CN115959274B - 一种气囊辅助的节能型水下滑翔机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气囊辅助的节能型水下滑翔机，包括主体组件、机翼组件、尾舵组件、活塞组件和气囊组件；主体组件包括依次相连的头舱、主舱室和尾舱；主舱室外部套设有两个泡沫套筒；机翼组件水平安装于主舱室上，并位于两个泡沫套筒之间；主舱室内部设有储气罐和与储气罐连通的活塞组件，活塞组件设置在主舱室内前端并与主舱室内部空间连通；气囊组件设置于头舱内，并与活塞组件连通；尾舵组件安装于尾舱内，尾舱内安装有推进器。本发明通过气囊以及活塞组件等结构，设计出一款有别于传统水下滑翔机工作原理的滑翔机；该滑翔机拥有机动性高、滑翔速度快、航程远、耗能小等特点；与现在的技术相比，制造简单，生产成本低，具有很强的实用性。

Description

一种气囊辅助的节能型水下滑翔机

技术领域

本发明属于水下滑翔机的技术领域，具体涉及一种气囊辅助的节能型水下滑翔机。

背景技术

水下滑翔机(Underwater glider,UG)作为一种复杂的无缆水下航行器，主要依靠浮力的改变来实现升沉，利用净浮力和两翼姿态角度调整来获得推力，从而实现在水中的滑翔，复杂的海况对UG质量提出了近乎苛刻的要求，特别是对UG技术设计、部件选择、加工精度等重要环节。除此之外，加强其可靠性以及稳定性也十分重要，然而多重质量和技术的把关也使得其成本居高不下，尤其是其精细化的紧凑型结构设计，使得主要用户只有科研院所以及一些专门研究水下滑翔机的公司等，要实现其为各类用户提供大范围的使用还十分遥远。从其结构设计出发，是否能够设计一种结构简单，制造成本低廉、加工精度低，且在此基础上提高其航行速度以及续航能力是我们研究的方向，众所周知，仅依靠浮力变化驱动的水下滑翔机大多由于无推进器提供主动力，简单的原理设计也使得其向前的航行速度较低，机动性能低等缺陷，此外如何在节能性以及安全性上提出新的创新性设计是研究的重点。

水下滑翔机可分为电能式水下滑翔机、波浪能水下滑翔机与温差能水下滑翔机等，他们共同为全球海洋科学工作者的科研提供了重要保障。水下滑翔机的应用与发展，为科研工作者监测探测海洋资源提供了重要的载体，但传统的水下滑翔机在实际的应用中仍然存在着一些问题，比如仅依靠浮力驱动抗流能力弱、航行速度低、技术含量高，制备成本高，推广困难等。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种气囊辅助的节能型水下滑翔机，以解决传统的水下滑翔机仅依靠浮力驱动抗流能力弱、航行速度低、技术含量高，制备成本高，推广困难等的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种气囊辅助的节能型水下滑翔机，其包括主体组件、机翼组件、尾舵组件、活塞组件和气囊组件；

主体组件包括依次相连的头舱、主舱室和尾舱；主舱室外部套设有两个泡沫套筒；机翼组件水平安装于主舱室上，并位于两个泡沫套筒之间；主舱室内部设有储气罐和与储气罐连通的活塞组件，活塞组件设置在主舱室内前端并与主舱室内部空间连通；气囊组件设置于头舱内，并与活塞组件连通；尾舵组件安装于尾舱内，尾舱内安装有推进器。

本发明提供的气囊辅助的节能型水下滑翔机，具有以下有益效果：

本发明优化了传统滑翔机的功能与性能、降低水下滑翔机的阻力，提高航行时的稳定性，并且拥有机动性高、滑翔速度快、航程远、适应性强、耗能小等特点；与现在的技术相比，制造简单，生产成本低，具有很强的实用性。

本发明通过在整体结构上进行创新，设计出了一种在整体结构上不同于市面上已有机型并表现出较好性能的水下滑翔机，同时在其沉浮运动的动力提供上做了创新，设计出一种新的活塞-气囊结构来循环利用所携带的压缩气体进行整机的运行，而在此过程中所需要的执行结构除了推进器、多个电磁阀以及控制系统需要供电外，其余都为气动，这在维持较好性能的前提下保证了整机的节能性。

