一种自适应多功能双体水下滑翔机的制作方法

本发明属于水下航行器技术领域，具体涉及一种自适应多功能双体水下滑翔机。

背景技术：

水下滑翔机属于水下自主航行器，是一种新型的自主海洋观测平台，在水下执行任务时不要人工监视和操控，与普通水下自主航行器的区别在于水下滑翔机没有外挂推进装置的系统，其主要由净浮力驱动，即重力与浮力的合作用力驱动，它通过沿主轴移动重物块调整自身重心和浮心的相对位置改变俯仰姿态，通过尾舵摆动或相对主轴旋转重物块改变横滚姿态，借助机身和固定尾翼的水动力分量产生横向和侧向位移，实现了水下滑翔机在垂直剖面内的锯齿状滑翔运动和空间转向运动。水下滑翔机会在上一个滑翔任务完成后浮出水面，向岸站传送水下搜集的海洋数据，并接收控制指令，通过卫星天线实现双向通讯。水下滑翔机基于不同的监测目的可以搭载各种不同的传感器或仪器装备，与基于科考船的海洋监测相比，水下滑翔机的使用节省了监测成本、扩展了监测范围，可以近实时获得海洋监测数据。但是现有技术中的水下滑翔机水下航行时的稳定性差，运行速度低，定位精度低，并且续航能力不足以维持大范围、大航程实验和研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种自适应多功能双体水下滑翔机，解决现有技术存在的稳定性差、运行速度低、定位精度低以及续航能力不足以维持大范围、大航程实验和研究的问题；具有充足的空间对测试装置进行搭载。

为实现上述目的，本发明的一种自适应多功能双体水下滑翔机包括两个结构相同、轴线平行对称设置的单体滑翔机；

每个所述单体滑翔机包括：

主体机身；

对称设置在所述主体机身两侧的机翼；

同轴设置在所述主体机身内的姿态调节模块，所述姿态调节模块至少包括沿轴向往复运动及绕轴转动的活动电池组；

同轴设置在所述主体机身上的浮力调节模块，所述浮力调节模块至少包括设置在主体机身内的内油囊以及设置在所述主体机身外的外油囊，所述内油囊和所述外油囊通过油管连通实现油液传输，调整外油囊体积；

设置在所述主体机身外表面的温差能驱动模块；所述温差能驱动模块吸收洋流温差能并为单体滑翔机整体供能；

以及设置在所述主体机身内的控制模块，所述控制模块和所述姿态调节模块及浮力调节模块电连接控制运动；

两个所述单体滑翔机相邻的两个机翼通过自主拼接装置拆卸连接。

所述姿态调节模块还包括：

连接体，所述连接体包括相互平行同轴依次设置的第一连接体、第二连接体、第三连接体和第四连接体，所述第二连接体包括两个同轴的圆环，所述活动电池组两端分别与第二连接体中与第三连接体相对的圆环的端面和第三连接体的端面固定连接；

连接在第一连接体和第四连接体之间的托板；

连接在第一连接体和第四连接体之间的滚珠丝杠副，所述滚珠丝杠副的丝杠和所述连接体同轴设置，丝杠分别与所述第一连接体、第二连接体、第三连接体和第四连接体转动配合；

设置在第二连接体的两个圆环之间的多个直线电机，多个直线电机固定在任意一个圆环的端面，直线电机的伸长或缩短和另一个圆环的端面顶紧或远离；

固定在所述第三连接体上的径向调节伺服电机，所述径向调节伺服电机和所述控制模块电连接；所述活动电池组和所述径向调节伺服电机连接供电；

连接在所述径向调节伺服电机的输出轴和滚珠丝杠副的丝杠之间的齿轮副，所述齿轮副的主动齿轮和所述径向调节伺服电机输出轴同轴固定连接，所述齿轮副的从动齿轮套和所述滚珠丝杠副的螺母固定连接；

