本发明涉一种滑翔机，尤其是涉及一种复合三体式水下智能滑翔机及其设计方法。
背景技术：
1、随着海洋观测的需求不断提高，传统的观测方式，如调查船、浮标、海洋观测卫星等存在探测范围小、机动性较差或成本高等缺点，已经不能满足海洋观测的要求。近年来，水下航行器在海洋观测领域取得了广泛的应用，水下滑翔机就是其中一种较为重要的海洋观测平台。但是，目前市面上的水下滑翔机多为单体式结构，且多数用于水下领域，功能较为单一；此外，由于海底环境复杂多变，但由于现有滑翔机空间局限性等问题，使其大多只具有一种运动模式，缺乏灵活性，因此在作业时有时无法满足更高的要求。
技术实现思路
1、发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种复合三体式水下智能滑翔机，丰富其功能性，提高其运动灵活性。并提供了其设计方法。
2、技术方案：一种复合三体式水下智能滑翔机，包括三体艇本体以及安装与其上的快捷浮态调节系统、滑翔系统、智能推操系统、智能控制系统，三体艇本体包括下部艇体、上部艇体，下部艇体平行间隔设有两个，两者之间通过前后设置的两个横向水翼连接，上部艇体设置于下部艇体的上方并与其平行，上部艇体的相对两侧分别通过一个斜向水翼与对应的一个下部艇体连接，三者的连线构成一个等腰三角形，两个横向水翼分别通过一个十字水翼与上部艇体连接；快捷浮态调节系统设有两个，分别安装于上部艇体的艏部和艉部，滑翔系统包括可转动水翼、舵机一，两个十字水翼上分别安装有可转动水翼，每个可转动水翼分别通过一个舵机驱动；智能推操系统包括螺旋桨推进器、螺旋轮、电机、舵机二，螺旋桨推进器设有两个，分别安装于两个下部艇体的尾端，螺旋轮设有两组，每组两个，其中一组分别安装于两个下部艇体底部的中段并分别配置有一个电机，另一组分别安装于两个下部艇体底部的前段并分别配置有一个舵机二；快捷浮态调节系统、舵机一、螺旋桨推进器、电机、舵机二分别与智能控制系统信号连接。
3、水翼片采用轻质、高强度的材料制造，具有良好的耐用性和抗腐蚀性。
4、效能和可靠性兼优的滑翔系统根据自身受力的变化，能够自动调整水翼的形态和角度，以维持滑翔机的稳定性和效率，并配合浮态调整系统，实现滑翔功能。
5、进一步的，快捷浮态调节系统包括高压泵、储液舱、进排水口、管道、电磁阀门、压力传感器，高压泵安装于上部艇体的艏部或艉部，储液舱设置于上部艇体内，储液舱上设有进排水口，进排水口通过管道及电磁阀门与高压泵连接，压力传感器安装于管道上。通过高压泵向储液舱内抽排水实现改变浮力大小。
6、进一步的，智能控制系统包括主控系统，主控系统配有电源，水下探测传感组件与主控系统连接，水下探测传感组件包括固定式摄像头、水下照明灯、惯性导航系统、gps定位系统、全方位声纳，固定式摄像头安装于上部艇体艏部，水下照明灯设有两个，分别安装于两个下部艇体的艏部，惯性导航系统、gps定位系统、全方位声纳分别安装于其中一个下部艇体中。
7、进一步的，上部艇体与下部艇体的长度比为0.65～0.95，两个下部艇体及一个上部艇体三者构成的等腰三角形的顶角为90°～120°。
8、最佳的，三体艇本体的长径比为5～12最大长度为2～50m，设计航速为0.1～3.6节，三体艇本体的的最大宽度为最大长度的0.15～0.65倍，下部艇体长度为三体艇本体最大长度的0.75～0.92倍。
9、最佳的，下部艇体和上部艇体的艏段均为半椭球体，艉段均为圆锥体，中段为圆柱体。
