一种水翼式水上救援设备的制作方法

本发明属于水上救援设备控制技术领域，具体涉及一种水翼式水上救援设备。

背景技术：

传统的水上救援船如图1所示，其包括浮在水面上的舱体1-1和水下的推进器(例如螺旋桨)，而对于水上无人救援设备来说，续航能力是非常重要的技术参数，而能耗是决定续航能力的关键因素。传统的船体结构在高速航行时会形成较大阻力，从而造成较大的能耗。

同时，传统的水上救援船是通过推进器的喷口加入转弯舵的方式实现航向的调整，通过调整舵的角度影响舵两侧的水流速度，从而达到转弯效果，但在这一过程从喷口喷出的水流与舵产生碰撞和摩擦，这会浪费一部分能量。

技术实现要素：

本发明提出一种水翼式水上救援设备，所述水翼式救援设备包括舱体和水翼结构。所述水翼结构设置在舱体的下底面，所述水翼结构包括与舱体下底面连接的垂直连接杆，所述垂直连接杆中部还水平设置有推进器，所述垂直连接杆的下端还水平设置有水平连接杆，所述水平连接杆的前端设置有控制水翼角度的舵机机构，所述舵机机构的左右两侧分别连接水翼，所述水翼位于水面之下，所述水平连接杆的后端左右两侧设置有尾翼。

所述舵机机构包括两个舵机，所述水翼通过转动轴与舵机连接，所述舵机可带动所述水翼绕所述转动轴转动，所述两个舵机可以分别调整左右水翼的转动角度。

所述舵机具有外壳，外壳内部包括转动轴、主动齿轮，连接轴的一端连接主动齿轮，所述连接轴的另一端连接水翼，从而实现所述舵机通过主动齿轮和连接轴驱动水翼转动。

所述舵机机构还包括水翼角度检测单元，所述水翼角度检测单元用于分别检测左右水翼的转动角度。

进一步地，所述舵机的外壳内部还包括从动齿轮，所述主动齿轮与从动齿轮啮合，所述两个齿轮的比例关系为1∶1，传动轴与舵机外壳之间密封。所述水翼角度检测单元通过检测从动齿轮的转动量测量出所述水翼转动角度，即水翼的姿态角度。

所述水翼式水上救援设备还包括控制单元，所述的控制单元用于对推进器电机速度、水翼结构的舵机机构的转动角度以及水上救援设备姿态进行控制，以调节所述水上救援设备的舱体与水面的距离以及水上救援设备的前进方向和速度。

所述水上救援设备的舱体脱离水面，水翼位于水面以下，舱体的后部安装有距离检测单元，所述距离检测单元用于检测舱体与水面的距离。

所述距离检测单元包括刚性连接杆，所述刚性连接杆可以绕着与舱体的连接点、在垂直线与刚性连接杆所在的垂直平面内转动，所述连接点设置有角度传感器，所述角度传感器用于测量所述刚性连接杆绕着与舱体连接点转动的角度，所述刚性连接杆的末端设置有浮球，所述浮球可浮在水面，随着舱体与水面高度h的不同，刚性连接杆会因为浮球的浮力而绕连接点转动而自然呈不同的角度θ，此角度θ为垂直线与刚性连接杆的夹角。所述刚性连接杆的长度l与水上救援设备的舱体与水面的目标高度值h相关。优选地，所述刚性连接杆的长度大于目标高度值h，同时满足：当刚性连接杆垂直时，所述浮球的最低端高于水平连接杆的上表面。

角度传感器测得该角度值θ并发送给控制单元，控制单元得到角度θ后可以根据以下公式得出水上救援设备的舱体距离水面的高度h：

h＝l*cosθ(1)

进一步地，所述控制单元采用pid调节来调控舱体与水面之间的高度h，如下公式(2)，获取当前高度值h后可以与设定的目标高度h作差值，进而得到δh作为pid调节的反馈量：

e(t)＝δh＝h-h(2)

在上述公式(2)中，e(t)为每次测量的误差值，t为离散变量中的每次采集数据的单位时间间隔。上述公式(2)可代入下面的pid调节公式(3)中，得出的高度值h的调节值u(t)。下面的公式(3)中，kp为比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数。

得到所需要调整的高度值u(t)后，将高度值转换为通过水翼角度调整结构来调整水翼在水中的角度值，从而改变升力，使舱体达到目标的高度值h。

控制单元通过pwm控制来调整驱动器的电机转速，从而控制水上救援设备的前进速度，同时，控制单元通过控制舵机机构调节水翼的转动角β，实现对舱体距离水面的距离h以及水上救援设备的前进方向的控制。

