一种拖曳自航两用多自由度操纵水下航行器的制作方法

本实用新型涉及一种无人水下航行器，特别是涉及一种拖曳自航两用多自由度操纵水下航行器，是一种搭载水下探测设备的兼具自航、拖曳功能的无人水下航行器。

背景技术：

水下探测设备主要分为无人水下航行器和载人水下航行器。无人水下航行器有依据操控方式可分为三种：遥控式、自主航行式和拖曳式。随着对海洋资源利用的需求不断增长，水下航行器被广泛应用在了海洋资源的勘探中，同时随着对海洋环境的科学考察需要，水下航行器还被应用在了海底地形、海底水文、海洋生物等方面的探测和监测中，此外，水下航行器在军事方面也有着丰富的应用，例如反潜作战、沉船搜索等。

水下拖曳系统由水下航行器、拖缆、拖船以及各种探测所需仪器组成。而水下航行器是各种探测所需仪器以及自身控制仪器的搭载平台。其中，拖曳式水下航行器是海洋拖曳系统的一个重要组成部分，而自主航行式水下航行器也是进行水下科学考察活动的有利工具。而兼具拖曳和自航功能的水下航行器，不仅能够实现拖曳式水下航行器的进行大范围的搜索的功能，同时也能利用自航功能，对某一固定海域的精准探测。

而作为水下拖曳系统重要组成部分的水下航行器，其是否具有良好的稳定性和可操纵性是评估其性能优劣的重要指标。依据现有的研究结果，对水下航行器的有效控制主要可分为两种：一是拖缆，二是水翼。而在这两种方式中，依靠对拖缆进行控制，从而实现对水下航行器的姿态、航向操纵一般只能实现大尺度的操纵，比较粗略，无法实现点对点的精确控制。而利用水翼对水下航行器进行操纵，则更加精准，通过改变迫沉水翼的攻角或等效攻角，可实现对水下航行器精确地姿态调整以及航向控制。

在水下航行器外形方面，依据其使用目的和方式，可分为框架型、鱼型、流线型等，其中，流线型为目前最主要采用的设计。而框架型由于其水动力性能较差，即阻力较大，稳定性较低，一般应用于低速拖曳中。而鱼型由于其加工难度较大，限制了其广泛应用。

综上所述，海洋环境的干扰、水面拖船、拖缆、拖体和拖体内部设备共同构成了一个复杂的动态响应系统，而使拖体自身具有良好的稳定性，以及实现在拖曳过程中对拖体的精确、灵活、便捷的控制成为了研究拖曳系统的关键。同时若能使得拖体兼具自主航行功能，更是能使得水下航行器在海洋探测、资源勘探、军事运用等方面的应用更加完善。

技术实现要素：

本实用新型目的在于提供一种适应性高，可快速的实现对航行器的姿态以及航向控制的拖曳自航两用多自由度操纵水下航行器。

本实用新型目的通过下述技术方案实现：

一种拖曳自航两用多自由度操纵水下航行器，主要包括主腔体、两个固定三角水平翼、两个固定垂直翼、两个斜翼支撑、两个鱼雷状浮体、两个推进器、尾翼和重心调节机构；两个固定三角水平翼对称设置在主腔体前部两侧，两个鱼雷状浮体分别位于两个固定三角水平翼下端，每个鱼雷状浮体通过固定垂直翼和斜翼支撑分别与固定三角水平翼和主腔体连接；两个鱼雷状浮体后部装有螺旋桨推进器；

所述的重心调节机构在主腔体中轴向设置，重心调节机构主要包括轨道板、步进电机、正交齿轮、轴承、轴、底座、制动器、装载车、传动轮、传动带；所述的底座为两块，分别设置主腔体前后两端，轴的下端通过轴承与底座连接，轴的上端与传动轮连接，两个传动轮通过传动带连接；底座中的一个轴上设有正交齿轮，正交齿轮还分别与步进电机和制动器连接；装载车上端与传动带连接，装载车的底部设有万向轮，万向轮与轨道板活动连接，轨道板设置在两块底座之间，装载车设有重心调节用铁块。

为进一步实现本实用新型的目的，优选地，所述的装载车包括第一板材、弹簧安装板、杆件、第一弹簧、万向轮和永磁铁；第一板材有五块，包括一块底部设置的第一板材和分别与底部第一板材四周连接的四块第一板材，五块第一板材组成上端开口的框结构，框结构内放置重心调节用铁块，每块四周设置的第一板材上都设有永磁铁；连接杆件有8根，每根杆件一端与一块第一板材连接，另一端与第一弹簧连接，第一弹簧与弹簧安装板连接，弹簧安装板固定设置在底部设置的第一板材边缘处，万向轮设置在底部设置的第一板材下端。

