CN207000790U - 一种仿生推进水下滑翔机 - Google Patents

Abstract

一种仿生推进水下滑翔机，包括依次连接的头部，躯干部和尾部；所述头部具备流线型结构，其包括：与外部连通的尖端部，与尖端部固接的腔体部和用于封闭所述腔体部的端盖；所述腔体部内靠近尖端部处设有浮力调整系统且靠近躯干部处设有重心调整系统；所述腔体部外壁上对称设有滑翔翼且其内中部设有与滑动翼相连接的滑翔翼驱动系统；所述躯干部包括：与所述腔体部固接的推进系统，所述推进系统驱动所述躯干部摆动以实现推进水下滑翔机在水下的移动；所述尾部包括尾鳍支架和尾鳍，所述尾鳍支架一端与所述躯干部相连接且其另一端安装有所述尾鳍。

Description

一种仿生推进水下滑翔机

技术领域

本公开一般涉及水下滑翔机技术领域，具体涉及仿生推进水下滑翔机。

背景技术

水下滑翔机是一种特殊类型的水下自主航行器(AUV)，其工作原理是：通过机内的可变浮力系统来控制自身的浮力变化，并通过滑翔翼将正浮力和负浮力转化为向前的推力，从而驱动滑翔机前进。其利用净浮力和姿态角调整获得推进力，能源消耗极小，只在调整净浮力和姿态角时消耗少量能源，并且具有效率高、续航力大的特点。

但鉴于其结构上缺乏螺旋桨或者推进器等动力装置，故与其高效特点相伴的是其相对固定的运动形式和姿态，在水下只能做锯齿形和螺旋回转轨迹航行，机身姿态不能处于水平状态，只能保持一个攻角滑翔，机身回转半径大，在执行多样性观测任务时有明显缺陷，并且其航迹控制和定位精度低，航速慢，在风浪较大的海面可能会出现随波逐流的情况。

在上述技术基础之上，随后出现了混合驱动水下滑翔机(HAUV)，其通过增加尾部螺旋桨推进系统，虽然在一定范围内能够使水下滑翔机具备应急推力与强机动能力，来增加航行定位精度和机动性。但是相对于传统的水下滑翔机，尾部螺旋桨会增加混合推进水下滑翔机的阻力，这部分阻力会减小滑翔状态下的航程，而且，螺旋桨涡轮推进装置噪声大的问题也没有解决。

此外，现有技术中上还存在一种利用鱼尾式扑翼机构代替尾部螺旋桨以实现减少阻力的水下滑翔机。不过，其也有相应的局限性，虽然解决了混合驱动的滑翔阻力等问题，但是在机动运动时，尾部摆动幅度不可调节，控制灵活性不好；航迹需要改变时，尾部机构在参与方向偏转时不能起到辅助推进作用，只能锁定在一个固定偏置角，无法模拟出真实运动时的姿态，更难以实现小角度的转向运动。

实用新型内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种相较于现有技术而言，既具备水下滑翔机低能耗，续航时间长，运动过程安静，隐蔽性高，作业深度深，航程长的优势，同时具备模拟水下鱼类控制躯体运动的仿生运动推进系统，使其能够在必要时候进行灵活的运动并增强其机动性的仿生推进水下滑翔机。

第一方面，一种仿生推进水下滑翔机，包括依次连接的头部，躯干部和尾部；所述头部具备流线型结构，其包括：与外部连通的尖端部，与尖端部固接的腔体部和用于封闭所述腔体部的端盖；所述腔体部内靠近尖端部处设有浮力调整系统且靠近躯干部处设有重心调整系统；所述腔体部外壁上对称设有滑翔翼且其内中部设有与滑动翼相连接的滑翔翼驱动系统；所述躯干部包括：与所述腔体部固接的推进系统，所述推进系统驱动所述躯干部摆动以实现推进水下滑翔机在水下的移动；所述尾部包括尾鰭支架和尾鰭，所述尾鰭支架一端与所述躯干部相连接且其另一端安装有所述尾鰭。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述端盖上设有背鰭。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述浮力调整系统包括：相互连接的内油缸，可控泵和外油囊，所述内油缸与可控泵设置于在腔体部内且所述外油囊设置在尖端部内。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述可控泵为柱塞泵或蠕动泵。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述重心调整系统包括：执行电机，与执行电机相连的丝杆和与所述丝杆平行设置的直线导轨，所述直线导轨上设有滑块且所述丝杆上配接有与滑块固接的丝杆螺母，所述丝杆螺母上设置有配重块。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述配重块为锂电池组。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述滑翔翼驱动系统包括：设置于腔体部内的舵机，与舵机配接的齿轮组，与齿轮组相配接的连接轴和与所述连接轴固接的滑翔翼连接架。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述推进系统包括多个依次相连的推进单元，每个所述推进单元由内向外依次包括驱动装置、驱动装置内支架和驱动装置外支架；所述驱动装置外支架的一端连接到所述驱动装置的输出轴上并随所述输出轴转动，所述驱动装置外支架的另一端以可转动的方式连接到所述驱动装置内支架上，所述驱动装置外支架的中部与其后方的推进单元的驱动装置内支架固定连接。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述驱动装置的输出轴纵向布置，在同一个推进单元中，所述驱动装置外支架的两端同轴转动；在不同的推进单元之间，所述驱动装置外支架的旋转轴相互平行。

