仿生气动跨介质航行器及其跨介质调节方法

本申请属于航行器，尤其涉及一种仿生气动跨介质航行器及其跨介质调节方法。

背景技术：

1、跨介质航行器是一种能够在不同介质之间自由切换的飞行器，随着技术的发展，跨介质航行器在许多领域展现出了巨大的应用潜力，例如海洋环境监测、水下考古和救援行动等；然而，跨介质航行器在实际应用中面临着诸多挑战，跨介质航行器需要具备高效的折展机构以在空气和水两种介质之间进行切换。相关技术中，跨介质航行器的折展机构通常采用机械结构或液压系统，虽然能够实现折展和出水功能，但存在结构复杂、维护困难和耗能高等缺点。

技术实现思路

1、本申请实施例提供一种仿生气动跨介质航行器及其跨介质调节方法，在航行器处于不同介质模态下，通过多气囊协同控制实现了折叠翼的低能耗折展调节。

2、第一方面，本申请实施例提供了一种仿生气动跨介质航行器，该跨介质航行器包括壳体组件、折叠组件、锁定组件和集气组件，壳体组件具有呈仿生飞鱼状的气动外形结构且包括沿其自身轴向贯序排列的腹部和尾部，折叠组件包括两个与所述腹部相连的折叠翼，所述折叠翼包括相互连接的薄膜和多个刚性杆，相邻的所述刚性杆之间设有可收缩的硬质气囊，所述多个刚性杆能够与多个所述硬质气囊的外表面相互牵连地同步位移，锁定组件包括第一电磁锁和第二电磁锁且两者均包括电磁线圈和复位弹簧，以使两者在通电后相互锁紧并在断电后彼此分离，所述第一电磁锁和所述第二电磁锁分别安装于所述折叠翼和所述尾部，集气组件包括彼此邻接的调控件和储气件，所述调控件包括气泵，所述气泵与所述硬质气囊和所述储气件相互连通。

3、根据本申请实施例的第一方面，所述尾部的内腔中设有文丘里管，所述文丘里管包括依次邻接且连通的收缩段、喉管和扩张段，所述收缩段的内径沿自身轴向梯次变化，且其远离所述喉管的第一端内径大于邻接所述喉管的第二端内径且两者具有预设映射关系，所述收缩段的第一端为第一通气口且延伸至所述腹部的内腔。

4、根据本申请实施例的第一方面，所述扩张段远离所述喉管的一端为射流口，所述射流口和所述第一通气口沿所述喉管的轴向相对设置，所述喉管的侧部连接有进水管，所述进水管远离所述喉管的一端为进水口。

5、根据本申请实施例的第一方面，所述调控件还包括第一控制阀和第二控制阀，所述气泵通过第一母管与所述储气件连通，所述第二母管的侧部连接有第一支管和第二支管；其中，所述第一支管与所述第一通气口连接，所述第二支管与所述硬质气囊连通，所述第一控制阀和所述第二控制阀分别安装于所述第一支管和所述第二支管。

6、根据本申请实施例的第一方面，所述集气组件还包括过滤件和收集件，所述收集件具有多个开设于所述腹部的第二通气口，所述第二通气口、所述过滤件和所述储气件贯序排列且构成连通的通路。

7、根据本申请实施例的第一方面，所述硬质气囊的气囊底座开设有第三通气口，所述硬质气囊通过所述第三通气口与所述第二支管连通。

8、根据本申请实施例的第一方面，所述收集件还包括第三母管，所述第二通气口通过所述第三母管与所述过滤件相连，所述第三母管上设有第三控制阀，所述第二通气口邻接有与所述第三控制阀电连接的压力传感器。

9、根据本申请实施例的第一方面，该跨介质航行器还包括控制系统和传感器组，所述控制系统与远程控制室以及所述传感器组通信连接，所述传感器组包括姿态传感器、深度计、高度计和入水传感器中的至少一者。

10、根据本申请实施例的第一方面，所述壳体组件还包括呈锥状的头部，所述头部与所述腹部相连且两者处于水密区以隔绝水汽，所述尾部远离所述腹部的一端连接有尾鳍。

11、第二方面，本申请实施例提供了一种跨介质调节方法，该跨介质调节方法包括：通过传感器组采集航行器的航行数据信息，所述航行数据信息用于表征所述航行器的行驶姿态、当前位置、入水深度和航行高度；基于预设航行信息和所述航行数据信息，确定所述航行器是否需要进行跨介质调节；在所述航行器需要进行跨介质调节的情况下，确定所述航行器当前的跨介质状态，所述跨介质状态包括从水下模态转换至空中模态，以及从空中模态转换至水下模态；通过控制系统发送第一指令调节集气组件，改变第一电磁锁和第二电磁锁的通断电状态以及硬质气囊的充放气状态，以对所述航行器进行跨介质调节。

12、根据本申请实施例的第二方面，在所述通过控制系统发送第一指令调节集气组件，改变第一电磁锁和第二电磁锁的通断电状态以及硬质气囊的充放气状态，以对所述航行器进行跨介质调节之前，所述方法还包括：基于所述航行数据信息判断是否需要对所述航行器的行驶姿态进行调整；在需要对所述航行器的行驶姿态进行调整的情况下，通过控制系统发送第二指令开启气泵和第一控制阀，以使储气件内部的气体转化为高压气体并从航行器的尾部喷出以调节行驶姿态；通过所述传感器组采集所述航行器在姿态调整后的行驶姿态，在确定所述航行器调整至目标姿态的情况下，关闭所述气泵和所述第一控制阀。

