CN204037873U - 一种新型低阻力水下滑翔器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于海洋环境监测和海底资源勘探领域，具体涉及一种新型低阻力水下滑翔器。主要包括流线型的外壳体和装置在壳体内的姿态调整模块、浮力驱动模块、尾舵模块及控制通讯模块。整个滑翔器的外形设计充分考虑水动力的影响，主耐压舱体大致为梭形，水平机翼和垂直尾翼为流线型。工作时通过浮力驱动模块改变浮力大小；通过姿态调整模块中的俯仰机构调节机身的俯仰姿态，旋转机构调节横倾姿态；通过尾舵模块改变在水平面的转向；协调这三个模块的时序，可使滑翔器在垂直面内形成锯齿形的运动轨迹或者空间范围的螺旋回转运动，同时可携带传感器进行海底数据采集，并通过通讯设备实时传回数据。本实用新型体积灵巧，结构紧凑，而且具有航速高，续航时间长，方向可控性好的优点。

Description

一种新型低阻力水下滑翔器

技术领域：

本实用新型属于海洋环境监测和海底资源勘探领域，具体涉及一种新型低阻力水下滑翔器。 

背景技术：

水下滑翔器主要用于对海洋环境的大尺度、长时间、大范围的实时监测，因此优良的水动力性能是对水下滑翔器的必然要求。目前国内水下滑翔器的研究才刚刚起步，现有的水下滑翔器大多仿照经典的Slocum机型，驱动能源有依靠电能、温差能和太阳能，基本上可实现上浮下潜和大范围的滑翔运动，但仍存在的不足之处是： 

1.续航力有限，航速较低，水下滑翔器的水动力性能差； 

2.方向调节能力差，航迹定位困难，而且自主性差，工作时难以克服较大洋流的影响。 

随着水下滑翔器在军事和民用领域各种复杂场合的广泛应用，加之海洋环境的复杂多变，高航速和长续航时间这两个性能指标将是研发人员最关注的问题。形体阻力是影响滑翔器性能的重要参数之一，减小阻力可增大航程，提高航速，增加负载能力，大大提高滑翔器的经济性。 

发明内容：

本实用新型的目的是：针对现有的水下滑翔器设计中的不足，提出一种新型低阻的水下滑翔器，它体积小巧，满足高速、长续航时间的要求，且具有良好的方向调节能力，该滑翔器能大致按照既定航迹完成滑翔。 

为了实现本实用新型之目的，拟采用以下技术方案： 

本实用新型的低阻水下滑翔器包括流线型的外壳体和装置在壳体内的姿态调整模块、浮力驱动模块、尾舵模块及控制通讯模块： 

流线型外壳体：包括主耐压舱体、水平机翼和垂直尾翼，主耐压舱体大致呈梭形，包括头部舱、电池舱、主体舱、气囊舱和尾舱，舱体端盖与壳体间由双O型圈和防水垫圈进行密封，舱体间通过卡扣式的机械装置完成连接，水平机翼对称固定安装在主耐压舱体两侧，垂直尾翼分上下舵片安装在尾舱上； 

姿态调整模块：包括俯仰机构、旋转机构和导轨，俯仰机构和旋转机构前后安装在导轨上，导轨两端通过螺钉与两个支撑圆盘相连，支撑圆盘通过螺母固定在舱体间的连接丝杆上，所述俯仰机构，包括前端盖、后端盖、传动机构、电机、丝杆和电池组，电池组固定在前后端盖之间，通过丝杆与螺母拉紧前后端盖，电机镶嵌在前端盖的电池槽内，通过螺钉与前端盖固定，电机输出运动，通过传动机构，使整个俯仰机构沿着导轨轴线方向前后移动，所述旋转机构，包括呈半圆形的前端盖、后端盖，以及传动机构、电机、丝杆和电池组，电池组通过拉杆和螺母固定在两端盖之间，电机镶嵌在前端盖的电机槽内，通过螺钉与前端盖相连， 电机输出运动后，通过传动机构，使旋转机构绕着导轨旋转； 

