一種梭形水下滑翔器設計及控制方法
【專利摘要】本發明屬于海洋環境監測和海底資源勘探領域，具體涉及一種梭形水下滑翔器設計及控制方法。主要包括流線型的外殼體和裝置在殼體內的姿態調整模塊、浮力驅動模塊、尾舵模塊及控制通訊模塊。整個滑翔器的外形設計充分考慮水動力的影響，主耐壓艙體大致為梭形，機翼和舵片為流線型。工作時通過浮力驅動模塊改變浮力大小；通過姿態調整模塊中的俯仰機構調節機身的俯仰姿態，旋轉機構調節橫傾姿態；通過尾舵模塊改變在水平面的轉向；協調這三個模塊的時序，可使滑翔器在垂直面內形成鋸齒形的運動軌跡或者空間范圍的螺旋回轉運動，同時可攜帶傳感器進行海底數據采集，并通過通訊設備實時傳回數據。本發明體積靈巧，結構緊湊，而且具有航速高，續航時間長，方向可控性好的優點。
【專利說明】一種梭形水下滑翔器設計及控制方法
【技術領域】:
[0001]本發明屬于海洋環境監測和海底資源勘探領域，具體涉及一種梭形水下滑翔器設計及控制方法。
【背景技術】:
[0002]水下滑翔器是為了滿足大尺度、長時間、大范圍的海洋環境監測的需要，而研制出的新型自治水下機器人。它不配備推進裝置，采用浮力驅動的方式，在水下完成上浮下潛和滑翔運動，搭載傳感器進行海底環境監測。
[0003]目前國內水下滑翔器的研究才剛剛起步，現有的水下滑翔器大多仿照經典的Slocum機型，驅動能源有依靠電能驅動、溫差能驅動，還有依靠太陽能驅動，但高航速和長續航時間這兩個主要性能指標依然很難滿足，而且滑翔器的自主性差，方向調節和控制能力差，受洋流變化影響顯著。隨著水下滑翔器在軍事和民用領域，如探礦、救生、考古、海事布放等各種復雜場合的廣泛應用，加之海洋環境的復雜多變，水下滑翔器的性能將是研發人員最關注的問題。形體阻力是影響滑翔器性能的重要參數之一，減小阻力可增大航程，提高航速，增加負載能力，大大提高滑翔器的經濟性和穩定性。
【發明內容】
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[0004]本發明之目的是:針對現有的水下滑翔器設計中的不足，設計出一種低阻力的梭形水下滑翔器，它體積小巧，滿足高速、長續航時間的要求，并提出一種控制方法，使其具有良好的方向調節能力和較好的自主性，能大致按照既定航跡完成滑翔。
[0005]為了實現本發明之目的，擬采用以下技術方案:
[0006]本發明包括流線型的外殼體和裝置在殼體內的姿態調整模塊、浮力驅動模塊、尾舵模塊及控制通訊模塊:
[0007]流線型外殼體:包括主耐壓艙體、水平機翼和垂直尾翼，主耐壓艙體呈梭形，包括頭部艙、電池艙、主體艙、氣囊艙和尾艙，艙體端蓋與殼體間由雙O型圈和防水墊圈進行密封，艙體間通過卡扣式的機械裝置完成連接，水平機翼對稱固定安裝在主耐壓艙體兩側，垂直尾翼分上下舵片安裝在尾艙上；
[0008]姿態調整模塊:包括俯仰機構、旋轉機構和導軌，俯仰機構和旋轉機構前后安裝在導軌上，導軌兩端通過螺釘與兩個支撐圓盤相連，支撐圓盤通過螺母固定在艙體間的連接絲桿上，所述俯仰機構，包括前端蓋、后端蓋、傳動機構、電機、絲桿和電池組，電池組固定在前后端蓋之間，通過絲桿與螺母拉緊前后端蓋，電機鑲嵌在前端蓋的電池槽內，通過螺釘與前端蓋固定，電機輸出運動，通過傳動機構，使整個俯仰機構沿著導軌軸線方向前后移動，所述旋轉機構，包括呈半圓形的前端蓋、后端蓋，以及傳動機構、電機、絲桿和電池組，電池組通過拉桿和螺母固定在兩端蓋之間，電機鑲嵌在前端蓋的電機槽內，通過螺釘與前端蓋相連，電機輸出運動后，通過傳動機構，使旋轉機構繞著導軌旋轉；
