一种新型大翼展混合驱动无人水下航行器

摘要

本发明涉及一种新型大翼展混合驱动无人水下航行器，包括壳体结构、大翼展结构、天线、滑翔翼、推进器和尾翼；其特征在于：壳体结构内设置有浮力调节系统、俯仰调节系统、控制系统、抛载装置、传感器和通讯天线；该水下航行器可根据不同任务和工作要求实现三种运动模式的切换达到节约能源和完成任务要求；在需要加速上潜与下浮时可使用滑翔与推进混合模式；通过控制两翼端推进器的不同差速，可实现滑翔不同回转半径的空间螺旋运动；通过对滑翔机机翼结构和整体布局的调整，优化滑翔时的抗扰流性，提高无人航行器的稳定性，该水下航行器实现了滑翔机和AUV优点的结合，具有长航程、空间充足、功能强大、稳定性高、可操纵性强的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及水下航行器领域，尤其涉及一种新型大翼展混合驱动无人水下航行器。

背景技术

水下滑翔机是一种新型无人水下航行器，它由海洋动物低能耗、长航时的水动力原理和鸟类滑翔的气动力学原理结合而设计出以无动力滑翔为主的水下航行方式，达到了低耗能，续航时间长，结构简单的目的。

水下滑翔机近年来以一种依靠净浮力和水动力驱动的新型水下航行器被广泛应用于海洋探测、海洋环境调查、检测和数据采集领域。其功耗低、成本低和作业范围广备受青睐。

传统水下滑翔机的设计，一般采用比较常规的机翼布局，这使得无人机滑翔的效率难以提高。

目前的水下滑翔机一般依靠自身所带的电池块提供能源，然而因为壳体结构本身在设计上没有达到比较大的尺度和空间，供电池块布置的空间分配较小（一般仅0.01-0.02左右），这导致其可携带的电池能量十分有限，水下滑翔机的续航力和续航时间很难得到保障，并且水下滑翔机的自治性较差，不能完成区域范围的工作要求。因此，如何更高效的利用有限的电池，或者如何创造出更完美的壳体结构结构使电量得到提高，以此来优化滑翔机的续航力、提高滑翔效率成为人们的奋斗目标。

目前的无缆水下机器人AUV，是一种依靠推进器运动的水下自治机器人，依靠预先编好的程序完成任务，但是AUV单纯依靠电池作为能源，工作时间短，路程短，不能胜任长航程的观测任务。

发明人研究了近年来一些传统的水下滑翔机和AUV，由此提出了一种新型大翼展混合驱动无人水下航行器。在此设计下，推进器安装在滑翔翼两端，其最大的优点在于大大提高了水下航行器在水下滑翔时的稳定性，提供了推力，提高了航程和续航力，增加了水下滑翔机的工作范围，对于其提高海洋勘探和监测工作能力具有十分重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种新型大翼展混合驱动无人水下航行器，现有技术存在的不足，克服当前水下滑翔机自治性差、操纵性差，克服AUV工作时间短，航程短的缺点。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种新型大翼展混合驱动无人水下航行器，包括壳体结构、大翼展结构、天线、滑翔翼、推进器和尾翼；壳体结构包括首部导流罩、中部浮力系统舱、中部俯仰系统舱、尾部控制系统舱；大翼展结构设置在中部舱的两侧，天线、滑翔翼和推进器设置在控制系统舱的后侧，尾翼连接在控制系统舱壳上；其创新点在于：

壳体结构内设置有浮力调节系统、俯仰调节系统、控制系统、抛载装置、传感器和通讯天线；

所述壳体结构为双层体结构由耐压舱体构成，所述耐压舱为中空结构，所述导流罩位于壳体结构的前部，大翼展结构螺栓安装在壳体结构的两侧，尾翼固定安装在控制系统舱的上部；所述推进器悬挂在滑翔翼上且通过线路与俯仰调节系统相连，

