翼面形成升力，加速潜标上浮；到达水面后，再次分别通过液压泵和驱动机构调整外油囊油量和电池组轴向位置，使潜标保持水平，通信模块与卫星通信进行数据传输。

本发明的有益技术效果是：

本发明通过在潜标本体上方加装大面积三角形滑翔翼，再配合电力模块和水深控制模块进行潜标本体俯仰姿态调整，使流体对滑翔翼产生升沉力，加速潜标的上浮下潜过程，降低了总体功耗。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标的整体结构示意图；

图2为本发明自升沉式潜标中电力模块部分的结构示意图；

图3为本发明基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标上浮状态示意图；

图4为图3的局部放大示意图，主要示出潜标本体艏部的结构；

图5为本发明基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标上浮状态的另一角度视图；

图6为本发明基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标下潜状态示意图。

具体实施方式

结合附图，一种基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标，包括潜标本体1，在潜标本体的外部上方设置有无动力滑翔翼。无动力滑翔翼包括三角翼2，三角翼2的轴线与潜标本体的轴线平行，三角翼2的尖端处于潜标本体1的艏部正上方，从正上方往下看，三角翼的翼面201将潜标本体1覆盖。三角翼2的尾部超出潜标本体1的艉部，在三角翼的尾部中心刚性固定有尾翼3，保持结构稳定。在潜标本体1的内部中段设置有电力模块4，所述电力模块4包括电池组401和用于带动电池组401沿潜标本体轴线方向来回移动的驱动机构。在潜标本体1的艏部设置有水深控制模块5，所述水深控制模块5包括内油囊501、外油囊502、油路和液压泵，内油囊501和外油囊502通过油路连通，液压泵用于控制外油囊充油或排油，外油囊设置在潜标本体1的密闭舱外部，内油囊、油路和液压泵设置在潜标本体的密闭舱内部。在潜标本体的艉段设置有中央控制模块6和用于采集海洋数据信息及自身状态信息的数据采集模块7，数据采集模块7与中央控制模块6连接，中央控制模块6分别与电力模块4和水深控制模块5相连接，中央控制模块6还连接有通信模块8。

本发明基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标，当需要开展下潜或上浮任务时，通过水深控制模块5，控制潜标艏部外油囊体积，调整系统重浮力关系，产生驱动力；同时，调节可移动电池组在潜标内的轴向位置，改变潜标俯仰姿态。潜标外壳上方加装大面积三角形滑翔翼，基于翼的迎流效应，潜标艏部始终正对海流方向，通过洋流对翼面的水动力作用，结合潜标姿态，产生升沉力，从而加速潜标到达既定深度的过程，达到降低总体功耗的目的，降低了潜标周期性上浮下潜过程中消耗的电能，提高了潜标的续航能力，延长了续航时间。

作为对本发明的进一步设计，所述三角翼2包括两个翼面201，两个翼面201固定在刚性框架上，且呈对称分布。所述刚性框架包括中心支撑杆202，在中心支撑杆的两侧对称设置有边缘支撑杆203，边缘支撑杆203和中心支撑杆202在同一端头处相交，每个翼面对应固定在中心支撑杆202和其中一个边缘支撑杆203之间。在潜标本体1的外侧套设有抱箍9，在中心支撑杆202的对应位置设置有连接片10，连接片与抱箍的端头处通过螺栓连接。上述抱箍9和连接片10可对应设置多个，且分别沿潜标本体1的轴向和中心支撑杆202的长度方向间隔布置。

本发明将大面积无动力滑翔翼固定悬挂于潜标外部，在翼的导流作用下，潜标艏部始终保持为迎流姿态，通过改变滑翔翼的迎流角度，可以控制潜标升沉力的大小和方向。而且在潜标本体外加装可覆盖潜标本体的大面积滑翔翼，可拉高潜标本体的浮心，提高系统稳定性。