根据本申请实施例提供的技术方案，每个推进单元的外支架上固接有骨架。

根据本申请实施例提供的技术方案，所有骨架尺寸自靠近躯干部的一侧至靠近尾部的一侧递减，使推进系统外形呈现流线型结构。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述骨架的竖向截面为U型。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述骨架的开口朝向与驱动装置外支架相同。

基于上述技术方案的改进，本申请的技术方案中能够利用浮力调节系统，使仿生推进水下滑翔机实现上浮下潜，同时利用重心调整系统调整仿生推进水下滑翔机在水中的俯仰角姿态，还利用旋动的滑翔翼在水中运动时上下表面会产生压强差进而产生升力的特性，使仿生推进水下滑翔机无需额外动力就能进行长时间稳定的运动，故本申请通过的仿生推进水下滑翔机具备水下滑翔机低能耗，续航时间长，运动过程安静，隐蔽性高，作业深度深，航程长的优势。

此外，基于上述技术方案的改进，本申请的技术方案中能够利用躯干部的推进系统完全模拟剑鱼躯干运动的功能，以进行尾部的运动控制，通过尾部的摆动产生推进动力，使得仿生推进水下滑翔机既能够灵活改变推进力的方向，还能够具备高速转弯以及零半径转弯的能力。

综上所述，本申请将水下滑翔机整合到仿生推进系统的头部，得到一种仿生推进水下滑翔机，其既具备水下滑翔机低能耗，续航时间长，运动过程安静，隐蔽性高，作业深度深，航程长的优势，同时具备模拟水下鱼类控制躯体运动的仿生运动推进系统，使其能够实现零半径转弯，高速平滑转向等运动，丰富了水下作业平台的功能性，使其具备在复杂环境下工作的能力。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本申请一种仿生推进水下滑翔机的外观结构示意图；

图2是本申请一种仿生推进水下滑翔机的分解结构示意图；

图3是本申请一种仿生推进水下滑翔机的分解结构示意图(部分标号不全，参考其他附图)；

图4是图3中重心调整系统的分解结构示意图；

图5是本申请一种仿生推进水下滑翔机的分解结构示意图；

图6是本申请一种仿生推进水下滑翔机的分解结构示意图(无骨架)。

图中标号：

1、头部；11、尖端部；12、腔体部；13、端盖；14、背鰭；2、躯干部；21、推进单元；211、驱动装置；212、驱动装置内支架；213、驱动装置外支架；3、尾部；31、尾鰭支架；32、尾鰭；4、浮力调整系统；41、内油缸；42、可控泵；43、外油囊；5、重心调整系统；51、执行电机；52、丝杆；53、直线导轨；54、配重块；6、滑翔翼驱动系统；61、舵机；62、连接轴；63、滑翔翼连接架；7、骨架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参阅图1，所述仿生推进水下滑翔机，包括依次连接的头部1，躯干部2和尾部3。

所述头部1具备流线型结构，包括：与外部连通的尖端部11，与尖端部11固接的腔体部12和用于封闭所述腔体部12的端盖13。

尖端部11，其外表面为流线型结构，可使得本实施例提供的仿生推进水下滑翔机在水下游动时能够劈开尖端部前方的水流，减少其游动时受到的阻力，提升本仿生推进水下滑翔机的游动速度和灵活性；所述尖端部11上设有通孔，故其能够与外部工作环境连通。

