一种基于涡旋运动的碟形水下航行器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于涡旋运动的碟形水下航行器，采用碟状导流罩，碟状导流罩的周向设有至少一个周向推进器，碟状导流罩的垂向设有涡旋生成机构和至少一个垂向推进器。周向推进器用于驱动航行器在碟状导流罩水平面内的运动；垂向推进器用于驱动航行器在碟状导流罩垂直方向上的运动；涡旋生成机构用于产生相对于吸附面的吸附力。本发明专利技术提出一种基于涡旋吸附机制实现物体表面吸附的新技术，使得水下航行器具有牢靠的表面吸附能力；配合推进器的推进作用，航行器兼具爬行和游行全向运动能力，较现有爬行或游行水下航行器有航行速度快、运动控制敏捷的优点。根据需要搭载探测传感器和作业工具，可用于执行水下工程检测、应急搜索及施工作业等任务。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于海洋调查和监测领域，具体涉及一种基于涡旋运动的碟形水下航行器。
技术介绍
自主水下航行器集传感、通信、导航、控制、能源、推进等技术于一体，是近二十年来国际海洋工程领域发展的最尖端的技术之一，由于其低成本、机动能力强及高自治性的优势，近年来已成为海洋环境三维动态观测的重要工具。现有自主水下航行器通常有两种典型运动形式：游行和爬行。游行的水下航行器大多是细长流线型，运动时处于中性浮力或微正浮力状态，有的采用螺旋桨和控制舵分别进行驱动和姿态调整，如常规自主水下航行器，有的采用浮力调节机构和重心调节机构(或尾舵)分别进行驱动和姿态调整，如水下滑翔机。游行的水下航行器能够快速航行，但是运动控制灵敏性不高。爬行的水下航行器一般是仿生流线型，运动时处于负浮力状态，采用多足仿生、电磁吸附或真空吸附的方式实现爬行运动，因为需要多个执行机构协调控制实现爬行动作，因此爬行速度较低。现有自主水下航行器难以同时兼具高速、敏捷的游行和爬行运动能力，能够提供的表面吸附能力有限且受应用场合限制，因此不易执行快速、准确的目标搜索及水下负载作业任务。
技术实现思路
本专利技术旨在突破国内现有潜水器设计理念、技术限制及运用方式，提出一种基于涡旋运动的碟形水下航行器。该航行器基于涡旋吸附机制并配合多个推进器的推进作用，不但兼具高速、敏捷的游行和爬行运动能力，而且还能实现牢靠的静止保持及高效的全向运动。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于涡旋运动的碟形水下航行器，采用碟状导流罩，碟状导流罩的周向设有至少一个周向推进器，碟状导流罩的垂向设有涡旋生成机构和至少一个垂向推进器。所述碟状导流罩，降低了航行器在碟状导流罩水平面内各个方向运动的阻力；所述周向推进器，用于驱动航行器在碟状导流罩水平面内的运动；所述垂向推进器，用于驱动航行器在碟状导流罩垂直方向上的运动；所述涡旋生成机构，基于涡旋吸附机制为航行器提供相对于吸附面的吸附力。进一步地，所述涡旋生成机构由半开放式杯状外壳、叶轮及其驱动机构组成，所述叶轮驱动机构与半开放式杯状外壳密封连接。进一步地，所述叶轮采用S形叶片，S形叶片宽度由外向内至轴心逐渐缩减；所述开放式杯状外壳内轮廓设有与叶轮的叶片相配合的流路，以提高叶轮的流场控制能力。进一步地，所述碟状导流罩设有中部槽道，垂向推进器设置在中部槽道上部，涡旋生成机构设置在中部槽道下部。进一步地，所述周向推进器为三个或四个，沿碟状导流罩周向均匀分布；通过设置周向推进器间的推进比率，实现航行器在碟状导流罩水平面内任意方向的快速运动控制。进一步地，至少一个周向推进器配有旋转驱动机构，用于改变周向推进器的推进方向，进行航行器俯仰姿态调节。进一步地，该航行器还包括传感探测系统，用于进行水下环境观测和目标探测。进一步地，碟状导流罩内设有至少一个耐压密封舱体，耐压密封舱体内设有电源模块、导航通信模块、系统控制模块。所述电源模块为系统所有电子器件提供电能，并具备电能分配、监测及保护功能；所述导航通信模块用于获取航行器的位置、姿态、速度、加速度信息，并实现与岸基控制中心的通信；所述系统控制模块，负责与系统各外设的数据交互，对导航传感器数据进行融合处理，进行航行器的运动控制，并实现对探测传感器数据的采集、处理及存储，同时监控系统运行状态并完成异常情况处理。进一步地，该航行器还包括与碟状导流罩可拆卸连接的中部托板，周向推进器、垂向推进器、涡旋生成机构和耐压密封舱体固定在中部托板上。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术提出的水下航行器采用低阻力碟状外形，不但有效降低航行器载体平面内各个方向运动的阻力，并减少流场环境干扰利于实现静止保持，而且为涡旋生成机构提供恰当的承载空间，还方便了多个推进器的布局。本专利技术基于涡旋吸附机制，利用内部叶轮旋转在半开放杯状壳体内外产生压差，获得相对于吸附面的吸附效果，使得航行器能够牢靠地吸附在物体表面。相较于电磁吸附和真空吸附，相同功耗下，涡旋吸附能力更强。因不需要直接接触就可以实现吸附效果，涡旋吸附的应用场合也更加广泛。在涡旋吸附力作用下，进一步配合周向推进器的推进作用，航行器能够沿着吸附面进行快速敏捷的爬行运动。涡旋生成机构停止工作时，在周向和垂向多推进器的协同推进作用下，航行器也能够在水下三维空间内完成快速灵敏的游行运动。通过合理配置周向推进器的推进比率，航行器可以实现托板平面内任意方向的敏捷运动控制，不需要借助转弯运动就可直接实现转向。