和所述主动齿轮同轴固定连接的角度传感器，所述角度传感器和所述控制模块电连接；

以及和所述滚珠丝杠副任意一端通过联轴器连接的轴向调节伺服电机，所述轴向调节伺服电机和所述控制模块电连接，所述活动电池组和所述轴向调节伺服电机连接供电。

所述姿态调节模块还包括保护机构，所述保护机构包括：

多个设置在第一连接体和第二连接体之间的和所述滚珠丝杠平行设置的导杆，多个所述导杆一端固定在第二连接体中靠近第一连接体中的圆环的端面；

以及多个卡槽，所述卡槽固定在所述托板上，多个所述卡槽分别和多个导杆同轴滑动配合。

所述浮力调节模块还包括固定板以及设置在固定板上的固定电池组、直流伺服电机、减速装置、变量高压液压泵、电磁阀和三通联接装置；所述内油囊和所述外油囊设置在所述固定板上，所述外油囊和所述固定板同轴设置，所述内油囊和外油囊分别和两个三通联接装置连接，两个三通联接装置之间设置有进油管路和回油管路，所述电磁阀设置在所述回油管路上，控制所述回油管路通断，所述直流伺服电机的输出端通过减速装置和所述变量高压液压泵连接，所述变量高压液压泵设置在进油管路上，使内油囊的液压油进入外油囊。

所述浮力调节模块还包括透水测量传感器，所述透水测量传感器设置在所述所述所述主体机身和所述外油囊相对的侧壁处。

所述主体机身包括主舱体以及连接在主舱体两端的前导流模块和后导流模块；所述机翼关于主舱体轴线对称设置在主舱体的外表面，所述姿态调节模块以及浮力调节模块设置在所述主舱体内，所述浮力调节模块的外油囊设置在所述后导流模块相对应位置。

所述温差能驱动模块设置在所述主舱体两侧的温差发电装置，所述温差发电装置分别和活动电池组以及固定电池组连接充电。

所述自主拼接装置包括：

搭接板，所述搭接板一个表面中间位置设置有条形凸起，两侧对称设置有垂直搭接板表面竖直导向孔，所述条形凸起两侧面设置有和所述竖直导向孔垂直的水平导向孔；

以及设置在每个水平导向孔和竖直导向孔内并相对水平导向孔或竖直导向孔滑动配合的导销，所述导销通过电磁控制装置驱动伸出或收回；通过和水平导向孔以及竖直导向孔滑动配合的导销和所述机翼的上表面及端面连接。

所述电磁控制装置包括：

和所述导销垂直设置的导柱，所述导柱和所述导销配合处设置有内凹面；

设置在所述导柱一端的电磁铁；

以及设置在所述电磁铁和所述导柱之间的弹簧，所述电磁铁和所述导柱不吸附时，弹簧处于自然状态，所述导销和所述导柱的内凹面接触，对应的导销位于所述水平导向孔或竖直导向孔内；所述电磁铁和所述导柱吸附时，弹簧处于压缩状态，所述导销和所述导柱的外壁接触，对应的导销相对所述水平导向孔或竖直导向孔滑出与机翼上对应的配合孔配合连接。

本发明的有益效果为：

1、本发明的一种自适应多功能双体水下滑翔机的前导流模块中和现有技术其他的单体滑翔机相同，包含有影像采集和处理装置，距离、速度、加速度测量装置和应急抛物装置。其确保了滑翔机的精确控制和地面站的数据接收，同时可以最大程度提高滑翔机的作业安全性；滑翔机作业的稳定性和快速性得到改善；

2、后导流模块中包含有通信装置，双体的结构设计具有两个通信装置，能够提高滑翔机定位的准确性，同时提高控制精度，进而提高实验的效率和准确性，有利于科学研究和探索；可搭载空间增大，可测量数据增多，提高了实验研究的效率；

3、所述的自主拼接装置包括自主拼接装置和可拼接拆分机翼，自主拼接装置包括带磁铁开关和多组链接销，可将双体滑翔机的平直机翼拼接在一起，也可以自主拆分，即紧急情况下可拆分开来，最大程度的保存采集到的数据和图像以促进实验研究，在滑翔机停用时可以节省占用空间，便于储藏和携带。

4、控制模块包括浮力调节装置、姿态调节装置的伺服电机的控制单元，数据存储单元，信息传递互通单元，各类传感器控制单元，温差能驱动装置控制单元，控制量增多，更为灵活；

