一种实现海洋无人航行器多航态、低能耗航行的水翼装置的制作方法

本发明属于海洋无人航行器领域，具体涉及一种可实现海洋无人航行器在水面利用波浪能推进航行并在水下滑翔运动航行，使航行器具备水面、水下两种低能耗航行状态的水翼装置。

背景技术：

海洋无人航行器是指在海洋航行的无人系统，是现代海洋观测及资源探测的重要工具。依据航行空间，通常分为水面无人航行器与水下无人航行器两类。水面航行与水下航行是两种不同的航行状态，为适应不同的航行空间与航态，现有水面无人航行器多基于小型船舶的技术体系开展研制与建造，现有水下无人航行器多基于鱼雷、潜艇的技术体系开展研制与建造。受技术的局限，上述两类无人航行器的航态单一，仅能在水面或水下连续工作，无法满足未来海洋水面、水下多空间立体、联合观测的需求。虽然可在水面与近水面航行的半潜式无人航行器已问世，但罕有在水面与水下两种航态下均可实现低能耗、连续推进航行的无人航行器。

人类对海洋的探索由近岸、近海逐渐向远海延伸，对航行器的续航力与自持力提出了越来越高的要求。现有海洋无人航行器多由自身携带的电池提供航行推进、各电器件工作所需的能量，降低航行器自身能量消耗是实现续航力与自持力提升的重要途径。据文献统计，航行推进能耗占比通常高于50％，因此降低无人航行器的推进驱动能耗，采用先进的推进驱动技术对提升无人航行器的续航力效果显著。

波浪能是海洋中广泛存在的清洁能源，目前主要有波浪能发电和波浪能驱动两种应用途径。波浪能发电是将波浪能转化为机械能，进而转化为电能使用或储存，能量转化阶段多、效率较低。当前，利用波浪能驱动技术较为成熟的海洋无人航行器主要为波浪能滑翔机，波浪能滑翔机由水面浮体、水下水翼阵列两部分组成，二者通过脐带连接，其利用水下水翼阵列将波浪能转化为前进动力并带动水面浮体前进，但波浪能滑翔机只能在水面航行，且存在分体结构复杂、连接脐带易缠绕、布放回收作业难度高、水面机动性差，容易随波逐流等缺陷。

航行器水下浮力驱动一般采用液压系统在最大下潜深度位置调节浸水油囊体积改变航行器自身浮力，进而实现上浮。同时可利用航行器机翼产生的水平方向推力实现水平方向运动，相比传统水下航行器使用螺旋桨、喷水推进器等途径持续推进航行方式，水下浮力驱动具有低能耗、低噪声的优势。但受限于浮力驱动机理，浮力驱动航行器须以往复剖面形式在水下沉浮运动，其无法在水面连续航行。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种实现海洋无人航行器多航态、低能耗航行的水翼装置。使航行器能在水面利用波浪能推进航行，能在水下依靠浮力驱动滑翔运动航行，且能在两种航行状态间切换。本发明可使航行器具备水面和水下两种低能耗航行模式，提升海洋无人航行器的续航力，拓展其在海洋中的垂向航行空间。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种实现海洋无人航行器多航态、低能耗航行的水翼装置，包括航行器主体，所述航行器主体的头部和尾部设置有前水翼机构和后水翼机构；前水翼机构和后水翼机构穿过航行器主体下侧的方形孔伸出到航行器下方；所述航行器主体的内部设置有液压系统；

所述前水翼机构包括前水翼、水翼机构固定桁架、驱动液压缸、水翼支撑杆、拉紧杆、位移杆、水翼联动架、卷簧和卷簧固定块；所述驱动液压缸底端与水翼机构固定桁架转动连接，驱动液压缸顶端的双耳接头与水翼支撑杆转动连接，驱动液压缸与液压系统通过管路和接头连接；

所述水翼支撑杆与水翼机构固定桁架转动连接，所述水翼支撑杆上开有导轨安装槽，所述导轨安装槽安装有直线导轨，所述直线导轨内安装有滑块和限位块，滑块和限位块可沿直线导轨做往复直线运动；所述拉紧杆的一端与水翼机构固定桁架转动连接，拉紧杆另一端与位移杆转动连接；所述位移杆固定于所述滑块上并随滑块沿直线导轨做往复直线运动；所述位移杆上开有限位孔，限位块被限制在限位孔中运动；所述前水翼的中间设置有槽，前水翼中固定安装有穿过槽的水翼轴，水翼轴前方固定安装水翼联动轴，水翼轴与水翼支撑杆下端转动连接，水翼联动轴与所述水翼联动架的一端转动连接，水翼联动架的另一端与限位块转动连接；所述卷簧固定块固定于水翼支撑杆下端，所述卷簧的两端分别与水翼轴和卷簧固定块固定连接，用于在前水翼绕水翼轴中轴线转动时提供回复力矩；

