本發(fā)明涉及的是一種水下機器人領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種排水量小于質(zhì)量、基于流體升力且具有垂直推進(jìn)裝置的潛水器。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的無人潛水器設(shè)計只考慮中性浮力和輕于水兩種浮性狀態(tài)，沒有考慮重于水的狀態(tài)。而基于流體升力和垂向推進(jìn)器裝置的潛水器運行與水中，使得潛水器設(shè)計實現(xiàn)了重于水的狀態(tài)，并且不須要安裝龐大的浮力部件，其體積遠(yuǎn)小于輕于水型的潛水器，能夠在速度、成本、機動性等方面體現(xiàn)其優(yōu)勢，可高速、高效地用于地形探測和目標(biāo)搜索，未來可用于水下長途重載運輸，拓展現(xiàn)有潛水器的使用范疇。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種基于流體升力的具有垂直推進(jìn)裝置的潛水器，通過對機翼的形狀和結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計，使得整個潛器的運動控制更加靈活，不但可以實現(xiàn)高速、機動的航行，而且實現(xiàn)排水量小于質(zhì)量潛水器的布放回收。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明包括：潛水器機身、設(shè)置于潛水器機身外部的機翼、垂向推進(jìn)裝置、尾翼部分、垂直尾翼、水平推進(jìn)裝置、舵機部分以及設(shè)置于潛水器機身內(nèi)部的控制系統(tǒng)，其中：一對機翼對稱設(shè)置于潛水器機身的兩側(cè)，機翼的水動力作用點位于機翼弦長的1/4位置，尾翼部分和舵機部分分別設(shè)置于潛水器機身的尾部，水平推進(jìn)裝置設(shè)置于潛水器機身的尾尖端，控制系統(tǒng)分別與機翼、垂向推進(jìn)裝置、尾翼部分、垂直尾翼、水平推進(jìn)裝置相連并分別輸出控制指令。

所述的設(shè)置于潛水器機身的垂直推進(jìn)裝置裝置為至少一個，根據(jù)需求可以多個垂直推進(jìn)裝置。

所述的潛水器的水中浮力與潛水器航行過程中產(chǎn)生的流體升力之和等于潛水器的重量。

由于機翼是潛水器航行過程中產(chǎn)生升力的重要裝置，該升力位置如果遠(yuǎn)離整機的中心，將會產(chǎn)生較大的力矩，使得潛水器在垂直面容易產(chǎn)生姿態(tài)變化，導(dǎo)致潛水器航行過程不能保持穩(wěn)定巡航狀態(tài)。因此，所述的機翼對稱布置于潛水器機身的兩側(cè)，且全機水動力作用點位于潛水器整機重心的縱向位置靠后，即機翼弦長的1/4位置。

所述的控制系統(tǒng)，包括：垂直推進(jìn)模式控制模塊、流體升力模式控制模塊以及轉(zhuǎn)換模式控制模塊，其中：垂直推進(jìn)模式控制模塊與垂直推進(jìn)器相連并傳輸垂直推進(jìn)器轉(zhuǎn)速信息，流體升力模式控制模塊與尾翼部分、垂直尾翼相連并傳遞尾翼角度信息，轉(zhuǎn)換模式控制模塊分別與垂直推進(jìn)器和尾翼部分、垂直尾翼都相連并傳輸轉(zhuǎn)速和尾翼角度信息。

所述的潛水器機身內(nèi)部進(jìn)一步設(shè)有定位系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)以及信號收發(fā)系統(tǒng)，其中：定位系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相連并傳輸潛水器的水中位置信息；傳感系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相連并傳輸潛水器的水中深度信息、離底高度信息、航信速度信息、姿態(tài)信息、角速度信息、加速度信息、障礙物信息等；信號收發(fā)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相連并傳輸水面給予的信號指令。

本發(fā)明涉及上述潛水器的自動控制深度方法，包括以下步驟：

1)垂直推進(jìn)模式下，垂直推進(jìn)模式控制模塊獲得水中深度信息，通過解耦的姿態(tài)控制算法，控制垂直推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速來控制潛水器的深度。

2)流體升力模式下，流體升力模式控制模塊獲得速度和深度信息，通過解耦的姿態(tài)控制算法，控制尾部推進(jìn)器轉(zhuǎn)速和尾翼部分、垂直尾翼的偏轉(zhuǎn)角來控制潛水器的深度。

