基于流体的具有垂直推进装置的潜

申请号 CN201710443688.4 申请日 2017-06-13 公开(公告)号 CN107284631A 公开(公告)日 2017-10-24
申请人 上海交通大学; 发明人 袁庆晴; 王涛; 赵敏; 葛彤;
摘要 一种基于 流体 升 力 的具有垂直推进装置的潜 水 器,包括:潜水器 机身 、设置于潜水器机身外部的机翼、垂向推进装置、 尾翼 部分、垂直尾翼、水平推进装置、 舵 机部分以及设置于潜水器机身内部的控制系统,一对机翼对称设置于潜水器机身的两侧,机翼的水动力作用点位于机翼弦长的1/4 位置 ,控制系统分别与机翼、垂向推进装置、尾翼部分、垂直尾翼、水平推进装置相连并分别输出控制指令;本 发明 通过对机翼的形状和结构进行重新设计,使得整个潜器的运动控制更加灵活,不但可以实现高速、机动的航行,而且实现排水量小于 质量 潜水器的布放回收。
权利要求

1.一种基于流体的具有垂直推进装置的潜器,其特征在于,包括:潜水器机身、设置于潜水器机身外部的机翼、垂向推进装置、尾翼部分、垂直尾翼、水平推进装置、机部分以及设置于潜水器机身内部的控制系统,其中:一对机翼对称设置于潜水器机身的两侧,机翼的水动力作用点位于机翼弦长的1/4位置,尾翼部分和舵机部分分别设置于潜水器机身的尾部,水平推进装置设置于潜水器机身的尾尖端,控制系统分别与机翼、垂向推进装置、尾翼部分、垂直尾翼、水平推进装置相连并分别输出控制指令;
所述的潜水器的水中浮力与潜水器航行过程中产生的流体升力之和等于潜水器的重量;
所述的机翼仅提供流体升力,不提供浮力,因此所述的潜水器的水中浮力与潜水器航行过程中产生的升力之和等于潜水器的重量;
所述的垂向推进装置的桨叶位于机翼截面的厚度方向内,且机翼水动力作用点潜水器整机重心的纵向位置;
所述的控制系统,包括:垂直推进模式控制模、流体升力模式控制模块以及转换模式控制模块,其中:垂直推进模式控制模块与垂直推进器相连并传输垂直推进器转速信息,流体升力模式控制模块与尾翼部分、垂直尾翼相连并传递尾翼度信息,转换模式控制模块分别与垂直推进器和尾翼部分、垂直尾翼都相连并传输转速和尾翼角度信息。
2.根据权利要求1所述的潜水器,其特征是,所述的潜水器机身内部进一步设有定位系统、传感系统以及信号收发系统,其中:定位系统与控制系统相连并传输潜水器的水中位置信息;传感系统与控制系统相连并传输潜水器的水中深度信息、离底高度信息、航信速度信息、姿态信息、角速度信息、加速度信息、障碍物信息等;信号收发系统与控制系统相连并传输水面给予的信号指令。
