一种高机动水下滑翔机 |
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| 申请号 | CN201610421688.X | 申请日 | 2016-06-13 | 公开(公告)号 | CN106043634A | 公开(公告)日 | 2016-10-26 |
| 申请人 | 西北工业大学; | 发明人 | 黄闯; 党建军; 李代金; 郭庆; 许海雨; 师亚祯; | ||||
| 摘要 | 一种高机动 水 下滑翔机。它包括 重心 调节机构、重 力 调节机构、高机动 推进器 、滑翔翼板、平衡 尾翼 、卫星通讯系统、下位机控制系统以及若干 传感器 等组成，利用滑翔机两侧的高机动推进器，弥补了前滑翔机机 动能 力弱、运动模式单一的缺点。滑翔机的重心调节与重力调节相配合实现常规滑翔运动，高速推进系统与控制系统相配合实现高机动运动，滑翔机在上浮至海面以后通过远程通讯系统可与控制中心通讯，滑翔机一般情况下滑翔机工作在低功耗滑翔巡航模式，在必要时可以启动高速高机动模式。提供了一种新型水下滑翔机的设计思路，对于扩展滑翔机的应用领域、提高其生存能力、改善其综合性能有显著作用。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高机动水下滑翔机，包括滑翔机总体布局、重力调节机构、重心调节机构、高机动推进系统、控制系统和远程通讯系统在内的水下滑翔机核心子系统，其特征是：所述滑翔机中的重心调节与重力调节相配合实现常规滑翔运动，高速推进系统与控制系统相配合实现高机动运动，滑翔机在上浮至海面以后通过远程通讯系统可与控制中心通讯，滑翔机主要工作在低功耗滑翔巡航模式，必要时可以启动高速高机动模式。 |
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| 说明书全文 | 一种高机动水下滑翔机技术领域[0001] 本发明涉及新型海洋航行器总体设计领域，具体为一种高机动水下滑翔机。 背景技术[0002] 进入21世纪以来，人类对海洋的认知和开发逐渐成为社会热点。随着科社会的发展，对海洋的监测和海底资源的开发成为国家军事经济领域不可或缺的内容。远航程、低功耗的水下滑翔机受到世界各国的关注。水下滑翔机是一种新型的海洋航行器，通过调整姿态和净浮力以滑翔的形式实现低能耗运动，具有效率高、续航能力强、隐蔽性好等特点。此外，由于运动速度慢且无高速运转部件，水下滑翔机滑翔的隐蔽性能特别好，使得其在军事上有很大的应用潜力。然而，由于单纯使用浮力驱动方式，水下滑翔机在水下只能做锯齿形和螺旋回转轨迹航行，定位精度低、航速慢、机动能力弱，风浪较大时在近海面还会随波逐流。 [0003] 发明专利CN103661895A公开了“一种喷水推进型深海滑翔机”，通过配置喷水推进器在必要时为滑翔机提供临时高速运动，然而喷水推进器在低速工况效率较低，且不能提供反向推力，滑翔机欠缺紧急倒车或强机动的能力。发明专利CN104590496A公开了“一种远距离无能耗自主航行的波浪滑翔机”，是系缆式滑翔机，太阳能板始终悬浮与海面用于能量收集和转化，产生的电能存储于蓄电池用于调整翼板和舵片姿态以实现滑翔过程和弱机动过程。该发明实现了真正意义上的无限续航，然而滑翔机的隐蔽性极差、易受风浪影响，且不具备临时高速或机动能力。发明专利CN103287558A公开了一种“鲽型水下滑翔机”，通过四个对称分布的内置水袋调节净浮力和重心，实现稳水下滑行和弱机动，该发明效率高、噪声低、隐蔽性好，然而依靠流体动力实现机动，在低速滑翔状态存在机动能力不足或转弯半径过大的问题。综上所述，现有公开的滑翔机普遍忽视了对于应急推力和强机动能力的配置，使得滑翔机仅仅作为一种低速的海洋运载体而存在。因此，如何结合滑翔机微功耗、远航程、低噪声的特点，在必要时刻赋予其高航速、强机动能力，以扩展其应用领域并且提高其生存能力，成为当前研发新型航洋航行器所关注的问题。 