[0009]浮力驅動模塊:包括與外界水域相通的外皮囊、單沖程柱塞泵、滾珠絲杠、步進電機和電機架，步進電機固定在電機架上，電機架通過螺母與艙體間的連接絲桿相連接，電機輸出軸通過聯軸器與滾珠絲杠相連，滾珠絲杠與柱塞泵的活塞桿相連，泵的出口處與外皮囊相連；
[0010]尾舵模塊:包括與上下舵片相連的上下舵軸、聯軸器、主動錐齒輪、從動錐齒輪和舵機，舵機通過螺釘固定在耐壓尾艙的艙體后壁上，舵機輸出軸與主動錐齒輪相連，主動錐齒輪與從動錐齒輪嚙合，從動錐齒輪通過鍵與舵軸相連，上下舵軸通過聯軸器相連；
[0011]控制通訊模塊:包括聲吶、TCM高度計、CTD傳感器、控制系統電路板、備用電池包、無線通訊模塊及內置于固定機翼中的天線，聲吶和TCM高度計安裝在頭部艙，CTD傳感器安裝在水下滑翔器的艙體外殼上與海水接觸，備用電池包位于電池艙，無線通訊模塊以及控制系統電路板位于主體艙；
[0012]其中，所述流線型的外殼體，其主耐壓艙體為依據標準橢圓線性方程設計的頭尾對稱的雙參數橢圓回轉體外形，其長短軸分別為2.0m和0.24m，水平機翼和垂直尾翼均選用NACA翼型；在所述姿態調整模塊中，所述俯仰機構的傳動機構，包括主動錐齒輪、從動錐齒輪軸、齒輪架、中直齒輪和齒條，主動錐齒輪與電機輸出軸相連，從動錐齒輪軸的齒輪端與主動錐齒輪嚙合，軸段通過軸承安裝在齒輪架上，齒輪架通過螺釘固定在俯仰機構的前端蓋外側，中直齒輪通過定位螺釘與從動錐齒輪軸的中段相連，并與齒條相嚙合，齒條通過定位螺釘固定在導軌上；所述旋轉機構的傳動機構，包括小齒輪和大齒輪，小齒輪與電機輸出軸相連，并與安裝在方形導軌上的大齒輪嚙合，形成行星齒輪結構。
[0013]本發明梭形水下滑翔器的各個艙體連成一體，彼此之間密封且獨立，具體控制方法為:通過改變外皮囊的排水體積改變滑翔器的凈浮力大小，從而使滑翔器產生上浮下潛的動力。在上浮下潛的過程中，通過改變重心的位置調整俯仰的姿態，具體地是通過電池包重塊在軸線方向上的移動，使重心相對浮心位置發生改變，產生一個俯仰力矩，該力矩改變了水下滑翔機的俯仰姿態，實現上浮下潛運動狀態的轉換，從而在垂直面內形成一條鋸齒狀航行軌跡。通過旋轉機構的調節，使重心偏離對稱軸線，產生一個橫傾力矩，使機身繞軸線轉動一定橫傾角，產生一定向心力，同時通過調節尾舵的偏轉，使作用在水平機翼和垂直尾翼上的力不平衡，實現滑翔器的轉向。以上調節結合便可完成滑翔器在水中上浮下潛的運動和空間螺旋回轉運動的軌跡。
[0014]本發明的優點與積極效果為:
[0015]1.本發明梭形水下滑翔器具有良好的水動力外形，主體采用低阻的梭形流線型，機翼和舵片均為流線型，相較其他水下機器人，具有體積靈巧，能耗低的優點。而且提高了升阻比,減小阻力可增大航程,提高航速,增加負載能力，大大提高了水下滑翔器的經濟性。
[0016]2.本發明尾舵機構仿魚尾設計，上下雙舵通過舵機經錐齒輪驅動同步旋轉，操作簡便，可快速控制轉向。通過控制信號能調節舵的轉動角度，使運動方向的調節可控性增強。
[0017]3.本發明的水下滑翔器由多個獨立的密封艙連接成一體，艙體間端蓋連接通過中間有孔的水密連接器完成，各個艙體的獨立性較好。結構緊湊，拆裝方便，磨損零件易于更換。
【專利附圖】
【附圖說明】:[0018]圖1為本發明的整體內部結構示意圖；
[0019]圖2為本發明的整體外觀結構圖；
[0020]圖3為姿態調節模塊的傳動結構示意圖；
[0021]圖4為尾舵模塊的傳動結構示意圖。
