CN116872661A - 一种海洋航行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋航行器，属于海洋航行器技术领域，具有水下滑翔、水面风驱、空中飞行三种航态，翼龙骨设于航行器的船体的底部，翼帆部包括支撑梁和翼帆，支撑梁横跨设于船体的顶部，翼帆绕自身翼展方向中心轴旋转，翼帆在航行器处于水下滑翔或空中飞行航态时调整为水平展开状态，在航行器处于水面风驱航态时调整为向上折叠状态，浮力调节部包括介质罐和弹性囊，介质罐设于船体的第一安装舱内，弹性囊设于翼龙骨的第二安装舱内，介质在介质罐与弹性囊之间流动以调节航行器在水中所受浮力大小，姿态调节部设于第一安装舱内，螺旋桨设于船体的尾部。该航行器解决现有技术中航态有限、航速低，作业形式与范围受限的不足。

Description

一种海洋航行器

技术领域

本发明涉及海洋航行器技术领域，尤其涉及一种跨介质三航态的海洋航行器。

背景技术

随着人类对海洋探索、开发、利用的逐步深入，以及各国对海洋安全、环境保护的广泛重视，促使海洋观测技术取得了长足的进步，海洋观测技术已经成为海洋科学研究、海洋经济发展、海洋环境保护、海洋资源开发、海洋国防建设等海洋活动的重要基础。当前，海洋观测呈现以下几个主要特点：

（1）观测空间跨度大，观测对象从厘米级的湍流到上百千米的中小尺度涡旋，甚至包括几千千米的洋流观测；（2）长期连续性，从变化周期为几个月的动力系统观测，到需要几个月甚至几年的海洋温度变化观测、板块运动观测；（3）同步性，例如进行海气相互作用的观测；（4）越是极端恶劣海况越需要观测，其数据的价值越高，例如风暴潮的观测。

此外，针对海上结构物的监测除同样需长期连续、同步及极端海况环境外，还呈现水上、水面、水下的观测立体化与数据实时性特点。

以上特点就要求新型海洋观测平台应具有长周期、大航程、跨介质、高可靠、低功耗、立体化、灵活自主并能适应复杂恶劣海洋环境等优点。

目前被广泛采用的运载器平台类型中，普通观测船、拖曳系统（TUV）、有缆水下机器人（ROV）、水面无人艇（USV）能够通过人工有线/无线遥控实现精准作业；而自治式水下机器人（AUV）、水下滑翔机（UG）则脱离控制缆的限制，实现一定范围内的灵活作业，尤其UG，借助于水中滑翔运动方式，实现了水下的超长航程探测活动；而航行于水面的波浪滑翔器（WUSV）则通过利用海洋中丰富的波浪能驱动，既实现了海面上的超长距离航行，又以清洁能源驱动减少了对海洋环境的污染。

以上各运载器或因智能控制具有良好的自主性，或因无缆传输具有显著的灵活性，或因海洋能驱动具有超长的航程和绿色作业，因而针对不同作业任务被广泛应用。近年来，结合新的海洋探测需求，一些综合以上运载器优势的新型平台不断出现。

发明专利202010516047.9（专利1）公开了一种可变形的两航态无人运载器，其主要结构包括风帆模块、浮力调节模块、翼龙骨及其变换模块。在水面航态时以风能驱动单个弧形风帆，通过调整风帆迎风角使运载器获得前进推力。同时风帆表面布置有太阳能板，使风帆在水面受风的同时转换太阳能为电能储存，以供给运载器搭载设备用电；而当运载器需要转换为水下航态时，首先通过运载器外挂油囊压缩减小其排水体积降低浮力，使运载器下潜至水下，之后将竖向翼龙骨展开为水平向水翼，通过调整运载器浮力重力间的不等关系，使其在水中周期性的上浮下潜运动，通过调整运载器首部俯仰角带动水平水翼以不同攻角迎向垂直方向流体，从而产生前进分力，从而实现运载器在水下低功耗前进，该水下航行原理与UG相同。

发明专利202010450229.0（专利2）公开了一种变结构的多航态运载器，其主航态为水面无人艇，辅助航态为半潜方式。其以电池或燃油为主要能源，主体结构包括1个主艇体、2个副艇体、浮态调节舱、伸展组件等。当水面风浪较小的低海况环境时，通过伸展机构收缩折叠将运载器转变为小水线面双体船形式，实现高速航行；而当遭遇风浪较大的高海况环境时，则通过伸展机构展开将运载器转变为三体船形式，实现高耐波性航行，而在需要隐蔽性的特殊情况下，则通过浮力调节舱改变运载器所受总体浮力，使其能够大部分潜入水中实现半潜式航行。

发明专利201910628097.3（专利3）公开了一种海洋运载器的多航态、低功耗航行的水翼装置。该装置主要由主艇体、艇体首尾下方两对水翼及其摆动转动锁止机构、浮力调节装置等组成。可完成水面、水下两种航态：其水面航行遭遇波峰或波谷时，两对水翼自由摆动、最大摆角由限位装置控制，水面波浪运动引起水翼受垂直方向水流冲击而产生摆动运动，摆动至某一侧限位角后水翼固定，垂向水流冲击固定攻角水翼产生前进方向推力从而使运载器前进。该方式与前述WUSV工作原理相同；当进行水下航行时，通过液压装置将两对水翼折叠至运载器主体两侧呈滑翔机形式，通过浮力调整装置改变自身浮力时，可使整体没入水中，通过浮力与重力间的往复不等关系，实现上下浮沉运动，此时液压装置将水翼锁止某一攻角处，使其将水流垂向相对运动转变为前进推力，从而推动运载器前进，该水下航态与前述UG原理相同。