5、温差能驱动模块可将温差能转化为滑翔机运动所需的能量，为滑翔机的航行和作业提供能源保障，续航时间长，扩大了滑翔机的作业领域。

附图说明

图1为本发明的一种自适应多功能双体水下滑翔机整体结构示意图；

图2为本发明的一种自适应多功能双体水下滑翔机结构分解示意图；

图3为本发明的一种自适应多功能双体水下滑翔机中姿态调节模块结构示意图；

图4为本发明的一种自适应多功能双体水下滑翔机中浮力调节模块结构示意图；

图5为本发明的一种自适应多功能双体水下滑翔机中自主拼接装置结构示意图；

图6为本发明的一种自适应多功能双体水下滑翔机中自主拼接装置内部结构示意图；

其中：1、主体机身，101、主舱体，102、前导流模块，103、后导流模块，2、机翼，3、温差能驱动模块，4、姿态调节模块，401、活动电池组，402、第一连接体，403、第二连接体，404、第三连接体，405、第四连接体，406、托板，407、滚珠丝杠副，408、轴向调节伺服电机，409、径向调节伺服电机，410、齿轮副，411、角度传感器，412、保护机构，413、导杆，414、卡槽，415、直线电机，5、浮力调节模块，501、内油囊，502、外油囊，503、第一固定板，504、第二固定板，505、第三固定板，506、第四固定板，507、固定电池组，508、直流伺服电机，509、减速装置，510、变量高压液压泵，511、电磁阀，512、三通联接装置，513、透水测量传感器，6、控制模块，7、自主拼接装置，701、搭接板，702、水平导向孔，703、竖直导向孔，704、导销，705、导柱，706、电磁铁，707、弹簧，8、联接导柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1和附图2，本发明的一种自适应多功能双体水下滑翔机包括两个结构相同、轴线平行对称设置的单体滑翔机；

每个所述单体滑翔机包括：

主体机身1；

对称设置在所述主体机身1两侧的机翼2；

同轴设置在所述主体机身1内的姿态调节模块4，所述姿态调节模块4至少包括沿轴向往复运动及绕轴转动的活动电池组401；

同轴设置在所述主体机身1上的浮力调节模块5，所述浮力调节模块5至少包括设置在主体机身1内的内油囊501以及设置在所述主体机身1外的外油囊502，所述内油囊501和所述外油囊502通过油管连通实现油液传输，调整外油囊502体积；

设置在所述主体机身1外表面的温差能驱动模块3；所述温差能驱动模块3吸收洋流温差能并为单体滑翔机整体供能；

以及设置在所述主体机身1内的控制模块6，所述控制模块6和所述姿态调节模块4及浮力调节模块5电连接控制运动；两个单体滑翔机的控制模块6连接同步控制；

两个所述单体滑翔机相邻的两个机翼2通过自主拼接装置7拆卸连接。

参见附图3，所述姿态调节模块4还包括：

连接体，所述连接体包括相互平行同轴依次设置的第一连接体402、第二连接体403、第三连接体404和第四连接体405，所述活动电池组401两端分别与第二连接体403和第三连接体404的端面固定连接；连接体的第一连接体402和第四连接体405和主体机身1的主舱体101内壁固定连接；

连接在第一连接体402和第四连接体405之间的托板406；

连接在第一连接体402和第四连接体405之间的滚珠丝杠副407，所述滚珠丝杠副407的丝杠和所述连接体同轴设置，丝杠分别与所述第一连接体402、第二连接体403、第三连接体404和第四连接体405通过轴承连接转动配合；

设置在第二连接体403的两个圆环之间的多个直线电机415，多个直线电机415固定在任意一个圆环的端面，直线电机415的伸长或缩短和另一个圆环的端面顶紧或远离；

固定在所述第三连接体404上的径向调节伺服电机409，所述径向调节伺服电机409和所述控制模块6电连接；所述活动电池组401和所述径向调节伺服电机409连接供电；

连接在所述径向调节伺服电机409的输出轴和滚珠丝杠副407的丝杠之间的齿轮副410，所述齿轮副410的主动齿轮和所述径向调节伺服电机409输出轴同轴固定连接，所述齿轮副410的从动齿轮套和所述滚珠丝杠副407的螺母固定连接；

和所述主动齿轮同轴固定连接的角度传感器411，所述角度传感器411和所述控制模块6电连接；

以及和所述滚珠丝杠副407任意一端通过联轴器连接的轴向调节伺服电机408，所述轴向调节伺服电机408和所述控制模块6电连接，所述活动电池组401和所述轴向调节伺服电机408连接供电。