所述尖端部11与腔体部12相固接的部分为过渡段，过渡段的上部和下部为弧形面，过渡段的两侧为对称布置的扁平面。基于此设计，能够进一步地减少其前进的阻力。

所述腔体部12，为所述头部1的关键部件，其亦为流线型结构；其上端开口且其内能够容纳多种搭载模块，以及多种功能系统，如：浮力调整系统4，重心调整系统5和滑翔翼驱动系统6等，具体地：

请参阅图2和图3，所述腔体部12内靠近尖端部11处设有浮力调整系统4。在任一优选的实施例中，所述浮力调整系统4包括：相互连接的内油缸41，可控泵42和外油囊43，所述内油缸41与可控泵42设置于在腔体部12内且所述外油囊43设置在尖端部11内。

所述内油缸41，可控泵42和外油囊43通过管路连接，鉴于外油囊43置于尖端部11内，可控泵42将介质(如：油或水)在内油缸41与外油囊43之间搬运，从而改变外油囊43的体积，达到调整本实施例整体净浮力的效果。

当本仿生推进水下滑翔机需要下潜控制时，控制启动可控泵42将介质吸入内油缸41内，降低整个结构的整体浮力，使其得以下潜。

当本仿生推进水下滑翔机需要上浮控制时，控制启动可控泵41将介质排至外油囊43内，提高整个结构的整体浮力，使其得以上浮。

在任一优选的实施例中，所述可控泵42为柱塞泵或蠕动泵。

请参阅图3和图4，所述腔体部12内靠近躯干部2处设有重心调整系统5。在任一优选的实施例中，所述重心调整系统5包括：执行电机51，与执行电机51相连的丝杆52和与所述丝杆52平行设置的直线导轨53，所述直线导轨53上设有滑块且所述丝杆52上配接有与滑块固接的丝杆螺母，所述丝杆螺母上设置有配重块54。

实际使用中，需要将两轴承固定座，电机固定座以及直线导轨固定在腔体部内底部，然后分别在其上固接有轴承，执行电机以及滑块，两轴承固定座分别通过转动副连接有丝杆。所述执行电机通过联轴器与丝杆固连，所述丝杆上配接有丝杆螺母且所述丝杆螺母与滑块固定连接，故滑块在直线导轨上能够进行直线运动。

所述丝杆螺母上配接有配重块，所述执行电机的转动通过丝杆与丝杆螺母的配合传递到配重块上，随着执行电机输出轴的转动，配重块的位置也在发生移动，从而实现对本仿生推进水下滑翔机重心的调整。在任一优选的实施例中，所述配重块为锂电池组。

请参阅图3和图5，所述腔体部12外壁上对称设有滑翔翼且其内中部设有与滑动翼相连接的滑翔翼驱动系统6。在任一优选的实施例中，所述滑翔翼驱动系统6包括：设置于腔体部12内的舵机61，与舵机61配接的齿轮组，与齿轮组相配接的连接轴62和与所述连接轴62固接的滑翔翼连接架63。

所述舵机61通过齿轮组与连接轴62相配接，所述连接轴62与机械密封动环固接且机械密封静环与腔体部侧壁通过静密封固定连接，机械密封通过轴承与腔体部侧壁进行转动副连接；所述连接轴自由端上固接有滑翔翼连接架63。上述机械密封的结构能够在滑翔翼运动时候保证腔体部12整体的密封性，避免因旋转运动导致头部1漏水失效。

当需要滑翔翼运动时，舵机61的转动通过齿轮组传递到连接轴62上，进而能够将舵机61的转动传递到滑翔翼连接架63上，从而实现舵机61对滑翔翼旋转的控制。

所述端盖13用于封闭所述腔体部，二者之间通过静密封连接，使得腔体部能够得以密封。在任一优选的实施例中，所述端盖13上设有背鰭14，背鰭14的设计，能够保持本仿生推进水下滑翔机的平衡，使得其在移动过程中保持直立，避免发生侧翻，进一步地提升其工作过程中的可靠性。

所述躯干部2包括：与所述腔体部12固接的推进系统，所述推进系统驱动所述躯干部2摆动以实现推进水下滑翔机在水下的移动。

在任一优选的实施例中，所述躯干部2与腔体部12之间通过圆盘骨架连接。

请参阅图1和图6，在任一优选的实施例中，所述推进系统包括多个依次相连的推进单元21，每个所述推进单元21由内向外依次包括驱动装置211、驱动装置内支架212和驱动装置外支架213；所述驱动装置外支架213的一端连接到所述驱动装置211的输出轴上并随所述输出轴转动，所述驱动装置外支架213的另一端以可转动的方式连接到所述驱动装置内支架212上，所述驱动装置外支架213的中部与其后方的推进单元的驱动装置内支架211固定连接。