进一步地，控制单元还可以通过控制水翼的角度调节水上救援设备的倾斜角度，进而控制水上救援设备的转弯半径的大小。所述水上救援设备上设置有姿态检测单元，所述姿态检测单元设置在舱体上，用于检测舱体的姿态角，并将所述姿态角信息发送给控制单元。

本发明提出一种水翼式水上救援设备，包括设置在舱体下部的水翼结构，所述水翼结构包括可独立控制转动角度的左右水翼，还包括设置在舱体后部的距离检测单元，用于检测舱体与水面的距离，所述水翼式水上救援设备在前进时舱体离开水面，减小了摩擦阻力，同时，其不具有传统的方向舵结构，通过改变左右水翼的转动角度实现了对舱体离水面的高度、前进方向、转弯半径的控制，减少了能量的消耗，从而延长了救援设备在水上的续航能力。

附图说明

图1是现有技术中的水上无人救援船示意图；

图2a是本申请的水翼式水上救援设备示意图；

图2b是本申请的水翼式水上救援设备的水翼部分示意图；

图2c是本申请的水翼式水上救援设备的舵机外壳图；

图2d是本申请的水翼式水上救援设备的舵机立体图；

图2e是本申请的水翼式水上救援设备的舵机侧视图；

图3是本申请的水翼在水中的工作示意图；

图4a-4c为本申请的水翼处于不同角度的示意图；

图5为本申请的水翼式水上救援设备调整离水面高度的示意图；

图6为本申请的水翼式水上救援设备调节右水翼实现左转向示意图；

图7为本申请的水翼式水上救援设备控制向左转向横向剖视图；

图8为本申请的水翼式水上救援设备调节右水翼实现右转向示意图；

图9为本申请的水翼式水上救援设备控制向右转向横向剖视图；

图10为本申请的水翼式水上救援设备处于不同倾斜角的转向矢量图和轨迹示意图；

图11为本申请的水翼式水上救援设备调节左水翼的转动角度示意图；

图12为本申请的水翼式水上救援设备同时调节左右水翼的转动角度示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例和说明书附图对本发明进行进一步解释。

在一个实施例中，参见说明书附图2a，本申请的水翼式救援设备包括舱体2-4和水翼结构。所述水翼结构设置在舱体2-4的下底面，进一步参见说明书附图2b，所述水翼结构包括与舱体下底面连接的垂直连接杆2-5，所述垂直连接杆中部还水平设置有推进器2-3，所述垂直连接杆的下端还水平设置有水平连接杆2-6，所述水平连接杆的前端设置有控制水翼角度的舵机机构2-2，所述舵机机构的左右两侧分别连接水翼2-1，所述水平连接杆的后端左右两侧设置有尾翼2-7。

所述舵机机构2-2包括两个舵机，所述水翼通过转动轴与舵机连接，所述舵机可带动所述水翼绕所述转动轴转动，所述两个舵机可以分别调整左右水翼的转动角度，参见说明书附图2d和附图2e，其为所述舵机的内部结构图，内部包括从动齿轮2-2-2和主动齿轮2-2-3，转动轴2-2-4连接主动齿轮2-2-3，连接轴的一端连接主动齿轮，所述连接轴的另一端连接水翼，从而实现所述舵机通过主动齿轮和连接轴驱动水翼转动。参见说明书附图2c，所述舵机具有外壳2-2-1。所述主动齿轮与从动齿轮啮合，优选地，所述两个齿轮的比例关系为1∶1，传动轴2-2-4与舵机外壳2-2-1之间可以采用防水圈和油封等方式实现密封。所述舵机还包括同步带，或者所述舵机的电机轴上具有电位器，可以通过检测从动齿轮2-2-2的转动量测量出所述水翼转动角度，即水翼的姿态角度，同时，通过对水翼姿态角度的测量能够完成水翼部分的角度调整，以调整水上救援设备的舱体2-4与水面的距离。

参见图3为本发明的水翼在水中工作示意图，所述水翼3-1整体浸没在水中，当水流3-3过所述水翼3-1时，水流过所述水翼3-1的上表面的行程大于所述水流过下表面的行程，当推进器带动水翼机构在水面以下前进时，所述水翼上表面的水流速度会比下表面的水流速度快，因此水翼下表面的水压力会比上表面高，从而产生向上的压力差。所述压力差形成水翼产生的上升力3-2。所述上升力可以使救援设备的舱体离开水面，并且与水面保持一定的距离。

如图4a-4c所示，其为本发明的水翼角度调整结构示意图，图4a所示水翼可以调整角度向上转动，图4b所示水翼也可以向下调整角度转动，图4c所示是水翼是保持水平方向。本发明通过调整不同水翼角度可以使改变水翼产生的升力，再匹配不同的负重，保持或保持水上救援设备舱体与水面的距离，从而提高整个水上救援设备在水上的前进速度。

