一种梭形水下滑翔器设计及控制方法

摘要

本发明属于海洋环境监测和海底资源勘探领域，具体涉及一种梭形水下滑翔器设计及控制方法。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，机翼和舵片为流线型。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。本发明体积灵巧，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。

说明书

技术领域：

本发明属于海洋环境监测和海底资源勘探领域，具体涉及一种梭形水下滑翔器设计及控 制方法。

背景技术：

水下滑翔器是为了满足大尺度、长时间、大范围的海洋环境监测的需要，而研制出的新 型自治水下机器人。它不配备推进装置，采用浮力驱动的方式，在水下完成上浮下潜和滑翔 运动，搭载传感器进行海底环境监测。

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驱动、温差能驱动，还有依靠太阳能驱动，但高航速和长续航时间这两 个主要性能指标依然很难满足，而且滑翔器的自主性差，方向调节和控制能力差，受洋流变 化影响显著。随着水下滑翔器在军事和民用领域，如探矿、救生、考古、海事布放等各种复 杂场合的广泛应用，加之海洋环境的复杂多变，水下滑翔器的性能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和稳定性。

发明内容：

本发明之目的是：针对现有的水下滑翔器设计中的不足，设计出一种低阻力的梭形水下 滑翔器，它体积小巧，满足高速、长续航时间的要求，并提出一种控制方法，使其具有良好 的方向调节能力和较好的自主性，能大致按照既定航迹完成滑翔。

为了实现本发明之目的，拟采用以下技术方案：

本发明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。

本发明梭形水下滑翔器的各个舱体连成一体，彼此之间密封且独立，具体控制方法为： 通过改变外皮囊的排水体积改变滑翔器的净浮力大小，从而使滑翔器产生上浮下潜的动力。 在上浮下潜的过程中，通过改变重心的位置调整俯仰的姿态，具体地是通过电池包重块在轴 线方向上的移动，使重心相对浮心位置发生改变，产生一个俯仰力矩，该力矩改变了水下滑 翔机的俯仰姿态，实现上浮下潜运动状态的转换，从而在垂直面内形成一条锯齿状航行轨迹。 通过旋转机构的调节，使重心偏离对称轴线，产生一个横倾力矩，使机身绕轴线转动一定横 倾角，产生一定向心力，同时通过调节尾舵的偏转，使作用在水平机翼和垂直尾翼上的力不 平衡，实现滑翔器的转向。以上调节结合便可完成滑翔器在水中上浮下潜的运动和空间螺旋 回转运动的轨迹。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明梭形水下滑翔器具有良好的水动力外形，主体采用低阻的梭形流线型，机翼和 舵片均为流线型，相较其他水下机器人，具有体积灵巧，能耗低的优点。而且提高了升阻比， 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.本发明尾舵机构仿鱼尾设计，上下双舵通过舵机经锥齿轮驱动同步旋转，操作简便， 可快速控制转向。通过控制信号能调节舵的转动角度，使运动方向的调节可控性增强。

3.本发明的水下滑翔器由多个独立的密封舱连接成一体，舱体间端盖连接通过中间有孔 的水密连接器完成，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为本发明的整体内部结构示意图；

图2为本发明的整体外观结构图；

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：

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～4所示，本发明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；为减小滑翔器在水下运动的阻力，增 加航速和最大续航时间，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：

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，主动锥齿轮与安装在齿轮架上的从动锥齿轮轴啮合，中直齿轮固定在从 动锥齿轮轴的中段，并与固定在导轨上的齿条啮合，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；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，电池组和电机固定在两端盖之间，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，大齿轮与导轨固定， 小齿轮与电机输出轴相连，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；

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；

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，上下舵轴旋转带动上下舵片转动；

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。

梭形水下滑翔器的控制方法为：

浮力驱动模块控制水下滑翔器的净浮力大小，姿态调整模块控制水下滑翔器的滑翔过程 的姿态改变，尾舵模块控制水下滑翔器水平面的转向，三者结合可实现水下滑翔器航迹的精 确控制。

具体地，当需要下潜时，浮力驱动模块收到一个控制信号，步进电机18旋转，柱塞泵 21的油腔被抽成真空，外皮囊22中的液压油在大气压作用下被压到油腔内，外皮囊排水体 积变小，当变化量达到指定工作量时，步进电机18停止旋转，此时水下滑翔器的净浮力为负， 滑翔器开始下潜，与此同时，姿态调整模块中俯仰电机14旋转，俯仰电池包16被带动沿导 轨27向前运动一段位移，致使重心偏离浮心一段距离，产生一个俯仰力矩，该力矩驱使水下 滑翔器艏朝下艉朝上，并以一定攻角向水下滑行；当到达指定的深度时，浮力驱动模块接收 信号，步进电机18反向转动，液压油在泵的作用下从油腔被排出到外皮囊22中，外皮囊排 水体积变大，达到指定工作量时，步进电机18停止旋转，此时水下滑翔器的净浮力为正，滑 翔器开始上浮，同时俯仰电机14反方向旋转，带动俯仰电池包16沿导轨向后移动一段位移， 产生一个反方向的俯仰力矩，驱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 达水面，如此反复上浮下潜，可形成一条垂直面内的锯齿状航行轨迹；当需要横倾转动时， 旋转电机9旋转，带动偏心电池包11绕轴线转动一定角度，产生一个横倾力矩，该力矩使整 个机身绕轴线产生一定倾角；当需要转向时，位于尾舱6中的舵机43收到控制信号，输出轴 旋转，通过传动机构带动上下舵轴39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，产生一对同样大小的偏转力矩，驱使整个载体在 水平面上转向，尾舵模块使水下滑翔器的运动方向的可控性增强。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，水下滑翔器可实现空间范围内螺 旋回转运动，理论上可达到水下任何地方。

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，姿态调整模块中的旋转电机9转动一个角度，使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。