[0022]其中:I為頭部艙，2為電池艙，3為主體艙，4為水平機翼，5為氣囊艙，6為尾艙，7為垂直尾翼，8為旋轉機構前端蓋，9為旋轉機構電機，10為旋轉機構絲桿，11為旋轉機構電池組，12為旋轉機構后端蓋,13為俯仰機構前端蓋,14為俯仰機構電機,15為俯仰機構絲桿，16為俯仰機構電池組,17為俯仰機構后端蓋,18為步進電機,19為電機架,20為滾珠絲杠，21為單沖程柱塞泵，22為外皮囊，23為CTD傳感器，24為控制系統電路板，25為后支撐盤，26為艙體連接絲桿，27為導軌，28為前支撐盤，29為備用電池組，30為TCM高度計，31為聲吶，32為俯仰機構主動錐齒輪，33為俯仰機構從動錐齒輪軸，34為齒輪架，35為中直齒輪，36為齒條，37為小齒輪，38為大齒輪，39為舵軸，40為聯軸器，41尾舵主動錐齒輪，42為尾舵從動錐齒輪，43為舵機。
【具體實施方式】:
[0023]下面結合附圖對本發明作進一步詳述。
[0024]如圖1?4所示，本發明包括流線型的外殼體和裝置在殼體內的姿態調整模塊、浮力驅動模塊、尾舵模塊及控制通訊模塊。
[0025]流線型外殼體:包括主耐壓艙體、水平機翼4和垂直尾翼7，主耐壓艙體大致呈梭形，包括頭部艙1、電池艙2、主體艙3、氣囊艙5和尾艙6，艙體端蓋與殼體間由雙O型圈和防水墊圈進行密封，艙體間通過卡扣式的機械裝置完成連接，水平機翼4對稱固定安裝在主耐壓艙體兩側，垂直尾翼7分上下舵片安裝在尾艙6上；為減小滑翔器在水下運動的阻力，增加航速和最大續航時間，主耐壓艙體外形依據標準的橢圓線性方程設計為頭尾對稱的雙參數橢圓回轉體外形，其長短軸分別為2.0m和0.24m,水平機翼和垂直尾翼均選用NACA翼型:
[0026]姿態調整模塊:包括前支撐盤28、后支撐盤25、導軌27、俯仰機構和旋轉機構，支撐盤通過螺母固定在艙體間的連接絲桿26上，導軌27兩端通過定位螺釘與兩個支撐盤25和28相連，俯仰機構和旋轉機構前后安裝在導軌27上；其中，俯仰機構包括前端蓋13、后端蓋17、傳動機構、電機14、絲桿15和電池組16，電池組16和電機14包覆在前后端蓋13和17之間，電機14固定在前端蓋13的電池槽內，通過絲桿15拉緊兩端蓋，電機14輸出軸與傳動機構相連，此處傳動機構，包括主動錐齒輪32、從動錐齒輪軸33、齒輪架34、中直齒輪35和齒條36，主動錐齒輪與安裝在齒輪架上的從動錐齒輪軸嚙合，中直齒輪固定在從動錐齒輪軸的中段，并與固定在導軌上的齒條嚙合，電機輸出軸旋轉，通過傳動機構，帶動整個俯仰機構沿著導軌的軸線方向前后移動；旋轉機構包括前端蓋8、后端蓋12、傳動機構、電機9、絲桿10和電池組11，電池組和電機固定在兩端蓋之間，由于前后端蓋為半圓形，因而組成的電池包具有偏心質量，此處的傳動機構為一對嚙合的行星齒輪，大齒輪與導軌固定，小齒輪與電機輸出軸相連，電機轉動，小齒輪帶動整個偏心電池包繞著導軌的軸線旋轉；
[0027]浮力驅動模塊:包括與外界水域相通的外皮囊22、單沖程柱塞泵21、滾珠絲杠20、步進電機18和電機架19，步進電機18固定在電機架19上，電機架與艙體間的連接絲桿26相連接，電機輸出軸通過聯軸器與滾珠絲杠20相連，滾珠絲杠20與單沖程柱塞泵21的活塞桿相連，泵的出口處與外皮囊22相連；
[0028]尾舵模塊:包括與上下舵片相連的上下舵軸39、聯軸器40、主動錐齒輪41、從動錐齒輪42和舵機43，舵機43固定在耐壓尾艙6的艙體后壁上，舵機輸出軸與主動錐齒輪41相連，主動錐齒輪41與從動錐齒輪42嚙合，從動錐齒輪通過鍵與舵軸39相連，上下舵軸39通過聯軸器40相連，上下舵軸旋轉帶動上下舵片轉動；