发明专利201910321516.9（专利4）公开了一种可垂直起降的海陆空潜四栖运载器，主要由机身、固定翼、旋翼、螺旋桨、矢量推进器、起落架、姿态控制舱等机构组成，可完成水下、水面、空中、陆地四种场景下的航行。其中水下与水面航行时由不同位置压载水舱调整运载器姿态、由矢量推进器提供前进推力；陆地航行时则由安装于起落架的轮子支撑主体、由机身前端螺旋桨提供前进推力；空中飞行时同样由螺旋桨产生推力、由机身两侧固定翼产生升力，同时固定于机身上的四个旋翼产生垂直起降的升力。该运载器的水面与水下航行原理与常规水下机器人相同，陆地空中航行原理则与常规小型固定翼飞机相同，垂直起降原理则与常规无人机相同。各功能模块相互独立、互不影响。

附图14列举了目前被广泛采用的海洋探测平台类型，对比发现：观测船、TUV、ROV作业范围有限，且需全程人工干预；AUV、USV则因动力源限制，续航力有限，而AUV、UG局限水下作业，极易失事丢失，USV局限水面及浅水探测，恶劣海况下自保困难；UG与WUSV虽有较高续航力，但航速低，且UG锯齿状航迹固定、精确目标探测与控制困难，而WUSV航行中浮体随波晃动剧烈，所载传感器又极近水面导致所测数据误差较大。

前文所列专利1至3均是针对海洋探测需求的变化与提升，在综合了附图14中两种或多种相应运载器形式与优点基础上开发而来，虽功能性更强、适应场景更多，但各结构、部件的科学性与可靠性不高，且均无法完成空中探测功能，故与实际应用仍有一定距离。

具体而言，专利1所提出方案存在以下问题：（1）水下变形导致机构水密性要求高、易腐蚀损坏，功能可靠性低。其有水面航行状态转变为水下航态时，需将水下的翼龙骨从竖向中间向水平两侧展开，而从水下航态转为水面航态时，该变形反向。由于该过程均在海水中实现，故要求液压系统、主艇体底部、供电与控制走线等需具有较高的水密性，而长时间在海水中工作亦将导致水下金属件极易腐蚀损坏；此外，翼龙骨长时间的水下动作或易出现合并时对称性降低，导致其水面航行时航向偏离、控制困难；或出现单侧展开机构失效现象，导致航行器完全丧失水下航行能力。（2）翼龙骨变形导致水下航行稳定性降低。常规海洋航行器的翼龙骨/稳定舵为保持良好的航向稳定性与减小横向晃荡，均采用小展弦比外形的一体成型结构，而专利1为模仿UG的水下滑翔方式将翼龙骨改为为大展弦比外形、以展开为滑翔翼。该方案将导致航行器水面航行稳定性下降，而水下航行时则由于翼龙骨的水平展开使整体重心提高而导致其抵抗晃荡的能力降低。（3）风帆内折导致整体水阻力增大、太阳能板功率降低。专利1为实现水上风动航行转为水下滑翔，采用将风帆折叠收起至贴近主体方式。突出的帆板将破坏原主体的流线外形，导致其航行水阻力显著增加，降低水下前进速度。同时，由于专利1设计太阳能板全部安装于帆板表面，因此逆风下收帆导致充电效率至少损失50%，不收帆则将反向航行、偏离预设轨迹。（4）该设计方案只能完成水面、水下航态，无法实现空中探测，而其水下航行时缺少自救功能，极易丢失。此外，专利1中单一大尺度推进帆设计导致冗余度低、智能控制困难；而主体的类船舶外形导致其水面航行受波浪阻力、摇晃力更大，而水下航行时阻力更高，均严重影响了其航行速度与作业时长。

专利2提出的多航态航行器随可实现水面水下航行，但其存在以下不足：（1）其目标任务为短距离快速、隐蔽抵近侦查，动力完全依靠电池，且无其他无限清洁能源补充，续航力低，故无法完成大范围、长周期、远距离的海洋观测任务；（2）其水下航态实际为半潜方式航行，仍有部分主体露出水面，该方式不仅无法实现对水域纵深方向的立体探测，而且航行阻力显著增加，极大限制其功能性与续航力。

专利3实际上是WUSV与UG的结合体，虽能低能耗实现水面水下两航态航行，但机构设计上的不足导致其整体作业可靠性较低，表现在以下方面：（1）水面航态模仿WUSV以波浪驱动摆动翼推进，其将柔性脐带缆改为首位刚性支架，虽避免了WUSV推进器整体扭转问题，但由于摆动翼产生的推力需经刚性支架传递至主体，故支架受较大周期性弯矩载荷，极易疲劳损坏，尤其高海况环境；（2）区别于WUSV的6对串列水翼的大展弦比、主艇体下4-6m连接缆长度，为达到折叠支架转换为UG的目的，专利3的推进水翼只保留2对，且水下深度很小，故水面航态时水翼运动极易受波浪影响，产生推力下降，航速不高。（3）与WUSV面临相同问题，专利3所述方案水面航行时需尽可能跟随波浪运动，以获得有效推力，故其航速不高且变化剧烈。同时，尽可能随波摇荡运动的特点与其搭载探测设备需要稳定姿态以收集科学数据的要求相矛盾，故其应用效果较差。此外，与专利1相似，专利3采取的复杂折叠支架方式将摆动翼提升至主体两侧以UG形式在水下航行，同样存在水下航行阻力增加、易受海水侵蚀、结构系统可靠性低等关键问题。

专利4从外形结构与主要功能来看，实质上是对传统水上飞机的改进，即通过机体水密并增加矢量推进器实现水下航行，通过增加4个旋翼实现垂直起降功能，通过增加常规客机的起落架实现陆地运动。功能模块的简单组合并相互独立将导致整体耗能增加、可靠性不高，故该方案航行器只可完成短距离、水下小深度范围的立体作业。