驱动装置内支架212的包括U形的主体，主体的两端对称的设有第一安装板。驱动装置211的结构的两侧分别设有第二安装板，第一安装板和第二安装板一一对应的固定连接在一起，驱动装置内支架212的主体将驱动装置211上与输出轴相对的侧面罩住。

驱动装置外支架213包括两块横板和一块竖板，两块横板对称的安装在竖板的两端，其中一块横板与驱动装置211的输出轴相连接，另一块横板与驱动装置内支架212相连接。

在上述推进单元21的结构中，驱动装置外支架与驱动装置之间以及驱动装置外支架与其他的推进单元之间通过驱动装置内支架进行连接，更加牢固可靠且便于连接件的安装:驱动装置内支架还对驱动装置形成一定的保护作用。驱动装置外支架形成一个向一侧旋转90度的U形结构，竖板与其后方的推进单元连接，使整个推进系统的结构非常紧凑。

本推进系统通过三个关节单元级联而成。单个关节的最大转动角度为正负90度。设关节级联数目为N(N>＝2)，则第N个关节相对第一个关节可达到的最大角度差为正负90*(N-1)。此外，各关节均可通过仿生推进算法进行控制。可控参数包括每个关节进行周期运动的幅度、周期、速度、各关节之间的角度相位差、各个关节的动态偏置角及静态偏置角度。

本实施例的推进系统中，三个推进单元21所包含的三个驱动装置的输出轴处形成三个关节，与真实鱼体的躯干对比，模拟程度高，通过三个关节的配合协作运动能够实现前进、后退、左转、右转以及原地自传等运动。

本实施例中，驱动装置211采用防水舵机，除去本实施例所述的舵机外，本申请的驱动装置还可采用伺服电机、步进电机、直流电机等一切可控电机单元，需要进行防水处理。

在任一优选的实施例中，所述驱动装置211的输出轴纵向布置，在同一个推进单元中，所述驱动装置外支架213的两端同轴转动；在不同的推进单元之间，所述驱动装置外支架213的旋转轴相互平行。

在任一优选的实施例中，每个推进单元21的外支架上固接有骨架7。任一优选的实施例中，所有骨架7尺寸自靠近躯干部2的一侧至靠近尾部3的一侧递减，使推进系统外形呈现流线型结构，基于此设计，躯干部2与头部1相配合，同为流线型结构，即可进一步地减少在本仿生推进水下滑翔机游动时受到的阻力，提升其游动速度和灵活性。

优选地，所述骨架7的竖向截面为U型；为避免骨架7对驱动装置的旋转过程产生影响，所述骨架7上设有对称的缺口，以避免其妨碍推进单元的运动。

进一步地，所述骨架7的开口朝向与驱动装置外支架213相同。

所述尾部3包括尾鰭支架31和尾鰭32，所述尾鰭支架31一端与所述躯干部2相连接且其另一端安装有所述尾鰭32。

本实施例中，尾鰭32可为橡胶材质，其形状为带有弧形缺口的近似燕尾形的形状，但是本申请对于尾鰭32的形状不做限定，可以在不改变尾部3的结构的前提下随意改变尾鰭32的形状，用于研究尾鰭32形状对仿生机器鱼推进效率的影响。

综上所述，本实施例将水下滑翔机整合到仿生推进系统的头部，使得本实施例既具备水下滑翔机低能耗，续航时间长，运动过程安静，隐蔽性高，作业深度深，航程长的优势，同时具备模拟水下鱼类控制躯体运动的仿生运动推进系统，使其能够实现零半径转弯，高速平滑转向等运动，其运动过程分解如下：

1、仿生推进水下滑翔机下潜时：

重心调整系统调整机器人俯仰角，使其头部在下，尾部在上，同时，浮力调整系统将介质抽回内油缸内，降低整个结构的整体浮力，仿生推进水下滑翔机开始下潜。

在其下潜过程中，滑翔翼的上下表面产生压强差，提供升力，仿生推进水下滑翔机在升力的作用下往前方运动。

2、仿生推进水下滑翔机上浮时：

重心调整系统调整机器人俯仰角，使其尾部在下，头部在上，同时，浮力调整系统将介质排至外油囊内，提升整个结构的整体浮力，仿生推进水下滑翔机开始上浮。

在其上浮过程中，滑翔翼的上下表面产生压强差，提供升力，仿生推进水下滑翔机在升力的作用下往前方运动。

在上述两运动过程中，仿生推进系统中的三个推进单元所包含的三个驱动装置的输出轴处形成三个关节，与真实鱼体的躯干对比，模拟程度高，通过三个关节的配合协作运动能够实现前进、后退、左转、右转以及原地自传等运动。

