碟形水下滑翔机器人的制作方法

本发明涉及一种水下探测机器人，具体涉及一种具备多种推进方式的碟形水下滑翔机器人。属于水下探测机器人技术领域。

背景技术：

水下机器人是水动力学科，机械学科，控制学科以及信息学科相结合的综合性尖端科学产物。在军用方面，可用作水下作战平台，进行信息对抗，战区防护，水下突防，扫雷，以及侦查探测等。在民用方面，是人类用来探索和开发海洋资源的有效工具，随着当今世界上的资源越来越匮乏，加大海洋资源的开发是缓解资源困境的必经之路，所以性能优良的水下探测机器人的开发已然成为各国大力争相发展的对象。

当今世界上主流的两种水下探测机器人分别是框架式和类鱼雷的流线式，其中框架式机器人自动化程度较低，航行阻力较大，航速较低，作业范围较小，且为开放式外壳，具有较多外挂设备容易发生缠绕。而另一种类鱼雷的流线式机器人虽然阻力较小，航速较高，但其回转半径较大，不够灵活很难在复杂的水下暗流干扰下进行精准的定位和作业。此外以上两种水下机器人还具有造价昂贵，耗能较高且续航能力较低等缺点。无论是军用还是民用的水下探测机器人都应具有阻力较小，灵活性好，能耗较低，续航能力强，结构简单，造价低廉等特点。

技术实现要素：

本发明是为解决两种水下探测机器人水动力性能差，能耗较高，续航能力较差的问题，进而提供一种既可以滑行又可以自主航行的碟形水下滑翔机器人。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种碟形水下滑翔机器人包括主壳体，主壳体外形为水滴形，主壳体主要由密封对接的上半舱室和下半舱室组成；主壳体纵剖面采用NACA翼型；

上半舱室内布置有用于控制机器人升沉的升沉调节机构；

下半舱室内布置有用于控制机器人航行的电磁推进系统、给电磁推进系统提供动力源的交流模块、用于控制机器人位置的姿态调节机构以及用于控制滑机尾倾的重心调节机构；

上半舱室内还设置有用于分别控制姿态调节机构、重心调节机构和升沉调节机构的主控模块；下半舱室内还布置有给交流模块和主控模块输电的电池组。

进一步地，电磁推进系统包括感应磁化轴、直通管道、轴支架、电磁线圈和螺旋桨；

进一步地，直通管道沿主壳体的中轴线布置在下半舱室上，直通管道的两端分别连接进水口和矢量喷口，直通管道内安装有能转动的感应磁化轴，感应磁化轴的两端分别连接轴支架和螺旋浆，螺旋浆与矢量喷口之间的直通管道内安装有螺旋桨式定子，电磁线圈绕制在直通管道的外侧，交流模块给电磁线圈提供电源。

进一步地，姿态调节机构包括环形滑道、两个配重块和两个盘式电机；两个配重块滑动设置在环形滑道上，每个配重块通过轴杆与盘式电机的输出轴连接，主控模块控制盘式电机的启停及转速。

进一步地，重心调节机构包括下步进电机、下丝杠和平衡滑块；重心调节机构布置在靠近喷出口处的下半舱室内，下步进电机的输出端连接下丝杠，平衡滑块螺纹旋拧在下丝杠上。

进一步地，升沉调节机构包括上步进电机、上丝杠、缸筒、活塞、气囊和气缸气囊连接管；上步进电机的输出端连接上丝杠且二者轴线与主壳体的中轴线平行，上丝杠上螺纹旋拧有置于缸筒内的活塞，缸筒通过气缸气囊连接管与气囊相通。

进一步地，上舱室的前部外侧安装有气泡发生器，气泡发生器的外形呈月牙形。

进一步地，上舱室的前部两侧设置有仿生龟水翼模块，仿生龟水翼模块前端边界线与上舱室的前部轮廓线平滑过渡。

进一步地，所述碟形水下滑翔机器人还包括辅助驱动模块和两个螺旋桨推进器，两个螺旋桨推进器对称布置，螺旋桨推进器安装在仿生龟水翼模块上，螺旋浆推进器的轴向与主壳体的中轴线平行，辅助驱动模块控制螺旋桨推进器的启停及转速。

进一步地，所述碟形水下航行机器人还包括两个仿生尾鳍，主壳体的尾部对称安装有两个仿生尾鳍，每个仿生尾鳍包括舵机和尾鳍，舵机的输出端连接尾鳍，辅助驱动模块控制舵机的启停及转速。