本背景技术所公开的上述信息仅仅用于增加对本申请背景技术的理解，因此，其可能包括不构成本领域普通技术人员已知的现有技术。

发明内容

针对背景技术中指出的问题，本发明提出一种海洋航行器，以海洋风能、太阳能等清洁能源为动力来源，可在水、空气两种介质中完成水下滑翔、水面风驱、空中飞行三种航态，解决现有技术中工作介质单一、航态有限、续航力差、航速低，作业形式与范围受限的不足，同时提升装备结构设计的科学性、可靠性与实用性，满足全天候、大范围、立体化、绿色可靠的海洋科学探测与数据收集作业要求。

为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：

本发明提供一种海洋航行器，具有水下滑翔、水面风驱、空中飞行三种航态，所述航行器包括：

船体，其内形成第一安装舱；

翼龙骨，其设于所述船体的底部，用于稳定所述航行器在水中的航向，所述翼龙骨内形成第二安装舱，所述第二安装舱上设置用于供外界空气或水流通的通孔；

翼帆部，其包括支撑梁和转动设于所述支撑梁两端的翼帆，所述支撑梁横跨设于所述船体的顶部，所述翼帆绕自身翼展方向中心轴旋转，所述翼帆相对于所述船体具有向上折叠状态和水平展开状态，所述翼帆在所述航行器处于水下滑翔或空中飞行航态时调整为水平展开状态，所述翼帆在所述航行器处于水面风驱航态时调整为向上折叠状态；

浮力调节部，其包括介质罐和弹性囊，所述介质罐设于所述第一安装舱内，所述弹性囊设于所述第二安装舱内，介质在所述介质罐与所述弹性囊之间流动以调节所述航行器在水中所受浮力大小；

姿态调节部，其设于所述第一安装舱内，用于调节所述航行器在水中的运动姿态；

螺旋桨，其设于所述船体的尾部。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：

本申请所公开的海洋航行器为一种能够在水、空气两种介质中航行的无人海洋航行器，具有水下滑翔、水面风驱、以及空中飞行三种航态。其中以水下滑翔、水面风驱航态为主，空中飞行航态为辅。

航行器处于水下滑翔航态时，翼帆水平展开，航行器通过浮力调节部实现在水中垂直面上下运动，两翼帆则借助该垂直运动产生水平方向的前进推力，通过姿态调节部调整水中姿态，从而使航行器在水中呈现波浪线式的低能耗、超长航程的滑翔运动。

当航行器调整浮力浮至水面时，以风能为驱动力，两翼帆由水平展开状态转变为向上折叠状态，由舵机调整两翼帆迎风角度，获得前进推力，实现不同航速、航向的水面航行，同时翼帆与船体上表面安装有柔性光伏板，同步将太阳能转化为电能并储存于航行器船体内的蓄电池，供用电仪器设备使用。

当需要进行海面以上空中观测或某些特殊情况时，航行器将两翼帆展开呈水平，后部螺旋桨启动并逐渐加速旋转、翼帆调整至恰当攻角，使航行器在水面滑行至起飞。通过螺旋桨转速与翼帆攻角的配合，实现航行器的空中加速减速与起飞降落。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据实施例的海洋航行器的翼帆处于向上折叠状态时的结构示意图；

图2为根据实施例的海洋航行器的翼帆处于水平展开状态时的结构示意图；

图3为根据实施例的转动锁止机构的结构示意图；

图4为根据实施例的海洋航行器在水下滑翔或空中飞行航态时翼帆的迎流攻角示意图；

图5为根据实施例的海洋航行器在水面风驱航态时翼帆的帆向角示意图；

图6为根据实施例的转动锁止机构电磁锁的锁止状态示意图；

图7为根据实施例的转动锁止机构电磁锁的解锁状态示意图；

图8为根据实施例的第二支座上齿条、锁止孔的结构示意图；

图9为图8中A-A向剖视图；

图10为根据实施例的海洋航行器船体、翼龙骨内部结构示意图；

图11为根据实施例的姿态调节部的结构示意图；

图12为根据实施例的螺旋桨及驱动电机的结构示意图；

图13为根据实施例的航行器在水下、水面、以及空中的三种航态示意图；

图14为现有海洋探测平台的对比图；

附图标记：

100、船体；110、船头部；120、船中部；121、上舱；1221、第一下舱；1222、第二下舱；123、第一隔板；124、第二隔板；130、船尾部；131、稳定舵；

200、翼帆部；210、翼帆；211、顶舱；220、支撑梁；221、支架；230、舵机；231、驱动转轴；

300、翼龙骨；310、第三隔板；320、延伸部；

400、浮力调节部；410、介质罐；420、弹性囊；430、管路；440、介质流通嘴；

500、姿态调节部；510、安装座；511、底板；512、竖板；520、第二电机；530、丝杠；540、滑块；550、导向杆；

600、螺旋桨；610、第三电机；

700、转动锁止机构；710、固定部；711、第一底座；712、第一支座；713、转轴；720、运动部；721、第二底座；722、第二支座；723、轴孔；724、第一锁止孔；725、第二锁止孔；726、第三锁止孔；727、限位槽；730、驱动部；731、第一电机；732、齿轮；733、齿条；740、锁止部；741、电磁锁；742、锁芯；

800、自救模块。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

本实施例公开一种海洋航行器，为一种能够在水、空气两种介质中航行的无人海洋航行器，参照图13，该航行器具有水下滑翔、水面风驱、以及空中飞行三种航态。其中以水下滑翔、水面风驱航态为主，空中飞行航态为辅。

