技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种水下航潜器，特别是涉及一种多自由度电磁操纵水下潜器，主要用于海洋物理化学探测。
背景技术
[0002] 随着对海洋资源、环境探索的深入，由于无人水下航潜器具有安全度高、操作便捷、适用范围广等优点，广泛的被应用在海底地质探测、海洋水文监测、海底
地貌测量、海洋资源勘探等方面，与此同时，无人水下航潜器由于其灵活快捷，机动性强的特点，在军事上也有着广泛的应用，例如潜艇监测、海洋排雷等。
[0003] 无人水下航潜器依据操纵方式可分为：遥控式、拖曳式和自主航行式。而其中拖曳式适用于大范围海域的勘探搜索，遥控式和自主航行式则更适合进行小范围海域的精确探测。
[0004] 由拖船、绞车、拖缆、拖曳式无人水下航潜器，亦称水下拖曳体、各种探测所需理化仪器和控制设备等组成的水下拖曳系统，是一种高效的探测平台，在进行大范围大规模搜索或探测时，水下拖曳系统得到了充分的利用。
[0005] 对于拖曳系统的操纵主要分为对拖体的控制和拖缆本身的控制，而对于拖曳式水下航潜器即水下拖曳体而言，实现
姿态调整和航向改变，有效方式主要有两种，一是拖缆，二是迫沉水翼。通过调整拖缆的收放从而改变拖曳体的升沉运动，而迫沉水翼则可依据其布置地位不同，实现改变航向和调整姿态的目的。
[0006] 目前已知的水下航潜器外形主要可分为三种：
框架式、鱼式、
流线体式。其中框架式由于其水动
力性能较差，限制性地应用在低速拖曳活动中，而鱼式和流线体式则由于其流线型的外形，保持了水流在其表面运动的均匀性和流场度，从而减小了阻力，辅以平衡装置，则具有优秀的水动力性能和运动稳性，从而被广泛应用于高速拖曳活动中。此外，由于在进行小范围的探测活动时，水下航潜器的航速较低，所以自主航行式或遥控式的水下航潜器可择优选取以上三种拖曳体中任何一种。
[0007] 由此看来，无人水下航潜器，作为海洋探测、军事应用、资源勘探活动中的重要工具，在实施过程中，保证其安全性，即拖缆与拖体的连接稳固性、
稳定性，即运动稳定性，包括拖曳稳定性和自航稳定性，成为了设计和制造水下航潜器的重点和要点。实用新型内容
[0008] 本实用新型目的在于提供一种步进
电机控制摆动反应快速，航行器的升沉运动和转艏运动的操纵效率高的一种多自由度电磁操纵水下潜器，适合于海洋物理化学特性探测。
[0009] 本实用新型目的通过下述技术方案实现：
[0010] 一种多自由度电磁操纵水下潜器，包括主腔体、可控制水平翼、可控制垂直翼、
导管螺旋桨、水翼控制机构和
重心调节装置；
[0011] 所述的主腔体为鱼雷型空腔结构，中部为圆柱形，两端为锥体结构；可控制水平翼和可控制垂直翼分别关于主腔体轴向对称设置，可控制水平翼和可控制垂直翼前后间隔位于主腔体中部两侧；主腔体尾部装有导管螺旋桨；
[0012] 所述的水翼控制机构和重心调节装置设置在主腔体中部内；水翼控制机构为两套，前后设置在主腔体内；两水翼控制机构的结构相同；每套水翼控制机构主要包括第一电磁
铁、第二电
磁铁、第三电磁铁、第一板材、第二板材、第三板材、U型
钢管、第一杆件、第二杆件、
弹簧；其中一套水翼控制机构两根第一杆件的一端分别与可控制水平翼轴向连接，另一端伸入主腔体内部，分别与两根第二杆件垂直连接；另一套水翼控制机构两根第一杆件的一端分别与可控制垂直翼轴向连接，另一端伸入主腔体内部，分别与两根第二杆件垂直连接；两根第二杆件的另一端分别与两个弹簧轴向
焊接，两弹簧伸入U型钢管的空心内；在U型钢管的端部分别焊接第一板材和第二板材，第一板材和第二板材为矩形