浮力驱动模块：包括与外界水域相通的外皮囊、单冲程柱塞泵、滚珠丝杠、步进电机和电机架，步进电机固定在电机架上，电机架通过螺母与舱体间的连接丝杆相连接，电机输出轴通过联轴器与滚珠丝杠相连，滚珠丝杠与单冲程柱塞泵的活塞杆相连，泵的出口处与外皮囊相连； 

尾舵模块：包括与上下舵片相连的上下舵轴、联轴器、主动锥齿轮、从动锥齿轮和舵机，舵机通过螺钉固定在耐压尾舱的舱体后壁上，舵机输出轴与主动锥齿轮相连，主动锥齿轮与从动锥齿轮啮合，从动锥齿轮通过键与舵轴相连，上下舵轴通过联轴器相连； 

控制通讯模块：包括声呐、TCM高度计、CTD传感器、控制系统电路板、备用电池包、无线通讯模块及内置于固定机翼中的天线，声呐和TCM高度计安装在头部舱，CTD传感器安装在水下滑翔器的舱体外壳上与海水接触，备用电池包位于电池舱，无线通讯模块以及控制系统电路板位于主体舱； 

其中，所述流线型的外壳体，其主耐压舱体为依据标准椭圆线性方程设计的头尾对称的双参数椭圆回转体外形，其长短轴分别为2.0m和0.24m，水平机翼和垂直尾翼均选用NACA翼型；在所述姿态调整模块中，所述俯仰机构的传动机构，包括主动锥齿轮、从动锥齿轮轴、齿轮架、中直齿轮和齿条，主动锥齿轮与电机输出轴相连，从动锥齿轮轴的齿轮端与主动锥齿轮啮合，轴段通过轴承安装在齿轮架上，齿轮架通过螺钉固定在俯仰机构的前端盖外侧，中直齿轮通过定位螺钉与从动锥齿轮轴的中段相连，并与齿条相啮合，齿条通过定位螺钉固定在导轨上；所述旋转机构的传动机构，包括小齿轮和大齿轮，小齿轮与电机输出轴相连，并与安装在方形导轨上的大齿轮啮合，形成行星齿轮结构。 

本实用新型的低阻水下滑翔器各个舱体连成一体，彼此之间密封且独立，各模块之间信号传输通过中间开有圆孔的水密连接器来完成。通过发送控制信号给指定的模块实现载体运动。通过控制浮力驱动模块，改变外皮囊的排水体积来调节滑翔器的净浮力大小，使滑翔器产生上浮下潜的动力；通过控制姿态调整模块，调节俯仰机构和旋转机构，改变重心的位置来灵活调整滑翔器俯仰和横倾的姿态；通过控制尾舵的偏转，实现滑翔器的转弯。以上调节结合便可实现滑翔器在水中上浮下潜，定常滑翔以及灵活转向运动。 

本实用新型的优点与积极效果为： 

1.本实用新型的水下滑翔器，主体采用低阻力的梭形流线型外形，相较其他水下机器人，具有体积灵巧，能耗低的优点。良好的水动力外形提高了升阻比，减小阻力可增大航程，提高航速，增加负载能力，大大提高了水下滑翔器的经济性。 