参见附图4，所述姿态调节模块4还包括保护机构412，所述保护机构412包括：

多个设置在第一连接体402和第二连接体403之间的和所述滚珠丝杠平行设置的导杆413，多个所述导杆413一端固定在第二连接体403中靠近第一连接体402中的圆环的端面；

以及多个卡槽414，所述卡槽414固定在所述托板406上，多个所述卡槽414分别和多个导杆413同轴滑动配合。

所述的姿态调节模块4包括可做轴线移动和径向转动的活动电池组401，轴向调节伺服电机408和径向调节伺服电机409，起姿态调节作用的齿轮副410，滚珠丝杠副407407，角度传感器411。轴向调节伺服电机408通过联轴器带动滚珠丝杠副407转动，进而使得活动电池组401做轴线运动，实现滑翔机的俯仰运动。电池组径向位置的径向调节伺服电机409带动齿轮副410转动，带动活动电池组401做周向转动，进而实现滑翔机的横滚运动。电池组滑道带有保护机构412，可以在滑翔机不工作时保障活动电池组401不做运动，进而保护滚珠丝杠副407，增加了滑翔机的使用寿命。

滑翔机滑行过程需要调节俯仰角度时，第二连接体403的两个圆环之间的直线电机415伸长，是两个圆环形成一体结构，整体没有相对运动，整体相对滚珠丝杠副407的丝杠转动配合，轴向调节伺服电机408带动滚珠丝杠副407转动，进而带动齿轮副410中的从动齿轮做轴向移动，主动齿轮和从动齿轮啮合无转动运动，推动第二连接板、活动电池组401和第三连接板整体做轴向运动，进而调整了滑翔机的重心所在轴向位置，产生俯仰力矩，进而使得滑翔机俯仰角度得到调整，通过角度传感器411的反馈调节轴向调节伺服电机408，达到控制滑翔机俯仰角度的目的。滑翔机通过保护机构412的作用，使得滑翔机在停用时保持静止状态，进而有效的保护滚珠丝杆副，延长滑翔机的工作寿命。本发明种的角度传感器411安装在三个位置上，其一为控制轴向调节伺服电机408上，其二为控制径向调节伺服电机409上，其三为在轴向运动时防止径向运动过程中的直线电机415上。

滑翔机滑行过程需要调节行进角度时，此时轴向轴向调节伺服电机408停止工作，直线电机415缩短，第二连接体403的两个圆环分别为独立的个体相对丝杠转动配合，径向调节伺服电机409带动齿轮副410的主动齿轮转动工作，主动齿轮和从动齿轮啮合，进而使得活动电池组401作径向转动，水下滑翔机的重心也相对机体主轴径向转动，重心的改变相对滑翔机机体主轴产生的转矩与水下滑翔机所受的粘滞力矩共同作用，实现水下滑翔机行进角度的调节，通过角度传感器411的反馈进而实现自主调节。

所述浮力调节模块5还包括固定板以及设置在固定板上的固定电池组507、直流伺服电机508、减速装置509、变量高压液压泵510、电磁阀511和三通联接装置512；所述内油囊501和所述外油囊502设置在所述固定板上，所述外油囊502和所述固定板同轴设置，所述内油囊501和外油囊502分别和两个三通联接装置512连接，两个三通联接装置512之间设置有进油管路和回油管路，所述电磁阀511设置在所述回油管路上，控制所述回油管路通断，所述直流伺服电机508的输出端通过减速装置509和所述变量高压液压泵510连接，所述变量高压液压泵510设置在进油管路上，使内油囊501的液压油进入外油囊502。

所述浮力调节模块5还包括透水测量传感器513，所述透水测量传感器513设置在所述所述所述主体机身1和所述外油囊502相对的侧壁处。滑翔机的浮力调节可以通过透水测量传感器513的反馈实现安全、自主、高效、精确的控制。

所述固定板包括相互平行同轴依次设置的第一固定板503、第二固定板504、第三固定板505和第四固定板506，所述第一固定板503或第四固定板506与第一连接体402或第四连接体405通过联接导柱8连接；所述外油囊502位于所述主体机身1外部；所述连接导柱包括圆周均布的三个，每个联接导柱8的一端和第一固定板503或第四固定板506的端面固定连接，另一端和第一连接体402或第四连接体405的端面固定连接；第一固定板503、第二固定板504、第三固定板505和第四固定板506通过连接杆连接，连接杆数量为三个，圆周均布。