参照图1、图2、以及图10，航行器包括船体100、翼龙骨300、翼帆部200、浮力调节部400、姿态调节部500、以及螺旋桨600等组成。

船体100整体呈两端尖、中间鼓的船型结构，船体100内形成第一安装舱。第一安装舱内安装蓄电池、控制系统等。

翼帆部200设于船体100的顶部，其包括支撑梁220和转动设于支撑梁220两端的翼帆210，两个翼帆210相对于支撑梁220对称设置。支撑梁220横跨设于船体100的顶部。

翼帆210相对于船体100具有向上折叠状态和水平展开状态，并能够在相应状态下锁止。

翼帆210处于向上折叠状态时，参照图1，翼帆210向船体100的上方翻转至与支撑梁220垂直，两个翼帆210相互平行。航行器处于水面风驱航态时，翼帆210调整为向上折叠状态。

翼帆210处于水平展开状态时，参照图2，翼帆210向船体100的旁侧翻转至与支撑梁220平行，两个翼帆210分设于船体100的两侧。航行器处于水下滑翔或空中飞行航态时，翼帆210调整为水平展开状态。

翼帆210能够绕自身翼展方向中心轴旋转，形成不同角度的迎流攻角以获得不同的空气动力与水动力性能。图4所示为航行器在水下滑翔或空中飞行航态时翼帆210的迎流攻角示意图。图5所示为航行器在水面风驱航态时翼帆210的帆向角的示意图。

翼龙骨300的横截面为机翼形，设于船体100的底部，靠船体100底部、在船宽方向居中、船长方向对应支撑梁220设置，其用于稳定航行器在水中的航向、克服水面风驱航态时作用于两翼帆的侧向风力所引起的船体横摇力矩，并作为压载水舱调整航行器所受浮力以实现在水中的上浮下潜动作。

翼龙骨300内形成第二安装舱，第二安装舱上设置用于供外界空气或水流通的通孔。

浮力调节部400包括介质罐410和弹性囊420，介质罐410设于第一安装舱内，弹性囊420设于第二安装舱内，介质在介质罐410与弹性囊420之间流动以调节航行器在水中所受浮力大小。介质可以为液压油、压缩气体等。

姿态调节部500设于第一安装舱内，用于调节航行器在水中的运动姿态。

螺旋桨600设于船体100的尾部。螺旋桨为可在空气与水中两用的推进螺旋桨，螺旋桨600主要用于空中飞行航态时的推力产生，辅助水面风驱航态、水下滑翔航态时偶然快速推进需求。

为保证航行器的长时间、大航程作业时搭载设备正常运行，各翼帆210两侧、船体100上部均贴合安装有柔性光伏板，通过转化利用海上光能为电能满足其供电需求。

本申请航行器处于水下滑翔航态时，翼帆210水平展开，航行器通过浮力调节部400实现在水中垂直面上下运动，两翼帆210则借助该垂直运动产生水平方向的前进推力，从而使航行器在水中呈现波浪线式的低能耗、超长航程的滑翔运动。

当航行器调整浮力浮至水面时，两翼帆210由水平展开状态转变为向上折叠状态，由舵机230调整两翼帆210迎风角度，获得前进推力，同时翼帆210与船体100上表面安装有柔性光伏板，同步将太阳能转化为电能并储存于航行器船体100内的蓄电池，供用电仪器设备使用。

当需要进行海面以上空中观测或某些特殊情况时，航行器将两翼帆210展开呈水平，后部螺旋桨600启动并逐渐加速旋转、翼帆210调整至恰当攻角，使航行器在水面滑行至起飞。通过螺旋桨600转速与翼帆210攻角的配合，实现航行器的空中加速减速与起飞降落，同时通过尾部的倒V型稳定舵131稳定飞行航向。

本申请航行器具有以下优点：

航行器处于水面风驱航态时，以风能为驱动力，翼帆210向上翻转至向上折叠状态，通过控制舵机230调整翼帆210迎风角度获得前进驱动风力，从而实现不同航速、航向的水面航行，同时转化太阳能为电能并储存于蓄电池。

航行器处于水下滑翔航态时，通过浮力调节部400来调整航行器所受浮力与自身重力的大小关系，从而实现上浮或下潜运动，翼帆210展开呈水平，通过舵机230调整翼帆210迎流角，通过姿态调节部500改变航行器水中姿态，从而实现航行器以周期性波浪线轨迹向前滑翔航态，相应驱动电能完全来自前述水面的太阳能转化。

航行器处于空中飞行航态时，通过航行器尾部螺旋桨600提供前进推力，通过调整翼帆210攻角获得升力，实现空中飞行航态，其驱动能源亦完全来自于前述太阳能转化。

本申请提供的航行器驱动能源完全来自海洋中无限存在的风能、太阳能，故能够在海洋中实现绿色化的超长航程与作业时间、并立体化的探测活动。

具体的说，本申请提供的航行器通过对称于船体100的双翼帆210在竖直、水平两种状态间的变化分别作为水面风驱航态的风帆，水下滑翔航态的滑翔翼、空中飞行航态的飞行翼。

通过舵机230调整翼帆210角度，可完成以下功能：水面风驱航态可获得不同角度、大小的驱动风力，水下滑翔航态可在保持航行器某一固定姿态角下获得不同大小的前进推力，而不同于常规水下滑翔机前进中需不断调整姿态角，空中飞行航态可在固定航速下获得不同大小的升力，在无需常规客机襟翼情况下完成起飞降落。