所述液压系统由外油囊、电磁阀、单向阀、过滤器、压力传感器、溢流阀、液压泵和内油箱通过管路与接头相互连接组成；

所述后水翼机构与前水翼机构采用相同机构且各结构件及连接方式均相同，前水翼与后水翼外形轮廓为镜像对称设置；

所述水翼装置适用于水面和水下两种航行状态并分别具有不同的工作模式。

进一步的，所述驱动液压缸底端与水翼机构固定桁架之间、双耳接头与水翼支撑杆之间、水翼支撑杆与水翼机构固定桁架之间、拉紧杆的一端与水翼机构固定桁架之间均通过连接销轴转动连接。

进一步的，所述位移杆包括第一位移杆和第二位移杆；卷簧包括第一卷簧和第二卷簧；卷簧固定块包括第一卷簧固定块和第二卷簧固定块。

进一步的，所述滑块包括第一滑块、第二滑块、第三滑块、第四滑块；所述限位块包括第一限位块、第二限位块；直线导轨包括第一直线导轨、第二直线导轨、第三直线导轨、第四直线导轨。

进一步的，在水面航行状态下，水翼支撑杆位于与航行器轴线垂直位置，由驱动液压缸提供作用力锁死，前水翼和后水翼受海水和卷簧的共同作用力，绕水翼轴中轴线往复转动，带动限位块做往复直线运动；限位孔的上、下边界限制限位块最大位移位置，进而限制前水翼和后水翼的最大摆动角度；前水翼和后水翼将波浪能转化为水平推力，推动航行器航行；

在水下航行状态下，水翼支撑杆位于与航行器轴线平行位置，由驱动液压缸提供作用力锁死，前水翼和后水翼在水翼联动架与卷簧共同作用与水翼支撑杆轴线平行，并保持固定不动，前水翼和后水翼组成机翼；

在水面与水下两种航行状态切换过程中，液压系统驱动液压缸活塞杆伸缩，液压缸活塞杆通过双耳接头带动水翼支撑杆旋转，水翼支撑杆旋转过程中，拉紧杆带动位移杆沿水翼支撑杆移动；位移杆移动到限位孔底部边界与限位块接触时，位移杆带动限位块移动，限位块通过与水翼联动架组成的曲柄滑块机构带动前水翼和后水翼旋转；限位孔底部边界与限位块分离时，前水翼和后水翼在卷簧作用下回复到平衡位置。

进一步的，所述前水翼和后水翼的截面均采用naca0012翼型，外形轮廓为半椭圆形，弦长沿展长方向逐渐减小。

进一步的，所述航行器主体采用流线型结构设计，截面为渐变椭圆形，以降低在水面、水下航行时的阻力系数。

进一步的，所述液压系统中，电磁阀包括第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀，单向阀包括第一单向阀、第二单向阀和第三单向阀；

外油囊与海水接触，外油囊的出口连接第四电磁阀，第四电磁阀出口连接内油箱，所述第四电磁阀为两位两通电磁阀，用于控制外油囊与内油箱之间油路通断；内油箱出口连接液压泵，液压泵出口连接过滤器和溢流阀，过滤器的出口连接第三电磁阀；所述第三电磁阀为两位三通电磁阀，用于切换液压泵出口油路方向；第三电磁阀其中一个出口连接第三单向阀，第三单向阀出口连接至外油囊出口；第三电磁阀另一出口分别连接第一单向阀和第二单向阀，第一单向阀和第二单向阀的出口分别连接第一电磁阀和第二电磁阀，所述第一电磁阀和第二电磁阀均为两位三通电磁阀，用于切换驱动液压缸的油路；第一电磁阀与第二电磁阀的供油口分别连接驱动液压缸和水翼机构驱动液压缸，第一电磁阀与第二电磁阀的卸油口均连接至内油箱出口。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明中的水翼机构在水面阶段将流体的垂直振动(与航行方向垂直)直接转换为前向推力并推动航行器运动，使航行器在水面具备不依赖电能持续航行的能力。相比波浪能发电技术途径，驱动水翼将波浪能直接转化为航行器动能，能量转换过程简单、损耗少，低航速下具有较高的转换效率。相比现有的波浪能滑翔机驱动技术途径，由头、尾部的两对水翼机构代替现有的水翼阵列，水翼数量显著减少。此外，水翼机构与航行器头尾部刚性连接，避免了现有波浪能滑翔机的两体结构所导致的缺陷。

