一种水下滑翔的三体滑翔机及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种水下滑翔的三体滑翔机，包括艇体、滑翔系统、浮态调节系统及控制系统；艇体包括相平行的两下部艇体和一上部艇体。滑翔系统包括连接两下部艇体的一对水平翼以及连接下部艇体和上部艇体的两对斜向水翼。浮态调节系统包括压载水舱、高压气瓶以及连接压载水舱和高压气瓶的电磁阀和管道。控制系统包括推进器、控制水平翼转动的步进电机、控制器、能源舱、声波测距仪、摄像头、电池和照明灯。利用携带储气设备的方式，通过充放气可实现基本所需的运动，其制作简单，同时也弥补了UG的运动局限性的缺点，配合控制系统，可实现多种运动方式的控制运动，在固定斜置水翼上还可以增加武器工作面，搭载一些小型鱼雷，用于打击水下敌人。敌人。敌人。

【技术实现步骤摘要】
一种水下滑翔的三体滑翔机及其设计方法


[0001]本专利技术涉及一种滑翔机，尤其是涉及一种水下滑翔的三体滑翔机及其设计方法。

技术介绍

[0002]目前市面上所涉及的水下机器人多为全驱，要达到六自由度一般至少需要5
‑
8个推进器为水下机器人提供动力，由于多个推进器同时工作时所需功率较大，这使得水下机器人需要较大的封闭空间来放置储能设备，同时对电池的选取也带来挑战。其次，目前市面上的欠驱动水下滑翔机器人(underwater glider，UG)多为简易的单鱼雷状形状，通过依靠自身重力与浮力平衡关系推进的带翼无人水下航行器，其大多本身未采用螺旋桨等做为主要驱动装置。
[0003]目前，水下滑翔机已经被广泛地应用于海洋研究和海洋环境监测，根据外形的结构形式可以大致划分为以下3类：常规鱼雷型、带螺旋桨的混合推进型以及翼身融合(飞翼)构型。然而，目前关于三体水下滑翔机的研究成果并不多。因此设计研发一种水下滑翔的三体滑翔机尤为重要。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对上述现有技术存在的问题，提供一种水下滑翔的三体滑翔机。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0006]一种水下滑翔的三体滑翔机，包括艇体、滑翔系统、浮态调节系统及控制系统；所述艇体包括相平行的两下部艇体和一上部艇体，所述下部艇体由艏段、中段和艉段光顺过渡构成，所述上部艇体也由艏中艉三段光顺过渡构成。
[0007]所述滑翔系统包括连接两所述下部艇体的一对水平翼以及连接所述下部艇体和所述上部艇体的两对斜向水翼，所述水平翼为可转动翼，所述斜向水翼为固定翼。
[0008]所述浮态调节系统包括位于所述上部艇体艏部的压载水舱、位于所述上部艇体前部的高压气瓶以及连接所述压载水舱和所述高压气瓶的电磁阀和管道，所述压载水舱上设有进排水口和排气孔，所述进排水口设有进排水阀，所述排气孔设有排气阀。
[0009]所述高压气瓶向所述压载水舱通高压气体，可将所述压载水舱中的水挤出从而改变三体滑翔机的浮力，同时配合控制所述水平翼，可使三体滑翔机达到上浮滑翔和下潜滑翔的状态。所述电磁阀控制所述高压气瓶向所述压载水舱通高压气体与否。
[0010]所述控制系统包括位于所述下部艇体艉部的一对推进器、用来控制所述水平翼转动的步进电机、控制器、能源舱、声波测距仪、摄像头、电池和照明灯，所述推进器包括电机、螺旋桨、传动轴和联轴器，所述电机通过所述联轴器和所述传动轴与所述螺旋桨传动连接，所述电池为整个控制系统供电，所述控制器接收所述声波测距仪和所述摄像头的信号并控制所述电机和所述步进电机，所述电池放置在所述能源舱内。
[0011]进一步，在所述艇体横剖面中所述下部艇体和所述上部艇体的剖面中心点连线构
成一个等腰三角形，两所述下部艇体剖面中心点连线为底边，所述上部艇体剖面中心点分别与两所述下部艇体剖面中心点连线为腰，该等腰三角形顶角110
°
～160
°
。