本申请中，推进单元的数量并不限于实施例所述的三个，可以通过增加推进单元的数量来提高推进系统的推进力以及系统运动形式、形状的多变性；也可以通过减少推进单元的数量来适应简单环境下的运动。多个推进单元依次连接，最后部的推进单元相对于最前部的推进单元的旋转角度为各个关节的旋转角度的叠加值，可以实现灵活度高的运动，更真实的模拟鱼类游动时的摆动姿态。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (14)

1.一种仿生推进水下滑翔机，其特征在于：包括依次连接的头部，躯干部和尾部；

所述头部具备流线型结构，其包括：与外部连通的尖端部，与尖端部固接的腔体部和用于封闭所述腔体部的端盖；所述腔体部内靠近尖端部处设有浮力调整系统且靠近躯干部处设有重心调整系统；所述腔体部外壁上对称设有滑翔翼且其内中部设有与滑动翼相连接的滑翔翼驱动系统；

所述躯干部包括：与所述腔体部固接的推进系统，所述推进系统驱动所述躯干部摆动以实现推进水下滑翔机在水下的移动；

所述尾部包括尾鳍支架和尾鳍，所述尾鳍支架一端与所述躯干部相连接且其另一端安装有所述尾鳍。

2.根据权利要求1所述的一种仿生推进水下滑翔机，其特征在于：所述端盖上设有背鳍。

3.根据权利要求1或2所述的一种仿生推进水下滑翔机，其特征在于：所述浮力调整系统包括：相互连接的内油缸，可控泵和外油囊，所述内油缸与可控泵设置于在腔体部内且所述外油囊设置在尖端部内。

4.根据权利要求3所述的一种仿生推进水下滑翔机，其特征在于：所述可控泵为柱塞泵或蠕动泵。

5.根据权利要求1或2所述的一种仿生推进水下滑翔机，其特征在于：所述重心调整系统包括：执行电机，与执行电机相连的丝杆和与所述丝杆平行设置的直线导轨，所述直线导轨上设有滑块且所述丝杆上配接有与滑块固接的丝杆螺母，所述丝杆螺母上设置有配重块。

6.根据权利要求5所述的一种仿生推进水下滑翔机，其特征在于：所述配重块为锂电池组。

7.根据权利要求1或2所述的一种仿生推进水下滑翔机，其特征在于：所述滑翔翼驱动系统包括：设置于腔体部内的舵机，与舵机配接的齿轮组，与齿轮组相配接的连接轴和与所述连接轴固接的滑翔翼连接架。

8.根据权利要求1或2所述的一种仿生推进水下滑翔机，其特征在于：所述推进系统包括多个依次相连的推进单元，每个所述推进单元由内向外依次包括驱动装置、驱动装置内支架和驱动装置外支架；所述驱动装置外支架的一端连接到所述驱动装置的输出轴上并随所述输出轴转动，所述驱动装置外支架的另一端以可转动的方式连接到所述驱动装置内支架上，所述驱动装置外支架的中部与其后方的推进单元的驱动装置内支架固定连接。

9.根据权利要求8所述的一种仿生推进水下滑翔机，其特征在于：所述驱动装置为防水舵机。

10.根据权利要求8所述的一种仿生推进水下滑翔机，其特征在于：所述驱动装置的输出轴纵向布置，在同一个推进单元中，所述驱动装置外支架的两端同轴转动；在不同的推进单元之间，所述驱动装置外支架的旋转轴相互平行。

11.根据权利要求9或10所述的一种仿生推进水下滑翔机，其特征在于：每个推进单元的外支架上固接有骨架。

12.根据权利要求11所述的一种仿生推进水下滑翔机，其特征在于：所有骨架尺寸自靠近躯干部的一侧至靠近尾部的一侧递减，使推进系统外形呈现流线型结构。

13.根据权利要求12所述的一种仿生推进水下滑翔机，其特征在于：所述骨架的竖向截面为U型。

14.根据权利要求13所述的一种仿生推进水下滑翔机，其特征在于：所述骨架的开口朝向与驱动装置外支架相同。