薄钢板；其中第一板材平行焊接在U型钢管外侧，第二板材垂直焊接在U型钢管内侧；第一电磁铁、第二电磁铁和第三电磁铁分别固定在主腔体内，其中第二电磁铁和第三电磁铁分别位于第一板材的上下两侧，第三电磁铁位于第二板材的内侧；第三板材为一
块带有凹槽的长条薄钢板，中间凹槽形状为半圆形，凹槽两边为直板材，凹槽与U型钢管端部活动连接，凹槽两边的直板材固定在主腔体内；
[0013] 所述的重心调节装置包括一个步进电机、
蜗杆、
齿轮和重块；步进电机通过
传动轴与传动齿轮连接，传动齿轮与两从动齿轮
啮合，两从动齿轮分别与两个蜗杆连接，重块通过
螺纹孔穿过蜗杆。
[0014] 为进一步实现本实用新型目的，优选地，在主腔体中体内设置了个舱室，分别是第一舱室、第二舱室、第三舱室、第四舱室；可控制垂直翼的水翼控制机构在第一舱室，可控制水平翼的水翼控制机构布置在第二舱室，重心调节装置布置在第三舱室和第四舱室。
[0015] 优选地，所述的第一舱室、第二舱室、第三舱室和第四舱室中一个或多个布置监测仪器和设备。
[0016] 优选地，在第一杆件端部径向钻多个
螺纹孔，第二杆件端部加工成螺纹，第一杆件与第二杆件直接螺纹螺孔连接。
[0017] 优选地，与主腔体连接处的两根第一杆件被油封管包裹，油封管两端设置有
密封圈。
[0018] 优选地，所述的第三板材凹槽两边的直板板材夹
角为140°-150°。
[0019] 优选地，所述的第一杆件和第二杆件为圆柱形，其中两根第一杆件的直径为8-10mm，两根第二杆件的直径为5-7mm。
[0020] 优选地，所述的可控制水平翼的尾部与主腔体中部末端的距离为500-550mm，可控制垂直翼的尾部与主腔体中部末端距离为150-160mm，可控制水平翼和可控制垂直翼各自两个水翼截面形状均采用NACA对称
翼型。
[0021] 优选地，每个NACA对称翼型两端均设置有边板。
[0022] 优选地，拖曳部件设置在主腔体中部，拖曳部件上设有拖缆孔，拖缆孔为5-8个。
[0023] 本实用新型与
现有技术相比，具有以下优点与有益效果：
[0024] (1)操纵效率高，机动性强。本实用新型采用电磁铁强大的吸力直接带动水翼角度摆动，改变水翼的
攻角，不需要通过
襟翼诱导角度或重心调节间接改变水翼等效攻角，相对于传动的步进电机控制摆动反应更加快速，从而加快了航行器的升沉运动和转艏运动的操纵效率，机动性更强。另外，重心调节装置通过移动重块，改变航行器的重心使航行器艏倾和艉倾配和可控制水平翼的摆动，产生更大的升沉力，满足更快的升沉运动的需要，更有机动性。
[0025] (2)简化试航过程。本航行器里面装有双蜗杆重心调节装置，可以在试航过程中直接通过重心调节装置调节重心以满足不同的航行和探测任务。然后根据不同的浮态随时调整重块的移动，不需要许多次的试拖航行来确定保持良好的拖航状态的压载布置
位置。在航行过程中也可以随时根据航行状态调整重心，使航行器保持在水平状态。
[0026] (3)结构轻便简单。本航行器除了鱼雷状主腔体和控制水翼外，外形上没有别的结构，制作简单，实施过程快捷。航行器的所有组成部分均采用流线型外形，控制机构在主腔体内，除了主要水翼之外没有多余的附加结构，保证了航行器表面的流场的均匀性，从而减小了水阻力，也就降低了拖缆所承受的拉力，降低了拖缆断裂或滑脱的
风险。同时翼型外形降低了水流的扰动，避免产生漩涡，使水流平稳流过航行器，对于保持航行器姿态稳定是有利的。
[0027] (4)控制方式简单。本航行器通过操纵电磁铁的通电和断电控制就可以实现航行器的多自由度运动，方便快捷，易于操纵，代替了以往控制电机转动的正向反向，不容易出错，且反应迅速。
[0028] (5)使用方式多样，适应性强。尾部的螺旋桨可以通过脐带缆提供
电能，提供推力以帮助水下航潜器实现自航，使得水下航潜器从拖曳式转为自主航行式，从而完成从大范围广泛探测到小范围精准探测的使用方式的转变。