发明内容[0004] 为了避免现有技术存在的不足，克服当前滑翔机机动能力弱、运动模式单一的缺点，本发明提出了一种高机动水下滑翔机，通过重心调节机构和重力调节机构的相配合实现常规滑翔运动，通过对两翼的正反螺旋桨调速实现滑翔机的高速和高机动运动。高机动滑翔机同时具备低功耗、远航程、低噪声的滑翔巡航模式和高速、高机动的攻击或规避模式，不仅扩展了水下滑翔机的应用领域，还提高了其生存能力和综合效能，成本较低且效果显著。 [0005] 本发明解决技术问题所采用的技术方案是：包括由滑翔机总体布局、重力调节机构、重心调节机构、高机动推进系统、控制系统和远程通讯系统组成的高机动水下滑翔机，其特点是，所述滑翔机中的重心调节与重力调节相配合实现常规滑翔运动，高速推进系统与控制系统相配合实现高机动运动，滑翔机在上浮至海面以后通过远程通讯系统可与控制中心通讯，一般情况下滑翔机工作在低功耗滑翔巡航模式，在必要时可以启动高速高机动模式； [0006] 所述滑翔机总体布局由头部球壳、第一端盖板、圆柱壳体、第一翼板、第二翼板、第一推进器、第二推进器、第二端板、尾部椭球壳、尾翼板、第一安装架、第二安装架、防水开关、充电接口等组成，头部球壳和尾部椭球壳分别固定于第一端盖板和第二端盖板主要起导流作用表面开有透水孔，第一端盖板、第二端盖板、圆柱壳体构成滑翔机的主舱段配合处采用O型圈进行径向密封，第一安装架和第二安装架将配第一配重块、第二配重块、第一配重棒、第二配重棒、重心调节结构、重力调节机构、控制系统等滑翔机核心部件连接在一起，防水开关用于接通控制系统的电路，充电接口用于为滑翔机充电续能； [0007] 所述重力调节机构由隔膜泵、电磁换向阀、电磁开关阀、第一储水舱、第二储水舱、继电器组、软管等部件组成，调整重力之前首先将电磁换向阀切换至进出或排水工位，然后打开电磁开关阀以便实现储水舱内外压力平衡，最后通过控制继电器组开启隔膜泵通过调节储水舱水量调整滑翔机的自身重力实现滑翔机的上浮或下潜，储水舱的进水口开在后部偏下，排气口开在后部偏上，以确保滑翔机以抬头姿态排水上浮和低头姿态进水下潜过程中水和气都能够顺利进入或排出储水舱； [0008] 所述重心调节机构由步进电机、步进电机驱动器、联轴器、滚珠丝杠、调节块、轴承组成，第一安装架和第二安装架之间的距离和定位关系由储水舱确定，步进电机固定于第二安装架，轴承安装在第一安装架，滚珠丝杠的丝杆一端通过联轴器与步进电机轴相连另一端安放在轴承孔，滚珠丝杠的螺母与调节块相连，通过降低重心限制调节块的转动； [0009] 所述高机动推进系统由第一推进器、第二推进器、直流电机驱动器和线路组成，第一推进器和第二推进器分别由直流电机、密封电机舱、螺旋桨轴系、正或反向螺旋桨组成，直流电机驱动器控制推进器的正反转或停车，通过协调第一推进器和第二推进器的转向和转速，滑翔机可实现迅速前进、倒车、任意回转半径机动等运动模式； [0010] 所述控制系统由下位机、双轴机械式倾角传感器、三轴加速度计、水压计、数据存储卡组成，下位机执行预设程序并结合控制终端发送的指令和传感器反馈数据控制滑翔机的运动，下位机定期通过远程通讯系统接受控制终端的指令并向控制终端发送滑翔机的运行信息，下位机通过串口控制步进电机驱动器、电磁换向阀、继电器组、电磁开关阀、直流电机驱动器实现滑翔机的所有运动模式，三轴加速度计反馈滑翔机的加速度和角加速度，通过积分运算可以得到滑翔机的实时位置信息、姿态信息和运动参数，机械式双轴倾角传感器可以更精确反馈滑翔机的俯仰和滚转信息，水压计直接反馈滑翔机的深度信息，采用机械式双轴倾角传感器和水压计对于三轴加速度计反馈部分关键信息进行直接测量，既可以提高航行控制的精度又可以对三轴加速计反馈的难以直接测试的信息进行修正，下位机将滑翔机的各类传感器反馈数据存储于数据存储卡； [0011] 所述远程通信系统主要由卫星通信设备、GPS定位设备组成，滑翔机上浮至海面时下位机可以通过卫星通信设备向上位机发送数据并接受控制指令，GPS定位设备用于定位和导航，既可以校准滑翔机航行方向又可以方便滑翔机的回收。 [0012] 有益效果 [0013] 本发明提出了一种高机动水下滑翔机，包括滑翔机总体布局、重力调节机构、重心调节机构、高机动推进系统、控制系统和远程通讯系统，正常情况滑翔机工作在低功耗、低噪声的巡航运动模式，紧急情况通过系统协调高机动推进系统和重心调节系统滑翔机可以高速运动或任意回转半径机动；通过三轴加速度计、水压计、双轴机械式倾角传感器和GPS对滑翔机部分关键的位置信息、姿态信息和运动参数采用不同测试方法重复测试，结果相互校验有助于提高滑翔机的导航精度。 [0014] 由于在传统水下滑翔机的运动模式下增加了高速和高机动运动模式，可以有效拓展其应用领域，提高其生存能力。本发明在海洋探测领域可以有效规避障碍、暗流；在军事领域不仅具备长期蛰伏的特性，而且关键时刻可以精确攻击或者迅速逃逸。 [0016] 图1：高机动滑翔机总体布局主视图； [0017] 图2：高机动滑翔机布局轴向视图； [0018] 图3：高机动滑翔机总体布局侧视图； [0019] 图4：重力调节机构； [0020] 图5：推进器结构图 [0021] 图6：头部球壳为尾部椭球壳结构图 [0023] 图中：1.头部球壳 2.第一端板 3.圆柱壳体 4.第一翼板 5.第一推进器 6.第二端板 7.防水开关 8.尾部椭球壳 9.尾翼板 10.充电接口 11.第二推进器 12.第二翼板 13.第一储水舱 14.第一配重棒 15.隔膜泵 16.第二储水舱 17.第二配重棒 18.重心调节块 19.蓄电池 20.第一安装板 21.卫星通讯设备 22.下位机系统23.GPS定位模块 24.继电器组 25.直流电机推进器 26.第一联轴器 27.第二安装板 28.步进电机 29.三轴加速度计 30.水压计 31.步进电机推动器 32.双轴机械式倾角传感器 34.滚珠丝杠 33.第二配重块 35.安装平台 36.第一配重块 37.深沟球轴承 38.进/排气管 39.进/排水管 40.电磁开关阀 41.电磁换向阀 42.电机舱43.直流电机 44.第二联轴器 45.螺旋桨轴 46.O型圈 47.电机舱盖 48.轴套 49.螺旋桨 50.工艺孔 51.透水孔 52.安装孔 53.上位机 54.第一电源模块 55.第二电源模块 具体实施方式[0024] 本实施例是一种高机动水下滑翔机。 [0025] 参阅图1～图7，本实施例一种高机动水下滑翔机由头部球壳1、第一端板2、圆柱壳体3、第一翼板4、第一推进器5、第二端板6、防水开关7、尾部椭球壳8、尾翼板9、充电接口10、第二推进器11、第二翼板12、第一储水舱13、第一配重棒14、隔膜泵15、第二储水舱16、第二配重棒17、重心调节块18、蓄电池19、第一安装板20、卫星通讯设备21、下位机系统22、GPS定位模块23、继电器组24、直流电机驱动器25、第一联轴器26、第二安装板27、步进电机28、三轴加速度计29、水压计30、步进电机驱动器31、双轴机械式倾角传感器32、第二配重块33、滚珠丝杠34、安装平台35、第一配重块36、深沟球轴承37、进/排气管38、进/排水管39、电磁开关阀40、电磁换向阀41组成；第一端板2与圆柱壳体3、第二端板6与圆柱壳体3等需要密封的配合处安装O型圈，三者形成的封闭空间作为滑翔机的主舱室；头部球壳1和尾部椭球壳8均开有安装孔52、工艺孔50和透水孔51，仅作为附属件通过安装孔52分别固定在第一端板2和第二端板6上保持滑翔机的流体动力外形，并不提供排水量；工艺孔50与安装孔52的位置一一对应，方便使用螺丝刀拆卸固定螺钉。 [0026] 参阅图1，第一翼板4、第二翼板12通过沉头螺栓固定在圆柱壳体3上，形成滑翔机主体；尾翼板9与尾部椭球壳8固连，通过螺钉固定于第二端板6；第一翼板4、第二翼板12和尾翼板9在滑翔机低头下潜和抬头上浮过程中提供向前滑翔的流体动力，尾翼9可增加滑翔机的静稳定性，不至于在大攻角或强海流时发生失稳；第一推进器5和第二推进器11分别安装在第一翼板4和第二翼板12的形心之外，在机动时可为滑翔机提供更大的力矩；第一推进器5和第二推进器11分别采用正桨和反桨，高速推进时二者转速相反，横滚力矩互相抵消。 [0027] 参阅图2和图3，第一储水舱13、第一配重棒14、第二储水舱16、第二配重棒17均位于第一安装板20和第二安装板27中间，并且通过螺钉固定在一起。第一配重块36和第二配重块33采用线切割加工而成，弧面与圆柱壳体3配合良好。第一配重块36与第一安装板20用螺钉固连，其上方平台用于安放蓄电池；第二配重块33与第二安装板27通过螺钉固定，其上方平台用于固定三轴加速度计29、步进电机驱动器31、双轴机械式倾角传感器32。安装平台35固定在第一储水舱13和第二储水舱16之上，用于安装下位机系统22、继电器组24、直流电机驱动器25、隔膜泵15。步进电机28通过螺钉固定于第二安装板27，第一安装板20在于步进电机28对应的位置安装深沟球轴承37，滚珠丝杠34一端通过联轴器26与步进电机28的轴相连，另一端由深沟球轴承37支撑。通过第一安装板20、第二安装板27和安装平台35将滑翔机的大部分核心部件集成在一起，降低了滑翔机装配和检修的难度。为了保证效果，卫星通讯系统21和GPS定位模块23固定于圆柱壳体3内的最高处；为了方便安装和水压测试，水压计 30安装于第二端板6，反馈尾部椭球壳8内的水压，考虑滑翔机航速较低，且有尾部椭球壳8的导流左右，测试结果基本能够反映航行深度。 [0028] 参阅图4，进/排气管路38通向圆柱壳体内部的较高处，进/排水管路39与外部海水连通；滑翔机需要下潜时，首先调整为低头姿态，然后将电磁换向阀41切换至进水工位并开启电磁开关阀40和隔膜泵15往储水舱中注水；滑翔机需要上浮时，首先调整为抬头姿态，然后将电磁换向阀41切换至排水工位并开启电磁开关阀40和隔膜泵15往外排水。进/排水结束后，关闭电磁换向阀40和隔膜泵15，由于隔膜泵15有自封闭性，进/排水管路29不需要配置开关阀。 [0029] 参阅图5，第一推进器5和第二推进器11结构相同均由电机舱42、直流电机43、第二联轴器44、螺旋桨轴45、O型圈46、电机舱盖47、轴套48、螺旋桨49构成。电机舱42通过螺钉固定于翼板4、12之下，电机舱盖47与电机舱42形成密闭空间，配合处安装O型圈46；电机舱盖47一端设计直流电机42安装法兰，电机舱盖47另一端开孔与轴套48过渡配合，配合处涂密封胶；轴套48内置轴承，支撑螺旋桨轴45，轴套48内灌注锂基脂既可以润滑又可以防水；固定于螺旋桨轴45一段通过第二联轴器44与直流电机43的轴相连，另一端与螺旋桨49固连。 [0030] 参阅图7，电流从蓄电池19出来首先经过防水开关7，经过第一电源模块54调压之后直接给下位机系统22、卫星通讯设备21、GPS定位设备23、双轴机械式倾角传感器32、三轴加速度计29、水压计30供电，经过第二电源模块55调压之后与继电器组相连；下位机系统22通过继电器组24控制隔膜泵15、直流电机驱动器25、步进电机驱动器31、电磁开关阀40、电磁换向阀41的电路；通过卫星通讯设备21下位机系统22和上位机55之间完成指令和数据传输，下位机系统根据GPS定位设备23、双轴机械式倾角传感器32、三轴加速度计29、水压计30的反馈信息计算自身的航行数据，并据此向继电器组24、直流电机驱动器25、步进电机驱动器31、电磁开关阀40、电磁换向阀41发出控制信号；直流电机驱动器25根据控制信号对两个直流电机43进行无级调速控制，实现滑翔机的高机动航行。 |
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