附图说明

图1-1为整体组件示意图一；

图1-2为整体组件示意图二；

图1-3为头舱示意图；

图1-4为尾舱部分示意图；

图1-5为尾舱剖视图；

图1-6为主体结构部分示意图；

图1-7为储气罐示意图；

图2-1为机翼组件整体效果图一；

图2-2为机翼组件效果图二；

图2-3为机翼组件效果图三；

图2-4为机翼组件部分效果图一；

图2-5为机翼固定架B5-2效果图；

图2-6为B5-2连接B5-4效果图；

图2-7为旋转组件各零件配合示意图一；

图2-8为旋转组件零件各零件配合示意图二；

图2-9为旋转组件与铝合金圆筒配合示意图；

图2-10为爪形结构示意图；

图2-11为气缸托盘示意图一；

图2-12为气缸托盘示意图二；

图2-13为磁耦式无杆气缸示意图；

图2-14为气缸侧连杆固定架示意图；

图2-15为附件气囊组件示意图；

图2-16为气缸配合示意图；

图2-17为气缸托盘-气缸配合示意图；

图3-1为尾舵装配效果图一；

图3-2为尾舵装配效果图二；

图3-3为主连杆示意图一；

图3-4为主连杆示意图二；

图3-5为主连杆配合示意图；

图3-6为驱动杆示意图；

图3-7为从动杆示意图；

图3-8为尾舵组件装配体示意图；

图3-9为尾部整体装配示意图一；

图3-10为尾部整体装配示意图二；

图4-1为活塞组件示意图；

图4-2为活塞堵头D1-2示意图；

图4-3为活塞附件示意图；

图4-4为活塞组件装配效果图一；

图4-5为活塞示意图；

图4-6为气缸示意图；

图4-7为活塞气缸连接桶示意图；

图4-8为活塞组件装配效果图二；

图4-9为活塞组件内部示意图一；

图4-10为活塞组件内部示意图二；

图4-11为活塞组件剖视图一；

图4-12为活塞组件剖视图二；

图4-13为活塞组件剖视图三；

图4-14为活塞组件-主舱室配合剖视图一；图4-15为活塞组件-主舱室配合剖视图二；图4-16为后法兰盘示意图一；

图4-17为后法兰盘示意图二；

图4-18为后法兰盘装配示意图；

图4-19为前法兰盘示意图；

图4-20为前后法兰盘装配示意图；

图4-21为滑盘示意图；

图4-22为滑盘-气囊夹配合示意图；

图4-23为气囊夹示意图；

图4-24为气囊组件示意图；

图4-25为气囊压缩时剖视图；

图4-26为气囊膨胀时示意图l；

图4-27为气囊收缩时头舱整体剖视图；

图4-28为气囊膨胀时头舱整体剖视图；

图5-1为控制系统气路图；

图6-1为整机部分剖视图一；

图6-2为整机部分剖视图二；

图6-3为整机局部放大示意图；

图6-4为整机示意图一；

图6-5为整机示意图二；

图6-6为整机示意图三；

图6-7为整机示意图四；

图7-1为下沉示意图；

图7-2为上浮示意图；

图7-3为水下通信示意图；

图7-4为水下转向示意图。

其中，A1、主舱室；A2、头舱；A3、尾舱；A4、储气罐；A5、硅胶垫；A6、推进器；A7、泡沫套筒；A8、固定尾翼；

A2-1、头舱出水孔；A2-2、头舱进水孔；

A3-1、尾舱通孔；A3-2、推进器固定位；A3-3、防水舵机固定位；A3-4、U型固定滑槽；

B1、磁耦式无杆气缸；B2、气缸托盘；B3、铝合金圆筒；B4、爪形结构；B5、旋转组件；B6、附加气囊组件；B7、气缸固定架；B8、气缸侧连杆；B9、气缸侧连杆固定架；B10、套筒固定螺钉；

B1-1、气缸主体；B1-2、前端通气孔；B1-3、后端通气孔；B1-4、滑块；

B2-1、气缸托盘固定孔；B2-2、托盘固定槽；B2-3、托盘滑槽；

B3-1、气囊收纳盒固定孔；B3-2、圆筒底孔；B3-3、圆筒横杆粗端；B3-4、圆筒横杆细端；

B4-1、爪形横柱；

B5-1、机翼；B5-2、机翼固定架；B5-3、轴承；B5-4、轴承套筒；B5-5、轴承套筒连接杆；

B5-3-1、前端轴承；B5-3-2、中间轴承；B5-3-3、后端轴承；

B5-4-1、圆柱凹槽；

B6-1、气囊收纳盒；B6-2、气囊罩固定孔；B6-3、收纳盒底孔；B6-4、收纳盒气管孔；

B7-1、气缸固定槽；B7-2、固定架圆孔；

B9-1、固定架固定孔；B9-2、侧杆固定孔；

C1、防水舵机；C2、导流板；C3、导流板连杆组件；

C3-1、双叉式主连杆；C3-2、驱动杆；C3-3、从动杆；C3-4、滑动销；C3-5、上端杆；C3-6、下端杆；C3-7、固定滑槽；

D1、活塞组件；

D1-1、活塞；D1-2、活塞堵头；D1-3、气缸；D1-4、推杆；D1-5、活塞气缸连接桶；

D1-6、活塞缸体；

D1-1-1、缓冲装置；D1-1-2、活塞气缸连接件；D1-1-3、密封环安装槽、D1-1-4：活塞通气孔；

D1-2-1、活塞-气囊排气孔；D1-2-2、活塞-附加气囊排气孔；D1-2-3、活塞-附加气囊进气孔；D1-2-4、联通孔；D1-2-5、活塞部件螺栓孔；

D1-3-1、尾端通气孔；D1-3-2、头部通气孔；D1-3-3、气缸尾端固定孔；

D1-5-1、连接桶固定架；

D2、气囊组件；

D2-1、后法兰盘；D2-2、滑盘；D2-3、前法兰盘；D2-4、压缩弹簧；D2-5、圆柱杆；

D2-6、气囊夹；D2-7、气囊固定螺母；

D2-1-1、圆柱杆安装孔；D2-1-2、进水控制口；D2-1-3、出水控制口；D2-1-4、法兰盘第一层；D2-1-5、法兰盘第二层；D2-1-6、法兰盘第三层；D2-1-7、气囊充气孔；D2-1-8、气囊出气孔；

a1:总气阀，a2:活塞气阀,a3:进气阀；

b1:附加气囊充气阀，b2:附加气囊排气阀，b3：无杆气缸控制阀；

d1:气囊排气阀，d2:头舱排水阀，d3：头舱进水阀，d4：气囊辅助排气阀，d5：气囊充气阀，d6/d7：气缸控制阀d8：泄压阀。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1