进一步地，电池组、主控模块和交流模块布置在各自的密封腔室内，密封腔室均为长方体。

本发明的有益效果是：一、本发明设计电磁推进系统保证了喷射出稳定的水流从而降低碟形滑翔水下机器人能量的耗散率，节约能量，在螺旋桨式定子之后布置矢量喷口，进而实现滑翔机器人在水平面内的转动，增加了滑翔机器人在水平面内的转动，增加了滑翔机器人的灵活性。设计姿态调节机构，有利于增加碟形水下滑翔机器人的灵活性。设计姿态调节机构，有利于调节碟形水下滑翔机器人的纵倾和横倾等运动姿态，重心调节机构调节滑翔机器人在水平面内的转动，姿态调节机构和重心调节机构提高了滑翔机器人的灵活性。姿态调节机构达到调节碟形水下滑翔机器人纵向重心的目的。升沉调节机构和姿态调节机构相互配合，保证了碟形水下滑翔机器人会一直进行正弦波滑行，提高水动力性能和续航能力。交流电模块主要作用是将恒定电流转化为交变电流，从而使通电的感应磁化轴发生旋转进而达到螺旋浆产生推进的效果，改变交流电的电流的大小和方向可改变感应磁化轴的旋转速度和方向。二、本发明结构简单，设计合理，满足设计要求和实际需要。

附图说明

图1为布置在下半舱室内的电磁推进系统、交流模块、姿态调节机构、重心调节机构以及主控模块的结构示意图；

图2为布置在上半舱室内的升沉调节机构以及气泡发生器的结构示意图；

图3为碟形水下滑翔机器人的推进原理示意图；

图4为直通管道内磁场分布图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案作进一步地说明。

结合图1说明，碟形水下滑翔机器人包括主壳体，主壳体外形为水滴形，主壳体主要由密封对接的上半舱室2和下半舱室1组成；主壳体纵剖面采用NACA翼型；

上半舱室2内布置有用于控制机器人升沉的升沉调节机构2-0；下半舱室1内布置有用于控制机器人航行的电磁推进系统1-0、给电磁推进系统1-0提供动力源的交流模块1-14、用于控制机器人位置的姿态调节机构1-2以及用于控制滑机尾倾的重心调节机构1-5；

上半舱室2内还设置有用于分别控制姿态调节机构1-2、重心调节机构1-5和升沉调节机构2-0的主控模块2-4；下半舱室1内还布置有给交流模块1-14和主控模块2-4输电的电池组1-1。

参见图1说明，电磁推进系统1-0包括感应磁化轴1-17、直通管道1-20、轴支架1-18、电磁线圈1-15和螺旋桨1-9；

直通管道1-20沿主壳体的中轴线布置在下半舱室1上，直通管道1-20的两端分别连接进水口1-19和矢量喷口1-7，直通管道1-20内安装有能转动的感应磁化轴1-17，感应磁化轴1-17的两端分别连接轴支架1-18和螺旋浆1-9，螺旋浆1-9与矢量喷口1-7之间的直通管道1-20内安装有螺旋桨式定子1-8，电磁线圈1-15绕制在直通管道1-20的外侧，交流模块1-14给电磁线圈1-15提供电源。

磁化轴1-17的形状为细锥形结构，感应磁化轴1-17的外径由进水口1-19和矢量喷口1-7逐渐减少，并在感应磁化轴1-17的末端直接安装七桨叶的螺旋桨1-9。矢量喷口1-7安装于滑翔机器人的最末端，并安装舵机可使其在水平面内摆动，矢量喷口外形采用粗进细出的形式，可有效增加尾部喷出水流的流速，提高推进效率。

直通管道1-20布置在主壳体的中轴线上，贯通主壳体首尾，且在直通管道1-20的进水口出安装有轴支架1-18用以支撑直通管道1-20内部的感应磁化轴1-17，并在感应磁化轴1-17的外围加装交流模块1-14和电磁线圈1-15，通过交流模块1-14将恒定电流转化为交流电，进而改变直通管道1-20内的磁场方向和大小，从而使通电的感应磁化轴1-17进行旋转并带动末端的螺旋桨1-9，从而使直通管道1-20得首尾产生压力差，进而使水流从碟形水下滑翔机器人首部进入并从碟形水下滑翔机器人的尾部喷出，在螺旋桨1-9之后安装螺旋桨式定子1-8，从而保证喷射出稳定的水流从而降低碟形水下滑翔机器人能量的耗散率，节约能量，在螺旋桨式定子1-8之后设置矢量喷口1-7，进而实现碟形水下滑翔机器人在水平面内的转动，增加了碟形水下滑翔机器人的灵活性。

参见图1说明，姿态调节机构1-2包括环形滑道1-3、两个配重块1-16和两个盘式电机1-13；两个配重块1-16滑动设置在环形滑道1-3上，每个配重块1-16通过轴杆与盘式电机1-13的输出轴连接，主控模块2-4控制盘式电机1-13的启停及转速。在碟形水下滑翔机器人下舱室1的重心处安装姿态调节机构1-2，并通过轴杆与环形滑道1-3上的圆形的配重块1-16相连，通过调整两个圆形的配重块1-16在环形滑道1-3上的相对位置从而调节碟形水下滑翔机器人的纵倾和横倾等运动姿态。