[0029] (6)重心调节装置的优化。已有的重心调节装置采用一根蜗杆，只设置一根蜗杆，可能导致重块和蜗杆一起转动，就会产生空转影响重块的移动，进而影响整个航行器的重心调节。而优化后，由于两个蜗杆的约束，蜗杆转动的时候重块不会跟着蜗杆一起转动，保证步进电机每转一圈，重块都会跟着转动，移动一个
螺距的距离。
附图说明
[0030] 图1是一种多自由度电磁操纵水下潜器的外形结构立体示意图；
[0031] 图2是图1的正视图；
[0032] 图3是图1的左视图；
[0033] 图4是图1的俯视图；
[0034] 图5是一种多自由度电磁操纵水下潜器的水翼控制机构稳定时的示意图；
[0035] 图6是一种多自由度电磁操纵水下潜器的水翼控制机构摆动时示意图；
[0036] 图7是一种多自由度电磁操纵水下潜器的水翼控制机构纵向视角示意图；
[0037] 图8为一种多自由度电磁操纵水下潜器的杆件、弹簧、U型钢管、板材的拆解图；
[0038] 图9是一种多自由度电磁操纵水下潜器的重心调节装置示意图；
[0039] 图10是一种多自由度电磁操纵水下潜器的主腔体内部舱室机构布置示意图。
[0040] 图中示出：主腔体1、可控制水平翼2、可控制垂直翼3、拖曳部件4、边板5、导管螺旋桨6、第一电磁铁7、第二电磁铁8、第三电磁铁9、第一板材10、第二板材11、第三板材12、U型钢管13、第一杆件14、第二杆件15、弹簧16、步进电机17、蜗杆18、齿轮19、重块20、第一舱室21、第二舱室22、第三舱室23、第四舱室24。
具体实施方式
[0041] 为更好地理解本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
[0042] 如图1-4所示，一种多自由度电磁操纵水下潜器包括主腔体1、可控制水平翼2、可控制垂直翼3、拖曳部件4、边板5、导管螺旋桨6、水翼控制机构和重心调节装置。
[0043] 主腔体1为鱼雷型空腔结构，中部为圆柱形，两端为锥体结构；可控制水平翼2和可控制垂直翼3都是关于主腔体1轴向对称设置，可控制水平翼2和可控制垂直翼3前后间隔位于主腔体1中部两侧；主腔体1尾部装有导管螺旋桨6；螺旋桨6主要作用是在自航时提供推力，该设置为常规设置，一般包括水密电机，
推进器和传动装置，推进器采用导管螺旋桨，水密电机与螺旋桨采用轴向连接。
[0044] 水翼控制机构和重心调节装置设置在主腔体1中部内；水翼控制机构为两套，前后设置在主腔体内。图5、图6为水翼控制机构在静止和摆动时的状态示意图，图7为水翼控制机构纵向视角的示意图。可控制垂直翼3和可控制水平翼2分别由水翼控制机构控制，两水翼控制机构的结构相同。如图5-6所示，每套水翼控制机构主要包括第一电磁铁7、第二电磁铁8、第三电磁铁9、第一板材10、第二板材11、第三板材12、U型钢管13、第一杆件14、第二杆件15、弹簧16；其中一套水翼控制机构两根第一杆件14的一端分别与可控制水平翼2轴向连接，另一端伸入主腔体1内部，分别与两根第二杆件15垂直连接；另一套水翼控制机构两根第一杆件14的一端分别与可控制垂直翼3轴向连接，另一端伸入主腔体1内部，分别与两根第二杆件15垂直连接。为方便连接，在第一杆件14端部径向钻多个螺纹孔，第二杆件15端部加工成螺纹，第一杆件14与第二杆件15直接螺纹螺孔连接。与主腔体1连接处的两根第一杆件14被油封管包裹，油封管两端设置有密封圈，油封管和密封套可以防止水进入腔体内，并且由于油封管内部油的光滑作用可以保证第一杆件自由转动。