CN213535067U - 一种适用于教育教学的水下滑翔机 - Google Patents

Abstract

一种适用于教育教学的水下滑翔机，包括一种适用于教育教学的水下滑翔机，包括过水腔、中部、尾部，所述过水腔为子弹头型结构，其上等间距设有N个进水孔，N≥6，所述中部又包括功能泵、推拉盘、联轴器、滑动杆、翻滚模块、质量块、后级步进电机、隔离板、滑翔翼、二级步进电机、固定架I、针筒、固定架II、推动杆、质量块放置架、二级步进电机支架、后级步进电机支架，所述尾部又包括电池及控制板、支撑架、底部防水塞。本实用新型的优点在于：采用分级控制模式，可分别拆解安装，结构简单，可重复调试。在教育教学过程中，可重复拆分以及安装针筒结构的零件，方便直接上手，学习起来更加容易理解整个滑翔机的控制原理及组成。

Description

一种适用于教育教学的水下滑翔机

技术领域

本实用新型涉及一种水下滑翔机，尤其涉及一种适用于教育教学的水下滑翔机。

背景技术

随着全球人口的不断增长，耕地面积逐渐减少，资源问题日益突出。因此，科学家把希望寄托于海洋，海洋是人类的资源宝库，有着极其丰富的海洋资源，现在越来越多的国家已经把海洋资源的开发并列为重要课题。所以，对于水下滑翔机的研究也变得越来越重要。

水下滑翔机的基本原理是利用浮力或自重调节，实现水下滑翔机的下潜和上浮。下潜时，重力大于浮力，调整水下滑翔机质心位置，使其以一定的攻角下潜；上浮时，浮力大于重力，也是调整质心位置，以一定攻角上浮。

运动过程中，通过控制质心位置变化，调整滑翔姿态，改变滑翔方向。控制要点包括浮力控制方法和质心调整方法两种。

我国完全自主研发的水下滑翔机“海翼”和“海燕”依靠浮力的变化实现下潜和上浮运动，通过电机驱动调节，当油嚢抽空时，滑翔机呈下潜状态；而油嚢充满时，滑翔机呈上浮状态。再利用水平翼和姿态调节，对滑翔机进行航向控制。尾部还搭配了螺旋桨进行推动，在面对强海流的情况下，能保障足够的动力。

典型研究的水下滑翔机基本工作原理都是相同的。但是相对于示教用的水下滑翔机，其制作成本较高，整个系统的数据还需要卫星实时反馈，整体的制作难度已经超出了普通示教学习的范围，从而限制了对相关人员的培养，导致研发人员稀缺。因此需要在关注其成本和难度的基础上，设计基本工作原理相同、结构简单、成本低的示教用滑翔机。

发明内容

根据以上技术问题，本实用新型提供一种适用于教育教学的水下滑翔机，包括一种适用于教育教学的水下滑翔机，包括过水腔、中部、尾部，所述过水腔为子弹头型结构，其上等间距设有N个进水孔，N≥6；

所述中部又包括功能泵、推拉盘、联轴器、滑动杆、翻滚模块、质量块、后级步进电机、隔离板、滑翔翼、二级步进电机、固定架I、针筒、固定架II、推动杆、质量块放置架、二级步进电机支架、后级步进电机支架，所述靠近过水腔的位置依次设有固定架I、固定架II，所述固定架I、固定架II外周分别设有推动杆，所述固定架II后侧设有推拉盘，所述推拉盘后侧设有二级步进电机支架，通过推动杆的首端、尾端分别与与过水腔内端、二级步进电机支架固定连接实现固定架I、固定架II的位置固定，所述固定架I、固定架II内安装有针筒，所述针筒前端设有功能泵，所述针筒尾端位于推拉盘处由螺母固定，所述二级步进电机支架内固定安装有二级步进电机，所述二级步进电机的输出端通过联轴器与设置在推拉盘尾端的丝杆相连接；

所述二级步进电机后侧安装有翻滚模块，所述翻滚模块前端设有质量块放置架，所述质量块放置架位于机身整体的中间位置，所述质量块放置架内安装有质量块，所述质量块与翻滚模块为一体式结构；

所述翻滚模块左、右对称设有滑翔翼，所述翻滚模块后侧设有后级步进电机支架，所述后级步进电机支架内固定安装有后级步进电机，所述后级步进电机的输出端通过行星齿轮箱与翻滚模块相连接，所述后级步进电机支架后端设有隔离板；