更进一步的，在三角翼的尖端处还设置有端头204，所述中心支撑杆202和边缘支撑杆203的端部均与端头204通过螺栓锁紧连接，具体地可在端头204上设置有插槽，在中心支撑杆和边缘支撑杆的端部均设置有插片，且在插片和插槽的对应位置处均设置有通孔，可在通孔中插入螺栓，并配合螺母锁紧固定。这种连接方式可方便根据翼面的形状大小适应调整边缘支撑杆与中心支撑杆之间的夹角，然后通过螺栓锁紧固定。在中心支撑杆202和边缘支撑杆203之间还设置有加强杆205，以增加刚性框架的强度。

上述驱动机构包括电机402和滚珠丝杠403，电机402与滚珠丝杠403传动连接，电池组401安装在滚珠丝杠403上，在滚珠丝杠转动时，可带动电池组401直线运动。在电池组401上还穿过有若干个与滚珠丝杠相平行的支撑轴404。电池组401为系统提供电能，电池组可设置成半月形锂电池组，其重心处于滚珠丝杠403的下方，可增强系统的稳定性。通过改变电池组位置调节潜标本体沿轴向的重心，在重浮力力矩作用下，改变潜标本体俯仰姿态，从而改变滑翔翼的迎流角度。

上述油路设置在阀块503上。水深控制模块还包括有驱动电机和电磁阀等，外油囊位于密闭舱外部，其余部分通过阀块集成在舱体内部。水深控制模块在中央控制模块既定指令要求下，根据数据采集模块的反馈信息，开展并完成外油囊的充油和排油动作，从而完成对潜标的整体浮力调整，控制潜标到达既定水深位置，其中：内油囊位于潜标艏部，通过阀块内油路，直接与外油囊相连，有效降低整体浮力的调整时间，减小能耗。液压泵为双向泵，正转时，外油囊排油，总浮力减小，重力大于浮力，潜标下潜；反转时，外油囊充油，总浮力增大，重力小于浮力，潜标上浮。

所述潜标本体1的密封舱两端设置有流线型保护罩101，在流线型保护罩上设置有过流孔，所述外油囊502设置在潜标本体艏部的流线型保护罩内。

上述潜标本体在机械构造方面包括筒体、端盖、水密接口、机械接口、密封圈等，为系统提供密闭舱体及浮力，即一方面提供密封空间，具有耐压特性，能够承受深水的水压，另一方面为潜标系统在水下提供浮力。在密闭舱体外加装可覆盖标体的大面积滑翔翼，拉高潜标本体的浮心，提高系统稳定性。潜标整体外形为流线型，中心线横向截面为圆形。

进一步的，该自升沉式潜标还包括用于控制潜标本体在一定海域范围内监测数据的系留系统，以控制潜标在一定海域范围内监测数据，实现对潜标的定点布放。所述系留系统包括固定在海底的锚11和缆绳12，缆绳12为柔性结构，有一定的张力和柔韧性，其一端与锚11相连接，另一端与索具13相连接，索具13转动固定在潜标本体1上。具体地，索具13可通过销钉与潜标本体的外壳相连接，索具可相对于潜标本体进行转动。为了提升稳定性，索具可设置两个，在潜标本体的两侧均有布置。

上述数据采集模块7包括用于获取海洋水文信息的测流模块，和用于获取潜标当前姿态信息的姿态调整模块，测流模块和姿态调整模块均与中央控制模块6连接。所述通信模块8包括通信天线801，通信天线801伸出潜标本体的密封舱，固定于密封舱的艉部，通信天线为柔性结构，从翼面和中心支撑杆之间穿过三角翼。

进一步的，在潜标本体上还设置有紧急上浮模块14，紧急上浮模块14可感知电池组的电量情况以及潜标本体密封舱内的湿度情况，紧急上浮模块14与中央控制模块连接。也就是说当紧急上浮模块14感知到电池组电量较少或潜标本体密封舱漏水等情况时，可通过中心控制模块控制潜标停止下潜，并执行上浮动作，紧急上浮至海面。