本方案的气囊辅助的节能型水下滑翔机，包括主体组件、机翼组件、尾舵组件、活塞组件、气囊组件和控制系统组件；

具体的，主体组件包括依次相连的头舱、主舱室和尾舱；主舱室外部套设有两个泡沫套筒；机翼组件水平安装于主舱室上，并位于两个泡沫套筒之间；主舱室内部设有储气罐和与储气罐连通的活塞组件，活塞组件与主舱室内部空间连通；气囊组件设置于头舱内，并与活塞组件连通；尾舵组件安装于尾舱内，尾舱内安装有推进器。

本实施例将对上述各个组件进行详细描述；

主体组件；

参考图1-1～1-5，主体组件整体呈现“鱼雷”状，包括主舱室A1、头舱A2、尾舱A3以及一个储气罐A4、防水硅胶垫A5、推进器A6、泡沫套筒A7以及两个固定尾翼A8。

其中，头舱A2和尾舱A3分别位于主舱室A1两端，之间通过螺栓固定，主舱室A1内放置储气罐A4以及所有需要与水隔离的器件。

具体地，头舱A2设计有头舱出水孔A2-1以及头舱进水孔A2-2，头舱出水孔A2-1设置在整机正上方，头舱进水孔A2-2设置在正下方，两孔设置的目的是配合活塞组件和气囊组件进行排水和进水操作。

主舱室A1中放置储气罐A4以及活塞组件，在尾舱A3内设置有固定推进器A6以及尾舵组件。两个固定尾翼A8水平安装在尾舱A3的外侧，通过销钉固定。泡沫套筒A7分为两段，通过卸下尾舱A3进行安装，目的是为整机提供浮力，在实际应用中，需要调整整机的浮力等于重量，即整机需要漂浮在水面并且对重量的变化较为“敏感”，这样能够使得前端的头舱内部进水或排水都会对整机浮力产生较为明显的改变。需要表明的是，“鱼雷”状的外形设计目的是减小整机在水中的阻力，机翼组件水平安装在主舱室A1中央。

尾部设置的小功率推进器A6主要用于在整机进行水下滑翔时提供间接性动力，推进器A6以及尾舵组件中的防水舵机C1的控制线路、供能电路以及机翼组件中磁耦式无杆气缸B1的两根通气管路都通过尾舱A3的尾舵通孔A3-1连入主舱室A1内部，尾舵通孔A3-1与主舱室A1内部相通，在尾舱A3与主舱室A1之间通过螺栓连接，并在两者之间放置一片与主舱室外径大小的硅胶垫A5，起到密封作用。

机翼组件；

参考2-1～2-17，其包括一个磁耦式无杆气缸B1、一个气缸托盘B2、一个铝合金圆筒B3、两个爪形结构B4、两个旋转组件B5、附加气囊组件B6、气缸固定架B7、气缸侧连杆B8和气缸侧杆固定架B9。

其中，铝合金圆筒B3内设置有两个爪形结构B4，两个爪形结构B4的半圆形薄片夹在主舱室A1上；附加气囊组件B6设置在铝合金圆筒B3正上方，磁耦式无杆气缸B1设于铝合金圆筒B3正下方；两个旋转组件B5对称设置于铝合金圆筒B3的两侧，磁耦式无杆气缸B1驱动两个旋转组件B5绕铝合金圆筒B3上的横轴旋转运动；

其中，旋转组件包括机翼B5-1、机翼固定架B5-2、轴承B5-3、两个轴承套筒B5-4以及轴承套筒连接杆B5-5；

附加气囊组件B6包括一个喇叭状的气囊收纳盒B6-1、一个小型气囊以及其通气管路。

具体地，如图2-5，2-6所示，两片机翼B5-1分别通过两个机翼固定架B5-2固定，机翼固定架B5-2为两层，机翼被夹在中间并通过螺栓固定。轴承套筒B5-4呈现喇叭状，内部为空，具有两个大小不同的圆柱面，外侧大的内部圆柱面与前端轴承B5-3-1的外部镶嵌连接，前端轴承B5-3-1的内部镶嵌到圆筒横杆粗端B3-3上，中间轴承B5-3-2外部镶嵌在中间较小的内部圆柱面内部，圆筒横杆细端B3-4与中间轴承内部镶嵌连接，后端轴承B5-3-3安装在套筒固定螺钉B10上，其外部镶嵌到轴承套筒后端的圆柱凹槽B5-4-1内，进一步的，前端轴承B5-3-1与中间轴承B5-3-2的内侧镶嵌在铝合金圆筒B3的轴承套筒B5-4与轴承套筒连接杆B5-5的一端通过两螺栓固定，套筒固定螺钉B10用来固定轴承套筒B5-4，通过以上设计，即可使得轴承套筒B5-4可以绕铝合金圆筒B3上的横轴进行旋转。