所述尾部又包括电池及控制板、支撑架、底部防水塞，所述支撑架固定安装在底部防水塞上，所述支撑架内安装有电池及控制板；

所述滑动杆首端与二级步进电机支架相连接，所述滑动杆由前向后依次穿过质量块、翻滚模块、后级步进电机支架、支撑架最终尾端与底部防水塞相连接。

进一步的，所述针筒数量为6个，6个针筒环绕推拉盘等间距分布。

进一步的，所述质量块为大半圆形结构。

进一步的，所述质量块上还设有钢棒。

进一步的，还包括有IMU系统、压力传感器及微处理器，所述IMU系统、压力传感器及微处理器设置在中部，三者通过线路实现电连接。

本实用新型的有益效果为：

1、结构简单，调试方便：

功能泵结构非传统的复杂式的油嚢控制系统，而是采用针筒式的推拉设计。

整体机身可看成独立级和协调级。各级由联动级二级步进电机协调带动，功能泵及二级步进电机、翻滚模块可分别拆解安装，结构简单，可重复调试。在教育教学过程中，可重复拆分以及安装针筒结构的零件，方便直接上手，学习起来更加容易理解整个滑翔机的控制原理及组成；

2、维修简单，成本低：

该水下滑翔机零件由3D打印设计，基础零件无精密加工，各级相对独立性高，单一的零件破损运行不会影响整个机体其他零件，二级步进电机及后级步进电机相互协调，拆解安装简单，个人可独立完成，降低了维修的成本以及难度。采用新型功能泵，节省了油嚢类、气电类的材料浪费，降低了成本。

3、运行稳定，能耗小：

IMU系统可以向微处理器提供关于俯仰的信息，搭建空间运动学矩阵模型来确定水下滑翔机在最小化功耗的同时保持恒定的攻角，质量块在滑动杆上始终保持滑动状态，前一级功能泵发生质心改变时，质量块也随之朝质心偏移方向偏移，联轴器设计保持驱动同步，功能泵及二级步进电机与翻滚模块保持相对独立，多节连接、多几何对称，消除了明显的机身抖动，质心迁移惯性小。

附图说明

图1为本实用新型主体结构示意图；

图2为本实用新型过水腔结构示意图；

图3为本实用新型中部结构示意图；

图4为本实用新型尾部结构示意图。

如图：过水腔-1、进水孔-101、功能泵-2、推拉盘-3、联轴器-4、滑动杆 -5、翻滚模块-6、质量块-601、钢棒-602、后级步进电机-7、电池及控制板-8、隔离板-9、滑翔翼-10、二级步进电机-11、固定架I-12、针筒-13、固定架II-14、推动杆-15、支撑架-16、质量块放置架-17、二级步进电机支架-18、底部防水塞-19、后级步进电机支架-20。

具体实施方式

实施例1：

一种适用于教育教学的水下滑翔机，包括一种适用于教育教学的水下滑翔机，包括过水腔1、中部、尾部，所述过水腔1为子弹头型结构，其上等间距设有N个进水孔101，N≥6；

所述中部又包括功能泵2、推拉盘3、联轴器4、滑动杆5、翻滚模块6、质量块601、后级步进电机7、隔离板9、滑翔翼10、二级步进电机11、固定架I12、针筒13、固定架II14、推动杆15、质量块放置架17、二级步进电机支架18、后级步进电机支架20，所述靠近过水腔1的位置依次设有固定架 I12、固定架II14，所述固定架I12、固定架II14外周分别设有推动杆15，所述固定架II14后侧设有推拉盘3，所述推拉盘3后侧设有二级步进电机支架18，通过推动杆15的首端、尾端分别与与过水腔1内端、二级步进电机支架18固定连接实现固定架I12、固定架II14的位置固定，所述固定架I12、固定架II14内安装有针筒13，所述针筒13前端设有功能泵2，所述针筒13 尾端位于推拉盘3处由螺母固定，所述二级步进电机支架18内固定安装有二级步进电机11，所述二级步进电机11的输出端通过联轴器4与设置在推拉盘3尾端的丝杆相连接；

所述二级步进电机11后侧安装有翻滚模块6，所述翻滚模块6前端设有质量块放置架17，所述质量块放置架17位于机身整体的中间位置，所述质量块放置架17内安装有质量块601，所述质量块601与翻滚模块6为一体式结构；

所述翻滚模块6左、右对称设有滑翔翼10，所述翻滚模块6后侧设有后级步进电机支架20，所述后级步进电机支架20内固定安装有后级步进电机7，所述后级步进电机7的输出端通过行星齿轮箱与翻滚模块6相连接，所述后级步进电机支架20后端设有隔离板9；

所述尾部又包括电池及控制板8、支撑架16、底部防水塞19，所述支撑架16固定安装在底部防水塞19上，所述支撑架16内安装有电池及控制板8；

所述滑动杆5首端与二级步进电机支架18相连接，所述滑动杆5由前向后依次穿过质量块601、翻滚模块6、后级步进电机支架20、支撑架16最终尾端与底部防水塞19相连接。