2.本发明实现航行器在水面阶段由波浪能推进，在水下阶段依靠浮力驱动，与传统的螺旋桨推进方式，本发明显著地降低了航行器自身的电池能量消耗，可延长航行器的在位时长与续航里程。

3.本发明液压系统将水翼机构位置切换功能与航行器水下浮力调节功能集成为一体，采用阀件共用的设计方案，降低了液压系统的复杂程度。液压系统选用零泄漏换向阀，可长时间保持外皮囊体积与液压缸位置不变，减少了液压泵的启动频次。

4.本发明的水翼机构具备航态切换功能，水面阶段可在航行器下方垂直展开作为波浪能转化推进装置，为航行器提供前向推力；水下阶段可收折在航行器腹部作为滑翔机翼，为航行器提供滑翔升力。水翼截面为流线型，轮廓为半椭圆形，能提高波浪转换效率。

5.本发明设计紧凑小巧、集成度高，可应用于100kg量级、2m长尺度的小型航行器中。水翼机构布置在航行器头尾部，液压系统为独立舱段，易同现有航行器集成且适应性改造工作量少。

6.本发明结构简单、工作可靠、成本低，不需要特殊加工和特殊零部件，液压阀件均为成熟型号产品。

附图说明

图1是本发明水面航行状态下总体结构示意图；

图2是本发明前水翼机构结构示意图；

图3是本发明前水翼机构简图；

图4是本发明液压系统的结构示意图；

图5是本发明液压系统原理示意图；

图6a图6b是本发明整体外形轮廓示意图；

图7是本发明水面航航行状态下前水翼运动示意图；

图8是本发明水面航行航行状态下前、后水翼受力示意图；

图9是本发明水下航行状态下受力示意图；

图10是本发明前水翼机构运动示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明提供的一种实现海洋无人航行器多航态、低能耗航行的水翼装置，主要包括：前水翼机构1、液压系统2、航行器主体3、后水翼机构4，如图1所示。前水翼机构1包括：前水翼11、水翼机构固定桁架12、驱动液压缸13、水翼支撑杆14、拉紧杆15、位移杆16a、位移杆16b、水翼联动架17、卷簧18a、卷簧18b、卷簧固定块19a、卷簧固定块19b；前水翼11包括水翼轴111、水翼联动轴112；驱动液压缸13包括液压缸活塞杆131，顶端固定连接有双耳接头132；水翼支撑杆14上开有导轨安装槽141，还包括直线导轨142a、直线导轨142b、直线导轨142c、直线导轨142d，滑块143a、滑块143b、滑块143c、滑块143d和限位块144a、限位块144b，如图2所示。

前水翼机构1与后水翼机构4分别用螺栓固定在航行器主体3头部和尾部，穿过航行器主体3下侧方形孔伸出到航行器下方。驱动液压缸13底端与水翼机构固定桁架12通过液压缸连接销轴133转动连接，顶端的双耳接头132与水翼支撑杆14通过双耳接头连接销轴134转动连接，驱动液压缸13与液压系统2连接通过管路和接头连接。水翼支撑杆14与水翼机构固定桁架12通过水翼支撑杆连接销轴145转动连接，直线导轨142a、直线导轨142b、直线导轨142c、直线导轨142d用螺钉固定安装在导轨安装槽141处，滑块143a、滑块143b、滑块143c、滑块143d分别对应安装于直线导轨142a、直线导轨142b、直线导轨142c、直线导轨142d上，可以沿导轨做自润滑往复直线运动，摩擦力小，运动范围不超出直线导轨142a、直线导轨142b、直线导轨142c、直线导轨142d。限位块144a、限位块144b分别安装在直线导轨142c、直线导轨142d上，可以沿导轨做自润滑往复直线运动，摩擦力小，运动范围不超出直线导轨142c、直线导轨142d。拉紧杆15一端与水翼机构固定桁架12通过拉紧杆连接销轴151转动连接，另一端与位移杆16a、位移杆16b通过销钉转动连接。位移杆16a用螺钉固定在滑块143a、滑块143c上，位移杆16b用螺钉固定在滑块143b、滑块143d上，位移杆16a与位移杆16b可以随滑块143a、滑块143b、滑块143c、滑块143d沿导轨做往复直线运动，位移杆16a、位移杆16b上开有限位孔161；限位块144a、限位块144b顶端穿过限位孔161，其运动范围受限位孔161上下边界限制。前水翼11中间开槽，在靠近受力中心位置固定安装水翼轴111，在前缘位置固定安装水翼联动轴112；水翼轴111与水翼支撑杆14下端转动连接，水翼联动轴112与水翼联动架17转动连接，水翼联动架17另一端与限位块144a、限位块144b通过销钉转动连接。本实施例中前水翼11、后水翼41截面为naca0012翼型，采用大展弦比设计，具有较高升阻比；外轮廓为半椭圆形，两端弦长较小有利于减少水流扰动。卷簧固定块19a、卷簧固定块19b用螺钉固定于水翼支撑杆14下端，卷簧18a内外两端分别与水翼轴111、卷簧固定块19a固定连接，卷簧18b卷簧内外两端分别与水翼轴111、固定块19b固定连接，在前水翼11绕水翼轴中轴线转动时提供回复力矩。