上述中央控制模块6、数据采集模块7、紧急上浮模块14和通信模块8固定在潜标密闭舱内艉段，中央控制模块6通过通信天线801接收并响应后端控制指令，以及向后端上传状态信息，通信天线伸出密闭舱体，潜标水上通信时，通信天线露出水面。

上述尾翼3设置在中心支撑杆202上，尾翼处于中心支撑杆202所在的竖直面内，呈一字布置。

上述潜标上浮或下潜时，沿潜标本体轴线方向俯仰，始终保持潜标艏部（滑翔翼顶端）与海流方向一致；潜标水下悬停及水上通信时潜标本体姿态为水平。

上述基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标的工作方法，具体包括以下步骤：

（1）若潜标需要下潜，中央控制模块6通过水深控制模块5的液压泵控制外油囊502排油，使得潜标整体浮力小于重力，产生驱动潜标下潜的动力。同时，中央控制模块6通过电力模块4的驱动机构控制电池组401沿潜标本体轴向向艉部方向移动，在重浮力力矩作用下，无动力滑翔翼向艉部方向倾斜，完成上仰动作，在海流作用下，翼面形成沉力，加速潜标下潜；到达预定深度后，中央控制模块通过数据采集模块所获取数据，判断潜标当前姿态，再次分别通过液压泵和驱动机构调整外油囊油量和电池组轴向位置，使潜标保持水平，水下悬停待机。

（2）若潜标需要上浮，中央控制模块通过水深控制模块的液压泵控制外油囊吸油，浮力大于重力，产生驱动潜标上浮的动力；同时，中央控制模块通过电力模块的驱动机构控制电池组沿潜标本体轴向向艏部方向移动，在重浮力力矩作用下，无动力滑翔翼向艏部方向倾斜，完成下俯动作，在海流作用下，翼面形成升力，加速潜标上浮；到达水面后，再次分别通过液压泵和驱动机构调整外油囊油量和电池组轴向位置，使潜标保持水平，通信模块与卫星通信进行数据传输。

上述基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标根据预设指令整体上沿海洋剖面做周期性之字锯齿状运动。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本发明的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (10)

1.一种基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标，其特征在于：包括潜标本体（1），在潜标本体（1）的外部上方设置有无动力滑翔翼；无动力滑翔翼包括三角翼（2），三角翼（2）的轴线与潜标本体的轴线平行，三角翼（2）的尖端处于潜标本体（1）的艏部正上方，从正上方往下看，三角翼的翼面（201）将潜标本体（1）覆盖；三角翼（2）的尾部超出潜标本体（1）的艉部，在三角翼的尾部中心刚性固定有尾翼（3）；

在潜标本体（1）的内部中段设置有电力模块（4），所述电力模块（4）包括电池组（401）和用于带动电池组（401）沿潜标本体轴线方向来回移动的驱动机构；

在潜标本体的艏部设置有水深控制模块（5），所述水深控制模块包括内油囊（501）、外油囊（502）、油路和液压泵，内油囊和外油囊通过油路连通，液压泵用于控制外油囊充油或排油，外油囊设置在潜标本体的密闭舱外部，内油囊、油路和液压泵设置在潜标本体的密闭舱内部；

在潜标本体的艉段设置有中央控制模块（6）和用于采集海洋数据信息及自身状态信息的数据采集模块（7），数据采集模块（7）与中央控制模块（6）连接，中央控制模块（6）分别与电力模块（4）和水深控制模块（5）相连接，中央控制模块（6）还连接有通信模块（8）。

2.根据权利要求1所述的一种基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标，其特征在于：所述三角翼（2）包括两个翼面（201），两个翼面（201）固定在刚性框架上，且呈对称分布；

所述刚性框架包括中心支撑杆（202），在中心支撑杆的两侧设置有边缘支撑杆（203），边缘支撑杆（203）和中心支撑杆（202）在同一端头处相交，每个翼面对应固定在中心支撑杆（202）和其中一个边缘支撑杆之间；