进一步的，所述针筒13数量为6个，6个针筒13环绕推拉盘3等间距分布。

进一步的，所述质量块601为大半圆形结构。

进一步的，所述质量块601上还设有钢棒602。

进一步的，还包括有IMU系统、压力传感器及微处理器，所述IMU系统、压力传感器及微处理器设置在中部，三者通过线路实现电连接。

实施例2：

水下滑翔机下潜前进或上升：

水下滑翔机在下潜和上升过程中前进，二级步进电机11通过丝杆驱动推拉针筒13，使功能泵2吸水或排水改变机身前半部分的重量，重力大于浮力，水下滑翔机质心向前，使其产生一定的攻角，同时水下滑翔机的这种姿态使质量块601在滑动杆5上向过水腔滑动，促进攻角变大，辅助俯仰姿态的控制，水下滑翔机呈下滑前进状态，反之重力小于浮力，质心靠后，质量块601在滑动杆5上向尾部滑动，辅助俯仰姿态的控制，水下滑翔机呈向上前进的状态。即功能泵2通过吸水或排水控制水下滑翔机的下潜上升，质量块601辅助水下滑翔机的俯仰姿态的控制，功能泵2与质量块601保持相对同步；

水下滑翔机通过轻微翻滚做转弯动作：

由于水下滑翔机底部较重，当其向左滚动时，它的质心应向左轻微移动，使其在下降时向左轻微滚动，从而使其运动轨迹弯曲；向右滚动则产生相反的效果。后级步进电机7通过行星齿轮箱驱动翻滚模块6根据转向要求做轻微转动，质量块601也随之转动，从而使水下滑翔机做出转弯动作。

硬件部分的压力传感器可以让机器人在达到一定深度时切换滑行状态。

此外，IMU可以向微处理器(ATMEGA2560)提供关于俯仰的信息，搭建空间运动学矩阵模型来确定水下滑翔机在最小化功耗的同时保持恒定的攻角。此外，表面摩擦的粘性主要产生于这些阻尼的影响，一般条件下，水下滑翔机上的这些阻尼是非线性的，因此，水下滑翔机的滑翔翼可以保证水下滑翔机向前运动，并且可以利用功能泵2吸水或排水改变机身重量来改变攻角，从而产生不同的水下滑翔机特性。这样本实用新型在最基础的原理，低成本情况下，非常适合用于教育教学当中。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本实用新型提到的各个部件为现有领域常见技术，本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种适用于教育教学的水下滑翔机，其特征在于，包括过水腔、中部、尾部，所述过水腔为子弹头型结构，其上等间距设有N个进水孔，N≥6；

所述中部又包括功能泵、推拉盘、联轴器、滑动杆、翻滚模块、质量块、后级步进电机、隔离板、滑翔翼、二级步进电机、固定架I、针筒、固定架II、推动杆、质量块放置架、二级步进电机支架、后级步进电机支架，所述靠近过水腔的位置依次设有固定架I、固定架II，所述固定架I、固定架II外周分别设有推动杆，所述固定架II后侧设有推拉盘，所述推拉盘后侧设有二级步进电机支架，通过推动杆的首端、尾端分别与过水腔内端、二级步进电机支架固定连接实现固定架I、固定架II的位置固定，所述固定架I、固定架II内安装有针筒，所述针筒前端设有功能泵，所述针筒尾端位于推拉盘处由螺母固定，所述二级步进电机支架内固定安装有二级步进电机，所述二级步进电机的输出端通过联轴器与设置在推拉盘尾端的丝杆相连接；

所述二级步进电机后侧安装有翻滚模块，所述翻滚模块前端设有质量块放置架，所述质量块放置架位于机身整体的中间位置，所述质量块放置架内安装有质量块，所述质量块与翻滚模块为一体式结构；

所述翻滚模块左、右对称设有滑翔翼，所述翻滚模块后侧设有后级步进电机支架，所述后级步进电机支架内固定安装有后级步进电机，所述后级步进电机的输出端通过行星齿轮箱与翻滚模块相连接，所述后级步进电机支架后端设有隔离板；

所述尾部又包括电池及控制板、支撑架、底部防水塞，所述支撑架固定安装在底部防水塞上，所述支撑架内安装有电池及控制板；

所述滑动杆首端与二级步进电机支架相连接，所述滑动杆由前向后依次穿过质量块、翻滚模块、后级步进电机支架、支撑架最终尾端与底部防水塞相连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于教育教学的水下滑翔机，其特征在于，所述针筒数量为6个，6个针筒环绕推拉盘等间距分布。

3.根据权利要求1所述的一种适用于教育教学的水下滑翔机，其特征在于，所述质量块为大半圆形结构。

4.根据权利要求3所述的一种适用于教育教学的水下滑翔机，其特征在于，所述质量块上还设有钢棒。

5.根据权利要求1所述的一种适用于教育教学的水下滑翔机，其特征在于，还包括有IMU系统、压力传感器及微处理器，所述IMU系统、压力传感器及微处理器设置在中部，三者通过线路实现电连接。

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