翼帆210两面及船体100上表面均安装柔性太阳能电池板，船体100内安装有蓄电池，电池板所转化电能均储存于电池内供航行器上仪器设备使用。

翼帆210横截面为机翼形，水面风驱航态时采用双帆并联形式，一方面能够提供相比单帆更大的风驱推进力，同时可利用双帆间有利的流场干扰，提高推进效率；同时双帆驱动对于无人帆船而言，可增加控制输出量，在复杂海面风场中降低控制算法难度、提高航行器可靠性和作业能力；另一方面，双帆驱动可在某一帆故障或损坏情况下，依靠另一帆继续航行或返航，提高航行器的生命力。

翼龙骨300采用小展弦比形式，相比较于背景技术中专利1因需龙骨展开兼做滑翔翼而采用的大展弦比矩形翼相比，能够在有限航行器尺度范围内提供更大的稳定力矩；利用翼龙骨300内部空间兼做经常性吸排水的浮力调节舱，能够更好的保证船体100的封闭性、完整性及内部设备的安全性，尤其保证了水下滑翔航态的船体100结构强度，同时提高船体100内空间利用效率。

航行器尾部配备的螺旋桨600与常规海洋无人航行器不同，其可在水、空气两种介质中工作，通过可调高速电机驱动，主要用于空中推进，辅助满足航行器水面风驱或水下滑翔航态的偶然性高推力、高航速要求。

在一些实施例中，参照图1和图2，支撑梁220与翼帆210之间设置转动锁止机构700，转动锁止机构700用于使翼帆210上下翻转，并锁止在向上折叠状态或水平展开状态。

参照图3，转动锁止机构700包括固定部710、运动部720、驱动部730、以及锁止部740。

固定部710设于支撑梁220的端部，支撑梁220的两端分别设置固定部710。固定部710包括第一底座711和第一支座712。第一底座711为板状结构，第一底座711固定设于支撑梁220的端部。第一支座712为板状结构，第一支座712固定设于第一底座711上。第一支座712自第一底座711朝远离支撑梁220的方向延伸。第一支座712上设有转轴713。

运动部720与固定部710转动连接，运动部720设于翼帆210靠近支撑梁220的一端，以翼帆210处于向上折叠状态方位为例，运动部720设于翼帆210的底部。通过运动部720相对于固定部710的转动，实现翼帆210的上下翻转。

运动部720包括第二底座721和第二支座722。第二底座721为板状结构，第二底座721设于翼帆210靠近支撑梁220的一端。第二支座722为板状结构，第二支座722固定设于第二底座721上。第二支座722自第二底座721朝远离翼帆210的方向延伸。第二支座722与转轴713转动连接。

驱动部730用于驱动第二支座722绕转轴713转动，实现运动部720相对于固定部710的翻转运动，从而实现翼帆210相对于支撑梁220的翻转运动。

锁止部740用于锁止第二支座722，使翻转到位后的第二支座722锁止，也即能够使翻转到位后的翼帆210锁止在向上折叠状态或水平展开状态。

参照图1，支撑梁220通过多个支架221固定设于船体100的顶部，支撑梁220与船体100之间具有一定距离，该距离为固定部710与运动部720之间的相对转动提供了运动空间。

在一些实施例中，继续参照图3，第一支座712具有多个，多个第一支座712沿第一底座711的长度方向间隔布置，转轴713穿设于多个第一支座712上。

第二支座722具有多个，多个第二支座722沿第二底座721的长度方向间隔布置。第二支座722上设有供转轴713穿设的轴孔723，转轴713穿设于轴孔723内。

多个第二支座722与多个第一支座712穿插布置，运动部720相对于固定部710转动时，转轴713上的受力位置均匀分布，提高结构可靠性。

在本具体实施例中，第一支座712和第二支座722分别设置四个，第二支座722通过滚动轴承与转轴713转动连接。

在一些实施例中，参照图3，至少有一个第二支座722在远离翼帆210的一端设置弧形齿条733。驱动部730设于第一支座712上，包括第一电机731和齿轮732，第一电机731驱动齿轮732转动，齿轮732与弧形齿条733啮合，从而驱动第二支座722转动。通过第一电机731的正反转，实现翼帆210的上下翻转动作。

在本具体实施例中，外侧的两个第二支座722位于外侧的两个第一支座712的外侧，在位于外侧的两个第二支座722上分别设置弧形齿条733，对应的，在位于外侧的两个第一支座712上分别设置第一电机731和齿轮732，第一电机731与齿轮732相对设于第一支座712的内外两侧，齿轮732与弧形齿条733位于第一支座712的同一侧，第一电机731的电机轴通过轴承穿过第一支座712后与齿轮732连接。

固定部710与运动部720的两侧分别对称设置由第一电机731、齿轮732、弧形齿条733所组成的驱动部730，有助于提高翼帆210上下翻转运动的可靠性。

在一些实施例中，锁止部740能够使翼帆210锁止在向上折叠状态和水平展开状态，并且使翼帆210有足够支撑强度满足空中飞行、水下滑翔、水面风驱航态时所受力与弯矩，并提供第一电机731运转到位后的停止工作信号。

对于锁止部740的具体结构，参照图3至图9，至少有一个第二支座722在靠近第一支座712的一侧上设有直径相同的第一锁止孔724和第二锁止孔725，第一锁止孔724与第二锁止孔725处于以轴孔723为圆心的同一圆弧上。第一锁止孔724设于轴孔723的旁侧，与轴孔723处于同一水平线上。第二锁止孔725设于轴孔723的下方，第二锁止孔725与轴孔723处于同一竖直线上。第一锁止孔724与轴孔723之间连线、第二锁止孔725与轴孔723之间连线的夹角为90°。

第一锁止孔724与第二锁止孔725之间设置限位槽727，限位槽727为凹槽结构，限位槽727的一端与第一锁止孔724连通，另一端与第二锁止孔725连通。

第一支座712上设有电磁锁741和供电磁锁741的锁芯742伸出的开孔。锁芯742经开孔伸入第一锁止孔724内，以使翼帆210锁止在向上折叠状态。锁芯742经开孔伸入第二锁止孔725内，以使翼帆210锁止在水平展开状态。

