CN114802657B - “陀螺”型跨介质无人航行器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种“陀螺”型跨介质无人航行器及其工作方法，该航行器主体采用类飞碟翼身融合的碟形翼身，碟形翼身内部的中心底层设蓄电池供电模块、中心中层设上浮下潜控制模块、中心顶层设通信导航模块、中心前后侧对称设水下推进模块、中心左右侧对称设空中飞行模块、外缘及中部间隙设任务负载模块。本发明兼具水下航行和空中飞行跨介质作业能力，空中、水下、出水、水面状态良好，性能优越。

Description

“陀螺”型跨介质无人航行器及其工作方法

技术领域

本发明属于航行器领域，具体涉及一种“陀螺”型跨介质无人航行器及其工作方法。

背景技术

水下无人航行器作为具备一定自主航行能力的水下作业型机器人，具备航行距离远、隐身性好、成本低、可重复利用等特点，但是受限于水下的弱联通环境特点，导致水下航行器对海上目标与空中目标的大范围感知能力非常弱，除声通信方式以外，其它电磁波、光等通信方式几乎无法使用，难以进行多平台协同使用，而且水下航行器航速慢(流体阻力大)，难以进行远距离跨区域高效作业，特别是需要进行高频次通信控制、跨区域集群协作使用与海上大范围感知时，水下航行器的局限性较大。

空中无人飞行器具备较强的空中与海上大范围感知能力，在跨区域作业时具有较强优势，且通信方式多样易于实现集群作业使用，但受限于空中持续飞行需求，自持力、隐身性与可重复回收利用性较差，且容易受到各种干扰，有效性大打折扣。

现有的跨介质航行器大多为从水下发射的空中飞行器或空中释放的水下航行器，实际不具备多栖作业能力或以其中一个作业域为主，而且由于复杂性，很难兼顾多域高性能设计(例如空中飞行通常需要更大的机翼、更轻的重量，而水下需要较小的湿表面积)。

发明内容

本发明的目的是提供一种“陀螺”型跨介质无人航行器及其工作方法，本发明兼具水下航行和空中飞行跨介质作业能力，空中、水下、出水、水面状态良好，性能优越。

本发明所采用的技术方案是：

一种“陀螺”型跨介质无人航行器，主体采用类飞碟翼身融合的碟形翼身，碟形翼身内部的中心底层设蓄电池供电模块、中心中层设上浮下潜控制模块、中心顶层设通信导航模块、中心前后侧对称设水下推进模块、中心左右侧对称设空中飞行模块、外缘及中部间隙设任务负载模块；蓄电池供电模块用于为航行器供电并利用自重降低航行器重心形成类“陀螺”状态；通信导航模块用于实现水下与空中两种介质下的通信与导航；任务负载模块为执行任务所搭载的负载；水下推进模块包括管道螺旋桨及驱动电机，两侧的管道螺旋桨能协同实现水下的变深、变速、机动和悬停；空中飞行模块包括涵道风扇及驱动电机，两侧的涵道风扇能协同实现空中的垂直起降、前进后退、悬停、机动和高速飞行；上浮下潜控制模块包括压载水舱、充排气设备、高压气源和气囊，上浮时高压气源通过充排气设备向压载水舱和气囊充气，压载水舱的进排水孔排水实现上浮条件，气囊膨胀挤水使涵道风扇完全出水，下潜时充排气设备打开压载水舱和气囊上的排气阀，压载水舱的气体排出、进排水孔自流入舷外水，气囊收紧，航行器入水处于零浮力或微重力状态。

进一步地，航行器采用的控制系统分别与电池供电模块、上浮下潜控制模块、通信导航模块、水下推进模块、空中飞行模块和任务负载模块电连接，用于实现航行器自身的任务管理、工况切换、航迹规划以及动力与推进控制。