优选地，所述的每块四周设置的第一板材上设有两根连接杆件。

优选地，所述的装载车上端与传动带连接是通过四周设置的第一板材中一块与传动带连接实现。

优选地，所述的两块底座的间距为600-800mm，传动轮22的直径优选为120-150mm；万向轮采用2寸小型脚轮。

优选地，所述的制动器主要包括电磁铁、第二板材、第三板材以及第二弹簧；底座上设有凹槽，第三板材活动设置在凹槽中，第三板材与正交齿轮活动连接，第二板材垂直设置凹槽上端，第二板材和第三板材固接，第二弹簧设置在凹槽里，一端与第二板材连接，另一端固定在凹槽端部；电磁铁与第二板材相对间隔设置。

优选地，所述的第二板材和第三板材的材料为钢材；第二弹簧的弹簧丝直径为0.4mm-0.5mm，螺距为1mm-1.2mm，圈数为16-20。

优选地，所述的凹槽的深度为10mm。

优选地，所述的主腔体为鱼雷状，主腔体上表面中部前端设置有拖曳部件和吊环。

优选地，所述的固定三角水平翼的尾部与主腔体末端距离为120-150mm；所述的固定垂直翼的尾部与主腔体的末端距离为550-560mm，固定垂直翼的与固定三角水平翼最外端距离为300-350mm；固定垂直翼的另一端与鱼雷状浮体焊接，固定垂直翼的尾部与鱼雷状浮体的末端距离为130-150mm。

本实用新型固定三角水平翼鳐鱼型

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点与有益效果：

(1)对水下航行器的升降实现快速控制。本实用新型利用正交齿轮、传动带和万向轮直接使铁块传动，通过万向轮在轨道板上移动，滑动摩擦变为滚动，铁块移动更加快速，由于轨道板在主腔体中轴向设置，可以充分利用主腔体长度空间，通过铁块在主腔体轴向快速移动，实现对水下航行器的升降快速控制。

(2)适应性高，使用范围广。本实用新型的重心调节机构采用带有弹簧的装载车可以装载不同大小的铁块，从而使调节机构调节不同重量的铁块，以适应多种航速、多种载重状态、多种拖曳深度的航行状态，扩大了航行器的使用范围，提高了其适应性。两个鱼雷状浮体的艉部装有螺旋桨推进器既可以作为转艏控制器，也可以作为推进器，提供推力以帮助水下航行器实现自航，使得水下航行器从拖曳式转为自主航行式，从而完成从大范围广泛探测到小范围精准探测的使用方式的转变。

(3)操纵结构简单。本实用新型只需控制3个电机的转动，即重心移动的步进电机、螺旋桨推进器的两个水密电机，就可以实现多自由度的操纵。具体地，步进电机转动通过传动带传动铁块移动，改变航行器的重心，使整个航行器艏倾或者艉倾，使固定水平攻角发生变化，产生升力和迫沉力，实现整个航行器升沉运动；左右两个水密电机带动螺旋桨转动，同时控制两个螺旋桨不同的转速或转速，使螺旋桨产生不同大小或方向的推力，使整个航行器产生转艏，改变两个固定垂直翼的攻角，产生向左和向右的力，实现整个航行器的转艏运动。

(4)自身稳定性高。对于水下航行器来说，保证自身运动稳定性是关键。本实用新型有两个固定三角水平翼、两个垂直翼、两个斜翼以及尾翼可以保证一定速度下，航向的稳定性。同时两个固定三角水平翼和主腔体保证了航行器浮心的高度，两个鱼雷状浮体可以装载较重的仪器或者直接加重铁块降低了重心高度，同时，具有较大的固定三角水平翼，同时增大了横摇力臂，保证了航行器的横稳性。航行器的所有组成部分均采用流线型外形，控制机构在主腔体内，除了主要机翼之外没有多余的附加结构，保证了航行器表面的流场的均匀性，从而减小了水阻力，也就降低了拖缆所承受的拉力，降低了拖缆断裂或滑脱的风险。同时翼型外形降低了水流的扰动，避免产生漩涡，使水流平稳流过航行器，对于保持航行器姿态稳定是有利的。

(5)仪器布置灵活。本实用新型具有三个腔体，分别是主腔体和两个鱼雷状浮体，可用来灵活布置使用所需设备和仪器，同时由于腔体空间大，进行良好分舱后，两个鱼雷状浮体不仅可作为设备仪器舱使用，还可作为压载舱使用，同时主腔体不仅可以作为控制舱使用，也可划分出足够的浮力舱以帮助航行器提高浮心，增大自身航向、姿态稳定性。