10、从autosub型和hugin型两种艇体结构设计出发，艇型设计采用回转体的设计，另外回转体需要设计布放装置，保证静止放置时不发生翻转，同时兼顾不同航速设计的需求。考虑到以上因素，对回转体uuv艇体底部型线做部分的修改，分别在首尾距离平行中底的部分利用bpline曲线进行过度。
11、最佳的，横向水翼为厚度比为0.15～0.28的对称翼型；十字水翼的截面呈十字形，其铅锤翼为厚度比等于0.1～0.26的对称翼型，水平翼呈弓形，厚度比为0.05～0.16，水平翼可在与铅锤翼的相交处绕轴沿顺时针或逆时针转动0°～20°。
12、最佳的，两个下部艇体上分别设置有配重块。
13、一种上述的复合三体式水下智能滑翔机的设计方法，包括以下步骤：
14、步骤一：设计变量；
15、设下部艇体的艏段长度为l1，中段长度为l2，艉段长度为l3，下部艇体横剖面宽度为b1，上部艇体艏段长度为l4，中段长度为l5，尾段长度为l6，上部艇体横剖面宽度为b2，滑翔机最大长度为l7，滑翔机最大宽度为b，高度为h，设计航速为vs，螺旋桨直径为dp，螺旋桨盘面比为aeo，螺旋桨转速为n，螺旋桨浮心纵向位置为lcb，螺旋桨重心纵向位置为xg，螺旋桨螺距比为p/d，可转动水翼面积为s1，可转动水翼弦长为l8；
16、步骤二：目标函数确定；
17、对于滑翔机的快速性，选用海军系数作为快速性目标函数，并且目标函数值越大越好，因此：
18、
19、式中：v——设计航速；δ——设计排水量；pe——有效马力；
20、对于滑翔机的操纵性，将无因次化的回转性指数k'和直航稳定性衡准数c'以及俯仰运动q'采用幂指数乘积的形式组合到一起作为滑翔机操纵性的指标，则操纵性目标函数为：
21、
22、式中：y′δ——横漂力对垂直航向角的导数；n′r——偏航力矩对垂荡角速度的导数；y′r——横漂力对垂荡角速度的导数；m′——质量的无因次值；n′δ——偏航力矩对垂直航向角的导数；sin'(2πft+θ)——俯仰运动函数的导数；
23、对于滑翔机滑翔性能，将考虑其浮力与重力的关系变化，以f3(x)作为功能性目标函数，其表达式为：
24、
25、式中：f为浮力与重力的代数和、m为f到滑翔机中心的距离、v为排水量、x为艇长；
26、综合以上三个方面构建总目标函数f(x)，其表达式为：
27、f(x)＝f1σ1*f2σ2*f3σ3
28、式中：σ1，σ2，σ3＞0，σ1*σ2*σ3＝1。
29、有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：
30、本发明增加了水下滑翔机的水路两栖三态功能，使其可实现在恶劣地表上的行走及海底运动模式的灵活多变。采用等腰三角形式三艇体，通过调节艇体内的高压水泵的体积，从而在水平翼的辅助下进行滑翔运动。且本发明的三体结构为后续的优化改进预留足够的空间，以便后期进行改进。
1.一种复合三体式水下智能滑翔机，其特征在于：包括三体艇本体(1)以及安装与其上的快捷浮态调节系统(2)、滑翔系统、智能推操系统、智能控制系统，三体艇本体(1)包括下部艇体(1-1)、上部艇体(1-2)，下部艇体(1-1)平行间隔设有两个，两者之间通过前后设置的两个横向水翼(1-3)连接，上部艇体(1-2)设置于下部艇体(1-1)的上方并与其平行，上部艇体(1-2)的相对两侧分别通过一个斜向水翼(1-4)与对应的一个下部艇体(1-1)连接，三者的连线构成一个等腰三角形，两个