3.根据权利要求1所述的潜水器,其特征是,所述的潜水器机身包括:透水外壳和耐压舱,其中:耐压舱密封设置于外壳内部,稳定操纵机构位于耐压舱内,机翼、动力装置和起落装置分别与透水外壳固定连接。
4.根据权利要求3所述的潜水器,其特征是,所述的透水外壳包括:透水外壳头部、透水外壳中部与透水外壳尾部,其中:透水外壳中部的两端分别连接透水外壳头部和透水外壳尾部。
5.根据权利要求4所述的潜水器,其特征是,所述的透水外壳头部为半球体,该透水外壳尾部的末端收尖,具有低流体阻力外形。
6.根据权利要求1所述的潜水器,其特征是,所述的水平推进装置包括:电池电机和螺旋桨,其中:电池和电机固定设置于潜水器机身内部,电机的输出轴与螺旋桨防水连接,螺旋桨位于壳体外部,电池和电机分别与稳定操纵结构相连接以提供控制水下飞机运动所需要的能源及动力。
7.根据权利要求1所述的潜水器,其特征是,所述的尾翼部分包括:水平尾翼和垂直尾翼,其中:垂直尾翼和水平尾翼均固定设置于在潜水器机身的末端并分别与控制系统相连接;该水平尾翼包括:水平安定面和水平舵,其中:水平安定面固定设置于壳体的后部且对称分布于壳体中纵剖面两侧,水平舵位于水平安定面的后方且活动设置于壳体的后部并与水平安定面位于同一水平面上,该垂直尾翼包括:垂直安定面和垂直舵,其中:垂直安定面固定设置于壳体的后部且位于壳体的垂直对称面内,垂直舵位于垂直安定面后方且活动设置于壳体的后部并与垂直安定面位于同一垂直面上。
8.根据权利要求1所述的潜水器,其特征是,所述的舵机部分包括:具有低流体阻力的翼型剖面的垂直舵和水平舵,当水平舵转动时,产生垂直方向的力矩以调节水下飞机的纵倾,当垂直舵转动时,产生水平方向的力矩以调节水下飞机的艏向角。
9.一种根据上述任一权利要求所述潜水器的自动控制深度方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)垂直推进模式下,垂直推进模式控制模块获得水中深度信息,通过解耦的姿态控制算法,控制垂直推进器的转速来控制潜水器的深度;
2)流体升力模式下,流体升力模式控制模块获得速度和深度信息,通过解耦的姿态控制算法,控制尾部推进器转速和尾翼部分、垂直尾翼的偏转角来控制潜水器的深度;
3)转换模式下,转换模式控制模块获得潜水器的航行速度信息和水中深度信息,建立转换走廊,构造升力观测器,通过速度信息来观测升力,通过控制垂直推进器和尾翼部分、垂直尾翼,实现深度保持的模式转换,从垂直推进模式转换到流体升力模式。