所述浮力调节系统安装在耐压壳体的前部，所述俯仰调节系统位于耐压壳体的中部，且使用同一个电池包作为移动重物，可实现不同的滑翔攻角，配合浮力调节系统，实现水下航行器的上浮和下潜；电池包作为俯仰调节和橫倾调节的移动重物，并且为水下航行器所有需要电能系统供电；所述控制系统包括惯性导航、浮力系统控制线路板和俯仰调节线路板；所述俯仰调节线路板、传感器、抛载装置，通讯天线的通讯线路板设置在壳体结构的尾舱内；通讯天线安装在尾部端盖上；

所述大翼展结构整体外形轮廓是通过对类三角形鳐鱼胸鳍外形轮廓尺寸测量得出；在得出类三角鳐鱼外形尺寸后，根据尺寸参数的到胸鳍外轮廓曲线拟合分段函数，再通过相似原则，进行相应的尺寸放大，得出适合该水下航行器的外形尺寸。

进一步的，所述壳体结构的前段为圆柱状和曲线状的结合结构，尾段为圆台形，末端连接通讯天线；所述壳体结构的材料为铝合金，滑翔翼和尾翼为玻璃钢材料且表面涂有新型减阻材料；所述壳体整体结构为Myring线型，首部为椭圆形，尾部半包角为15°。

进一步的，所述导流罩前端为椭圆形剖面，有利于加工，在末端为平直面且上面开有螺纹孔，用于螺钉的连接于下一舱室。

进一步的，中部浮力系统舱为双层结构，该舱室为耐压结构可用于水下1000m，在舱室的前端和内壳体上开有螺纹孔；前端上的螺纹孔用于与导流罩相连，内部壳体螺纹孔用于水密端盖的连接，水密端盖上开有凹槽，用于密封圈的安装。

进一步的，中部俯仰系统舱为双层结构，在舱室的前端和尾端上开有螺纹孔，前端用于与浮力系统舱连接，尾端用于与控制系统舱室连接，内部壳体上开有螺纹孔用于水密端盖的连接，且舱室内为凸台形结构，可实现舱室与舱室之间的紧靠连接；在俯仰系统舱的两端安装有吊环，用于整个水下航行器的起吊与布放。

进一步的，尾部控制系统舱室为内部空心的圆台和一段平直的直线组成；在直线面出上开有螺纹孔用于与俯仰调节舱相连，内部壳体上螺纹孔用于与水密端盖相连；尾端的内部壳体处开有螺纹孔，用于端盖的连接；控制系统舱中段底部开口凹槽，用于抛载装置的安装。

进一步的，所有舱室之间都装有水密端盖，舱室与舱室之间电线通过水密接插件连接，各舱室之间相互独立，可实现模块化搭载。

进一步的，所述抛载模块位于耐压舱后部，抛载装置包括电磁铁、抛载块，用于水下航行器在紧急情况下的安全准备，通电后，抛载块会被抛离壳体结构，水下航行器会实现上浮，直到来到海面位置。

进一步的，壳体结构的舱上开有定位槽，用于抱箍定位安装，整个壳体结构的舱与舱之间用螺栓连接，且舱与舱之间的电线通过水密接插件连接；滑翔翼剖面采用NACA0012层流对称翼型；NACA0012翼型在满足结构强度的要求时，仍具有较好的水动力特征；该翼型特点在前缘较厚，在后缘较薄，可形成较好的水动力特性，在水下滑翔时可减少层流分离现象；并且该形式还可以减少翼型的总质量；该翼型内部有骨架结构，采用不同的翼型剖面骨架形成纵向分布，横向进行横骨架相连，构成翼型基本框架，再进行木线条的贴合，进一步使用玻璃布，原子灰进行打磨加强；最终形成翼型，成型以后表面涂有新型减阻材料，以减小水下航行器的阻力；该翼型为零浮力，内部为中空结构，在翼根部较厚处，内部留有空间，用于填充浮体材料；

翼型根部开有凹槽，凹槽内开有螺纹孔，用于抱箍的定位与安装；凹槽等间距开在翼型根部；凹槽所开深度，根据翼型的厚度进行调整；在最大翼宽中心线处和距翼缘0.25m处开有定位孔用于导管推进器的安装，该处经过水动力计算，可以产生较小的乱流，减少桨和翼型之间的相互干扰，并且，该位置的翼型厚度适中，在悬挂推进器时，可以保证较好的结构强度；推进器的直径为0.55m；推力大小可根据，航速大小进行调整；在翼型内部装有导管，用于推进器电源线的安装，另一端在本体上开有通孔接入水密接插件的电源。