进一步地，碟形翼身采用非旋转对称结构，空中飞行模块所在位置安装剖面高于水下推进模块所在位置安装剖面。

进一步地，任务负载模块通过搭载所需的负载能够实现水下科学研究、水文调查、海洋气候测量、海洋资源探测、军事多域侦察、海上干扰与打击。

进一步地，通信导航模块包括卫星通信导航设备、水声通信设备和惯性导航设备。

进一步地，蓄电池供电模块包括蓄电池组和蓄电池充放电路。

进一步地，压载水舱上的排气阀和进排水孔分别位于压载水舱的顶部和底部。

进一步地，高压气源采用高压气瓶。

进一步地，管道螺旋桨的螺旋桨直径设计与功率配置、涵道风扇的风扇直径设计与功率配置均根据性能需求配置。

上述“陀螺”型跨介质无人航行器的工作方法是：

航行器下潜进入水下航行工况时，蓄电池供电模块为航行器供电，充排气设备打开压载水舱和气囊上的排气阀，压载水舱的气体排出、进排水孔自流入舷外水，气囊收紧，航行器下潜到工作深度，航行器处于零浮力或微重力状态，两侧的管道螺旋桨协同实现水下的变深、变速、机动和悬停，通信导航模块实现水下的通信与导航，任务负载模块所搭载的负载执行任务；

航行器上浮进入空中飞行工况时，蓄电池供电模块为航行器供电，压载水舱和气囊上的排气阀关闭，高压气源通过充排气设备向压载水舱和气囊充气，压载水舱的进排水孔排水实现上浮条件，在水下推进模块的配合下，航行器上浮至水线面，同时气囊膨胀挤水使涵道风扇完全出水，涵道风扇开始工作并提供足够的升力，满足航行器水面稳态与整体出水，两侧的涵道风扇协同实现空中的垂直起降、前进后退、悬停、机动和高速飞行，通信导航模块实现空中的通信与导航，任务负载模块所搭载的负载执行任务；

从空中飞行工况向水下航行工况切换时，两侧的涵道风扇实现变高度至近水面悬停，然后空中飞行模块停止工作，航行器在重力作用下入水并保持平衡姿态，随后上浮下潜控制模块开始工作。

本发明的有益效果是：

该航行器兼具水下航行和空中飞行跨介质作业能力，气动与水动力性能都很优越，综合了水下无人航行器与空中无人飞行器的优势，同时尽可能地降低了二者的薄弱环节，满足全自由度机动与悬停制动要求，两种航态可以相互切换；碟形翼身具有高度的集成性，浸湿面积远小于传统的水下航行器或飞行器，翼身融合设计有效减少了航行器本体与翼体干扰所造成的附加阻力，气动与水动力性能优越，使得水下推进模块和空中飞行模块更能发挥水下航行和空中飞行的功能；由于蓄电池供电模块重量较大，利用其适当降低整个航行器的重心位置，可以保持水下良好浮态与出水面时刻的初稳性；由于“陀螺”型的航行器重心位置偏低，依靠压载水舱、气囊的排水实现浮心上移，可以满足水面状态的初稳性需求；任务负载模块位于外缘及中部间隙，布置面积大且可以有效避免互相干扰；任务负载模块根据执行任务需要选择搭载负载，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例中“陀螺”型跨介质无人航行器的外观正视图。

图2是本发明实施例中“陀螺”型跨介质无人航行器的外观俯视图。

图3是图2中A-A向的剖视图。

图4是图2中B-B向的剖视图。

图5是本发明实施例中“陀螺”型跨介质无人航行器的内部结构俯视图。

图6是图2中A-A向剖面(实线)与B-B向剖面(虚线)对比图。

图中：1-上浮下潜控制模块；2-通信导航模块；3-任务负载模块；4-蓄电池供电模块；5-空中飞行模块；6-碟形翼身；7-水下推进模块；8-气囊。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1至图5所示，一种“陀螺”型跨介质无人航行器，主体采用类飞碟翼身融合的碟形翼身6，碟形翼身6内部的中心底层设蓄电池供电模块4、中心中层设上浮下潜控制模块1、中心顶层设通信导航模块2、中心前后侧对称设水下推进模块7、中心左右侧对称设空中飞行模块5、外缘及中部间隙设任务负载模块3；蓄电池供电模块4用于为航行器供电并利用自重降低航行器重心形成类“陀螺”状态；通信导航模块2用于实现水下与空中两种介质下的通信与导航；任务负载模块3为执行任务所搭载的负载；水下推进模块7包括管道螺旋桨及驱动电机，两侧的管道螺旋桨能协同实现水下的变深、变速、机动和悬停；空中飞行模块5包括涵道风扇及驱动电机，两侧的涵道风扇能协同实现空中的垂直起降、前进后退、悬停、机动和高速飞行；上浮下潜控制模块1包括压载水舱、充排气设备、高压气源和气囊8，上浮时高压气源通过充排气设备向压载水舱和气囊8充气，压载水舱的进排水孔排水实现上浮条件，气囊8膨胀挤水使涵道风扇完全出水，下潜时充排气设备打开压载水舱和气囊8上的排气阀，压载水舱的气体排出、进排水孔自流入舷外水，气囊8收紧，航行器入水处于零浮力或微重力状态。