爪形结构B4呈半圆状薄片，尾端带有一爪形横柱B4-1，需要表明的是，两爪形结构B4在铝合金圆筒B3内，爪形横柱B4-1插入套筒固定螺钉B10所在的通孔中，在该通孔为设置有同螺距的螺纹孔用于配合固定螺钉，爪形结构B4的半圆形薄片可以像两爪子一样夹在主舱室A1上，套筒固定螺钉B10的另一个作用是挤压爪形结构B4上的爪形横柱子B4-1向铝合金圆筒B3中间运动，促使整个机翼组件可以被固定在圆柱形主舱室A1上面。

在铝合金圆筒B3正上方设计有一气囊收纳盒固定孔B3-1连接收纳盒底孔B6-4，用于固定气囊收纳盒B6-1，气囊罩固定孔B6-2设置在气囊收纳盒顶部四周，用来安装具有弹性的网状气囊罩，当内部气囊膨胀以及收缩时，气囊罩会随气囊一起运动，起到对其约束的作用，此外，收纳盒气管孔B6-4用于接气囊的通气管，通气管另一端通过尾舱通孔A3-1接入主舱室内部。

轴承套筒连接杆B5-5另一端设计有一U形滑槽，气缸侧连杆B8较细一端穿过U形滑槽，并通过一固定轴环进行限位防止其脱落和错位，轴承套筒连接杆B5-5设置有两孔的较粗一端插入连接气缸侧连杆固定架B9上的圆柱体圆孔中，侧杆固定孔B9-2用于通过销钉固定侧连杆B8，此外，滑块B1-4在磁耦式无杆气缸B1上，通过前端通气孔B1-2以及后端通气孔B1-3进行的通气推动滑块前后滑动，固定架固定孔B9-1用于将侧连杆固定架B9与气缸上的滑块B1-4通过螺钉连接。

气缸固定架B7共两片，设置有两条气缸固定槽B7-1，用于连接托盘固定槽B2-2，两者通过螺栓固定，该设计可以根据气缸的上下位置不同对气缸固定架B7的位置进行上下调整，气缸固定架中间设计一固定架圆孔B7-2用于通过螺栓固定气缸的两头。

托盘滑槽B2-3水平设置在两侧，气缸侧连杆固定架B9的圆柱体一端在其中滑动，然后其带动轴承套筒连接杆B5-5另一端U形滑槽内滑动，从而带动整个B5-5进行摆动，B5-5的旋转为整个旋转组件提供动力，从而带动两侧机翼进行旋转。需要表明的是，该旋转机翼设计的目的是配合尾部的推进器，对水下滑翔机进行滑翔动作执行提供辅助作用。

尾舵组件；

参考图3-1～3-10，其包括一个防水舵机C1、两个导流板C2、导流板连杆组件C3，其中导流板连杆组件C3由一根双叉式主连杆C3-1、一条驱动杆C3-2、一条从动杆C3-3、一根贯穿驱动杆C3-2与从动杆C3-3的滑动销、一根空芯的上端杆C3-5以及一根空芯的下端杆C3-6。

具体的，防水舵机C1通过旋转轴带动驱动杆C3-2绕其旋转，通过滑动销C3-4与从动杆C3-3镶嵌在一起并跟随驱动杆进行摆动，同时带动双叉式主连杆C3-1一端连接有一根空芯上端杆C3-5，另一端连接有一根空芯下端杆C3-6，空芯上端杆C3-5与空芯下端杆C3-6两端各连接一个导流板C2转动；需要表明的是，固定滑槽C3-7从防水舵机C1的安装平面突出呈现，夹在从动杆C3-3以及驱动杆C3-2之间，滑动销C3-4限制在固定滑槽中并贯穿三者。

舵机C1预留了4个螺纹孔，与尾舵主体进行螺栓连接；驱动杆C3-2一端与防水舵机C1的转轴镶嵌相连，另一端为呈现U形固定滑槽A3-4结构，从动杆C3-3一端之间采用销连接。从动杆C3-3通过螺栓连接，并固定在主连杆C3-1上，与导流板C2带动其同步转动。此外，双叉式主连杆C3-11的形状类似菱形的目的是因为该连杆靠近内侧，为了提供更大的旋转空间，将其设计为该形状，需要表明的是，之所以设置上端杆C3-5与下端杆C3-6设置为空芯目的是为了在方便装配，在装配时通过先将上端杆与下端杆同时套入双叉式主连杆C3-1内，然后先将下端杆靠近尾舱A3一端穿出，然后再将上端杆C3-5拉伸，最后将三根连杆通过销钉固定。此外，驱动杆C3-3通过销钉固定在上端杆C3-5上，尾舵两端的导流板C2分别通过两螺栓孔分别于上端杆与下端杆进行连接。通过上述配合后，舵机左右的摆动将通过一系列联动配合最终导致两垂直方向的导流板C2进行转动，从而促使整机进行方向的调整。

活塞组件；

参考图4-1～4-15，其包括活塞D1-1、活塞堵头D1-2、两个气缸D1-3、两根一端带有Y型接头的推杆D1-4以及一个活塞气缸连接桶D1-5和一个活塞缸体D1-6。

活塞组件设置在主舱室A1内，活塞气缸连接桶D1-5外径与主舱室内径大小相近，活塞缸体D1-6与活塞部件螺栓孔D1-2-5用螺栓进行连接，活塞气缸连接桶D1-5主要用来固定两个气缸D1-3的尾端，两气缸的气缸尾端固定孔D1-3-3与连接桶固定架D1-5-1上的圆孔连接并可绕该孔进行旋转，尾端通气孔D1-3-1与头部通气孔D1-3-2用于接电磁阀后再接压缩气体。