3)轉(zhuǎn)換模式下，轉(zhuǎn)換模式控制模塊獲得潛水器的航行速度信息和水中深度信息，建立轉(zhuǎn)換走廊，構(gòu)造升力觀測器，通過速度信息來觀測升力，通過控制垂直推進(jìn)器和尾翼部分、垂直尾翼，實現(xiàn)深度保持的模式轉(zhuǎn)換，從垂直推進(jìn)模式轉(zhuǎn)換到流體升力模式。

技術(shù)效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明針對海上水下目標(biāo)探測、應(yīng)急搜救、環(huán)境監(jiān)測、工程實施、資源探查等工程與應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展需求，突破現(xiàn)有潛水器的設(shè)計理念、技術(shù)限制及運用方式，具備環(huán)境感知、動態(tài)路徑規(guī)劃、智能自主控制等先進(jìn)性能。本潛水器通過水下高速航行產(chǎn)生升力用于平衡水下重量，而當(dāng)潛器需要布放回收時，沒有足以產(chǎn)生升力的航行速度，此時配置的垂向推進(jìn)裝置可以用以平衡水下重量，使得潛器的布放回收成為可能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明俯視圖；

圖2為本發(fā)明側(cè)剖視圖；

圖中：垂向推進(jìn)裝置1、機翼2、水平尾翼3、水平推進(jìn)裝置4、舵機部分5、潛水器機身6、垂直尾翼7、殼體8。

具體實施方式

實施例1

如圖1和圖2所示，本實施例包括：潛水器機身6、設(shè)置于潛水器機身6上的一對機翼2、設(shè)置于潛水器機身6上的垂向推進(jìn)裝置1、尾翼部分以及舵機部分5、一對垂直尾翼3以及舵機部分5和水平推進(jìn)裝置4，其中：機翼2對稱設(shè)置于潛水器機身6的兩側(cè)，全機水動力作用點位于潛水器整機重心的縱向位置靠后，尾翼部分和舵機部分5設(shè)置于潛水器機身6的尾部，水平推進(jìn)裝置4設(shè)置于潛水器機身6的尾尖端。

所述的潛水器的水中浮力與潛水器航行過程中產(chǎn)生的流體升力之和等于潛水器的重量。由于機翼2是潛水器航行過程中產(chǎn)生升力的重要裝置，該升力位置如果遠(yuǎn)離整機的中心，將會產(chǎn)生較大的力矩，使得潛水器在垂直面容易產(chǎn)生姿態(tài)變化，導(dǎo)致潛水器航行過程不能保持穩(wěn)定巡航狀態(tài)。因此，所述的機翼2對稱布置于潛水器機身6的兩側(cè)，全機水動力作用點位于潛水器整機重心的縱向位置靠后。

所述的潛水器機身6包括：透水外殼和耐壓艙，其中：耐壓艙密封設(shè)置于外殼內(nèi)部，穩(wěn)定操縱機構(gòu)位于耐壓艙內(nèi)，機翼2、動力裝置和起落裝置分別與透水外殼固定連接。

所述的透水外殼包括：透水外殼頭部、透水外殼中部與透水外殼尾部，其中：透水外殼中部的兩端分別連接透水外殼頭部和透水外殼尾部。

所述的透水外殼頭部為半球體，所述的透水外殼中部為長徑比在4～6之間的回轉(zhuǎn)體，該透水外殼尾部的末端收尖，具有低流體阻力外形。

所述的機翼2為低雷諾數(shù)翼型結(jié)構(gòu)，在水中具有中性浮力，所述的機翼2僅提供流體升力，不提供浮力，以平衡水下飛機在水中的重力，另外機翼2也有一定的穩(wěn)定操縱作用。

所述的潛水器機身6內(nèi)部設(shè)有控制系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)以及信號收發(fā)系統(tǒng)，其中：控制系統(tǒng)與推進(jìn)器和舵機部分5相連并傳輸運動控制信號，使得潛水器可以調(diào)節(jié)航行速度和姿態(tài)；定位系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相連并傳輸潛水器的水中位置信息；傳感系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相連并傳輸潛水器的水中深度信息、離底高度信息、航信速度信息、姿態(tài)信息、角速度信息、加速度信息、障礙物信息等；信號收發(fā)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相連并傳輸水面給予的信號指令。