说明书全文

基于流体的具有垂直推进装置的潜

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种水下机器人领域的技术,具体是一种排水量小于质量、基于流体升力且具有垂直推进装置的潜水器。

背景技术

[0002] 传统的无人潜水器设计只考虑中性浮力和轻于水两种浮性状态,没有考虑重于水的状态。而基于流体升力和垂向推进器装置的潜水器运行与水中,使得潜水器设计实现了重于水的状态,并且不须要安装庞大的浮力部件,其体积远小于轻于水型的潜水器,能够在速度、成本、机动性等方面体现其优势,可高速、高效地用于地形探测和目标搜索,未来可用于水下长途重载运输,拓展现有潜水器的使用范畴。

发明内容

[0003] 本发明针对现有技术存在的上述不足,提出一种基于流体升力的具有垂直推进装置的潜水器,通过对机翼的形状和结构进行重新设计,使得整个潜器的运动控制更加灵活,不但可以实现高速、机动的航行,而且实现排水量小于质量潜水器的布放回收。
[0004] 本发明是通过以下技术方案实现的:
[0005] 本发明包括:潜水器机身、设置于潜水器机身外部的机翼、垂向推进装置、尾翼部分、垂直尾翼、水平推进装置、机部分以及设置于潜水器机身内部的控制系统,其中:一对机翼对称设置于潜水器机身的两侧,机翼的水动力作用点位于机翼弦长的1/4位置,尾翼部分和舵机部分分别设置于潜水器机身的尾部,水平推进装置设置于潜水器机身的尾尖端,控制系统分别与机翼、垂向推进装置、尾翼部分、垂直尾翼、水平推进装置相连并分别输出控制指令。
[0006] 所述的设置于潜水器机身的垂直推进装置装置为至少一个,根据需求可以多个垂直推进装置。
[0007] 所述的潜水器的水中浮力与潜水器航行过程中产生的流体升力之和等于潜水器的重量。
[0008] 由于机翼是潜水器航行过程中产生升力的重要装置,该升力位置如果远离整机的中心,将会产生较大的力矩,使得潜水器在垂直面容易产生姿态变化,导致潜水器航行过程不能保持稳定巡航状态。因此,所述的机翼对称布置于潜水器机身的两侧,且全机水动力作用点位于潜水器整机重心的纵向位置靠后,即机翼弦长的1/4位置。
[0009] 所述的控制系统,包括:垂直推进模式控制模、流体升力模式控制模块以及转换模式控制模块,其中:垂直推进模式控制模块与垂直推进器相连并传输垂直推进器转速信息,流体升力模式控制模块与尾翼部分、垂直尾翼相连并传递尾翼度信息,转换模式控制模块分别与垂直推进器和尾翼部分、垂直尾翼都相连并传输转速和尾翼角度信息。
[0010] 所述的潜水器机身内部进一步设有定位系统、传感系统以及信号收发系统,其中:定位系统与控制系统相连并传输潜水器的水中位置信息;传感系统与控制系统相连并传输潜水器的水中深度信息、离底高度信息、航信速度信息、姿态信息、角速度信息、加速度信息、障碍物信息等;信号收发系统与控制系统相连并传输水面给予的信号指令。
[0011] 本发明涉及上述潜水器的自动控制深度方法,包括以下步骤:
[0012] 1)垂直推进模式下,垂直推进模式控制模块获得水中深度信息,通过解耦的姿态控制算法,控制垂直推进器的转速来控制潜水器的深度。
[0013] 2)流体升力模式下,流体升力模式控制模块获得速度和深度信息,通过解耦的姿态控制算法,控制尾部推进器转速和尾翼部分、垂直尾翼的偏转角来控制潜水器的深度。
[0014] 3)转换模式下,转换模式控制模块获得潜水器的航行速度信息和水中深度信息,建立转换走廊,构造升力观测器,通过速度信息来观测升力,通过控制垂直推进器和尾翼部分、垂直尾翼,实现深度保持的模式转换,从垂直推进模式转换到流体升力模式。技术效果
[0001] 与现有技术相比,本发明针对海上水下目标探测、应急搜救、环境监测、工程实施、资源探查等工程与应用技术的快速发展需求,突破现有潜水器的设计理念、技术限制及运用方式,具备环境感知、动态路径规划、智能自主控制等先进性能。本潜水器通过水下高速航行产生升力用于平衡水下重量,而当潜器需要布放回收时,没有足以产生升力的航行速度,此时配置的垂向推进装置可以用以平衡水下重量,使得潜器的布放回收成为可能。附图说明
[0002] 图1为本发明俯视图;
[0003] 图2为本发明侧剖视图;
[0004] 图中:垂向推进装置1、机翼2、水平尾翼3、水平推进装置4、舵机部分5、潜水器机身6、垂直尾翼7、壳体8。