活塞堵头D1-2安装在活塞缸体末端，与活塞缸体D1-6镶嵌连接，在活塞堵头D1-2上中间部位设置有三个通孔，其中，活塞-气囊排气孔D1-2-1连接到前端气囊充气孔D2-1-7，活塞-附加气囊排气孔D1-2-2连接单向阀后通过气管连接电磁阀，活塞-附加气囊进气孔D1-2-3连接单向阀后连接电磁阀，此外，由于活塞堵头最外部的圆盘直径与主舱室A1内径大小相近，为了便于前端气囊向主舱室A1内部排气以及连接前端头舱A2的其他管路等，因此设置多个联通孔D1-2-4。

气缸内的两根一端带有Y型接头的推杆D1-4会随着气缸的通气而进行伸缩运动，Y型接头插入活塞D1-1的活塞气缸连接件D1-1-2中，并通过销钉连接，活塞前端设置有多个凸起的缓冲装置D1-1-1，防止活塞D1-1在推进过程中挤压破坏活塞堵头D1-2，此外，活塞通气孔D1-1-4设置在活塞上，用于连接来自储气罐A4中的压缩气体管路，在管路上为防止气体回流加入单向阀，活塞上设置两个密封环安装槽D1-1-3用于安装密封环。需要表明的是，整个活塞组件放置在主舱室A1前端，后端紧接着放置储气罐，活塞气缸连接桶D1-5除用于固定气缸以及放置部分储气罐外，其他空余区域放置控制系统硬件及供能设备。

气囊组件：

参考图4-16～4-28，气囊组件包括一个后法兰盘D2-1、一个前法兰盘D2-3、一个滑盘D2-2、四根压缩弹簧D2-4、四根用来作为压缩弹簧D2-4导轨的圆柱杆D2-5以及一个气囊夹D2-6；

具体的，如图D16和D17所示，后法兰盘D2-1被设计为三层，法兰盘第一层D2-1-4与法兰盘第二层D2-1-5之间具有一个凹槽，此部分用于固定气囊的底部，在实际应用中可将圆柱形具有弹性且可收缩的气囊尾端套在法兰盘第一层D2-1-4上然后将其固定在凹槽中；

在法兰盘第二层D2-1-5上设计有四个圆柱杆安装孔D2-1-1，用于安装圆柱杆D2-5的底部，以及固定压缩弹簧D2-4下部，此外设置有两个进水控制口D2-1-2以及两个出水控制口D2-1-3，其用途为：利用将管路引入主舱室A1内部，然后接控制器件后再接回到头舱出水孔A2-1和头舱进水孔A2-2上；法兰盘第三层D2-1-6设计在最外侧，用于将整个气囊组件固定到头舱A2上。

压缩弹簧D2-4被套在圆柱杆D2-5上，其底部与后法兰盘D2-1固定，在圆柱杆D2-5末端通过镶嵌连接有一前法兰盘D2-3，前法兰盘中间设计有一个圆孔目的是为气囊固定螺母D2-7的运行留足空间，固定螺母会贯穿前法兰盘。

为了固定圆柱形气囊另一端，设计有一气囊夹D2-6，在使用中需要气囊夹装入气囊末端并将带螺纹杆的一端从气囊中穿出，螺纹杆再通过滑盘D2-2中间的圆孔将气囊夹在两者之间，最后利用气囊固定螺母即可使得整个气囊会随着滑盘D2-2一起运动，滑盘D2-2周围设置有四个突出的圆柱孔，目的是为了让滑盘相对于圆柱杆水平运动，四个圆柱孔分别穿入圆柱杆上并且连接压缩弹簧的另一端，使得弹簧将跟随滑盘和气囊一起相对于圆柱杆一起前后滑动。需要表明的是，当气囊膨胀时将推动滑盘向前移动，此时压缩弹簧被拉伸，当气囊需要排气时，此时在无外界其他力的作用下，弹簧可以提供一部分的拉力促进气囊收缩。需要表明的是，气囊出气孔D2-1-8连接电磁阀后直接将排出的气体排入主舱室内部。

控制系统组件；

其包括硬件部分和软件部分，硬件部分主要包含执行器、传感器、通信模块、供能模块以及控制器，执行器包含多个电磁阀、一个推进器、一个尾部舵机以及在底部的磁耦式无杆气缸，传感器主要包含深度传感器以及姿态传感器，通信模块主要包含北斗/GPS模块，供能模块包含一个电池组，控制器主要包含单片机以及树莓派。软件部分，树莓派需要搭载Ubuntu系统下开源的ROS系统。

实施例2

本实施例进一步给出基于实施例1滑翔机结构的工作方法，不同于目前采用电池组进行重心改变的方法，本发明利用气囊的膨胀与收缩使得头舱A2内部进行排水、充水动作，由于气囊内气体与水隔离，进而在改变整机重心的同时改变了其净浮力。需要表明的是，所设计的气囊直径小于头舱A2的内径，因此依靠气囊的膨胀收缩，再配合添加控制系统下头舱出水孔A2-1、头舱进水孔A2-2的进出水，即可达到改变整机净浮力以及重心的作用。此外本发明的节能性体现在从储气罐A4中的排出的压缩气体会被循环利用；由于水下无法使用GPS等通信方式，为实现良好的通信，添加了附加气囊用于在整机需要通信时将气囊膨胀，使得整机净浮力明显大于重力，即可实现大面积漂浮在水面的状态，从而为整机通讯提供有利条件，同时，该附加气囊可以作为应急系统，当发生意外等紧急情况时，可以向气囊充气，使得整机浮力大于重力，向水面上浮，避免机体沉入水底。如图5-1、图6-1～6-7所示，其具体包括以下步骤：