2.本实用新型的尾舵仿鱼尾设计，上下双舵通过舵机经锥齿轮驱动同步旋转，操作简便，可通过控制信号快速调节舵的转动角度，使运动方向的调节可控性增强。 

3.本实用新型的水下滑翔器由多个独立的密封舱密封连接而成，各个舱体的独立性较好。结构紧凑，拆装方便，磨损零件易于更换。 

附图说明：

图1为本实用新型的整体内部结构示意图； 

图2为本实用新型的整体外观结构图； 

图3为姿态调节模块的传动结构示意图； 

图4为尾舵模块的传动结构示意图。 

其中：1为头部舱，2为电池舱，3为主体舱，4为水平机翼，5为气囊舱，6为尾舱，7为垂直尾翼，8为旋转机构前端盖，9为旋转机构电机，10为旋转机构丝杆，11为旋转机构电池组，12为旋转机构后端盖，13为俯仰机构前端盖，14为俯仰机构电机，15为俯仰机构丝杆，16为俯仰机构电池组，17为俯仰机构后端盖，18为步进电机，19为电机架，20为滚珠丝杠，21为单冲程柱塞泵，22为外皮囊，23为CTD传感器，24为控制系统电路板，25为后支撑盘，26为舱体连接丝杆，27为导轨，28为前支撑盘，29为备用电池组，30为TCM高度计，31为声呐，32为俯仰机构主动锥齿轮，33为俯仰机构从动锥齿轮轴，34为齿轮架，35为中直齿轮，36为齿条，37为小齿轮，38为大齿轮，39为舵轴，40为联轴器，41尾舵主动锥齿轮，42为尾舵从动锥齿轮，43为舵机。 

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型作进一步详述。 

如图1～4所示，本实用新型的低阻水下滑翔器包括流线型的外壳体和装置在壳体内的姿态调整模块、浮力驱动模块、尾舵模块及控制通讯模块。 

流线型外壳体：包括主耐压舱体、水平机翼4和垂直尾翼7，主耐压舱体大致呈梭形，包括头部舱1、电池舱2、主体舱3、气囊舱5和尾舱6，舱体端盖与壳体间由双O型圈和防水垫圈进行密封，舱体间通过卡扣式的机械装置完成连接，水平机翼4对称固定安装在主耐压舱体两侧，垂直尾翼7分上下舵片安装在尾舱6上；主耐压舱体外形依据标准的椭圆线性方程设计为头尾对称的双参数椭圆回转体外形，其长短轴分别为2.0m和0.24m，水平机翼和垂直尾翼均选用NACA翼型，良好的水动力外形大大减小了滑翔器的阻力，从而获得较高的经济性； 

姿态调整模块：包括前支撑盘28、后支撑盘25、导轨27、俯仰机构和旋转机构，支撑盘通过螺母固定在舱体间的连接丝杆26上，导轨27两端通过定位螺钉与两个支撑盘25和28相连，俯仰机构和旋转机构前后安装在导轨27上；其中，俯仰机构包括前端盖13、后端盖17、传动机构、电机14、丝杆15和电池组16，电池组16和电机14包覆在前后端盖13和17之间，电机14固定在前端盖13的电池槽内，通过丝杆15拉紧两端盖，电机14输出轴与传动机构相连，此处传动机构，包括主动锥齿轮32、从动锥齿轮轴33、齿轮架34、中直齿轮35和齿条36，主动锥齿轮32与安装在齿轮架上的从动锥齿轮轴33啮合，中直齿轮35固定在从动锥齿轮轴33的中段，并与固定在导轨27上的齿条36啮合，工作时电机输出轴旋转，通过传动机构，带动整个俯仰机构沿着导轨的轴线方向前后移动，使重心偏移浮心产生一个俯仰力矩，该力矩改变滑翔器俯仰的姿态；旋转机构包括前端盖8、后端盖12、传动机构、电机9、丝杆10和电池组11，电池组11和电机9固定在两端盖之间，由于前后端盖为半圆形，因而组成的电池包具有偏心质量，此处的传动机构为一对啮合的行星齿轮，大齿轮38与导轨27固定，小齿轮37与电机输出轴相连，工作时电机转动，小齿轮带动整个偏心电 池包绕着导轨的轴线旋转，使重心偏离对称轴线，产生一个横倾力矩，从而改变滑翔器横倾的姿态； 

浮力驱动模块：包括与外界水域相通的外皮囊22、单冲程柱塞泵21、滚珠丝杠20、步进电机18和电机架19，步进电机18固定在电机架19上，电机架与舱体间的连接丝杆26相连接，电机输出轴通过联轴器与滚珠丝杠20相连，滚珠丝杠20与单冲程柱塞泵21的活塞杆相连，泵的出口处与外皮囊22相连，工作时，步进电机正转或反转，将柱塞泵中的液压油在油缸和外皮囊之间转移，引起外皮囊的体积变化，从而改变滑翔器的净浮力大小； 