在一个实施例中，本发明的水翼式水上救援设备还包括控制单元，所述的控制单元用于对推进器电机速度、水翼结构的舵机机构的转动角度以及水上救援设备姿态进行控制。

如图5所示，水上救援设备的舱体5-1脱离水面，水翼5-3位于波动的水面5-2以下，舱体5-1的后部安装有刚性连接杆5-6，所述刚性连接杆5-6可以绕着与舱体5-1的连接点、在垂直线与刚性连接杆5-6所在的垂直平面内转动，所述连接点设置有角度传感器5-4，所述角度传感器5-4用于测量所述刚性连接杆5-6绕着与舱体5-1连接点转动的角度，所述刚性连接杆5-6的末端设置有浮球5-5，所述浮球5-5可浮在水面5-2，随着舱体5-1与水面5-2高度h的不同，刚性连接杆5-6会因为浮球5-5的浮力而绕连接点转动而自然呈不同的角度θ，此角度θ为垂直线与刚性连接杆的夹角。所述刚性连接杆的长度与水上救援设备的舱体与水面的目标高度值h相关。优选地，所述刚性连接杆的长度大于目标高度值h，同时满足：当刚性连接杆垂直时，所述浮球的最低端高于水平连接杆2-6的上表面。

本发明中采用浮球式角度测量结构能够直接输出角度值，相比其他测距方式具有测量迅速、能耗低以及结构简单的优点，并且没有光学或声学测距装置在水上测距产生的多重反射等干扰问题。除此之外，本发明中采用浮球式角度测量结构还具有额外的技术效果，首先浮球本身具有一定浮力，能够抵消刚性连接杆的重力带来的测量和控制误差，同时，随着舱体离开水面的高度值h的变化，浮球浸没在水中的体积也在变化，当舱体离水面高度变低时，浮球浸没在水中的体积变大，浮球收到的浮力也变大，提供整个舱体向上的额外支撑力，当舱体离水面高度变高时，浮球当舱体离开水面过高时，浮球浸没在水中的体积变小，浮球收到的浮力也变小，提供整个舱体的支撑力变小，有助于帮助调节舱体的高度的稳定性，同时防止了舱体结构的过度的俯仰变化，利于保持整个舱体在前进时的稳定性。

在本实施例中，通过调整水翼的转动角度β能够调整舱体5-1与水面5-2高度h。而所述高度h在本实施例中采用浮球和角度传感器来进行测量，由于刚性连接杆5-6具有固定长度l，而随着水面高度的不同，刚性连接杆5-6会因为浮球5-5的浮力与舱体5-1呈不同的角度θ，角度传感器可以测得该角度值发送给控制单元，控制单元得到角度θ后可以根据以下公式得出救援船本体距离水面的高度h：

h＝l*cosθ(1)

在本实施例中，所述控制单元采用pid调节来调控舱体与水面之间的高度h，也可以采用其他控制算法。在本实施方式中，目标高度值h与当前高度值h之差作为反馈输入量，通过反馈回来的差值，利用pid算法进行计算，得出目前还需要进行调整的高度值。然后通过控制调整水翼的转动角度来改变水翼提供的上升力，从而改变当前舱体与水面之间的高度，通过不断的调整使其越来越接近目标高度值。

如下公式(2)，获取当前高度值h后可以与设定的目标高度h作差值，进而得到δh作为pid调节的反馈量：

e(t)＝δh＝h-h(2)

在上述公式(2)中，e(t)为每次测量的误差值，t为离散变量中的每次采集数据的单位时间间隔。上述公式(2)可代入下面的pid调节公式(3)中，得出的高度值h的调节值u(t)。下面的公式(3)中，kp为比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数。通过设定这三个系数，能够使水翼转动角在调整的过程中更加的平稳和迅速，从而减少因为高度调整而带来的超重和失重。

得到所需要调整的高度值u(t)后，将高度值转换为通过水翼角度调整结构来调整水翼在水中的角度值，从而改变升力，使舱体达到目标的高度值h。

在本实施例中，控制单元通过pwm控制来调整驱动器2-3的电机转速，从而控制整个救援设备的前进速度。同时，控制单元通过控制舵机机构2-2调节水翼的转动角β，实现对舱体5-1距离水面的距离h的调节。如图5所示，左图是水翼处于水平状态时的受力图，右图为舵机机构控制水翼顺时针转动β角度时，即水翼向上抬升时，上下翼面受到的压力差变大，上升力增加，舱体5-1距离水面的距离h增大。当水翼逆时针转动β角度时，即水翼向下转动时则反之，上升力减少，舱体5-1距离水面的距离h减小。