横向水翼(1-3)分别通过一个十字水翼(1-5)与上部艇体(1-2)连接；快捷浮态调节系统(2)设有两个，分别安装于上部艇体(1-2)的艏部和艉部，滑翔系统包括可转动水翼(3-1)、舵机一(3-2)，两个十字水翼(1-5)上分别安装有可转动水翼(3-1)，每个可转动水翼(3-1)分别通过一个舵机(3-2)驱动；智能推操系统包括螺旋桨推进器(4-1)、螺旋轮(4-2)、电机(4-3)、舵机二(4-4)，螺旋桨推进器(4-1)设有两个，分别安装于两个下部艇体(1-1)的尾端，螺旋轮(4-2)设有两组，每组两个，其中一组分别安装于两个下部艇体(1-1)底部的中段并分别配置有一个电机(4-3)，另一组分别安装于两个下部艇体(1-1)底部的前段并分别配置有一个舵机二(4-4)；快捷浮态调节系统(2)、舵机一(3-2)、螺旋桨推进器(4-1)、电机(4-3)、舵机二(4-4)分别与智能控制系统信号连接。
2.根据权利要求1所述的一种复合三体式水下智能滑翔机，其特征在于：快捷浮态调节系统(2)包括高压泵(2-1)、储液舱(2-2)、进排水口(2-3)、管道(2-4)、电磁阀门(2-5)、压力传感器(2-6)，高压泵(2-1)安装于上部艇体(1-2)的艏部或艉部，储液舱(2-2)设置于上部艇体(1-2)内，储液舱(2-2)上设有进排水口(2-3)，进排水口(2-3)通过管道(2-4)及电磁阀门(2-5)与高压泵(2-1)连接，压力传感器(2-6)安装于管道(2-4)上。
3.根据权利要求1所述的一种复合三体式水下智能滑翔机，其特征在于：智能控制系统包括主控系统，主控系统配有电源(5-1)，水下探测传感组件(5-2)与主控系统连接，水下探测传感组件(5-2)包括固定式摄像头、水下照明灯、惯性导航系统、gps定位系统、全方位声纳，固定式摄像头安装于上部艇体(1-2)艏部，水下照明灯设有两个，分别安装于两个下部艇体(1-1)的艏部，惯性导航系统、gps定位系统、全方位声纳分别安装于其中一个下部艇体(1-1)中。
4.根据权利要求1所述的一种复合三体式水下智能滑翔机，其特征在于：上部艇体(1-2)与下部艇体(1-1)的长度比为0.65～0.95，两个下部艇体(1-1)及一个上部艇体(1-2)三者构成的等腰三角形的顶角为90°～120°。
5.根据权利要求1所述的一种复合三体式水下智能滑翔机，其特征在于：三体艇本体(1)的长径比为5～12最大长度为2～50m，设计航速为0.1～3.6节，三体艇本体(1)的的最大宽度为最大长度的0.15～0.65倍，下部艇体(1-1)长度为三体艇本体(1)最大长度的0.75～0.92倍。
6.根据权利要求1所述的一种复合三体式水下智能滑翔机，其特征在于：下部艇体(1-1)和上部艇体(1-2)的艏段均为半椭球体，艉段均为圆锥体，中段为圆柱体。
7.根据权利要求1所述的一种复合三体式水下智能滑翔机，其特征在于：横向水翼(1-3)为厚度比为0.15～0.28的对称翼型；十字水翼(1-5)的截面呈十字形，其铅锤翼为厚度比等于0.1～0.26的对称翼型，水平翼呈弓形，厚度比为0.05～0.16，水平翼可在与铅锤翼的相交处绕轴沿顺时针或逆时针转动0°～20°。
8.根据权利要求1所述的一种复合三体式水下智能滑翔机，其特征在于：两个下部艇体(1-1)上分别设置有配重块。
9.一种如权利要求1～8任一所述的复合三体式水下智能滑翔机的设计方法，其特征在于包括以下步骤：