尾舵模块：包括与上下舵片相连的上下舵轴39、联轴器40、主动锥齿轮41、从动锥齿轮42和舵机43，舵机43固定在耐压尾舱6的舱体后壁上，舵机输出轴与主动锥齿轮41相连，主动锥齿轮41与从动锥齿轮42啮合，从动锥齿轮通过键与舵轴39相连，上下舵轴39通过联轴器40相连，尾舵模块工作时，舵机43旋转，带动主动锥齿轮41旋转，由于主从锥齿轮啮合带动从动锥齿轮42的转动，从动锥齿轮42带动舵轴39共同旋转，从而带动上下舵片7在水平面内偏转一定角度，使水流作用在两个舵片上的力左右不平衡，产生一对大小相同的偏转力矩，该力矩驱使水下滑翔器转向的动作； 

控制通讯模块：包括声呐31、TCM高度计30、CTD传感器23、控制系统电路板24、备用电池包29、无线通讯模块及内置于固定机翼中的天线，声呐31和TCM高度计30安装在头部舱，CTD传感器23安装在舱体外壳上与海水接触，备用电池包29位于电池舱2，无线通讯模块以及控制系统电路板24安装在主体舱3中。 

新型低阻水下滑翔器的工作过程为： 

浮力驱动模块收到控制信号，外皮囊体积减小，水下滑翔器净浮力为负，滑翔器开始下潜；姿态调整模块驱动俯仰机构向艏部移动，滑翔器实现艏朝下艉朝上的姿态，俯仰力矩逐渐与粘滞力矩平衡，水下滑翔器以一定攻角向下滑翔；达到预定深度时，浮力驱动模块再次接收信号，外皮囊体积变大，水下滑翔器呈中性状态，减速下潜至停止，此时为最大工作深度；俯仰机构向艉部移动，滑翔器实现艏朝上艉朝下的姿态；浮力驱动模块接收信号，继续使外皮囊体积变大，水下滑翔器净浮力为正，滑翔器开始上浮，且以一定攻角向上滑翔直至到达水面。重复以上过程，水下滑翔器就实现了连续的上浮下潜运动。与此同时，通过旋转机构调整滑翔器的横倾姿态，滑翔器受到一定向心力，实现水平面的转向，但转向效果受洋流运动影响较明显，当尾舵模块同时作用时可较精确控制转向。理论上当设定好姿态调整模块、浮力驱动模块和尾舵模块这三大模块的运动时序与时长后，水下滑翔器可在空间范围按照既定的轨迹运动。 

滑翔器在上浮下潜的过程中，携带的传感器等测量模块采集水下的信息并储存，到达水面时，姿态调整模块作用使水下滑翔器绕机身轴线旋转一个角度，内置天线的水平机翼露出水面，与位于岸上的基站进行通讯，发射储存的信息。通讯完毕，水下滑翔器进入下一个工作循环。 

Claims (4)

1.一种新型低阻力水下滑翔器，用于搭载传感器或探测仪器进行海底勘测，其特征是包括流线型的外壳体和装置在壳体内的姿态调整模块、浮力驱动模块、尾舵模块及控制通讯模块： 

流线型外壳体：包括主耐压舱体，水平机翼(4)和垂直尾翼(7)，主耐压舱体大致呈梭形，包括头部舱(1)、电池舱(2)、主体舱(3)、气囊舱(5)和尾舱(6)，舱体端盖与壳体间由双O型圈和防水垫圈进行密封，舱体间通过卡扣式的机械装置完成连接，水平机翼(4)对称固定安装在主耐压舱体两侧，垂直尾翼(7)分上下舵片安装在尾舱(6)上； 