所述的水平推進(jìn)裝置4包括：電池、電機和螺旋槳，其中：電池和電機固定設(shè)置于潛水器機身6內(nèi)部，電機的輸出軸與螺旋槳防水連接，螺旋槳位于殼體8外部，電池和電機分別與穩(wěn)定操縱結(jié)構(gòu)相連接以提供控制水下飛機運動所需要的能源及動力。

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均固定設(shè)置于在潛水器機身6的末端并分別與控制系統(tǒng)相連接。

所述的水平尾翼3包括：水平安定面和水平舵，其中：水平安定面固定設(shè)置于殼體的后部且對稱分布于殼體中縱剖面兩側(cè)，水平舵位于水平安定面的后方且活動設(shè)置于殼體的后部并與水平安定面位于同一水平面上。

所述的垂直尾翼7包括：垂直安定面和垂直舵，其中：垂直安定面固定設(shè)置于殼體的后部且位于殼體的垂直對稱面內(nèi)，垂直舵位于垂直安定面后方且活動設(shè)置于殼體的后部并與垂直安定面位于同一垂直面上。

所述的舵機部分5包括：具有低流體阻力的翼型剖面的垂直舵和水平舵，當(dāng)水平舵轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生垂直方向的力矩，可以調(diào)節(jié)水下飛機的縱傾，垂直舵轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生水平方向的力矩，調(diào)節(jié)水下飛機的艏向角。

本發(fā)明通過以下方式進(jìn)行工作：在設(shè)計航速下，機翼2產(chǎn)生的升力恰好與潛水器在水中重力平衡，潛水器懸浮在水中航行，由水平舵調(diào)節(jié)迎角從而調(diào)節(jié)航行深度；需要潛水器上浮時，加快螺旋槳轉(zhuǎn)速，此時機翼2產(chǎn)生更大的升力，并調(diào)節(jié)水平尾舵的舵角，使?jié)撍鳟a(chǎn)生正的迎角(抬頭為正)，潛水器在升力作用下，建立起前進(jìn)和上升速度，在水中航行；需要隱蔽在水中或者降低航行深度時，關(guān)閉推進(jìn)裝置，潛水器在慣性下前進(jìn)，此時機翼2產(chǎn)生升力減小，并調(diào)節(jié)水平尾舵的舵角，使?jié)撍鳟a(chǎn)生負(fù)的迎角(抬頭為正)，潛水器在自身重力和升力作用下，建立起前進(jìn)和下潛速度，安靜地航行至期望深度，實現(xiàn)隱蔽的無動力下潛。航行過程中，調(diào)節(jié)垂直尾舵，在機翼2平面內(nèi)產(chǎn)生偏航角，改變潛水器空間運動姿態(tài)，同時通過兩個推進(jìn)裝置推力的配合，共同產(chǎn)生沿縱軸方向的推力，以及在機翼2平面內(nèi)的偏航力矩。通過對機翼2平面內(nèi)推力和偏航力矩以及空間姿態(tài)的聯(lián)合控制，實現(xiàn)潛水器在機翼2平面上的空間機動。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過調(diào)節(jié)垂向推進(jìn)機構(gòu)1從而使機翼2產(chǎn)生升力來配平其水中重量，本發(fā)明不依靠浮力而是通過潛水器航行中獲取的流體升力平衡其在水中剩余重量。由于不須要安裝龐大的浮力部件，可以節(jié)省大量空間和能量，極大地提高負(fù)載能力，其體積遠(yuǎn)小于輕于水型的潛水器，能夠在速度、成本、噪音、機動性、隱蔽性等方面體現(xiàn)其優(yōu)勢。由于本潛水器通過水下高速航行產(chǎn)生升力用于平衡水下重量，而當(dāng)潛器需要布放回收時，沒有足以產(chǎn)生升力的航行速度，此時配置的垂向推進(jìn)裝置可以用以平衡水下重量，使得潛器的布放回收成為可能。

上述具體實施可由本領(lǐng)域技術(shù)人員在不背離本發(fā)明原理和宗旨的前提下以不同的方式對其進(jìn)行局部調(diào)整，本發(fā)明的保護范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)且不由上述具體實施所限，在其范圍內(nèi)的各個實現(xiàn)方案均受本發(fā)明之約束。