在潜标本体（1）的外侧套设有抱箍（9），在中心支撑杆（202）的对应位置处设置有连接片（10），连接片（10）与抱箍（9）的端头处通过螺栓连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标，其特征在于：在三角翼的尖端处设置有端头（204），所述中心支撑杆（202）和边缘支撑杆（203）的端部均与端头（204）相连接，在中心支撑杆（202）和边缘支撑杆（203）之间还设置有加强杆（205）。

4.根据权利要求1所述的一种基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标，其特征在于：所述驱动机构包括电机（402）和滚珠丝杠（403），电机（402）与滚珠丝杠（403）传动连接，电池组（401）安装在滚珠丝杠（403）上，在电池组上还穿过有若干个与滚珠丝杠相平行的支撑轴（404）。

5.根据权利要求4所述的一种基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标，其特征在于：所述电池组（401）的重心处于滚珠丝杠（403）的下方。

6.根据权利要求1所述的一种基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标，其特征在于：所述油路设置在阀块（503）上；所述液压泵为双向泵，正转时，外油囊（502）排油，反转时，外油囊（502）充油；所述潜标本体的密封舱两端设置有流线型保护罩（101），在流线型保护罩（101）上设置有过流孔，所述外油囊（502）设置在潜标本体艏部的流线型保护罩内。

7.根据权利要求1所述的一种基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标，其特征在于：该自升沉式潜标还包括用于控制潜标本体在一定海域范围内监测数据的系留系统，所述系留系统包括固定在海底的锚（11）和缆绳（12），缆绳（12）的一端与锚（11）相连接，缆绳（12）的另一端与索具（13）相连接，索具（13）转动固定在潜标本体上。

8.根据权利要求2所述的一种基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标，其特征在于：所述数据采集模块包括用于获取海洋水文信息的测流模块，和用于获取潜标当前姿态信息的姿态调整模块，测流模块和姿态调整模块均与中央控制模块（6）连接；

所述通信模块（8）包括通信天线（801），通信天线伸出潜标本体的密封舱，固定于密封舱的艉部，通信天线为柔性结构，从翼面和中心支撑杆之间穿过三角翼。

9.根据权利要求2所述的一种基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标，其特征在于：所述尾翼（3）设置在中心支撑杆（202）上，尾翼处于中心支撑杆所在的竖直面内。

10.如权利要求1-9中任一权利要求所述的一种基于滑翔翼的低功耗自升沉式潜标的工作方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）若潜标需要下潜，中央控制模块（6）通过水深控制模块（5）的液压泵控制外油囊（502）排油，浮力小于重力，产生驱动潜标下潜的动力；同时，中央控制模块（6）通过电力模块（4）的驱动机构控制电池组（401）沿潜标本体轴向向艉部方向移动，在重浮力力矩作用下，无动力滑翔翼向艉部方向倾斜，完成上仰动作，在海流作用下，翼面形成沉力，加速潜标下潜；到达预定深度后，中央控制模块通过数据采集模块所获取数据，判断潜标当前姿态，再次分别通过液压泵和驱动机构调整外油囊油量和电池组轴向位置，使潜标保持水平，水下悬停待机；

（2）若潜标需要上浮，中央控制模块（6）通过水深控制模块（5）的液压泵控制外油囊（502）吸油，浮力大于重力，产生驱动潜标上浮的动力；同时，中央控制模块（6）通过电力模块（4）的驱动机构控制电池组（401）沿潜标本体轴向向艏部方向移动，在重浮力力矩作用下，无动力滑翔翼向艏部方向倾斜，完成下俯动作，在海流作用下，翼面形成升力，加速潜标上浮；到达水面后，再次分别通过液压泵和驱动机构调整外油囊油量和电池组轴向位置，使潜标保持水平，通信模块与卫星通信进行数据传输。

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