附图说明

图1是拖曳自航两用多自由度操纵水下航行器立体示意图；

图2是图1的外形结构左视图；

图3是图1的外形结构前视图；

图4是图1的外形结构俯视图；

图5是图1中重心调节机构的装载车内部示意图；

图6是图1中重心调节机构的装载车底部示意图；

图7是图1中重心调节机构的制动器示意图；

图8是图1中重心调节机构的立体示意图。

图中示出：主腔体1、固定三角水平翼2、固定垂直翼3、斜翼支撑4、鱼雷状浮体5、推进器6、拖曳部件7、吊环8、轨道板9、步进电机10、电磁铁11、正交齿轮12、永磁铁13、第一弹簧14、轴承15、杆件16、第一板材17、万向轮18、弹簧安装板19、制动器20、装载车21、传动轮22、传动带23、尾翼24、第二弹簧25、轴26、第二板材27、第三板材28、底座29。

具体实施方式

为更好地理解本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型的实施方式不限于如下所述。

如图1-4所示，拖曳自航两用多自由度操纵水下航行器，主要包括：主腔体1、两个固定三角水平翼2、两个固定垂直翼3、两个斜翼支撑4、两个鱼雷状浮体5、两个推进器6、尾翼24和重心调节机构。两个固定三角水平翼2对称设置在主腔体1前部两侧，两个鱼雷状浮体5分别位于两个固定三角水平翼2下端，每个鱼雷状浮体5通过固定垂直翼3和斜翼支撑4分别与固定三角水平翼2和主腔体1连接；两个鱼雷状浮5后部装有螺旋桨推进器6；

重心调节机构在主腔体1中轴向设置，如图5-8所示，重心调节机构主要包括轨道板9、步进电机10、正交齿轮12、轴承15、轴26、底座29、制动器20、装载车21、传动轮22、传动带23；底座29为两块，分别设置在主腔体1前后两端，轴26的下端通过轴承15与底座29连接，轴26的上端与传动轮22连接，两个传动轮22通过传动带23连接；底座29中的一个轴26上设有正交齿轮12，正交齿轮12还分别与步进电机10和制动器20连接；装载车21上端与传动带23连接，装载车21的底部设有万向轮18，万向轮18与轨道板9活动连接，轨道板9设置在两块底座29之间。

如图5、6所示，装载车21主要包括第一板材17、弹簧安装板19、杆件16、第一弹簧14、万向轮18和永磁铁13。第一板材17有五块，包括一块底部设置的第一板材17和分别与底部第一板材四周连接的四块第一板材17，五块第一板材17组成上端开口的框结构，框结构内放置重心调节用的铁块，每块四周设置的第一板材17上都设有永磁铁13；连接杆件16有8根，每根杆件16一端与一块第一板材17连接，另一端与第一弹簧14连接，第一弹簧14与弹簧安装板19连接，弹簧安装板19固定设置在底部设置的第一板材17边缘处，优选每块四周设置的第一板材17上设有两根连接杆件16；万向轮18设置在底部设置的第一板材17下端。通过第一弹簧14的伸缩可以装上不同大小，不同质量的铁块以适应不同的装载和航行状态。另外，每块第一板材17上的永磁铁13可以很好的锁住铁块，保证航行过程中铁块的稳定性。四周设置的第一板材17中一块与传动带23连接实现装载车21上端与传动带23连接。

两块底座29的间距优选为600-800mm，可以通过不同装载和航行情况调节两块底座29的距离；轴26直径优选为8-10mm，长度优选为120-150mm；传动轮22的直径优选为120-150mm；第一板材17的材料优选用钢材，第一板材17尺寸优选为100mm×100mm×5mm，弹簧安装板19的尺寸优选为10mm×10mm×5mm；杆件16需要8根，直径优选为8-10mm，长度优选为90-100mm；第一弹簧14优选8个，弹簧丝直径优选为0.8-1mm，螺距优选为4mm-5mm，圈数优选为20-25；永磁铁13选用方形磁片，规格优选为100mm×50mm×5mm，万向轮18采用2寸小型脚轮。

如图7所示，制动器20主要包括电磁铁11、第二板材27、第三板材28以及第二弹簧25；底座29上设有凹槽，第三板材28活动设置在凹槽中，第三板材28与正交齿轮12活动连接，第二板材27垂直设置凹槽上端，第二板材27和第三板材28固接，优选第二板材27焊接在第三板材28中部，第二弹簧25设置在凹槽里，一端与第二板材27连接，另一端固定在凹槽端部；优选凹槽的深度为10mm；电磁铁11与第二板材27相对间隔设置，通过对电磁铁通电和断电进而吸引和放开第二板材27，进而控制第三板材28与正交齿轮12的连接，实现制动控制。第二板材27和第三板材28的材料优选为钢材；第二弹簧25的弹簧丝直径优选为0.4mm-0.5mm，螺距优选为1mm-1.2mm，圈数优选为16-20。