[0029]控制通訊模塊:包括聲吶31、TCM高度計30、CTD傳感器23、控制系統電路板24、備用電池包29、無線通訊模塊及內置于固定機翼中的天線，聲吶31和TCM高度計30安裝在頭部艙，CTD傳感器23安裝在艙體外殼上與海水接觸，備用電池包29位于電池艙2，無線通訊模塊以及控制系統電路板24安裝在主體艙3中。
[0030]梭形水下滑翔器的控制方法為:
[0031]浮力驅動模塊控制水下滑翔器的凈浮力大小，姿態調整模塊控制水下滑翔器的滑翔過程的姿態改變，尾舵模塊控制水下滑翔器水平面的轉向，三者結合可實現水下滑翔器航跡的精確控制。
[0032]具體地，當需要下潛時，浮力驅動模塊收到一個控制信號，步進電機18旋轉，柱塞泵21的油腔被抽成真空，外皮囊22中的液壓油在大氣壓作用下被壓到油腔內，外皮囊排水體積變小，當變化量達到指定工作量時，步進電機18停止旋轉，此時水下滑翔器的凈浮力為負，滑翔器開始下潛，與此同時，姿態調整模塊中俯仰電機14旋轉，俯仰電池包16被帶動沿導軌27向前運動一段位移，致使重心偏離浮心一段距離，產生一個俯仰力矩，該力矩驅使水下滑翔器艏朝下艉朝上，并以一定攻角向水下滑行；當到達指定的深度時，浮力驅動模塊接收信號，步進電機18反向轉動，液壓油在泵的作用下從油腔被排出到外皮囊22中，夕卜皮囊排水體積變大，達到指定工作量時，步進電機18停止旋轉，此時水下滑翔器的凈浮力為正，滑翔器開始上浮，同時俯仰電機14反方向旋轉，帶動俯仰電池包16沿導軌向后移動一段位移，產生一個反方向的俯仰力矩，驅使水下滑翔器艏朝上艉朝下，滑翔器以一定攻角向上滑翔到達水面，如此反復上浮下潛，可形成一條垂直面內的鋸齒狀航行軌跡；當需要橫傾轉動時，旋轉電機9旋轉，帶動偏心電池包11繞軸線轉動一定角度，產生一個橫傾力矩，該力矩使整個機身繞軸線產生一定傾角；當需要轉向時，位于尾艙6中的舵機43收到控制信號，輸出軸旋轉，通過傳動機構帶動上下舵軸39旋轉，從而帶動上下舵片7在水平面內偏轉一定角度，使水流作用在兩個舵片上的力左右不平衡，產生一對同樣大小的偏轉力矩，驅使整個載體在水平面上轉向，尾舵模塊使水下滑翔器的運動方向的可控性增強。當設定好姿態調整模塊、浮力驅動模塊和尾舵模塊這三大模塊的運動時序與時長后，水下滑翔器可實現空間范圍內螺旋回轉運動，理論上可達到水下任何地方。
[0033]滑翔器在上浮下潛的過程中，攜帶的傳感器等測量模塊采集水下的信息并儲存，到達水面時，姿態調整模塊中的旋轉電機9轉動一個角度，使內置天線的水平機翼露出水面，與位于岸上的基站進行通訊，發射儲存的信息。通訊完畢，水下滑翔器進入下一個工作循環。
【權利要求】
1.一種梭形水下滑翔器，用于搭載傳感器或探測儀器進行海底勘測，其特征是包括流線型的外殼體和裝置在殼體內的姿態調整模塊、浮力驅動模塊、尾舵模塊及控制通訊模塊: 流線型外殼體:包括主耐壓艙體，水平機翼(4)和垂直尾翼(7)，主耐壓艙體大致呈梭形，包括頭部艙(I)、電池艙(2)、主體艙(3)、氣囊艙(5)和尾艙(6)，艙體端蓋與殼體間由雙O型圈和防水墊圈進行密封，艙體間通過卡扣式的機械裝置完成連接，水平機翼(4)對稱固定安裝在主耐壓艙體兩側，垂直尾翼(7)分上下舵片安裝在尾艙(6)上； 