两根第二杆件15的另一端分别与两个弹簧16轴向焊接，两弹簧16伸入U型钢管 13的空心内；在U型钢管13的端部分别焊接第一板材10和第二板材11，第一板材10和第二板材11为矩形薄钢板；其中第一板材10平行焊接在U型钢管外侧，第二板材11垂直焊接在U型钢管13内侧；第一电磁铁7、第二电磁铁8和第三电磁铁9分别固定在主腔体内，其中第二电磁铁8和第三电磁铁9分别位于第一板材10的上下两侧，第三电磁铁7位于第二板材11的内侧；第三板材12形状为一块带有凹槽的长条薄钢板，中间凹槽形状为半圆形，凹槽两边为直板材，第三板材凹槽两边的直板板材夹角优选为140°-150°，凹槽与 U型钢管13端部活动连接，凹槽两边的直板材固定在主腔体1内。
第一电磁铁7通电后，第二板材11与第一电磁铁7通过电磁力连接，带动U型钢管13向内移动，
压缩弹簧16，由于第三板材12的两侧直板材有140°-150°的夹角，引导钢管13进入第三板材12的凹槽，进而卡住U型钢管13，使U型钢管13固定不动；第一电磁铁7断电后，弹簧16的弹力推动U型钢管13向外移动，第三板材12凹槽脱离U型钢管13，U型钢管13可上下摆动，当第二电磁铁8通电，第一板材10与第二电磁铁8连接，当第三电磁铁9通电，第一板材 10与第三电磁铁9连接，分别带动可控制水平翼2上下摆动或带动可控制垂直翼3左右摆动。
[0045] 具体地，以可控制水平翼1的控制为例，第一电磁铁7通电产生电磁力吸引第一板材 10，带动U型钢管13向第一电磁铁7的方向移动，由于第三板材12的两侧直板材有140° -150°的夹角，U型钢管13滑向第三板材12的半圆形凹槽并卡住，使得U型钢管停止摆动，这样就将可控制水平翼1控制在水平角度；当需要将可控制水平翼1上下摆动时，断开第一电磁铁7的通电
开关，U型钢管13在弹簧15的弹力作用下弹出半圆形凹槽，然后第二电磁铁8或第三电磁铁9通电，在电磁力作用下，第二板材11
吸附在第二电磁铁8或者第三电磁铁9上，使得U型钢管13摆动，通过第一杆件14和第二杆件15带动可控制水平翼 1向上或者向下偏转。
同样地，当需要可控制垂直翼3左右摆动时，通过相同的方式控制第一电磁铁7、第二电磁铁
8、第三电磁铁9的开关来使可控制垂直翼摆动。
[0046] 重心调节装置位于主腔体中部内，如图9所示，重心调节装置包括一个步进电机17、蜗杆18、齿轮19和重块20；步进电机17通过传动轴与传动齿轮连接，传动齿轮与两从动齿轮19啮合，两从动齿轮19分别与两个蜗杆18连接，重块20通过螺纹孔穿过蜗杆18。当步进电机转17动时，带动从动齿轮19转动，通过从动齿轮19带动蜗杆18转动，蜗杆 18转动使重块20沿着蜗杆18水平移动，由于两个蜗杆18的约束，蜗杆转动的时候重块 20不会跟着蜗杆
18一起转动，保证步进电机17每转一圈，重块20都会跟着转动，移动一个螺距的距离。相对于以往的一根蜗杆来说，后者没有约束，容易使得蜗杆带动重物一起转动，产生空转。通过重心调节装置，在航行过程中随时根据航行状态调整重心，使航行器保持在水平状态。另外也可以通过调整重心使航行器产生艏倾或艉倾增加可控制水平翼的攻角，产生更大的升沉力，使升沉运动更快，更具有机动性。
[0047] 图10显示了主腔体内部的各机构和舱室布置图，在主腔体中体内设置了4个舱室，分别是第一舱室21、第二舱室22、第三舱室23、第四舱室24。可控制垂直翼的控制装置在第一舱室21，可控制水平翼的控制装置布置在第二舱室22，重心调节装置布置在第三舱室23和第四舱室24，第一舱室21、第二舱室22、第三舱室23、第四舱室24均可布置监测仪器和设备。螺旋桨推进器和水密电机布置在主腔体尾部。主腔体直径优选为 250-300mm，长度设置为1800-1900mm，每个舱室设置为400-450mm，可控制水平翼和可控制垂直翼优选为截面翼型弦长以及最大宽度由中部向两端逐渐减小，水翼的俯视形状为直角梯形。