浮力调节模块5中固定电池组507为浮力调节模块5和后导流模块103提供能源，该模块主要是通过直流伺服电机508带动变量高压泵和电磁阀511实现液压油在内油囊501和外油囊502之间的流动转换，使浮力在正浮力和负浮力之间转换，进而实现滑翔机的沉浮运动，其中内油囊501密封于机身内，而外油囊502则与外界环境接触。

当滑翔机运行需要上浮时，利用带有减速装置509的直流伺服电机508带动变量高压液压泵510将内油囊501的液压油通过三通联接装置512输出到外油囊502，并利用电磁阀511保障液压油不回流，由于外油囊502与外部环境接触，所以外油囊502的进油量增多时，排水体积增大，浮力增加进而实现滑翔机的浮起运动。

当滑翔机运行需要下沉时利用，打开回油通路的电磁阀511，外油中的液压油在外部环境的压力作用下通过三通联接器自主流回内油囊501，使得滑翔机的整体排水体积减小，浮力减小进而实现滑翔机的下沉运动。

滑翔机的浮力调节可以通过透水测量传感器513的反馈实现安全、自主、高效、精确的控制。

所述主体机身1包括主舱体101以及连接在主舱体101两端的前导流模块102和后导流模块103；所述机翼2关于主舱体101轴线对称设置在主舱体101的外表面，所述姿态调节模块4以及浮力调节模块5设置在所述主舱体101内，所述浮力调节模块5的外油囊502设置在所述后导流模块103对应位置处。

所述主体机身1外轮廓为流线型结构设计，以减少航行阻力，提高航行速度，节省能源。

所述温差能驱动模块3为设置在所述主舱体101两侧的温差发电装置，所述温差发电装置分别和活动电池组401以及固定电池组507连接充电。本发明的温差发电装置为现有技术中的水域温差发电装置。

本发明的两个单体滑翔机的机翼2通过自主拼接装置7实现连接或拆分，可将双体滑翔机的平直机翼2拼接在一起，也可以自主拆分，即紧急情况下可拆分开来，最大程度的保存采集到的数据和图像以促进实验研究。在滑翔机停用时可以节省占用空间，便于储藏和携带。同时机翼2蒙皮所使用的材料具有良好的弹性和延展性，可以随机翼2后缘的变换产生相应的变形，进而保证整个机翼2表面的平顺性。

参见附图5和附图6，所述自主拼接装置7包括：

搭接板701，所述搭接板701一个表面中间位置设置有条形凸起，两侧对称设置有垂直搭接板701表面竖直导向孔703，所述条形凸起两侧面设置有和所述竖直导向孔703垂直的水平导向孔702；

以及设置在每个水平导向孔702和竖直导向孔703内并相对水平导向孔702或竖直导向孔703滑动配合的导销704，所述导销通过电磁控制装置驱动伸出或收回；通过和水平导向孔以及竖直导向孔滑动配合的导销和所述机翼2的上表面及端面连接。

所述电磁控制装置包括：

和所述导销704垂直设置的导柱705，所述导柱705和所述导销704配合处设置有内凹面；

设置在所述导柱一端的电磁铁706；

以及设置在所述电磁铁706和所述导柱705之间的弹簧707，所述电磁铁706和所述导柱705不吸附时，弹簧707处于自然状态，所述导销704和所述导柱705的内凹面接触，对应的导销704位于所述水平导向孔702或竖直导向孔703内；所述电磁铁706和所述导柱705吸附时，弹簧707处于压缩状态，所述导销704和所述导柱705的外壁接触，对应的导销704相对所述水平导向孔702或竖直导向孔703滑出与机翼2上对应的配合孔配合连接。

本发明的控制模块6包含分别位于前导流模块102和后导流模块103内的两部分，含有各种传感器的控制装置，其中一部分中主要为测量数据的存储和处理，为滑翔机的精确控制提供保障，如路径规划、姿态调节、沉浮等，同时也为实验研究提供大量的数据，另一部分主要为保护传感器和通信控制装置，保护外油囊502不会因外部压力过大而破裂，通过通信控制装置实现精确定位，为滑翔机的路径规划以及数据的采集提供保障。