姿態調整模塊:包括前支撐盤(28)、后支撐盤(25)、導軌(27)、俯仰機構和旋轉機構，支撐盤通過螺母固定在艙體間的連接絲桿(26)上，導軌(27)兩端通過定位螺釘與兩個支撐盤(25)和(28)相連，俯仰機構和旋轉機構前后安裝在導軌(27)上，所述俯仰機構，包括前端蓋(13)、后端蓋(17)、傳動機構、電機(14)、絲桿(15)和電池組(16),電池組(16)固定在前端蓋(13)和后端蓋(17)之間，通過絲桿(15)與螺母拉緊前后端蓋，電機(14)鑲嵌在前端蓋(13)的電池槽內，通過螺釘與前端蓋(13)固定，電機(14)輸出運動，通過傳動機構，使整個俯仰機構沿著導軌(27)的軸線方向前后移動，所述旋轉機構，包括呈半圓形的前端蓋⑶、后端蓋(12)，以及傳動機構、電機(9)、絲桿(10)和電池組(11)，電池組(11)通過絲桿(10)和 螺母固定在兩端蓋之間，電機(9)鑲嵌在前端蓋(8)的電機槽內，通過螺釘與前端蓋(8)相連，電機(9)輸出運動后，通過傳動機構，使旋轉機構繞著導軌(27)旋轉；浮力驅動模塊:包括與外界水域相通的外皮囊(22)、單沖程柱塞泵(21)、滾珠絲杠(20)、步進電機(18)和電機架(19)，步進電機(18)固定在電機架(19)上，電機架(19)通過螺母與艙體間的連接絲桿(26)相連接，電機輸出軸通過聯軸器與滾珠絲杠(20)相連，滾珠絲杠(20)與單沖程柱塞泵(21)的活塞桿相連，泵的出口處與外皮囊(22)相連； 尾舵模塊:包括與上下舵片相連的上下舵軸(39)、聯軸器(40)、主動錐齒輪(41)、從動錐齒輪(42)和舵機(43)，舵機(43)通過螺釘固定在耐壓尾艙(6)的艙體后壁上，舵機(43)輸出軸與主動錐齒輪(41)相連，主動錐齒輪(41)與從動錐齒輪(42)嚙合，從動錐齒輪通過鍵與舵軸(39)相連，上下舵軸(39)通過聯軸器(40)相連； 控制通訊模塊:包括聲吶(31)、TCM高度計(30)、CTD傳感器(23)、控制系統電路板(24)、備用電池包(29)、無線通訊模塊及內置于固定機翼中的天線，聲吶(31)和TCM高度計(30)安裝在頭部艙，CTD傳感器(23)安裝在艙體外殼上與海水接觸，備用電池包(29)位于電池艙(2)，無線通訊模塊以及控制系統電路板(24)位于主體艙(3)。
2.按權利要求1所述的梭形水下滑翔器，其特征在于:所述流線型外殼體，其主耐壓艙體為依據標準橢圓線性方程設計的頭尾對稱的雙參數橢圓回轉體外形，其長短軸分別為2.0m和0.24m，水平機翼和垂直尾翼均選用NACA翼型。
3.按權利要求1或2所述的梭形水下滑翔器，其特征在于:在所述姿態調整模塊中，所述俯仰機構的傳動機構，包括主動錐齒輪(32)、從動錐齒輪軸(33)、齒輪架(34)、中直齒輪(35)和齒條(36)，主動錐齒輪(32)與電機輸出軸相連，從動錐齒輪軸(33)的齒輪端與主動錐齒輪(32)嚙合，軸段通過軸承安裝在齒輪架(34)上，齒輪架(34)通過螺釘固定在俯仰機構的前端蓋(13)外側，中直齒輪(35)通過緊定螺釘與從動錐齒輪軸(33)的中段相連，并與齒條(36)相嚙合，齒條通過螺釘固定在導軌(27)上。
4.按權利要求1或2所述的梭形水下滑翔器，其特征在于:在所述姿態調整模塊中，所述旋轉機構的傳動機構，包括小齒輪(37)和大齒輪(38)，小齒輪(37)與電機輸出軸相連，并與固定在導軌上的大齒輪(38)嚙合，形成行星齒輪結構。
【文檔編號】B63G8/22GK103832564SQ201410100504
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月14日 優先權日:2014年3月14日
【發明者】嚴天宏, 趙倩, 孟凡豪, 劉仲武, 牛彥杰, 郭亦捷 申請人:中國計量學院