正常运行时的浮力调整控制方法：

正常运行时的浮力调整控制方法分为充气排水方法、充水排气方法以及磁耦式无杆气缸B1控制方法；

充气排水方法具体包括步骤S1～步骤S3；

步骤S1：打开总气阀a1、活塞气阀a2向活塞缸体D1-6中充入少量压缩气体然后将a2关闭，打开气囊充气阀d4、头舱排水阀d2，控制气缸控制阀d6/d7使得两气缸D1-3带动活塞向前压缩气体使得被压缩的气体流入气囊，头舱A2中多余的水将从A2-1处流出(需要表明的是，其他电磁阀都处于关闭状态)，头舱A2内部安装适当的传感器可检测是否气囊已经完全膨胀，若检测到还未完全膨胀，则执行步骤S2；

步骤S2、关闭d4、d2，打开a3，控制气缸控制阀d6/d7使得气缸带动活塞抽回，此时活塞缸体D1-6中由于抽回而产生的负压将由主舱室内部的气压填补，待气缸完全抽回后关闭a3，打开d4、d2，控制气缸控制阀d6/d7使得气缸带动活塞伸出，这样主舱室A1中的气体将被压入气囊(需要表明的是，由于添加单向阀的缘故，所设计的气路不会发生回流现象)，再次检测气囊的膨胀程度，若还未完全膨胀则重复步骤S2；

步骤S3、在此过程中，若检测到主舱室A1内负压偏大，则需要打开总气阀a1、活塞气阀a2向活塞缸体D1-6中充入少量压缩气体然后将活塞气阀a2关闭，控制气缸控制阀d6/d7使得气缸带动活塞伸出，这样被抽出气体将被压入气囊内部，即可利用A4快速将气囊充胀；

排气充水方法，具体包括步骤S3～步骤S6：

此过程是气囊在膨胀状态下，进行收缩的控制方法；

步骤S4：打开头舱进水阀d3、气囊排气阀d1(需要表明的是，其他电磁阀都处于关闭状态)，在压缩弹簧的拉动下，气囊中的气体将会排向主舱室A1内部，此外由于在进行上述充气排水步骤时，主舱室A1内部相比膨胀的气囊内的压力为负压，也会使得气囊向主舱室A1排气，当排到一定程度，此时由于弹簧等器件的物理性质限制可能无法完全收缩气囊，此时需要执行步骤S5；

步骤S5、关闭气囊排气阀d1，打开气囊充气阀d5(需要表明的是，其他电磁阀都处于关闭状态)，控制气缸控制阀d6/d7使得气缸带动活塞抽回，此时气囊中的气体将被抽回活塞缸体D1-6内部，然后待气缸完全抽回后，关闭气囊充气阀d5，打开进气阀a3，然后控制气缸控制阀d6/d7使得气缸带动活塞伸出，这样被抽出气体将被灌入主舱室A1内部，然后关闭进气阀a3，打开气囊充气阀d5(需要表明的是，其他电磁阀都处于关闭状态)，控制气缸控制阀d6/d7使得气缸带动活塞抽回，打开进气阀a3；重复上述动作直到气囊中的气体被完全抽出；

步骤S6、在此过程中，若检测到主舱室A1内正压偏大，则需要在机体上浮到水面时打开泄压阀d8进行排气，待主舱室A1内部气压正常后关闭泄压阀d8，即可继续执行所有步骤；

磁耦式无杆气缸B1控制方法，其包括如下步骤：

步骤S7、打开总气阀a1、无杆气缸控制阀b3，通过控制无杆气缸控制阀b3，即可实现磁耦式无杆气缸B1带动滑块B1-4进行前后运动。

通信控制方法；

此过程是水下滑翔机在气囊膨胀状态下，即已经上浮或正在上浮时执行的动作，是对附加气囊充放气的控制方法。

充气控制方法，其包括如下步骤：

步骤S8、在活塞处于抽回状态时，打开b2，控制气缸控制阀d6/d7使得气缸带动活塞伸出(需要表明的是，其他电磁阀都处于关闭状态)，这样活塞缸体D1-6内部的气体将被压入附加气囊中，接着，关闭附加气囊排气阀b2，打开进气阀a3，控制气缸控制阀d6/d7使得气缸带动活塞抽回，待活塞完全抽回后，关闭进气阀a3，打开附加气囊排气阀b2，重复以上动作直到附加气囊到达完全膨胀状态(需要表明的是，附加气囊管路中应该安装对于检测压力传感器检测其压力，根据压力值判断是否已达到完全膨胀状态)。