主腔体1为鱼雷状，主腔体上表面中部前端设置有拖曳部件7和吊环8。

推进器包括水密电机和导管螺旋桨，水密电机与螺旋桨通过传动轴，安装在两个鱼雷状浮体的5尾部。通过控制两个螺旋桨推进器6，使其具有不同的转速和转向，实现一种差动控制，利用这种方式来使航行器转艏一个小角度，诱导固定垂直翼3的等效攻角变化，使固定垂直翼3两侧产生压力差，从而使得其产生转艏力，从而实现航行器的转艏运动。

航行器外部没有其余过多的机构和部件，从而减小了水阻力。固定三角水平翼2设置在主腔体的两侧，左右对称布置，固定三角水平翼2的尾部与主腔体1末端距离优选为120-150mm。固定垂直翼一端与固定三角水平翼2垂直连接，固定垂直翼3的尾部与主腔体1的末端距离优选为550-560mm，固定垂直翼3的与固定三角水平翼2最外端距离优选为300-350mm。固定垂直翼的另一端与鱼雷状浮体5焊接，固定垂直翼3的尾部与鱼雷状浮体5的末端距离优选为130-150mm。

步进电机10与制动器20布置在一侧，步进电机10与一个正交齿轮12轴向连接，另一个正交齿轮12(位于底座的上面)与轴26轴向连接，两个连接处均采用键连接，防止相对滑动。第三板材28在弹簧14弹力作用下，插入正交齿轮12的齿缝中，使转动卡死，进而使装载车21和里面的铁块固定在一个位置，电磁铁11通电产生引力吸引第二板材27和第三板材28离开齿缝，此时转动恢复。装载车21放置在传动带23内，装载车21的一边和传动带23连接。步进电机10和电磁铁11采用并联的方式，开关设在电路的干路上，保证步进电机和电磁铁的同步开启和关闭。

水下航行器的升沉操作如下：首先选择所需要的铁块放置在装载车21内，控制电磁铁11吸引两块正交连接的第二板材27和第三板材28，使第三板材28脱离齿缝，恢复转动，步进电机10转动，通过正交齿轮12传动带动传动轮22转动，进而通过传动带23带动装载车21和铁块在轨道板9上移动，最后实现整体重心的移动。重心移动之后，使整个航行器因为重心的移动产生艏倾或艉倾，改变了固定三角水平翼2的攻角，进而产生升力和迫沉力使航行器上升和下沉。

在一些小区域探测时，需要母船在一定区域停止时、需在小区域进行精确探测时，拖缆不再提供拖曳力，传统的航行器无法自主航行，从而无法进行小区域的探测、勘探活动。而本拖曳自航两用多自由度操纵水下航行器通过脐带缆提供电能，通过鱼雷状浮体5尾部的螺旋桨6提供推力，从而使水下航行器实现自航，水下航行器从拖曳式转为自主航行式，从而完成从大范围广泛探测到小范围精准探测的使用方式的转变。

本实用新型拖曳自航两用多自由度操纵水下航行器在工作过程中：

先根据不同探测任务，在主腔体1以及鱼雷状浮体5内部布置相应类型的海洋化学元素探测器、物理探测传感器等设备。在拖曳部件7上选择合适位置的拖缆孔，将拖缆连接于该拖缆孔处，进行拖曳。根据拖曳情况，调整在鱼雷状浮体5内部的配重，以使航行器保持良好稳定的拖航姿态。

拖曳时，对重心调节机构中的步进电机10和电磁铁11通电，解锁卡死状态，通过步进电机10的转动来带动装载车和里面的铁块移动，改变航行器的重心，借此来使航行器产生艏倾和艉倾，改变固定三角水平翼2的等效攻角来实现航行器的下沉和上升，实现对航行器的深度控制。通过控制两个螺旋桨6产生不同的转速和转向，实现一种差动控制，利用这种方式来使航行器转艏一个小角度，诱导固定垂直翼3的等效攻角变化，使固定垂直翼3两侧产生压力差，从而使得其产生转艏力，从而实现航行器的转艏运动。

自航时，脐带缆提供电能使鱼雷状浮体尾部的螺旋桨提供推力，而自航时，需要转向，则通过控制两个螺旋桨6产生不同的转速和转向，实现一种差动控制，利用这种方式来使航行器转艏一个小角度，诱导固定垂直翼3的等效攻角变化，使固定垂直翼3两侧产生压力差，从而使得其产生转艏力，从而实现航行器的转艏运动，当转到目标角度后，使螺旋桨6恢复相同的转速和转向，使拖曳沿此方向推进。同时重心调节机构使航行器的重心移动使航行器艏倾和艉倾，改变固定三角水平翼2的攻角，使航行器产生升沉运动。通过以上方法来实现航行器多自由度自主航行。

如上所述，可以很好的实现本拖曳自航两用双侧翼型多自由度控制无人水下航行器的功能。本实用新型不受上述实施方式约束，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的替代方式，都包含在本发明的保护范围之内。