进一步的，所述大展翼结构的整体外形类似三角形，长为1.4m，最大宽度位于0.9m处，最大宽度为0.8m，在该翼型尾端向前0.45m处，形成一个15°包角，可以更好的贴合于本体处；该结构外形可使水下航行器有较大的翼展，达到增加升阻比的效果，经试验验证，该水下航行器的升阻比为普通水下航行器的5倍，可增大水下航行器的稳定性，形成较好的水下滑翔能力和姿态。

本发明的优点在于：

1）该水下航行器可根据不同任务和工作要求实现三种运动模式的切换达到节约能源和完成任务要求。在需要前往目的地可采用滑翔模式，节约能源，在到达任务区域后，可使用推进模式提高工作效率，在需要加速上潜与下浮时可使用滑翔与推进混合模式；通过控制两翼端推进器的不同差速，可实现滑翔不同回转半径的空间螺旋运动，达到对特定区域的检测。通过对滑翔机机翼结构和整体布局的调整，可增加壳体结构内的使用空间，优化滑翔时的抗扰流性，提高无人航行器的稳定性，该水下航行器实现了滑翔机和AUV优点的结合，具有长航程、空间充足、功能强大、稳定性高、可操纵性强的优点。

2）本发明具有水下滑翔机的优点，在大部分时间里可以通过改变浮力的大小配合重心的位置改变实现水下滑翔运动，无需其他动力来源，航行功耗低，航程长，监测范围广。

3）本发明的大翼展结构可以显著的提高水下航行器的升阻比，经试验验证是常规水下滑翔机升阻比的3~5倍，可以显著提高该水下航行器的稳定性和快速性。

4）本发明水下航行器的滑翔翼外形仿生海底生物鳐鱼外形，滑翔翼剖面为NACA0012层流对称翼型剖面，经试验验证，在保证结构强度的同时拥有较好的水动力。

5）悬挂在滑翔翼两端的推进器可以为水下航行器提供推力，在特殊情况下，可以提高水下航行器的速度，通过控制本体内电池包横滚配合推进器的不同差速，可以完成不同半径的空间螺旋运动。实现区域范围内的准确搜索。

6）本发明，可以根据不同的工况进行三种运动模式的切换，在保证完成任务要求的同时，实现可操纵性强，能耗低的目标。本发明采用模块化设计，舱与舱之间通过水密接插件过线，可以搭载不同的任务传感器完成任务。本发明特殊的结构的形式，可实现区域内的螺旋运动，对特定区域进行全方位扫描，实现全方位的搜索，特殊的，可专用于海底油气管道的监测。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的一种新型大翼展混合驱动无人水下航行器的整体结构示意图。

图2为本发明的一种新型大翼展混合驱动无人水下航行器的大翼展结构图。

图3图4为本发明的一种新型大翼展混合驱动无人水下航行器的浮力调节系统图。

图5图6为本发明的一种新型大翼展混合驱动无人水下航行器的俯仰调节系统图。

图7为本发明的一种新型大翼展混合驱动无人水下航行器的控制系统图。

图8为本发明的一种新型大翼展混合驱动无人水下航行器的抛载装置图。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图1至图8所示的一种新型大翼展混合驱动无人水下航行器，包括壳体结构、大翼展结构、天线、滑翔翼、推进器和尾翼；壳体结构包括首部导流罩、中部浮力系统舱、中部俯仰系统舱、尾部控制系统舱；大翼展结构设置在中部舱的两侧，天线、滑翔翼和推进器设置在控制系统舱的后侧，尾翼连接在控制系统舱壳上。

壳体结构内设置有浮力调节系统、俯仰调节系统、控制系统、抛载装置、传感器和通讯天线。

壳体结构为双层体结构由耐压舱体构成，所述耐压舱为中空结构，所述导流罩位于壳体结构的前部，大翼展结构螺栓安装在壳体结构的两侧，尾翼固定安装在控制系统舱的上部；所述推进器悬挂在滑翔翼上且通过线路与俯仰调节系统相连。