放气控制方法，其具体包括以下步骤：

步骤S9、在活塞处于伸出状态时，打开附加气囊充气阀b1，控制气缸控制阀d6/d7使得气缸带动活塞收缩(需要表明的是，其他电磁阀都处于关闭状态)，这样附加气囊中充入的气体将被吸会活塞缸体D1-6内部，接着，关闭附加气囊充气阀b1，打开进气阀a3，控制气缸控制阀d6/d7使得气缸带动活塞伸出，待活塞完全伸出后，关闭进气阀a3，打开附加气囊充气阀b1，重复以上动作直到附加气囊到达完全收缩状态(需要表明的是，附加气囊管路中应该安装对于检测压力传感器检测其压力，根据压力值判断是否已达到完全收缩状态)。

实施例3

本实施例气囊辅助的节能型水下滑翔机携带一个小型推进器A6以及一套尾舵组件，使得整机在水中可以实现快速滑翔以及转向功能。此外，机翼组件可协助水下滑翔机在水中进行较长距离的滑翔，下面将对具体运动场景的动作进行的举例说明：

下沉作业：

参考图7-1，当要下沉时，执行上述步骤S4-S6，即可使得整机净浮力减小，重心前移，使得滑翔机向前倾斜并逐渐下沉。待整机开始下明显下沉时，打开推进器A6，打开无杆气缸控制阀b3，使得磁耦式无杆气缸B1带动机翼相对于整机向上倾斜，滑翔机能够快速向前下方运动，此时整机处于有动力滑翔状态，待即将到达最大下潜深度时，关闭推进器，使得整机处于无动力滑翔状态。

上浮作业：

参考图7-2，当到达最大下沉深度时，执行上述步骤S1-步骤S3，即可使得整机净浮力增大，重心后移，使得滑翔机向后倾斜并逐渐上浮。待整机开始下明显上浮时，打开推进器A6，打开无杆气缸控制阀b3，使得磁耦式无杆气缸带动机翼相对于整机向下倾斜，滑翔机能够快速向前上方运动，此时整机处于有动力滑翔状态，待即将到达水面时，关闭推进器，使得整机处于无动力滑翔状态。

重复执行上述下沉-上浮作业即可实现整机不断地向前方运动，需要表明的是，推进器A6只为辅助作用，并不需要一直打开，可设置为间断性打开，这与本发明的节能性不冲突。

水下通信、方向改变作业：

参考图7-3和图7-4，当在水中要实现通信或者发生紧急情况时，通过执行步骤S8，即可使得附加气囊膨胀从而携带整机大部分露出水面，当用于通信时，再检测到与目的地行进方向发生偏移时，则需要通过控制尾部的防水舵机使得导流板C2偏移，然后开启推进器待整机行进方向正常后，关闭推进器以及控制防水舵机使得导流板C2还原即可继续执行“下沉-上浮”运动。需要表明的是，在水下滑翔机的整机运行中，无需频繁通信，只需设定一定时间或者执行固定次数的“下沉-上浮”运动后再进行浮出水面通信的程序。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种气囊辅助的节能型水下滑翔机，其特征在于：包括主体组件、机翼组件、尾舵组件、活塞组件和气囊组件；

所述主体组件包括依次相连的头舱、主舱室和尾舱；所述主舱室外部套设有两个泡沫套筒；所述机翼组件水平安装于主舱室上，并位于两个所述泡沫套筒之间；所述主舱室内部设有储气罐和与储气罐连通的活塞组件，所述活塞组件设置在主舱室内前端并与主舱室内部空间连通；所述气囊组件设置于头舱内，并与活塞组件连通；所述尾舵组件安装于尾舱内，所述尾舱内安装有推进器；

所述头舱上开设有与活塞组件、气囊组件配合的出水孔和进水孔，所述出水孔设置在头舱的正上方，进水孔设置在头舱的正下方；所述尾舱外侧水平安装有两个固定尾翼；

所述机翼组件包括磁耦式无杆气缸、气缸托盘、铝合金圆筒、两个旋转组件和附加气囊组件；

所述气缸托盘与铝合金圆筒贴合固定；所述气缸托盘的下端开设有四个托盘固定槽和两个托盘滑槽；

所述铝合金圆筒内设置有两个爪形结构，两个爪形结构的半圆形薄片夹在主舱室上；所述附加气囊组件设置在铝合金圆筒正上方，所述磁耦式无杆气缸设于铝合金圆筒正下方；两个旋转组件对称设置于铝合金圆筒的两侧，所述磁耦式无杆气缸驱动两个旋转组件绕铝合金圆筒上的横杆旋转运动；

所述旋转组件包括机翼、机翼固定架、轴承套筒和轴承套筒连接杆；所述机翼分别通过机翼固定架固定，机翼固定架为两层，机翼被夹在两层中间并通过螺栓固定；所述轴承套筒插入机翼固定架末端，轴承套筒为喇叭状，内部中空，轴承套筒具有两个大小不同的圆柱面，外侧大的内部圆柱面与前端轴承的外部镶嵌连接，前端轴承的内部镶嵌到圆筒横杆粗端上，中间轴承外部镶嵌在中间小的内部圆柱面内部，圆筒横杆细端与中间轴承内部镶嵌连接，后端轴承安装在套筒固定螺钉上，其外部镶嵌到轴承套筒后端的圆柱凹槽内；