翼帆210在向上折叠状态与水平展开状态之间切换时，锁芯742回缩以脱离第一锁止孔724或第二锁止孔725，锁芯742沿限位槽727运动，限位槽727用于限制锁芯742位置和翼帆210转动时的滑动轨迹。

电磁锁741未供电状态，参照图6，电磁锁741的软弹簧将锁芯742推出，锁芯742贯穿第一支座712、第二支座722，将运动部720与固定部710锁止，运动部720与翼帆210不可绕转轴713旋转。

当接收到中枢控制信号需将翼帆210向上折叠或水平展开时，参照图7，电磁锁741通电，将锁芯742吸附缩回，解锁运动部720，之后第一电机731工作，带动运动部720与翼帆210转动。

也就是说，接上述，当电磁锁741通电将锁芯742吸附缩回至脱离第一锁止孔724、第二锁止孔725中的一个时，运动部720可在第一电机731的驱动作用下开始绕转轴713转动，第一锁止孔724、第二锁止孔725与供锁芯742穿出的开孔错位，此时电磁锁741断电，弹簧作用下将锁芯742推出，锁芯742嵌入限位槽727中，运动部720继续转动，直至旋转90°，至第一锁止孔724、第二锁止孔725中的另一个与开孔正对时，弹簧将锁芯742继续弹出至贯穿第一支座712、第二支座722，至锁芯742插入该锁止孔内，完成运动部720的转动锁止动作。

另外，完成以上锁止动作后，运动部720将无法继续转动，此时齿轮732的转动阻力矩将迅速增大，以此迅速增大的力矩信号反馈至中枢控制端，使其发送指令停止第一电机731工作。

此外，参照图8，弧形齿条733呈半幅分布，从而限制翼帆210只能够在竖直向上和水平状态之间转换，而不能够旋转至竖直向下的位置。第一锁止孔724设于靠近弧形齿条733的一侧。

具体的说，以图3所示结构为例，在设置有弧形齿条733的第二支座722上设置第一锁止孔724、第二锁止孔725、以及限位槽727，在与该第二支座722靠近的第一支座712上设置电磁锁741，电磁锁741与第一电机731设于第一支座712的同一侧，也即设于相邻两个第一支座712的空间内，以充分利用相邻两个第一支座712之间的空间，提高结构紧凑性。

转动锁止机构700采用电磁+机械式锁止方式，相较于液压系统更为灵活、可靠，且电磁场驱动形式更易于零部件的防水处理。

在一些实施例中，参照图8，第二支座722上设置三个锁止孔，分别为第一锁止孔724、第二锁止孔725、以及第三锁止孔726，三个锁止孔处于以轴孔723为圆心的同一圆弧上，第一锁止孔724与第二锁止孔725之间、第二锁止孔725与第三锁止孔726之间设置限位槽727。第一锁止孔724、第三锁止孔726分设于轴孔723的两侧，第三锁止孔726设于远离弧形齿条733的一侧。

当设置三个锁止孔时，对应的需要设置两个电磁锁741，两个电磁锁741在第一支座712上的安装位置适应调整，翼帆210处于向上折叠状态时，其中一个电磁锁741的锁芯742与第一锁止孔724配合锁止，另一个电磁锁741的锁芯742与第二锁止孔725配合锁止。翼帆210由向上折叠状态转为水平展开状态时，锁芯742先脱离锁止孔，然后锁芯742沿限位槽727滑动，翼帆210旋转向下翻转90°后，其中一个电磁锁741的锁芯742与第二锁止孔725配合锁止，另一个电磁锁741的锁芯742与第三锁止孔726配合锁止。

三个锁止孔、两个电磁锁741的设置结构，有助于进一步提高翼帆210的锁止可靠性。

在一些实施例中，对于翼帆210自身的旋转机构，参照图3，运动部720上设有舵机230，具体为第二底座721的下方、在相邻两个第二支座722之间的空间内设置舵机230，舵机230的驱动转轴231通过推力轴承与翼帆210的底部连接，舵机230用于驱动翼帆210绕驱动转轴231旋转。

通过舵机230的驱动，实现翼帆210绕驱动转轴231旋转，以获得不同的迎流攻角（如图4所示）或迎风的帆向角（如图5所示），相应角度值由中枢控制端输入电信号控制舵机230运转实现，为保证驱动转轴231的弯曲强度，其所连接的推力轴承应具有相对较大的轴向厚度包围支持驱动转轴231。

在一些实施例中，参照图1和图10，船体100包括船头部110、船中部120、以及船尾部130。

船中部120内形成第一安装舱，第一安装舱内通过隔板（记为第一隔板123）分隔成上舱121和下舱，下舱内通过隔板（记为第二隔板124）分隔成第一下舱1221和第二下舱1222，第一下舱1221沿船体100的长度方向的两端分别设置第二下舱1222。

上舱121内设置蓄电池和控制系统，控制系统包括中枢控制系统、数据处理系统等。

第一下舱1221内设置介质罐410，第二下舱1222内设置姿态调节部500。

船中部120占据了船体100的大部分体积，通过隔板将其内腔分隔成多个舱室，以安装不同的功能模块，大大提高内部结构布局紧凑性。

翼龙骨300设于船中部120的底部，位于第一下舱1221的正下方，这样，介质罐410与弹性囊420上下布置，便于二者之间的介质流动管路430的设置。

在一些实施例中，其中一个第二下舱1222靠近船头部110，另一个第二下舱1222靠近船尾部130。每个第二下舱1222内都设置姿态调节部500。

两套姿态调节部500尽量在船中部120的前后两端呈镜像布置，以获得最大的姿态调整力矩。

在一些实施例中，参照图11，姿态调节部500包括安装座510，安装座510固定设于第一隔板123上。安装座510上设置第二电机520和丝杠530，丝杠530沿船体100的长度方向延伸，丝杠530上设置滑块540。