浮力调节系统安装在耐压壳体的前部，所述俯仰调节系统位于耐压壳体的中部，且使用同一个电池包作为移动重物，可实现不同的滑翔攻角，配合浮力调节系统，实现水下航行器的上浮和下潜；电池包作为俯仰调节和橫倾调节的移动重物，并且为水下航行器所有需要电能系统供电；所述控制系统包括惯性导航、浮力系统控制线路板和俯仰调节线路板；所述俯仰调节线路板、传感器、抛载装置，通讯天线的通讯线路板设置在壳体结构的尾舱内；通讯天线安装在尾部端盖上。

大翼展结构整体外形轮廓是通过对类三角形鳐鱼胸鳍外形轮廓尺寸测量得出；在得出类三角鳐鱼外形尺寸后，根据尺寸参数的到胸鳍外轮廓曲线拟合分段函数，再通过相似原则，进行相应的尺寸放大，得出适合该水下航行器的外形尺寸。

壳体结构的前段为圆柱状和曲线状的结合结构，尾段为圆台形，末端连接通讯天线；所述壳体结构的材料为铝合金，滑翔翼和尾翼为玻璃钢材料且表面涂有新型减阻材料；所述壳体整体结构为Myring线型，首部为椭圆形，尾部半包角为15°。

导流罩前端为椭圆形剖面，有利于加工，在末端为平直面且上面开有螺纹孔，用于螺钉的连接于下一舱室。

中部浮力系统舱为双层结构，该舱室为耐压结构可用于水下1000m，在舱室的前端和内壳体上开有螺纹孔；前端上的螺纹孔用于与导流罩相连，内部壳体螺纹孔用于水密端盖的连接，水密端盖上开有凹槽，用于密封圈的安装。

中部俯仰系统舱为双层结构，在舱室的前端和尾端上开有螺纹孔，前端用于与浮力系统舱连接，尾端用于与控制系统舱室连接，内部壳体上开有螺纹孔用于水密端盖的连接，且舱室内为凸台形结构，可实现舱室与舱室之间的紧靠连接；在俯仰系统舱的两端安装有吊环，用于整个水下航行器的起吊与布放。

尾部控制系统舱室为内部空心的圆台和一段平直的直线组成；在直线面出上开有螺纹孔用于与俯仰调节舱相连，内部壳体上螺纹孔用于与水密端盖相连；尾端的内部壳体处开有螺纹孔，用于端盖的连接；控制系统舱中段底部开口凹槽，用于抛载装置的安装。

所有舱室之间都装有水密端盖，舱室与舱室之间电线通过水密接插件连接，各舱室之间相互独立，可实现模块化搭载。

抛载模块位于耐压舱后部，抛载装置包括电磁铁、抛载块，用于水下航行器在紧急情况下的安全准备，通电后，抛载块会被抛离壳体结构，水下航行器会实现上浮，直到来到海面位置。

壳体结构的舱上开有定位槽，用于抱箍定位安装，整个壳体结构的舱与舱之间用螺栓连接，且舱与舱之间的电线通过水密接插件连接；滑翔翼剖面采用NACA0012层流对称翼型；NACA0012翼型在满足结构强度的要求时，仍具有较好的水动力特征；该翼型特点在前缘较厚，在后缘较薄，可形成较好的水动力特性，在水下滑翔时可减少层流分离现象；并且该形式还可以减少翼型的总质量；该翼型内部有骨架结构，采用不同的翼型剖面骨架形成纵向分布，横向进行横骨架相连，构成翼型基本框架，再进行木线条的贴合，进一步使用玻璃布，原子灰进行打磨加强；最终形成翼型，成型以后表面涂有新型减阻材料，以减小水下航行器的阻力；该翼型为零浮力，内部为中空结构，在翼根部较厚处，内部留有空间，用于填充浮体材料。