具体实施方式

[0015] 如图1和图2所示,本实施例包括:潜水器机身6、设置于潜水器机身6上的一对机翼2、设置于潜水器机身6上的垂向推进装置1、尾翼部分以及舵机部分5、一对垂直尾翼3以及舵机部分5和水平推进装置4,其中:机翼2对称设置于潜水器机身6的两侧,全机水动力作用点位于潜水器整机重心的纵向位置靠后,尾翼部分和舵机部分5设置于潜水器机身6的尾部,水平推进装置4设置于潜水器机身6的尾尖端。
[0016] 所述的潜水器的水中浮力与潜水器航行过程中产生的流体升力之和等于潜水器的重量。由于机翼2是潜水器航行过程中产生升力的重要装置,该升力位置如果远离整机的中心,将会产生较大的力矩,使得潜水器在垂直面容易产生姿态变化,导致潜水器航行过程不能保持稳定巡航状态。因此,所述的机翼2对称布置于潜水器机身6的两侧,全机水动力作用点位于潜水器整机重心的纵向位置靠后。
[0005] 所述的潜水器机身6包括:透水外壳和耐压舱,其中:耐压舱密封设置于外壳内部,稳定操纵机构位于耐压舱内,机翼2、动力装置和起落装置分别与透水外壳固定连接。
[0006] 所述的透水外壳包括:透水外壳头部、透水外壳中部与透水外壳尾部,其中:透水外壳中部的两端分别连接透水外壳头部和透水外壳尾部。
[0007] 所述的透水外壳头部为半球体,所述的透水外壳中部为长径比在4~6之间的回转体,该透水外壳尾部的末端收尖,具有低流体阻力外形。
[0008] 所述的机翼2为低雷诺数翼型结构,在水中具有中性浮力,所述的机翼2仅提供流体升力,不提供浮力,以平衡水下飞机在水中的重力,另外机翼2也有一定的稳定操纵作用。
[0009] 所述的潜水器机身6内部设有控制系统、定位系统、传感系统以及信号收发系统,其中:控制系统与推进器和舵机部分5相连并传输运动控制信号,使得潜水器可以调节航行速度和姿态;定位系统与控制系统相连并传输潜水器的水中位置信息;传感系统与控制系统相连并传输潜水器的水中深度信息、离底高度信息、航信速度信息、姿态信息、角速度信息、加速度信息、障碍物信息等;信号收发系统与控制系统相连并传输水面给予的信号指令。
[0010] 所述的水平推进装置4包括:电池电机和螺旋桨,其中:电池和电机固定设置于潜水器机身6内部,电机的输出轴与螺旋桨防水连接,螺旋桨位于壳体8外部,电池和电机分别与稳定操纵结构相连接以提供控制水下飞机运动所需要的能源及动力。
[0011] 所述的尾翼部分包括:水平尾翼3和垂直尾翼7,其中:垂直尾翼7和水平尾翼3均固定设置于在潜水器机身6的末端并分别与控制系统相连接。
[0012] 所述的水平尾翼3包括:水平安定面和水平舵,其中:水平安定面固定设置于壳体的后部且对称分布于壳体中纵剖面两侧,水平舵位于水平安定面的后方且活动设置于壳体的后部并与水平安定面位于同一水平面上。
[0013] 所述的垂直尾翼7包括:垂直安定面和垂直舵,其中:垂直安定面固定设置于壳体的后部且位于壳体的垂直对称面内,垂直舵位于垂直安定面后方且活动设置于壳体的后部并与垂直安定面位于同一垂直面上。
[0014] 所述的舵机部分5包括:具有低流体阻力的翼型剖面的垂直舵和水平舵,当水平舵转动时,产生垂直方向的力矩,可以调节水下飞机的纵倾,垂直舵转动时产生水平方向的力矩,调节水下飞机的艏向角。
[0015] 本发明通过以下方式进行工作:在设计航速下,机翼2产生的升力恰好与潜水器在水中重力平衡,潜水器悬浮在水中航行,由水平舵调节迎角从而调节航行深度;需要潜水器上浮时,加快螺旋桨转速,此时机翼2产生更大的升力,并调节水平尾舵的舵角,使潜水器产生正的迎角(抬头为正),潜水器在升力作用下,建立起前进和上升速度,在水中航行;需要隐蔽在水中或者降低航行深度时,关闭推进装置,潜水器在惯性下前进,此时机翼2产生升力减小,并调节水平尾舵的舵角,使潜水器产生负的迎角(抬头为正),潜水器在自身重力和升力作用下,建立起前进和下潜速度,安静地航行至期望深度,实现隐蔽的无动力下潜。航行过程中,调节垂直尾舵,在机翼2平面内产生偏航角,改变潜水器空间运动姿态,同时通过两个推进装置推力的配合,共同产生沿纵轴方向的推力,以及在机翼2平面内的偏航力矩。通过对机翼2平面内推力和偏航力矩以及空间姿态的联合控制,实现潜水器在机翼2平面上的空间机动。
[0016] 与现有技术相比,本发明通过调节垂向推进机构1从而使机翼2产生升力来配平其水中重量,本发明不依靠浮力而是通过潜水器航行中获取的流体升力平衡其在水中剩余重量。由于不须要安装庞大的浮力部件,可以节省大量空间和能量,极大地提高负载能力,其体积远小于轻于水型的潜水器,能够在速度、成本、噪音、机动性、隐蔽性等方面体现其优势。由于本潜水器通过水下高速航行产生升力用于平衡水下重量,而当潜器需要布放回收时,没有足以产生升力的航行速度,此时配置的垂向推进装置可以用以平衡水下重量,使得潜器的布放回收成为可能。
[0017] 上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整,本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限,在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
QQ群二维码
意见反馈