第二电机520驱动丝杠530转动，从而带动滑块540沿丝杠530运动。丝杠530的顺时针或逆时针旋转则可通过螺纹带动滑块540在船长方向前后移动，从而相对船体100的摇荡中心产生不同的作用力矩，通过前后两套姿态调节部500的配合，可完成航行器水面与水下运动姿态的调整。

具体的说，安装座510包括底板511和设于底板511上的两个间隔布置的竖板512，底板511固定设于第一隔板123上，其中一个竖板512上设置第二电机520，丝杠530穿设于两个竖板512之间，滑块540位于两个竖板512之间，两个竖板512之间还设有导向杆550，导向杆550穿设于滑块540内，对滑块540起到运动导向作用。

在一些实施例中，第二安装舱内通过隔板（记为第三隔板310）分隔成多个子舱室，子舱室在朝向船尾部130的一侧上设置用于供外界空气或水流通的通孔，子舱室内设置弹性囊420。

介质罐410的介质出入口连接管路430，管路430在第二安装舱内延伸，管路430上设有与子舱室内的弹性囊420对应连通的介质流通嘴440。

航行器在正常水面航行时，航行器的重力等于其受到的水的浮力，而当航行器需要下潜入水中、上浮到水面或在水下周期性调整浮力联合翼帆210获得前进的滑翔力时，则通过浮力调节部400改变自身重力与所受浮力间的大小关系。

具体的说，当航行器需上浮时，介质罐410将其内腔中介质抽出，依次经管路430、介质流通嘴440输送至弹性囊420中，随着输送的介质量增加，弹性囊420膨大，将翼龙骨300内的水挤压到外界，此时航行器所受浮力增大，当增至大于自身重力时航行器将上浮。

反之，将介质由弹性囊420输送回介质罐410内时，航行器将下潜，从而实现航行器在水面与水下航行环境的切换。

介质周期性的在弹性囊420与介质罐410间输送时，则可提供航行器水下滑翔运动的原动力。

弹性囊420的数量可根据水下滑翔航速等性能要求设置，且尽量靠近船体100布置，以提高航行器稳定性。

本实施例中的翼龙骨300采用向船尾侧排水的方式，可保持翼龙骨300迎流的流线型完整，减小阻力，同时向后排水能够提供额外的前进推力。

在一些实施例中，参照图1，翼龙骨300在远离船体100的一端上设置延伸部320，延伸部320沿船体100的长度方向延伸，延伸部320的内腔中设置水下探测设备。

延伸部320的设置，一方面，作为压载水舱，在降低航行器重心提高稳定性的同时辅助实现航行器上浮下潜；另一方面，作为仪器舱，方便安装水下探测设备并同样降低航行器重心。

延伸部320膨胀为流线梭形机构，用于安装水下探测水质、流速、温盐等参数的设备，即使在水面航行时，航行器也可完成常规水面无人装备所无法实现的水下探测任务；同时探测设备远离船体100安装，能够减少船体100对流速等的影响及对电信号的干扰，使测得的数据更为真实可靠；而设备在延伸部320布置在另一方面也降低了整个航行器的重心位置，提高其各航态下的稳定性。

在一些实施例中，参照图10，船头部110的内腔中设置有航行器失事情况下的自救模块800，自救模块800包括电信号激发气囊和电信号激发降落伞。

电信号激发气囊用于航行器水下航行中失联、损伤等情况下一定时间段后自动激发弹出气囊系统，产生额外浮力将航行器带至水面，同时启动应急GPS系统并发送位置信号至远程用户端，从而解决常规无人无缆水下航行器易失联丢失的问题。

电信号激发降落伞用于航行器空中飞行失事等情况下，当检测到骤增坠落速度信号时，激发弹出并打开降落伞使航行器坠落速度下降，并同样发送位置信号至远程用户端，从而避免航行器的损坏或对水面、地面其他结构物的坠落碰撞事故。

在一些实施例中，船尾部130的底部设置稳定舵131，用于保证航行器在三种航态航行、尤其是空中飞行时的稳定性。

稳定舵131包括两个相对设置的板结构，两个板结构之间的距离朝向船尾部130的下方逐渐增大，以获得更好的空气或水动力，并保证足够强度。

在一些实施例中，参照图1，翼帆210在远离支撑梁220的一端上设置顶舱211，顶舱211内安装GPS、气象仪等设备，保证航行器水面空中作业时的定位、以及对海洋气象数据等的观测记录。

两个翼帆210顶部膨胀为流线梭形，以安装海上气象、温度等传感器以及图像采集系统，以减小风帆或船体100对探测结果精度的影响、获取更好的视野，传感器可分置两翼帆210顶部，亦可配置两套相同设备，以互相验证探测数据并提高长期运行的可靠性。

在一些实施例中，螺旋桨为水空两用螺旋桨，即可在水、空气两种介质中提供推进力，推进系统详细布局如图12所示。船尾部130的内腔中安装有可调速伺服电机，记为第三电机610，其最高转速、扭矩等参数需能提供足够推力使航行器翼帆获得起飞升力。第三电机610通过驱动轴与螺旋桨600固定连接，从而带动螺旋桨600以不同转速旋转。

图12螺旋桨600外形为示意，具体应根据推力等参数要求进行设计。同时该推进系统的主要功能是航行器的空中推进，辅助功能为水面或水下航态时提供给航行器短时间的大推力，故螺旋桨600形式应重点考虑其在空中的推进性能，本实施例推荐采用马刀形2叶或3叶形式螺旋桨。