翼型根部开有凹槽，凹槽内开有螺纹孔，用于抱箍的定位与安装；凹槽等间距开在翼型根部；凹槽所开深度，根据翼型的厚度进行调整；在最大翼宽中心线处和距翼缘0.25m处开有定位孔用于导管推进器的安装，该处经过水动力计算，可以产生较小的乱流，减少桨和翼型之间的相互干扰，并且，该位置的翼型厚度适中，在悬挂推进器时，可以保证较好的结构强度；推进器的直径为0.55m；推力大小可根据，航速大小进行调整；在翼型内部装有导管，用于推进器电源线的安装，另一端在本体上开有通孔接入水密接插件的电源。

大展翼结构的整体外形类似三角形，长为1.4m，最大宽度位于0.9m处，最大宽度为0.8m，在该翼型尾端向前0.45m处，形成一个15°包角，可以更好的贴合于本体处；该结构外形可使水下航行器有较大的翼展，达到增加升阻比的效果，经试验验证，该水下航行器的升阻比为普通水下航行器的5倍，可增大水下航行器的稳定性，形成较好的水下滑翔能力和姿态。

本发明水下滑翔机首部导流罩1通过螺栓与浮力调节舱2的首部密封盖端15连接，耐压壳体的浮力调节舱2分别与首部密封盖端15及俯仰调节舱3连接。

大翼展结构5两端有定位孔7用于安放螺栓，使翼形5与本体通过抱箍的方式与螺栓连接，大翼展结构5外侧悬挂有两部推进器6，通过两侧推进器6不同差速的控制，便利地实现了无人机的转向。

浮力系统舱2内的外油囊13用螺栓连接在双向阀14上，同样，双向阀以螺栓方式固定于端盖15上，而另一面有压力传感器37以螺母拧于盖端15上，传感器15连接着长长的油管16，油管另一头连通着由电机19带动的柱塞泵17，用以增加油管内的油压，两者都通过螺栓连接在固定挡板18上。内油箱23通过液压方式带动箱内活塞36运动释放油液。电机31螺栓连接在挡板21上，并带动从动齿轮34转动，从而带动齿轮20和联轴器29转动。丝杆30连接着螺栓在油盖上的菱形法兰32，二位两通电磁阀40、41带动丝杆30上的滑块27于焊接在端盖上的导轨26上运动，从而改变壳体结构的重心，影响着压力传感器37的示数，进一步改变油箱内的油量改变浮心位置。位移传感器39的接线端通过螺栓连接在盖端15上，另一端通过电线与压力传感器37相连。支撑杆33、42贯穿整个舱体结构，用于承受轴线方向上的应力，起支撑作用。

俯仰调节舱3内连接在支撑板44上的俯仰电机43带动丝杆46转动，丝杆46用螺母53、59固定在支撑板44、48上，另一方面，位于支撑块54上的横滚电机50则带动涡轮57蜗杆56的转动，从而带动滑杆52运动，导致电池块51的转动，改变壳体结构的俯仰角，实现主体的上升和下潜姿态。电池端盖60通过螺栓与法兰58和电池包51相连，而滑杆52则与螺栓于支撑板45、47上的法兰55相连接。各支撑板上存在顶销孔，用于连接舱体。

控制系统舱4安装有焊接在首尾两盖端61、62的上下两块平行的安装板64，每块板上用螺栓安装有两块控制面板63，面板上可以放置电控板，用于主体滑翔姿态和水深、速度等关键数据的控制。

抛载模块位于主体尾部，其包括了支座66、电磁铁67、抛载块65，其中抛载块安装在非密闭舱段，工作时，接通抛载电路，致使电磁铁吸合，此时抛载块受磁力影响降低，会在自身重力的作用下脱离主体，完成抛载动作，壳体结构上浮。这对于壳体结构的安全性和可回收性十分必要。

位于壳体结构尾部的卫星定位天线包括卫星通讯天线接收器和处理器，信号接收器固定于尾翼的上方；信号处理器固定安装于尾段；信号接收器和信号处理器两者通过内部电缆连接，以做到全封闭结构；天线形状制成流线长条形，进一步降低在水下所受的阻尼力。

本行业的技术人员应该了解，本发明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发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明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发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。