该航行器兼具水下航行和空中飞行跨介质作业能力，气动与水动力性能都很优越，综合了水下无人航行器与空中无人飞行器的优势，同时尽可能地降低了二者的薄弱环节，满足全自由度机动与悬停制动要求，两种航态可以相互切换；碟形翼身6具有高度的集成性，浸湿面积远小于传统的水下航行器或飞行器，翼身融合设计有效减少了航行器本体与翼体干扰所造成的附加阻力，气动与水动力性能优越，使得水下推进模块7和空中飞行模块5更能发挥水下航行和空中飞行的功能；由于蓄电池供电模块4重量较大，利用其适当降低整个航行器的重心位置，可以保持水下良好浮态与出水面时刻的初稳性；由于“陀螺”型的航行器重心位置偏低，依靠压载水舱、气囊8的排水实现浮心上移，可以满足水面状态的初稳性需求；任务负载模块3位于外缘及中部间隙，布置面积大且可以有效避免互相干扰；任务负载模块3根据执行任务需要选择搭载负载，具有广阔的应用前景。

在本实施例中，航行器采用的控制系统分别与电池供电模块4、上浮下潜控制模块1、通信导航模块2、水下推进模块7、空中飞行模块5和任务负载模块3电连接，用于实现航行器自身的任务管理、工况切换、航迹规划以及动力与推进控制，实现智能化无人控制。

如图3、图4和图6所示，碟形翼身6采用非旋转对称结构，空中飞行模块5所在位置安装剖面高于水下推进模块7所在位置安装剖面，这样更加有利于近水面状态空中飞行模块5的正常工作，满足航行器出水起飞要求。

在本实施例中，任务负载模块3通过搭载所需的负载能够实现水下科学研究、水文调查、海洋气候测量、海洋资源探测、军事多域侦察、海上干扰与打击。如，任务负载模块3可以搭载测量温度、盐度、密度等参数的传感器，进而实现水文调查。

在本实施例中，通信导航模块2包括卫星通信导航设备、水声通信设备和惯性导航设备。

在本实施例中，蓄电池供电模块4包括蓄电池组和蓄电池充放电路。

在本实施例中，压载水舱上的排气阀和进排水孔分别位于压载水舱的顶部和底部。

在本实施例中，高压气源采用高压气瓶。

在本实施例中，管道螺旋桨的螺旋桨直径设计与功率配置、涵道风扇的风扇直径设计与功率配置均根据性能需求配置。

上述“陀螺”型跨介质无人航行器的工作方法是：

航行器下潜进入水下航行工况时，蓄电池供电模块4为航行器供电，充排气设备打开压载水舱和气囊8上的排气阀，压载水舱的气体排出、进排水孔自流入舷外水，气囊8收紧，航行器下潜到工作深度，航行器处于零浮力或微重力状态，两侧的管道螺旋桨协同实现水下的变深、变速、机动和悬停，通信导航模块2实现水下的通信与导航，任务负载模块3所搭载的负载执行任务；

航行器上浮进入空中飞行工况时，蓄电池供电模块4为航行器供电，压载水舱和气囊8上的排气阀关闭，高压气源通过充排气设备向压载水舱和气囊8充气，压载水舱的进排水孔排水实现上浮条件，在水下推进模块7的配合下，航行器上浮至水线面，同时气囊8膨胀挤水使涵道风扇完全出水，涵道风扇开始工作并提供足够的升力，满足航行器水面稳态与整体出水，两侧的涵道风扇协同实现空中的垂直起降、前进后退、悬停、机动和高速飞行，通信导航模块2实现空中的通信与导航，任务负载模块3所搭载的负载执行任务；