13、根据本申请实施例的第二方面，在所述跨介质状态为从水下模态转换至空中模态的情况下，所述通过控制系统发送第一指令调节集气组件，改变第一电磁锁和第二电磁锁的通断电状态以及硬质气囊的充放气状态，以对所述航行器进行跨介质调节，包括：通过所述传感器组获取所述航行器的当前位置，判断所述航行器是否行驶至介质临界面；在确定所述航行器行驶至所述介质临界面的情况下，对第一电磁锁和第二电磁锁进行断电处理；开启第二控制阀并启动气泵对硬质气囊进行充气以展开折叠翼，并在所述折叠翼完全展开后关闭所述气泵和所述第二控制阀；通过与第三控制阀电连接的压力传感器监测所述航行器是否处于空中模态，在所述航行器处于空中模态的情况下，开启所述第三控制阀和所述气泵以对储气件进行集气。

14、本申请实施例提供的仿生气动跨介质航行器及其跨介质调节方法，在壳体组件腹部的两侧设置两个折叠翼，折叠翼采用多个刚性杆作为骨架，各刚性杆的位置通过多个硬质气囊协同控制，由于硬质气囊夹设在刚性杆邻近壳体组件的根部位置，在使用气泵和储气件向硬质气囊充气的过程中，硬质气囊体积膨胀能够牵连刚性杆和薄膜同步位移以使折叠翼展开；相应地，在通过气泵将硬质气囊内部气体抽回储气件的过程中，折叠翼随硬质气囊变形进行折叠收缩；在折叠翼收缩变形后，通过对第一电磁锁和第二电磁锁进行通电，能够将收缩后的折叠翼固定在壳体组件的表面；本申请通过多个硬质气囊的协同控制实现了折叠翼的低能耗折展调节，无需使用复杂的机械结构以及高能耗的液压系统，便能够满足航行器在不同介质模态下的航行需求。

技术特征：

1.一种仿生气动跨介质航行器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的仿生气动跨介质航行器，其特征在于，所述尾部（12）的内腔中设有文丘里管（6），所述文丘里管（6）包括依次邻接且连通的收缩段（61）、喉管（62）和扩张段（63），所述收缩段（61）的内径沿自身轴向梯次变化，且其远离所述喉管（62）的第一端内径大于邻接所述喉管（62）的第二端内径且两者具有预设映射关系，所述收缩段（61）的第一端为第一通气口（a）且延伸至所述腹部（11）的内腔。

3.根据权利要求2所述的仿生气动跨介质航行器，其特征在于，所述扩张段（63）远离所述喉管（62）的一端为射流口（b），所述射流口（b）和所述第一通气口（a）沿所述喉管（62）的轴向相对设置，所述喉管（62）的侧部连接有进水管（64），所述进水管（64）远离所述喉管（62）的一端为进水口（c）。

4.根据权利要求2所述的仿生气动跨介质航行器，其特征在于，所述调控件（4）还包括第一控制阀（42）和第二控制阀（43），所述气泵（41）通过第一母管（44）与所述储气件（5）连通，所述第二母管（45）的侧部连接有第一支管（46）和第二支管（47）；

5.根据权利要求4所述的仿生气动跨介质航行器，其特征在于，所述集气组件还包括过滤件（7）和收集件，所述收集件具有多个开设于所述腹部（11）的第二通气口（d），所述第二通气口（d）、所述过滤件（7）和所述储气件（5）贯序排列且构成连通的通路；和/或，

6.根据权利要求5所述的仿生气动跨介质航行器，其特征在于，所述收集件还包括第三母管，所述第二通气口（d）通过所述第三母管与所述过滤件（7）相连，所述第三母管上设有第三控制阀，所述第二通气口（d）邻接有与所述第三控制阀电连接的压力传感器。

7.根据权利要求1所述的仿生气动跨介质航行器，其特征在于，还包括控制系统和传感器组，所述控制系统与远程控制室以及所述传感器组通信连接，所述传感器组包括姿态传感器、深度计、高度计和入水传感器中的至少一者；和/或，

8.一种跨介质调节方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的跨介质调节方法，其特征在于，在所述通过控制系统发送第一指令调节集气组件，改变第一电磁锁（31）和第二电磁锁（32）的通断电状态以及硬质气囊（23）的充放气状态，以对所述航行器进行跨介质调节之前，所述方法还包括：

10.根据权利要求8所述的跨介质调节方法，其特征在于，在所述跨介质状态为从水下模态转换至空中模态的情况下，所述通过控制系统发送第一指令调节集气组件，改变第一电磁锁（31）和第二电磁锁（32）的通断电状态以及硬质气囊（23）的充放气状态，以对所述航行器进行跨介质调节，包括：

技术总结
本申请实施例提供了一种仿生气动跨介质航行器及其跨介质调节方法，该航行器包括壳体组件、折叠组件、锁定组件和集气组件，折叠组件包括两个折叠翼，折叠翼包括薄膜和多个刚性杆，相邻的刚性杆之间设有可收缩的硬质气囊，锁定组件包括第一电磁锁和第二电磁锁且两者在通电后相互锁紧并在断电后彼此分离，集气组件包括调控件和储气件，调控件包括气泵，气泵与硬质气囊和储气件相互连通。本申请在壳体组件腹部的两侧设置两个折叠翼，折叠翼采用多个刚性杆作为骨架，各刚性杆的位置通过多个硬质气囊协同控制实现了折叠翼的低能耗折展调节，无需使用复杂的机械结构以及高能耗的液压系统，便能够满足航行器在不同介质模态下的航行需求。

技术研发人员：段慧玲,刘嘉琳,李宏源,刘珂,徐保蕊,吕鹏宇
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/19