参见图1说明，重心调节机构1-5包括下步进电机1-4、下丝杠1-10和平衡滑块1-11；重心调节机构布置在靠近喷出口处的下半舱室1内，下步进电机1-4的输出端连接下丝杠1-10，平衡滑块1-11螺纹旋拧在下丝杠1-10上。下步进电机1-4带动下丝杠1-10运动，进而调节平衡滑块1-11的纵向位置，最终达到调节碟形水下滑翔机器人纵向重心的目的。

参见图2说明，升沉调节机构2-0包括上步进电机2-11、上丝杠2-6、缸筒2-12、活塞2-14、气囊2-3和气缸气囊连接管2-15；上步进电机2-11的输出端连接上丝杠2-6且二者轴线与主壳体的中轴线平行，上丝杠2-6上螺纹旋拧有置于缸筒2-12内的活塞2-14，缸筒2-12通过气缸气囊连接管2-15与气囊2-3相通。缸筒2-12和气囊2-3安装于滑翔机器人的主壳体的中心处，缸筒2-12后端上丝杠2-6上安装上步进电机2-11，通过上步进电机2-12带动上丝杠2-6转动进而带动活塞2-14往复移动，压缩空气调节气囊中空气的量，从而达到控制升沉的目的。气囊2-3采用圆形外形，圆心与主壳体的重心重合。

参见图2说明，上舱室2的前部外侧安装有气泡发生器2-16，气泡发生器2-16的外形呈月牙形。气泡发生器2-16分布在碟形水下水下滑翔机器人首部上下表面，工作时产生微小气泡覆盖潜器表面，从而有利于减小阻力进而节约能源极大地增加续航能力。

参见图2说明，上舱室2的前部两侧设置有仿生龟水翼模块2-1，仿生龟水翼模块2-1前端边界线与上舱室2的前部轮廓线平滑过渡。平滑过渡的同一光滑线进而达到优良的水动力性能，此外碟形水下滑翔机器人可在必要时采用仿生龟式前进方式，极大增加了隐蔽性能。为了更好地调节滑翔机器人的航行姿态，两个螺旋桨推进器2-2对称布置，螺旋桨推进器2-2安装在仿生龟水翼模块2-1上，螺旋浆推进器2-2的轴向与主壳体的中轴线平行，辅助驱动模块2-13控制螺旋桨推进器2-2的启停及转速。

参见图1说明，碟形水下滑翔机器人还包括两个仿生尾鳍1-6，主壳体的尾部对称安装有两个仿生尾鳍1-6，每个仿生尾鳍包括舵机2-7和尾鳍2-8，舵机2-7的输出端连接尾鳍2-8，辅助驱动模块2-13控制舵机2-7的启停及转速。辅助驱动模块2-13与主控模块2-4沿主壳体的中轴线对称布置在上半舱室2内，水下滑翔机器人尾部安装有两个舵机控制的仿生尾鳍1-6，利用自动控制原理使尾鳍与水流之间产生特定的响应关系最终达到保持水翼稳定航行的目的。

参见图1说明，电池组1-1、主控模块2-4和交流模块1-14布置在各自的密封腔室内，密封腔室均为长方体。如此设置，采用模块化设计，节省空间，便于布置，满足设计要求和实际需要。

工作原理

参见图1-图4说明，其中3-2代表磁场方向，实心箭头表示电流方向，空心箭头表示力的方向，3-4为石墨电刷，电池组1-1通过石墨电刷3-4输电给交流模块1-14，图4中的单箭头方向表示直通管道1-20内的磁场方向。碟形水下滑翔机器人的缸筒2-12和气囊2-3中充入氦气，通过气囊2-3后端上步进电机2-11带动上丝杠2-6进而带动活塞2-14运动，将氦气压缩入气囊2-3中使碟形水下滑翔机器人的浮力增加，使浮力大于重力，主控模块2-4控制盘式电机1-13将环形轨道1-3上的配重块1-16全部调整到重心后方的位置使碟形水下滑翔机器人产生尾倾，由于滑翔机器人的纵向剖面为NACA翼型剖面，在浮力和尾倾的综合作用下碟形水下滑翔机器人就会以某一波高和波长进行正弦波滑行，当滑行到波峰时，活塞2-14运动抽气使气囊2-3内的氦气减小进而使碟形水下滑翔机器人的浮力小于重力，此时通过主控模块2-4将将环形轨道1-3上的配重块1-16全部调整到重心之前，使碟形水下滑翔机器人产生首倾，最终碟形水下滑翔机器人会在重力的作用下向下滑行，当滑行到波谷时活塞2-14运动，会再次给气囊2-3充气，使其浮力增大并产生尾倾使碟形水下滑翔机器人向上滑行，重复上述过程碟形水下滑翔机器人会一直进行正弦波滑行。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。