CN218317225U - 一种四旋翼仿生航行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种四旋翼仿生航行器，基于仿生理念，以鲨鱼的流线外形作为水下航行器壳体的设计基础，主体表面光滑，于航行器上部和后部分别设有背鳍和尾鳍，配合流线型壳体，平衡航行器运动，大大减小了航行器的阻力；航行器躯干两侧设有四个旋翼，通过控制不同螺旋桨的转速来实现潜航器的各方位运动，本航行器具有结构简单、质量轻、便于在机身内放置探测仪器等优点。

Description

一种四旋翼仿生航行器

技术领域

本实用新型涉及水下航行技术领域，特别涉及一种四旋翼仿生航行器。

背景技术

海洋对我国经济社会发展具有重大战略意义，目前人们对于海洋经济的发展尚处于探索阶段，水下机器人作为一种高技术手段，在海洋这块人类未来最现实的可发展空间中起着至关重要的作用，但功能齐全智能化用于水产养殖的水下机器人又少之又少，大多数用于水下作业的机器人存在推进效率低、续航能力差、机身运动操作复杂、因通信限制运动范围小、数据传输距离短等一系列的问题。当今传统的水下航行器存在“三大难题”：机身控制复杂；水下推进、续航能力差；水下通信困难。

海洋作业产区对水下作业机器以及机器的动力装置有着迫切的需求，也有部分技术人员开发出一些动力装置的设备和装置，但现有设备虽然初步实现了水下提供动力，但仍然是简单的动力结构，运动方向比较单一，难以控制掉向，且航程和航速较小。

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。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种四旋翼仿生航行器，其解决了生产成本高、推进效率低、续航能力差、机身运动操作复杂等一系列实际应用问题，整体机器能源转换效率高，操作方便且反应灵敏。

一种四旋翼仿生航行器，包括：航行器上壳、航行器下壳，上壳与下壳共同组成航行器主体，内部设有旋转系统，可使四旋翼仿生航行器机身整体转动，且航行器主体内部设有电源仓，给航行器提供动力源。

旋翼，共有四个，呈正方形分布，分为两对，分别分布在航行器主体前端两侧和航行器主体腰部两侧，与水平面成一定角度的旋翼，通过与水流的反作用向机器提供动力；

旋翼外壳，共有四个，分别设在四个旋翼外侧，与悬臂结构相连，对螺旋桨起保护作用；

螺旋桨，分别在四个旋翼外壳中，通过控制四个螺旋桨之间的速度差异，实现航行器的前进与转向，螺旋桨与旋翼外壳之间提供水流通过的通道；

悬臂结构，悬臂结构端部与旋翼外壳相连，以将两对旋翼机构对称地分布在航行器主体两侧，以达到受力均匀的效果，整个航行器具有四个悬臂结构。

背鳍与尾鳍，配合流线型壳体，减小潜航器水下航行阻力，提高了设备水下机动性能，对航行器平衡起着关键作用。

半球罩，位于航行器主体前方，与核心舱体密封连接，用于保护摄像机、电路板、电源等器件，防止被水下生物破坏。

核心舱体，位于航行器内部，前端与半球罩连接，后端与密封法兰连接，用于保护内部摄像机、电路板、电源等器件，为其提供防水环境。

尾端密封穿线板，位于核心舱体尾部，与核心舱体相连接，用于使核心舱体内的电线通过密封法兰穿出，与外部螺旋桨电机相通。

所述航行器，旋翼结构与悬臂结构实现了给航行器提供稳定力矩，这样可保证航行器的平稳运行，通过两对旋翼螺旋桨不同的转动速度旋转，为航行器提供不同方向和角度的动力，用于机身的倾斜、前进与转向，从而有效实现四旋翼仿生航行器灵活前进。同时，流线型壳体与四旋翼推进的配合使用，大大提高了航行器在水下的机动性，降低了航行器所受阻力，进而提高了航行器的运行效率。

所述航行器主体内部存在核心舱体，核心舱体一侧与密封穿线板相连，围绕着核心舱体设有主支架，主支架与上、下壳体连接，上下壳体之间首先靠螺栓链接，继而依靠上、下壳体的凹凸台和橡胶密封条密封。壳体用于连接悬臂结构，再由悬臂结构和两对旋翼相连，旋翼外壳与螺旋桨之间留有允许水流通过的空间，以减小不必要的阻力。