航行器处于空中飞行航态时，螺旋桨开启。航行器处于水下滑翔或水面风驱航态时，螺旋桨600关闭、或者根据航行器的航行需求开启。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种海洋航行器，其特征在于，

所述航行器具有水下滑翔、水面风驱、空中飞行三种航态，所述航行器包括：

船体，其内形成第一安装舱；

翼龙骨，其设于所述船体的底部，用于稳定所述航行器在水中的航向，所述翼龙骨内形成第二安装舱，所述第二安装舱上设置用于供外界空气或水流通的通孔；

翼帆部，其包括支撑梁和转动设于所述支撑梁两端的翼帆，所述支撑梁横跨设于所述船体的顶部，所述翼帆绕自身翼展方向中心轴旋转，所述翼帆相对于所述船体具有向上折叠状态和水平展开状态，所述翼帆在所述航行器处于水下滑翔或空中飞行航态时调整为水平展开状态，所述翼帆在所述航行器处于水面风驱航态时调整为向上折叠状态；

浮力调节部，其包括介质罐和弹性囊，所述介质罐设于所述第一安装舱内，所述弹性囊设于所述第二安装舱内，介质在所述介质罐与所述弹性囊之间流动以调节所述航行器在水中所受浮力大小；

姿态调节部，其设于所述第一安装舱内，用于调节所述航行器在水中的运动姿态；

螺旋桨，其设于所述船体的尾部。

2.根据权利要求1所述的海洋航行器，其特征在于，

所述支撑梁与所述翼帆之间设置转动锁止机构，所述转动锁止机构用于使所述翼帆翻转并锁止在所述向上折叠状态或所述水平展开状态，所述转动锁止机构包括：

固定部，其固定设于所述支撑梁的端部，所述固定部具有第一支座，所述第一支座上穿设转轴；

运动部，其设于所述翼帆靠近所述支撑梁的一端，所述运动部具有第二支座，所述第二支座与所述转轴转动连接；

驱动部，其用于驱动所述第二支座绕所述转轴转动；

锁止部，其用于锁止所述第二支座。

3.根据权利要求2所述的海洋航行器，其特征在于，

所述第一支座具有多个且间隔布置，所述转轴穿设于多个所述第一支座；

所述第二支座具有多个且间隔布置，所述第二支座上设有供穿设所述转轴的轴孔，至少一个所述第二支座在靠近所述第一支座的一侧上设有第一锁止孔和第二锁止孔，所述第一锁止孔与所述第二锁止孔处于以所述轴孔为圆心的同一圆弧上，所述第一锁止孔与第二锁止孔之间设置限位槽；

所述第一支座上设有电磁锁和供所述电磁锁的锁芯伸出的开孔，所述锁芯经所述开孔伸入第一锁止孔内以使所述翼帆锁止在所述向上折叠状态，所述锁芯经所述开孔伸入第二锁止孔内以使所述翼帆锁止在所述水平展开状态；

所述翼帆在所述向上折叠状态与所述水平展开状态之间切换时，所述锁芯回缩以脱离所述第一锁止孔或所述第二锁止孔，所述锁芯沿所述限位槽运动。

4.根据权利要求2所述的海洋航行器，其特征在于，

所述运动部上设有舵机，所述舵机的驱动转轴通过推力轴承与所述翼帆连接，所述舵机用于驱动所述翼帆绕所述驱动转轴旋转。

5.根据权利要求1所述的海洋航行器，其特征在于，

所述船体包括船头部、船中部、以及船尾部；

所述船中部内形成所述第一安装舱，所述第一安装舱内通过隔板分隔成上舱和下舱，所述下舱内通过隔板分隔成第一下舱和第二下舱，所述第一下舱沿所述船体的长度方向的两端分别设置所述第二下舱；

所述上舱内设置蓄电池和控制系统，所述第一下舱内设置所述介质罐，所述第二下舱内设置所述姿态调节部。

6.根据权利要求5所述的海洋航行器，其特征在于，

其中一个所述第二下舱靠近所述船头部，另一个所述第二下舱靠近所述船尾部；

所述姿态调节部包括安装座，所述安装座上设置第二电机和丝杠，所述丝杠沿所述船体的长度方向延伸，所述丝杠上设置滑块。

7.根据权利要求5所述的海洋航行器，其特征在于，

所述第二安装舱内通过隔板分隔成多个子舱室，所述子舱室在朝向所述船尾部的一侧上设置用于供外界空气或水流通的通孔，所述子舱室内设置所述弹性囊；

所述介质罐的介质出入口连接管路，所述管路在所述第二安装舱内延伸，所述管路上设有与所述子舱室内的弹性囊对应连通的介质流通嘴。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的海洋航行器，其特征在于，

所述船体包括船头部、船中部、以及船尾部；

所述船头部的内腔中设置自救模块，所述自救模块包括电信号激发气囊和电信号激发降落伞；

所述船尾部的底部设置稳定舵，所述稳定舵包括两个相对设置的板结构，两个所述板结构之间的距离朝向所述船尾部的下方逐渐增大。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的海洋航行器，其特征在于，

所述翼帆在远离所述支撑梁的一端上设置GPS、气象仪；

所述翼龙骨在远离所述船体的一端上设置延伸部，所述延伸部沿所述船体的长度方向延伸，所述延伸部的内腔中设置水下探测设备。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的海洋航行器，其特征在于，

所述螺旋桨为水空两用螺旋桨；

所述航行器处于空中飞行航态时，所述螺旋桨开启；

所述航行器处于水下滑翔或水面风驱航态时，所述螺旋桨关闭、或者根据所述航行器的航行需求开启。