前水翼机构1简图如图3所示，液压缸活塞杆131伸缩时带动水翼支撑杆14绕水翼支撑杆连接销轴145转动，拉紧杆15带动位移杆16a、位移杆16b沿水翼支撑杆14直线运动。位移杆16a、位移杆16b通过水翼联动架17带动前水翼11转动，前水翼11同时受到卷簧18a、卷簧18b的回复作用力。

前水翼机构1和后水翼机构4为采用相同机构且各结构件及连接方式均相同，仅前水翼11与后水翼41外形轮廓为镜像对称设置。

液压系统2由外油囊21、电磁阀22a、电磁阀22b、电磁阀22c、电磁阀22d、单向阀23a、单向阀23b、单向阀23c、过滤器24、压力传感器25、溢流阀26、液压泵27、内油箱28通过管路与接头连接组成，如图4所示，其原理图如图5所示。外油囊21与海水接触，出口连接电磁阀22d，电磁阀22d出口连接内油箱28。电磁阀22d为两位两通电磁阀，用于控制外油囊21与内油箱28之间油路通断，打开电磁阀22d，外油囊21中液压油在舱内负压作用下流入内油箱28中。内油箱28出口连液压泵27，液压泵27开启后，可以将液压油从内油箱28中抽出并加压从出口排出。液压泵27出口接有过滤器24、溢流阀26，过滤器24用于过滤油液中杂质，溢流阀26在管路中液压油压力过高时起卸荷保护作用。过滤器24出口连接电磁阀22c，电磁阀22c为两位三通换向电磁阀，用于切换液压泵27所排液压油流动方向。压力传感器25安装在过滤器24与电磁阀22c之间，用于测量油液压力。电磁阀22c一个出口连接单向阀23c，单向阀23c出口连接至外油囊21。电磁阀22c另一出口分别连接单向阀23a与单向阀23b，单向阀23a与单向阀23b出口分别连接电磁阀22a与电磁阀22b，电磁阀22a、电磁阀22b为两位三通零泄漏电磁阀，用于切换驱动液压缸13、驱动液压缸43油路。电磁阀22a与电磁阀22b供油口分别连接液压缸驱动液压缸13和驱动液压缸43，卸油口连接至内油箱28出口。驱动液压缸43安装在后水翼机构4上，驱动液压缸43和驱动液压缸13为相同液压缸，安装方式和作用均相同。

航行器主体3外形为流线型结构设计，如图6a和图6b所示，截面为渐变椭圆形，以降低在水面、水下航行时的阻力系数。

具体的，本发明装置的工作过程为：

航行器在水面航行状态下，水翼支撑杆14位于与航行器轴线垂直位置，由驱动液压缸13提供作用力锁死。前水翼11和后水翼41分别位于航行器头部和尾部正下方，此时拉紧杆15、位移杆16a、位移杆16b、滑块143a、滑块143b、滑块143c、滑块143d均固定不动。前水翼11处于水平位置时，限位块144a、限位块144b位于限位孔161中间位置，卷簧18a、卷簧18b处于自然伸展状态，对前水翼11没有作用力。前水翼11随航行器在波浪中做垂荡运动时，与海水发生相对垂直振荡运动，海水流经前水翼11时，在海水和卷簧18a、卷簧18b的综合作用下，前水翼11偏转一定角度，如图8所示，水流速度v1、v2分别与前水翼11、后水翼41呈一定攻角，水流在前水翼11、后水翼41上分别产生水平方向作用力l1、l2，l1、l2驱动航行器前进，垂直分量d1、d2减少航行器的俯仰和垂荡运动。在此过程中，前水翼11绕水翼轴111中轴线在水平面上下两侧往复转动，如图7所示。前水翼11不断将波浪能转化为驱动航行器前进动力，同时通过水翼联动架17带动限位块144a、限位块144b在限位孔161中做往复直线运动，限位孔161上、下边界限制限位块144a、限位块144b最大位移位置，借此限制水翼的最大摆动角度，防止转角过大产生失速而使推力减小。在此航行状态下，前水翼11与后水翼41将波浪能转化为航行器前进动力，航行器在水面依靠外界环境能源连续低功耗航行。