[0012]进一步，所述艇体最大长度等于1.2～30米，设计航速为1～3节，最大宽度为最大长度的0.35～0.5倍，最大高度为最大长度的0.2～0.3倍，两所述下部艇体长度等于所述艇体最大长度的0.80～0.85倍，所述下部艇体横剖面最大宽度等于所述下部艇体长度的1/11～1/5，所述上部艇体长度等于所述艇体最大长度的0.68～0.78倍，所述上部艇体横剖面最大宽度等于所述上部艇体长度的1/10～1/5，所述下部艇体由艏段、中段和艉段光顺过渡构成，所述艏段为半个椭球或偏扁椭球体或者半个近似椭球或近似偏扁椭球体，所述中段为圆柱或椭圆柱或者近似圆柱或近似椭圆柱，所述艉段为圆锥或椭圆锥或者近似圆锥或近似椭圆锥，在所述艇体横剖面中所述下部艇体和所述上部艇体的剖面中心点连线构成一个等腰三角形，两所述下部艇体剖面中心点连线为底边，所述上部艇体剖面中心点分别与两所述下部艇体剖面中心点连线为腰，艏艉各一个所述水平翼沿该等腰三角形底边布置，弦线与所述艇体水线面基本平行，艏艉各一对所述斜向水翼沿该三角形腰线布置，所述水平翼高度为所述下部艇体长度的2/3～3/4，弦长为所述水平翼高度的1/5～1/4，展弦比为5～7，最大转动角度
±
15
°
，所述斜向水翼高度为所述上部艇体长度的1/5～1/4，弦长为所述水平翼高度的1/5～1/4，展弦比为5～7，固定不动。
[0013]进一步，所述高压气瓶的长度为所述上部艇体长度的1/3，其横剖面宽度为所述上部艇体宽度的2/3，所述压载水舱为圆柱或椭圆柱或者近似圆柱或近似椭圆柱，所述压载水舱的长度为所述下部艇体长度的1/3，其横剖面宽度为所述下部艇体宽度的2/3，所述压载水舱的尾部设有所述进排水口，其位于所述压载水舱的1/3处，所述排气孔位于所述压载水舱的头部的1/4处。
[0014]进一步，所述控制器、所述能源舱和所述电池均布置于所述上部艇体中，所述照明灯布置在所述下部艇体中，所述声波测距仪在所述上部艇体和所述下部艇体的周向间隔安装有若干，所述摄像头在所述上部艇体的首尾处各安装一个。
[0015]本专利技术还提供上述一种水下滑翔的三体滑翔机的设计方法，包括以下步骤：
[0016]步骤一、设计变量：
[0017]设三体滑翔机的所述下部艇体艏段长度L
a1
，中段长度L
b1
，尾段长度L
c1
，所述下部艇体横剖面宽度B1，所述上部艇体艏段长度L
a2
，中段长度L
b2
，尾段长度L
c2
，所述上部艇体横剖面宽度B2，三体滑翔机最大长度L，三体滑翔机最大宽度B，高度H，设计航速V
s
，所述螺旋桨直径D
P
，所述螺旋桨盘面比A
eo
，所述螺旋桨转速N，所述螺旋桨浮心纵向位置L
cb
，所述螺旋桨重心纵向位置X
g
，所述螺旋桨螺距比P/D，所述水平翼面积S1，所述水平翼弦长L1，所述斜向水翼面积S2，所述斜向水翼弦长S2。
[0018]步骤二、目标函数确定：
[0019]对于三体滑翔机的快速性，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：
[0020][0021]式中：P
S
——主机功率；R
t
——总阻力；V——航速；Δ——排水量；η
H
——船身效率；η0——螺旋桨效率；η
S
——轴系效率；η
R
——相对旋转效率。
[0022]对于三体滑翔机的操纵性，垂直面直线稳定性衡准数指标(CV)和水平定常回转运动指数(K
′
)作为三体滑翔机操纵性的指标，则操纵性目标函数K2(x)：
[0023][0024]式中：m
′
——质量的无因次值；m——水下机器人的总质量；M
′...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下滑翔的三体滑翔机，其特征在于：包括艇体(1)、滑翔系统(2)、浮态调节系统(3)、控制系统(4)；所述艇体(1)包括相平行的两下部艇体(1
‑
1)和一上部艇体(1
‑
2)，所述下部艇体(1
‑
1)由艏段(1
‑
3)、中段(1
‑
4)和艉段(1
‑
5)光顺过渡构成，所述上部艇体(1
‑
2)也由艏中艉三段光顺过渡构成；所述滑翔系统(2)包括连接两所述下部艇体(1
‑
1)的一对水平翼(2