从空中飞行工况向水下航行工况切换时，两侧的涵道风扇实现变高度至近水面悬停，然后空中飞行模块5停止工作，航行器在重力作用下入水并保持平衡姿态，随后上浮下潜控制模块1开始工作。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种“陀螺”型跨介质无人航行器，其特征在于：主体采用类飞碟翼身融合的碟形翼身，碟形翼身内部的中心底层设蓄电池供电模块、中心中层设上浮下潜控制模块、中心顶层设通信导航模块、中心前后侧对称设水下推进模块、中心左右侧对称设空中飞行模块、外缘及中部间隙设任务负载模块；蓄电池供电模块用于为航行器供电并利用自重降低航行器重心形成类“陀螺”状态；通信导航模块用于实现水下与空中两种介质下的通信与导航；任务负载模块为执行任务所搭载的负载；水下推进模块包括管道螺旋桨及驱动电机，两侧的管道螺旋桨能协同实现水下的变深、变速、机动和悬停；空中飞行模块包括涵道风扇及驱动电机，两侧的涵道风扇能协同实现空中的垂直起降、前进后退、悬停、机动和高速飞行；上浮下潜控制模块包括压载水舱、充排气设备、高压气源和气囊，上浮时高压气源通过充排气设备向压载水舱和气囊充气，压载水舱的进排水孔排水实现上浮条件，气囊膨胀挤水使涵道风扇完全出水，下潜时充排气设备打开压载水舱和气囊上的排气阀，压载水舱的气体排出、进排水孔自流入舷外水，气囊收紧，航行器入水处于零浮力或微重力状态；碟形翼身采用非旋转对称结构，空中飞行模块所在位置安装剖面高于水下推进模块所在位置安装剖面。

2.如权利要求1所述的“陀螺”型跨介质无人航行器，其特征在于：航行器采用的控制系统分别与电池供电模块、上浮下潜控制模块、通信导航模块、水下推进模块、空中飞行模块和任务负载模块电连接，用于实现航行器自身的任务管理、工况切换、航迹规划以及动力与推进控制。

3.如权利要求1所述的“陀螺”型跨介质无人航行器，其特征在于：任务负载模块通过搭载所需的负载能够实现水下科学研究、水文调查、海洋气候测量、海洋资源探测、军事多域侦察、海上干扰与打击。

4.如权利要求1所述的“陀螺”型跨介质无人航行器，其特征在于：通信导航模块包括卫星通信导航设备、水声通信设备和惯性导航设备。

5.如权利要求1所述的“陀螺”型跨介质无人航行器，其特征在于：蓄电池供电模块包括蓄电池组和蓄电池充放电路。

6.如权利要求1所述的“陀螺”型跨介质无人航行器，其特征在于：压载水舱上的排气阀和进排水孔分别位于压载水舱的顶部和底部。

7.如权利要求1所述的“陀螺”型跨介质无人航行器，其特征在于：高压气源采用高压气瓶。

8.如权利要求1所述的“陀螺”型跨介质无人航行器，其特征在于：管道螺旋桨的螺旋桨直径设计与功率配置、涵道风扇的风扇直径设计与功率配置均根据性能需求配置。

9.一种如权利要求1至8任一所述的“陀螺”型跨介质无人航行器的工作方法，其特征在于：

航行器下潜进入水下航行工况时，蓄电池供电模块为航行器供电，充排气设备打开压载水舱和气囊上的排气阀，压载水舱的气体排出、进排水孔自流入舷外水，气囊收紧，航行器下潜到工作深度，航行器处于零浮力或微重力状态，两侧的管道螺旋桨协同实现水下的变深、变速、机动和悬停，通信导航模块实现水下的通信与导航，任务负载模块所搭载的负载执行任务；

航行器上浮进入空中飞行工况时，蓄电池供电模块为航行器供电，压载水舱和气囊上的排气阀关闭，高压气源通过充排气设备向压载水舱和气囊充气，压载水舱的进排水孔排水实现上浮条件，在水下推进模块的配合下，航行器上浮至水线面，同时气囊膨胀挤水使涵道风扇完全出水，涵道风扇开始工作并提供足够的升力，满足航行器水面稳态与整体出水，两侧的涵道风扇协同实现空中的垂直起降、前进后退、悬停、机动和高速飞行，通信导航模块实现空中的通信与导航，任务负载模块所搭载的负载执行任务；

从空中飞行工况向水下航行工况切换时，两侧的涵道风扇实现变高度至近水面悬停，然后空中飞行模块停止工作，航行器在重力作用下入水并保持平衡姿态，随后上浮下潜控制模块开始工作。