轴承套筒与轴承套筒连接杆的一端通过两螺栓固定，所述轴承套筒连接杆另一端设计有一U形滑槽，气缸侧连杆一端穿过U形滑槽，并通过一固定轴环进行限位；气缸侧连杆设置有两孔的一端插入连接气缸侧连杆固定架上的圆柱体圆孔中，侧杆固定孔通过销钉固定气缸侧连杆于圆柱体；所述磁耦式无杆气缸上设有滑块，通过前端通气孔以及后端通气孔进行的通气推动滑块前后滑动，固定架固定孔将气缸侧连杆固定架与气缸上的滑块通过螺钉连接；气缸固定架为两片，对应设置有两条气缸固定槽，用于连接托盘固定槽；托盘滑槽水平设置在气缸托盘中部的两侧，并横向贯穿整个气缸托盘，气缸侧连杆固定架的圆柱体一端在其中滑动，带动轴承套筒连接杆另一端U形滑槽移动，以带动轴承套筒连接杆进行摆动，从而带动两侧机翼进行旋转。

2.根据权利要求1所述的气囊辅助的节能型水下滑翔机，其特征在于：所述附加气囊组件包括喇叭状的气囊收纳盒和小型气囊；气囊罩固定孔设置在气囊收纳盒顶部四周，以安装具有弹性的网状气囊罩；收纳盒气管孔接气囊的通气管，通气管另一端通过尾舱通孔接入主舱室内部；所述铝合金圆筒正上方设计有一气囊收纳盒固定孔连接收纳盒底孔，用于固定气囊收纳盒。

3.根据权利要求2所述的气囊辅助的节能型水下滑翔机，其特征在于：所述爪形结构呈半圆状薄片，其尾端带有一爪形横柱，所述爪形横柱插入套筒固定螺钉所在的通孔中，该通孔位于圆筒横杆的空心内侧，所述套筒固定螺钉挤压爪形结构上的爪形横柱向铝合金圆筒中间运动，促使机翼组件被固定在圆柱形主舱室上面。

4. 根据权利要求1所述的气囊辅助的节能型水下滑翔机，其特征在于：所述尾舵组件包括一个防水舵机、两个导流板和导流板连杆组件；所述导流板连杆组件包括一根双叉式主连杆、一条驱动杆、 一条从动杆、一根贯穿驱动杆和从动杆的滑动销、一根空芯的上端杆和一根空芯的下端杆；

所述防水舵机通过旋转轴带动驱动杆绕其旋转，通过滑动销与从动杆镶嵌在一起并跟随驱动杆进行摆动，双叉式主连杆一端连接有一根空芯上端杆，另一端连接有一根空芯下端杆，上端杆与下端杆两端各连接一个导流板转动；

驱动杆一端与防水舵机的转轴镶嵌相连，另一端为呈现U形固定滑槽结构，并与从动杆一端之间采用滑动销连接；所述从动杆的另一端通过螺栓连接上端杆，从动杆带动双叉式主连杆同步转动；尾舵一端的导流板通过两螺栓孔与上端杆连接，尾舵另一端的导流板通过两螺栓孔与下端杆连接。

5.根据权利要求3所述的气囊辅助的节能型水下滑翔机，其特征在于：所述活塞组件包括活塞、活塞堵头、两个气缸、两根一端带有Y型接头的推杆、一个活塞气缸连接桶和一个活塞缸体；所述活塞缸体与活塞堵头上的活塞部件螺栓孔螺栓连接，活塞气缸连接桶固定两个气缸的尾端，两气缸的气缸尾端固定孔与连接桶固定架上的圆孔连接并可绕该孔进行旋转，尾端通气孔与头部通气孔用于接电磁阀后再接压缩气体；

所述活塞堵头安装在活塞缸体末端，并与活塞缸体镶嵌连接，在活塞堵头上中间部位设置有三个通孔，其中活塞-气囊排气孔连接到前端气囊充气孔；活塞-附加气囊排气孔连接单向阀后通过气管连接电磁阀，活塞-附加气囊进气孔连接单向阀后连接电磁阀；

所述气缸内的两根一端带有Y型接头的推杆会随着气缸的通气而进行伸缩运动，Y型接头插入活塞的活塞气缸连接件中，并通过销钉连接，活塞前端设置有多个凸起的缓冲装置；活塞通气孔设置在活塞上，与储气罐中的压缩气体管路连通。

6.根据权利要求5所述的气囊辅助的节能型水下滑翔机，其特征在于：所述气囊组件包括一个前法兰盘、一个后法兰盘、一个滑盘和四根压缩弹簧；

所述后法兰盘包括三层，法兰盘第一层与法兰盘第二层之间设有一个凹槽，用于固定气囊的底部；在法兰盘第二层上设有四个圆柱杆安装孔，用于安装圆柱杆的底部，以及固定压缩弹簧下部，还在其上设置有两个进水控制口以及两个出水控制口；法兰盘第三层为最外侧，用于将气囊组件固定在头舱上；

压缩弹簧套在圆柱杆上，其底部与后法兰盘固定，在圆柱杆末端通过镶嵌连接有一前法兰盘，前法兰盘中间设计有一个圆孔；

气囊夹装入气囊末端并将带螺纹杆的一端从气囊中穿出，螺纹杆通过滑盘中间的圆孔将气囊夹在两者之间，利用气囊固定螺母使气囊随着滑盘一起运动，滑盘周围设置有四个突出的圆柱孔，四个圆柱孔分别穿入圆柱杆上并且连接压缩弹簧的另一端，使得弹簧跟随滑盘和气囊一起相对于圆柱杆一起前后滑动。