在本申请的一些实施例中，所述旋翼螺旋桨在水下应用，操控简单，四个遥感操作对应飞行器的前后、左右、上下和偏航方向的运动。旋翼螺旋桨无活动部件，可靠性基本取决于无刷电机的可靠性，可靠性较高。旋翼螺旋桨可实现仿生航行器悬停，飞行范围受控，运行安全。

在本申请的一些实施例中，

1)螺旋桨位于旋翼外壳中心，水流会通过旋翼外壳和螺旋桨之间；

2)螺旋桨旋转，水流流过旋翼内，螺旋桨通过与水流的反作用力，从而产生前进的动力。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1)本实用新型的四旋翼仿生航行器结构简单，操作方便，可与机器衔接，也可单独使用。能有效实现对水下机器力的提供，工作效率高，而且不会对机器本身的电路和机身结构产生影响。

2)本实用新型的四旋翼仿生航行器降低了水下机器航行的动力成本，且适用于各种机身结构的水下机器，适合大范围推广。

3)本实用新型设计的四旋翼仿生航行器，通过调整两对旋翼螺旋桨以不同的转动速度旋转，为航行器提供不同方向和角度的动力，使四旋翼仿生航行器方向改变，而实现水下机器运动方向改变，便于机器调转方向。

4)本实用新型采用了仿鱼类流线型壳体，减小了潜航器水下航行阻力，进一步提高了设备水下机动性能。

5)本实用新型，采用了仿无人机式四旋翼动力装置与仿鱼类流线型壳体相配合的方式，在降低航行器水下运动阻力的同时，大大提高了航行器的机动性能。从而提高了航行器的推进效率，降低了航行器的使用能耗。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本申请其中一个实施例的四旋翼仿生航行器；

图2为核心舱体的结构示意图；

其中：1-航行器上壳，2-航行器下壳，3-旋翼外壳，4-螺旋桨，5-悬臂机构，6-腰部旋翼，7-背鳍，8-尾鳍，9-半球罩，10-核心舱体，11-主支架，12-密封穿线板，13-一号腰部旋翼，14-二号腰部旋翼，15-三号旋翼，16-四号旋翼。

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。

如图1-2所示，一种四旋翼仿生航行器，所述航行器以鲨鱼为原型进行设计，外形为基于仿生理念设计的流线型，由较光滑材料制成的航行器上壳1和航行器下壳2极大地降低了航行器的游动阻力。背鳍7作为辅助平衡部件，同时背鳍也可起到减摇作用，使航行器保持平衡稳定。尾鳍8作为辅助前进部件，在前进过程中尾鳍可以起到助推作用，提高前进效率。在低速的情况下，可使航行器保持较高的机动性、稳定性以及游动效率。在核心舱体10中安放有航行控制计算机和外部设备。同时此航行器还包括三号旋翼15、四号旋翼16和一号腰部旋翼13、二号腰部旋翼14，此两类旋翼均由螺旋桨和围绕螺旋桨所设置的防护外壳所构成，在螺旋桨与防护外壳之间有可供水流通过的通道，三号旋翼15、四号旋翼16和一号腰部旋翼13、二号腰部旋翼14对称分布在机体的左右，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称地安装在旋翼中。悬臂结构5共有四个，分别使四个旋翼与核心舱体10和主支架11相连，并使得电能传送至三号旋翼15、四号旋翼16和一号腰部旋翼13、二号腰部旋翼14，而后旋翼便可搅动水流，水流向螺旋桨提供反作用力，进而实现航行器的运动。在运动过程中尾鳍可以提高前进效率。

多旋翼正反桨对称安装：当旋翼旋转时，会对机身产生一个与旋转方向相反的反扭力。由于多旋翼正反桨是对称安装，反扭力可以相互抵消。在理想情况下，假设当前四个旋翼转速相同，拉力相等，总拉力刚好抵消重力与浮力的合力，使航行器处于悬浮状态。流线性的外形设计使整体的在悬浮状态下更为稳定。

上下运动：同时同量增加四个螺旋桨的转速，则螺旋桨的总拉力增大，但是总力矩仍然是零。当拉力大于重力与浮力的合力时，航行器会加速上升。当同时同量减小四个螺旋桨的转速，总拉力小于重力与浮力的合力时，航行器会下降。