姿态调整模块：包括前支撑盘(28)、后支撑盘(25)、导轨(27)、俯仰机构和旋转机构，支撑盘通过螺母固定在舱体间的连接丝杆(26)上，导轨(27)两端通过定位螺钉与两个支撑盘(25)和(28)相连，俯仰机构和旋转机构前后安装在导轨(27)上，所述俯仰机构，包括前端盖(13)、后端盖(17)、传动机构、电机(14)、丝杆(15)和电池组(16)，电池组(16)固定在前端盖(13)和后端盖(17)之间，通过丝杆(15)与螺母拉紧前后端盖，电机(14)镶嵌在前端盖(13)的电池槽内，通过螺钉与前端盖(13)固定，电机(14)输出运动，通过传动机构，使整个俯仰机构沿着导轨(27)的轴线方向前后移动，所述旋转机构，包括呈半圆形的前端盖(8)、后端盖(12)，以及传动机构、电机(9)、丝杆(10)和电池组(11)，电池组(11)通过丝杆(10)和螺母固定在两端盖之间，电机(9)镶嵌在前端盖(8)的电机槽内，通过螺钉与前端盖(8)相连，电机(9)输出运动后，通过传动机构，使旋转机构绕着导轨(27)旋转； 

浮力驱动模块：包括与外界水域相通的外皮囊(22)、单冲程柱塞泵(21)、滚珠丝杠(20)、步进电机(18)和电机架(19)，步进电机(18)固定在电机架(19)上，电机架(19)通过螺母与舱体间的连接丝杆(26)相连接，电机输出轴通过联轴器与滚珠丝杠(20)相连，滚珠丝杠(20)与单冲程柱塞泵(21)的活塞杆相连，泵的出口处与外皮囊(22)相连； 

尾舵模块：包括与上下舵片相连的上下舵轴(39)、联轴器(40)、主动锥齿轮(41)、从动锥齿轮(42)和舵机(43)，舵机(43)通过螺钉固定在耐压尾舱(6)的舱体后壁上，舵机(43)输出轴与主动锥齿轮(41)相连，主动锥齿轮(41)与从动锥齿轮(42)啮合，从动锥齿轮通过键与舵轴(39)相连，上下舵轴(39)通过联轴器(40)相连； 

控制通讯模块：包括声呐(31)、TCM高度计(30)、CTD传感器(23)、控制系统电路板(24)、备用电池包(29)、无线通讯模块及内置于固定机翼中的天线，声呐(31)和TCM高度计(30)安装在头部舱，CTD传感器(23)安装在舱体外壳上与海水接触，备用电池包(29)位于电池舱(2)，无线通讯模块以及控制系统电路板(24)位于主体舱(3)。 

2.按权利要求1所述的新型低阻力水下滑翔器，其特征在于：所述流线型外壳体，其主耐压舱体为依据标准椭圆线性方程设计的头尾对称的双参数椭圆回转体外形，其长短轴分别为2.0m和0.24m，水平机翼和垂直尾翼均选用NACA翼型。 

3.按权利要求1或2所述的新型低阻力水下滑翔器，其特征在于：在所述姿态调整模块中，所述俯仰机构的传动机构，包括主动锥齿轮(32)、从动锥齿轮轴(33)、齿轮架(34)、中直齿轮(35)和齿条(36)，主动锥齿轮(32)与电机输出轴相连，从动锥齿轮轴(33)的齿轮端与主动锥齿轮(32)啮合，轴段通过轴承安装在齿轮架(34)上，齿轮架(34)通过螺钉固定在俯仰机构的前端盖(13)外侧，中直齿轮(35)通过紧定螺钉与从动锥齿轮轴(33)的中段相连，并与齿条(36) 相啮合，齿条通过螺钉固定在导轨(27)上。 

4.按权利要求1或2所述的新型低阻力水下滑翔器，其特征在于：在所述姿态调整模块中，所述旋转机构的传动机构，包括小齿轮(37)和大齿轮(38)，小齿轮(37)与电机输出轴相连，并与固定在导轨上的大齿轮(38)啮合，形成行星齿轮结构。