[0048] 优选地，第一杆件14和第二杆件15形状为圆柱形，其中两根第一杆件14直径为 8-10mm，两根第二杆件15直径为5-7mm。可控制水平翼2的尾部与主腔体中部末端的距离为
500-550mm，可控制垂直翼3的尾部与主腔体中部末端距离为150-160mm，可控制水平翼2和可控制垂直翼3各自两个水翼截面形状均采用NACA对称翼型。每个NACA对称翼型两端均设置有边板5，以增加翼效，减少翼面自由涡的形成。可控制水平翼的截面翼型较大一端弦长设置为400-450mm，最大厚度为40-45mm，较小一端弦长设置为120-150mm，最大厚度为12-
15mm，水平翼的宽度为450-500mm，边板设置为2-3mm。可控制垂直翼的截面翼型较大一端弦长设置为200-240mm，最大厚度为20-24mm，较小一端弦长设置为 80-90mm，最大厚度为8-
9mm，垂直翼的宽度为220-250mm，边板设置为2-3mm。四个水翼距主腔体距离设置为10-
15mm。
[0049] 拖曳部件4设置在主腔体中部，拖曳部件4上设有拖缆孔，拖缆孔优选地设置5-8个，以适应不同装载状态。
[0050] 在自航时，在一些小区域探测时，需要母船在一定区域停止时、需在某区域进行仔细探测时，拖缆不再提供拖曳力，传统的航行器无法自主航行，本一种多自由度电磁操纵水下潜器通过脐带缆提供动力，通过尾部的螺旋桨提供推力，然后跟拖曳时一样，通过电磁铁的吸放来控制可控制水平翼2和可控制垂直翼3的摆动来实现航行器多自由度航行，从而完成从大范围广泛探测到小范围精准探测的使用方式的转变。
[0051] 本实用新型一种多自由度电磁操纵水下潜器在工作过程中：
[0052] 拖曳时，先根据不同探测任务，在主腔体1内部布置相应类型的海洋探测器、
传感器等设备，在拖曳部件4上选择某拖缆孔，将拖缆系于该拖缆孔处，进行拖曳。根据拖曳情况，不断通过控制步进电机17调整重心以使航行器保持良好稳定的拖航姿态。
[0053] 保证良好稳定的拖航姿态之后，通过可控制水平翼2的控制机构改变可控制水平翼2 的攻角来实现航行器的下沉和上升，以此来实现深度的控制。通过可控制垂直翼3的控制机构改变可控制垂直翼3的攻角来实现航行器转艏的控制。航行器所有结构均采用流线型外形，外部没有多余的构件，从而减小了水阻力，也就降低了拖缆所承受的拉力。同时翼型外形降低了水流的扰动，避免产生漩涡，使水流平稳流过航行器，对于保持航行器姿态稳定是有利的。每个水翼的两端分别设置有边板5，增加有效展弦比，提高水翼的升力效果。本航行器在保证姿态稳定的前提下，以较少的控
制动作，实现对航行器进行大范围、多自由度的操纵。
[0054] 自航时，自航两用单回转式航行器通过脐带缆提供电能，通过尾部的导管螺旋桨6提供推力，使得水下航潜器从拖曳式转为自主航行式，从而完成从大范围广泛探测到小范围精准探测的使用方式的转变。当需要左右转艏时，则利用尾部推进器推动前进，通过可控制垂直翼3的控制装置改变可控制垂直翼3的攻角，改变可控制垂直翼3两边表面的压力差，产生转艏力，从而来实现航行器转艏的控制；若进行升沉运动时，则利用尾部推进器推动前进，产生来流速度，同时利用可控制水平翼2的控制装置改变可控制水平翼2的攻角，改变可控制水平翼2上下表面的压力差，从而产生上升力或迫沉力，从而实现对水下航潜器的升沉运动的控制。
[0055] 如上所述，可以很好的实现本实用新型一种多自由度电磁操纵水下潜器的功能。本实用新型不受上述实施方式约束，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的替代方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