前后运动：同量增加一号腰部旋翼和13二号腰部旋翼14的转速，同时同量减小三号旋翼15和四号旋翼16的转速，则后面的拉力大于前面的拉力，航行器向前俯仰(低头)，总拉力产生向前的分量。与此同时，拉力的垂直分量会减小，将不再等于航行器的重力与浮力的合力，因此需要同量增加四个螺旋桨的转速来补偿重力和浮力的合力，从而实现航行器水平向前航行运动。同理，可以实现向后水平航行。由于流线型外形设计，航行器相对运动时，减少了漩涡作用，大大降低了流体对它的阻力，大大提高了前进效率。同时在前进的过程中，尾鳍8的进流速度不断增加，尾鳍8流过的水流产生的侧向力也可以提高前进效率。

左右运动：同量减小一号腰部旋翼13、三号旋翼15和四号旋翼16的转速，同时同量增加二号腰部旋翼14的转速，机身将向右滚转，然后总拉力产生向右的分量。与此同时，拉力的垂直分量会减小，将不再等于多旋翼的重力与浮力的合力，因此需要同量增加四个螺旋桨的转速来补偿重力与浮力的合力，从而实现航行器水平向右航行运动。同理，可以实现向左水平航行。在受到左右水流力的冲击下，部件7背鳍在前进过程中可使航行器更好地保持平衡稳定。

偏航运动：同量增加一号旋翼和三号旋翼的转速，同时同量减小二号旋翼和四号号旋翼的转速，此时顺时针的扭矩会增加，逆时针的扭矩会减小，总扭矩为顺时针，航行器将会顺时针旋转。此时总拉力没有改变，不会产生上下运动。同理，可以实现逆时针水平旋转。同时在部件7背鳍的作用下在前进过程中让整个偏向运动受力更加均匀，起到保证航向稳定的作用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案。

Claims (9)

1.一种四旋翼仿生航行器，其特征在于，包括：航行器上壳、航行器下壳、航行器上壳与航行器下壳共同组成的航行器主体、旋翼、旋翼外壳、螺旋桨、悬臂机构、背鳍、尾鳍、半球罩、核心舱体；所述旋翼为四个，四个旋翼外侧均设有旋翼外壳，每个旋翼外壳均围绕一个螺旋桨设置，旋翼外壳与螺旋桨之间提供水流通过的通道；悬臂结构，悬臂结构外端部与旋翼外壳相接，以将旋翼外壳和螺旋桨牢牢地固定航行器主体两侧，悬臂结构内端与核心舱体连接；航行器主体背部设有背鳍，尾部设有尾鳍，航行器整体外形呈流线型；航行器最前端设有半球罩，用于将航行器前端密封；核心舱体设于航行器主体内；螺旋桨通过与水流的反作用力，推动航行器运动。

2.根据权利要求1所述的一种四旋翼仿生航行器，其特征在于，航行器主体前端两侧和腰部两侧均对称分布有一对螺旋桨，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同。

3.根据权利要求2所述的一种四旋翼仿生航行器，其特征在于，所述四旋翼的螺旋桨通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，为航行器提供不同方向和角度的动力，从而控制飞行器的姿态和位置，实现四旋翼仿生航行器灵活前进。

4.根据权利要求1所述的一种四旋翼仿生航行器，其特征在于，所属核心舱体独立密封存置，提高防水性，核心舱体尾部设有密封穿线板，便于电线穿过。

5.根据权利要求1所述的一种四旋翼仿生航行器，其特征在于，所述悬臂结构与旋翼外壳连接；悬臂结构为有厚度、纵截面上下边有弧度的形状，且悬臂与核心舱体成一定角度。

6.根据权利要求5所述的一种四旋翼仿生航行器，其特征在于，所述悬臂结构与所述的旋翼外壳之间存在中空通道，且有电线放置在通道中，核心舱体内设置动力源，动力源通过电线带动所述四个螺旋桨分别转动。

7.根据权利要求1所述的一种四旋翼仿生航行器，其特征在于，所述航行器主体为流线型，顶部为半球形，航行器在水下航行中使得脱流现象减轻，水流动时能贴合航行器表面，前后压差减小，阻力减小。

8.根据权利要求1所述的一种四旋翼仿生航行器，其特征在于，核心舱体前端与半球罩连接，后端与密封法兰连接，用于保护内部器件，为其提供防水环境。

9.根据权利要求1所述的一种四旋翼仿生航行器，其特征在于，核心舱体尾部设有尾端密封穿线板，用于使核心舱体内的电线通过密封法兰穿出，与外部螺旋桨电机相通。

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