配合垂向推进器的推进作用，航行器能够获得前后、侧向、上下及任意转向的全向运动能力。本专利技术提出一种基于涡旋吸附机制实现物体表面吸附的新技术，使得水下航行器具有牢靠的表面吸附能力，适用于水下负载作业场合；配合推进器的推进作用，航行器兼具爬行和游行全向运动能力，较现有爬行或游行水下航行器有航行速度快、运动控制敏捷的优点。根据需要搭载探测传感器和作业工具，可用于执行水下工程检测、应急搜索及施工作业等任务。附图说明图1为本专利技术涡旋吸附原理示意图；图2为本专利技术推进器布局方案示意图，(a)为周向3个推进器，(b)为周向4个推进器，(c)为垂向1个推进器；图3为本专利技术碟形水下航行器结构示意图，(a)为等轴侧图，(b)为仰视图，(c)为主视图，(d)为俯视图，(e)为内部俯视图，(f)为内部仰视图；图中，1为碟状导流罩，2为周向推进器，3为垂向推进器，4为涡旋生成机构，5为半开放式杯状外壳，6为叶轮，7为叶轮驱动机构，8为电池及电能管理舱，9为电池组，10为电能管理电路，11为导航通信舱，12为耐压密封舱体端盖，13为O形密封圈，14为耐压密封舱体圆柱形筒体，15为电路支架，16为无线通信模块，17为卫星通信模块，18为惯导模块，19为GPS定位模块，20为wifi模块，21为电子罗盘，22为多普勒计程仪，23为深度传感器，24为系统控制及数据采集舱，25为主控制电路，26为数据采集电路，27为水下摄像头，28为水下灯，29为成像声纳，30为托板，31为推进器旋转驱动机构，32为中部槽道，33为天线罩。具体实施方式下面对本专利技术的实施例作详细说明：本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的工作原理，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。本专利技术提供的一种基于涡旋运动的碟形水下航行器，采用碟状导流罩1，碟状导流罩1的周向设有至少一个周向推进器2，碟状导流罩1的垂向设有涡旋生成机构4和至少一个垂向推进器3。所述碟状导流罩1，降低了航行器在碟状导流罩水平面内各个方向运动的阻力；所述周向推进器2，用于驱动航行器在碟状导流罩水平面内的运动；所述垂向推进器3，用于驱动航行器在碟状导流罩垂直方向上的运动；所述涡旋生成机构4，基于涡旋吸附机制为航行器提供相对于吸附面的吸附力。进一步地，所述涡旋生成机构4由半开放式杯状外壳5、叶轮6及其驱动机构7组成，所述叶轮驱动机构7与半开放式杯状外壳5密封连接；如图1所示，其中，Fb：浮力；Fg：重力；Fa：推进力；Ff：摩擦力；Fv：吸附力。进一步地，所述叶轮6采用S形叶片，S形叶片宽度由外向内至轴心逐渐缩减；所述开放式杯状外壳5内轮廓设有与叶轮6的叶片相配合的流路，以提高叶轮的流场控制能力。进一步地，如图2中(c)所示所述碟状导流罩1设有中部槽道32，垂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于涡旋运动的碟形水下航行器，其特征在于：采用碟状导流罩(1)，碟状导流罩(1)的周向设有至少一个周向推进器(2)，碟状导流罩(1)的垂向设有涡旋生成机构(4)和至少一个垂向推进器(3)。所述碟状导流罩(1)，降低了航行器在碟状导流罩水平面内各个方向运动的阻力；所述周向推进器(2)，用于驱动航行器在碟状导流罩水平面内的运动；所述垂向推进器(3)，用于驱动航行器在碟状导流罩垂直方向上的运动；所述涡旋生成机构(4)，基于涡旋吸附机制为航行器提供相对于吸附面的吸附力。

【技术特征摘要】
1.一种基于涡旋运动的碟形水下航行器，其特征在于：采用碟状导流罩(1)，碟状导流罩(1)的周向设有至少一个周向推进器(2)，碟状导流罩(1)的垂向设有涡旋生成机构(4)和至少一个垂向推进器(3)。所述碟状导流罩(1)，降低了航行器在碟状导流罩水平面内各个方向运动的阻力；所述周向推进器(2)，用于驱动航行器在碟状导流罩水平面内的运动；所述垂向推进器(3)，用于驱动航行器在碟状导流罩垂直方向上的运动；所述涡旋生成机构(4)，基于涡旋吸附机制为航行器提供相对于吸附面的吸附力。2.根据权利要求1所述的一种基于涡旋运动的碟形水下航行器，其特征在于：所述涡旋生成机构(4)由半开放式杯状外壳(5)、叶轮(6)及其驱动机构(7)组成，所述叶轮驱动机构(7)与半开放式杯状外壳(5)密封连接。3.根据权利要求2所述的一种基于涡旋运动的碟形水下航行器，其特征在于：所述叶轮(6)采用S形叶片，S形叶片宽度由外向内至轴心逐渐缩减；所述开放式杯状外壳(5)内轮廓设有与叶轮(6)的叶片相配合的流路，以提高叶轮的流场控制能力。4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于涡旋运动的碟形水下航行器，其特征在于：所述碟状导流罩(1)设有中部槽道(32)，垂向推进器(3)设置在中部槽道(32)上部，涡旋生成机构(4)设置在中部槽道(32)下部。5.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于涡旋运动的碟形水下航行器，其特征在于：所述周向推进...

【专利技术属性】
技术研发人员：范双双，徐文，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33