航行器在水下航行状态下，水翼支撑杆14位于与航行器轴线平行位置，由驱动液压缸13提供作用力锁死。前水翼11与后水翼41组成椭圆形轮廓机翼。开始下潜时，液压系统2工作，电磁阀22d开启，内液压油在负压作用下从外油囊21排入内油箱28中，外油囊21体积变小，航行器排水量、浮力变小，航行器下潜，同时航行器质心位置改变，航行器俯仰姿态发生相应变化。如图9所示，在航行器下潜过程中，航行器重力g大于浮力b，水流速度v与航行器轴线之间存在攻角α，水流流经机翼时产生阻力d与升力l，阻力d与升力l水平方向分力推动航行器向前运动。开始上浮时，电磁阀22d关闭，液压泵24启动，电磁阀22c切换油路方向，液压油在液压泵27作用下从内油箱28排入外油囊21中，外油囊21体积变小，航行器排水量增大，浮力变大，重力不变，航行器上浮，配合航行器俯仰姿态变化，在机翼上产生水平向前推力，推动航行器向前运动。每个浮沉运动周期中，航行器液压系统2仅在准备下潜和最大下潜深度位置调节浸水外油囊21体积改变航行器自身浮力，利用浮力变化产生的浮沉运动中机翼的作用力在水中滑翔运动，在水下保持远距离低功耗运行。

航行器由水下航行状态切换至水面航行状态时，液压泵27启动，将液压油从内油箱28抽出并压入液压管路，电磁阀22c切换油路至驱动液压缸13、驱动液压缸43方向，电磁阀22a切换至充油方向，电磁阀22b切换至向内油箱28回油方向，驱动液压缸13、驱动液压缸43有杆端充油，无杆端排油，在液压油作用下液压缸活塞杆131收缩，带动水翼支撑杆14从水平位置旋转至与航行器轴线垂直位置。之后，零泄漏的电磁阀22a、电磁阀22b保持阀芯位置不变，同时单向阀23a、单向阀23b起到反向截止作用，切断驱动液压缸13、驱动液压缸43进出口油路，液压油不流动，液压缸活塞杆131固定不动，进而将水翼支撑杆14锁定在垂直位置处。切换过程如图10所示。

航行器由水面航行状态切换至水下航行状态时，液压泵27启动，将液压油从内油箱28抽出并压入液压管路，电磁阀22c切换油路至驱动液压缸13、驱动液压缸43方向，电磁阀22a切换至向内油箱28回油方向，电磁阀22b切换至充油方向，驱动液压缸13、驱动液压缸43有杆端排油，无杆端充油，在液压油作用下液压缸活塞杆131伸出，带动水翼支撑杆14从水平位置旋转至与航行器轴线垂直位置，之后，零泄漏的电磁阀22a、电磁阀22b保持阀芯位置不变，同时单向阀23a、单向阀23b起到反向截止作用，液压油不流动，液压缸活塞杆131固定不动，进而将水翼支撑杆14锁定在水平位置处。切换过程如图10所示。水翼支撑杆14旋转过程中，拉紧杆15拉动位移杆16a、位移杆16b沿水翼支撑杆14移动，在限位孔161下边界接触限位块144a、限位块144b后带动限位块144a、限位块144b一起移动，限位块144a、限位块144b通过水翼联动架17、水翼联动轴112拉动前水翼11克服卷簧18a、卷簧18b的作用力旋转至与水翼支撑杆14轴线平行位置，紧贴航行器主体3底部。前水翼11在水翼联动架17和卷簧18a、卷簧18b共同作用下保持固定不动。零泄漏的电磁阀22a、电磁阀22b与单向阀23a、单向阀23b切断驱动液压缸13、驱动液压缸43进出口油路，液压缸活塞杆131固定不动，水翼支撑杆14被锁定在水平位置处。切换过程如图10所示。

工作过程中，后水翼机构4和前水翼机构1中各个零部件运动方式和作用均相同，后水翼机构4和前水翼机构1运动方向镜像对称。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。