‑
1)以及连接所述下部艇体(1
‑
1)和所述上部艇体(1
‑
2)的两对斜向水翼(2
‑
2)，所述水平翼(2
‑
1)为转动翼，所述斜向水翼(2
‑
2)为固定翼；所述浮态调节系统(3)包括位于所述上部艇体(1
‑
2)艏部的压载水舱(3
‑
2)、位于所述上部艇体(1
‑
2)前部的高压气瓶(3
‑
1)以及连接所述压载水舱(3
‑
2)和所述高压气瓶(3
‑
1)的电磁阀(3
‑
3)和管道(3
‑
4)，所述压载水舱(3
‑
2)上设有进排水口(3
‑
5)和排气孔(3
‑
6)，所述进排水口(3
‑
5)设有进排水阀，所述排气孔(3
‑
6)设有排气阀；所述高压气瓶(3
‑
1)向所述压载水舱(3
‑
2)通高压气体，将所述压载水舱(3
‑
2)中的水挤出从而改变三体滑翔机的浮力，同时配合控制所述水平翼(2
‑
1)，使三体滑翔机达到上浮滑翔和下潜滑翔的状态；所述控制系统(4)包括位于所述下部艇体(1
‑
1)艉部的一对推进器(4
‑
1)、用来控制所述水平翼(2
‑
1)转动的步进电机(4
‑
6)、控制器(4
‑
7)、能源舱(4
‑
8)、声波测距仪(4
‑
9)、摄像头(4
‑
10)、电池(4
‑
11)和照明灯(4
‑
12)，所述推进器(4
‑
1)包括电机(4
‑
2)、螺旋桨(4
‑
3)、传动轴(4
‑
4)和联轴器(4
‑
5)，所述电机(4
‑
2)通过所述联轴器(4
‑
5)和所述传动轴(4
‑
4)与所述螺旋桨(4
‑
3)传动连接，所述电池(4
‑
11)为整个控制系统供电，所述控制器(4
‑
7)接收所述声波测距仪(4
‑
9)和所述摄像头(4
‑
10)的信号并控制所述电机(4
‑
2)和所述步进电机(4
‑
6)，所述电池(4
‑
11)放置在所述能源舱(4
‑
8)内。2.根据权利要求1所述的一种水下滑翔的三体滑翔机，其特征在于：在所述艇体(1)横剖面中所述下部艇体(1
‑
1)和所述上部艇体(1
‑
2)的剖面中心点连线构成一个等腰三角形，两所述下部艇体(1
‑
1)剖面中心点连线为底边，所述上部艇体(1
‑
2)剖面中心点分别与两所述下部艇体(1
‑
1)剖面中心点连线为腰，该等腰三角形顶角110
°
～160
°
。3.根据权利要求1所述的一种水下滑翔的三体滑翔机，其特征在于：所述艇体(1)最大长度等于1.2～30米，设计航速为1～3节，最大宽度为最大长度的0.35～0.5倍，最大高度为最大长度的0.2～0.3倍，两所述下部艇体(1
‑
1)长度等于所述艇体(1)最大长度的0.80～0.85倍，所述下部艇体(1
‑
1)横剖面最大宽度等于所述下部艇体(1
‑
1)长度的1/11～1/5，所述上部艇体(1
‑
2)长度等于所述艇体(1)最大长度的0.68～0.78倍，所述上部艇体(1
‑
2)横剖面最大宽度等于所述上部艇体(1
‑
1)长度的1/10～1/5，所述下部艇体(1
‑
1)由艏段(1
‑
3)、中段(1
‑
4)和艉段(1
‑
5)光顺过渡构成，所述艏段(1
‑
3)为半个椭球或偏扁椭球体或者半个近似椭球或近似偏扁椭球体，所述中段(1
‑
4)为圆柱或椭圆柱或者近似圆柱或近似椭圆柱，所述艉段(1
‑
5)为圆锥或椭圆锥或者近似圆锥或近似椭圆锥，在所述艇体(1)横剖面中所述下部艇体(1
‑
1)和所述上部艇体(1
‑
2)的剖面中心点连线构成一个等腰三角形，两所述下部艇体(1
‑
1)剖面中心点连线为底边，所述上部艇体(1
‑
2)剖面中心点分别与两所述下部艇体(1
‑
1)剖面中心点连线为腰，艏艉各一个所述水平翼(2
‑
1)沿该等腰三角形底边布置，弦线与所述艇体(1)水线面基本平行，艏艉各一对所述斜向水翼(2
‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗广恩，李帅，刘桐，戚学嘉，杨松林，黄添悦，杨子力，高海洋，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：