在实施例中，控制单元还通过控制舵机机构2-2调节水翼的转动角β，实现对整个水上救援设备的前进方向的控制。

如图6所示，水流6-1分别流过左右水翼，控制单元控制右水翼向上转动，右水翼仰角增大，左水翼保持水平，右水翼的上升力6-2变大，超过左水翼的上升力6-3，产生的上升力增大，因此其右水翼抬升，使整个水上救援设备处于一个向左倾斜的状态。此时，整个水上救援设备的受力情况如图7所示，图7为水上救援设备的横向剖视图，救援设备的舱体7-1，右水翼的上升力7-2超过左水翼的上升力7-3，上升合力7-5具有在水平方向的分力7-6和在垂直方向上的分力7-7，由图7可知，垂直分力7-7会抵消掉救援设备的重力7-4，因此水上救援设备会在的水平分力7-6的作用下向左转弯。

向右转弯的示意图如图8所示，水流8-1分别流过左右水翼，控制单元控制右水翼向下转动，右水翼仰角减小，左水翼保持水平，右水翼受到上升力减小，因此左水翼抬升，使整个平台处于一个向右倾斜的状态。

此时，整个水上救援设备的受力情况如图9所示，图9为水上救援设备的横向剖视图，救援设备的舱体9-1，右水翼的上升力9-2小于左水翼的上升力9-3，上升合力9-5具有在水平方向的分力9-6和在垂直方向上的分力9-7，由图9可知，垂直分力9-7会抵消掉救援设备的重力9-4，因此水上救援设备会在的水平分力9-6的作用下向右转弯。

控制单元还可以通过控制水翼的角度调节水上救援设备的倾斜角度，进而控制水上救援设备的转弯半径的大小。如图10所示，在一个实施例中，为了适应在不同的情况下来控制转弯的角速度，本发明的水上救援设备上设置有姿态传感器，所述姿态传感器设置在舱体上，用于检测舱体的姿态角，并将所述姿态角信息发送给控制单元。所述控制单元采用闭环控制算法，例如pid闭环控制方法，根据姿态传感器发送的姿态角信息对水上救援设备的倾斜角度进行闭环控制。

图10中，实线箭头v1表示救援设备前进时的速度，虚线箭头v2、实线箭头v3分别代表在不同大小的向心加速度影响下所产生的一个水平向左的速度，向心加速度越大，则产生的水平向左的速度越大。如图10左图所示，虚线箭头v2是在较大的向心加速度影响下产生的一个水平向左的速度，图10右图所示的l1虚曲线为v2作用下水上救援设备的拐弯轨迹，r1为其拐弯半径，γ1为其初始的拐弯角度。因此在较大的向心加速度影响下，水上救援设备的拐弯半径和初始拐弯角度较小。

图10左图中实线箭头v3是在较小的向心加速度影响下产生的一个水平向左的速度，图10右图中的l2实曲线为v3作用下水上救援设备对应的拐弯轨迹，r2为其拐弯半径，γ2为其初始的拐弯角度。因此在较小的向心加速度作用下，水上救援设备拐弯半径和初始拐弯角度较大。

水上救援设备在转弯时，其受到的向心力的大小与水上救援设备的倾斜度有关，从之前的实施例中，水上救援设备的倾斜度可以通过调整水翼的转动角度实现。如图10左图所示，因为水上救援设备受到的向心力越大，则转弯加速度越大，所以在单位时间内的速度就越大。因此，控制单元可以通过调整水翼的转动角度，进而调整水上救援设备的倾斜角度实现对转弯角度和转弯速度大小的控制。

以上仅是通过调整右水翼对水上救援设备的转向进行控制的一种实施方式，当需要向左侧转弯时，即可以通过控制右水翼向上转动的方式，也可以通过控制左水翼向下转动的方式(如图11所示)，或者同时控制右水翼向上转动、左水翼向下实现向左侧转弯(如图12所示)，控制的方式取决于舱体离水面的高度h以及所需的转弯速度。当舱体离水面的高度h过低时，需要增大水翼产生的升力，因此此时需要向左侧转弯时，控制单元通过控制右水翼向上转动、左水翼保持水平的方式增大右水翼的升力，实现整个水上救援设备向左转弯的同时提高舱体离水面的高度h；当舱体离水面的高度h过高时，需要减小水翼产生的升力，因此此时需要向左侧转弯时，控制单元通过控制左水翼向下转动、右水翼保持水平的方式减小左翼的升力，实现整个水上救援设备向左转弯的同时降低舱体离水面的高度h。如果舱体离水面的高度h无需调整，控制单元可以通过控制左水翼向下转动、右水翼向上转动的方式实现向左侧转弯。

以上仅为本发明优选的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可想到组合、变化或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。以上实施例的任意组合也应理解在本申请的公开范围之内。