一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体水下航行器制造技术

技术编号：40092661 阅读：7 留言：0更新日期：2024-01-23 16:27

本发明专利技术涉及一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体水下航行器,属于仿生水下航行器领域。参照蝠鲼的外形与功能，在具有胸鳍与尾鳍扑动的功能下，为其额外添加了重浮力调节与螺旋桨推进装置。航行器利用左右胸鳍的扑动实现前游、转向等高机动运动；利用重浮力调节实现高效率滑翔运动，在扑动与滑翔运动时，利用尾鳍与水流的相互作用实现俯仰姿态的调节。仿蝠鲼航行器兼具扑动高机动与滑翔高效率的特点，在此基础上，采用螺旋桨辅助推进，进一步提升航行器扑动与滑翔的游动速度与转向、俯仰机动性，特别是弥补了航行器滑翔速度较慢导致的偏航与俯仰机动性不足之处，可实现航行器原地转向与快速俯仰机动运动。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于仿生水下航行器领域，具体涉及一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼水下航行器。

技术介绍

1、与常规水下航行器相比，仿生水下航行器具有高效率、高机动、高隐蔽等优势，适用于多种复杂的场景。目前的仿生水下航行器主要分为胸鳍推进与尾鳍推进两大类。

2、然而，目前的尾鳍推进仿生水下航行器虽然具有加速性能好、速度快等优点，但推进效率较低、续航时间较短，难以满足长时广域监测的需求。胸鳍推进仿生水下航行器虽然具有游动效率高等优点，但扑动与滑翔的速度较慢，而且滑翔的机动性较差，仅依靠滑翔与扑动方式难以满足广域复杂场景下快速游动与高速机动的需求。因此，目前现有仿生水下航行器的这些不足导致无法满足海域广域、地形复杂场景下的使用需求。

3、现有技术提出了一种基于胸鳍摆动与螺旋桨混合推进的水下仿生航行器。通过胸鳍扑动可以实现转向、俯仰、倒游等机动动作，结合螺旋桨辅助推进，可实现速度的较大提升。但由于胸鳍扑动与螺旋桨推进耗能较大，不具备滑翔运动，导致续航时间较短、推进效率较低。

4、现有技术还提出了一种具有滑扑一体功能的仿生柔体潜水器。通过胸鳍扑动实现高机动运动，依靠重浮力变化实现滑翔速度运动。但浮力调节能力有限，滑翔速度较慢，且不具备尾鳍，俯仰调节能力有限，滑翔的机动性较差。

技术实现思路

1、本专利技术所要解决的技术问题是：

2、为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体水下航行器。</p>

3、为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：

4、一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体水下航行器，其特征在于包括头部与主体模块、左侧胸鳍模块、右侧胸鳍模块、螺旋桨推进模块与尾鳍模块；所述头部与主体模块为整个仿生航行器的主体；所述左侧胸鳍模块与右侧胸鳍模块对称分布于头部与主体模块两侧；所述螺旋桨推进模块对称分布于头部与主体模块两侧，分别位于左侧胸鳍模块、右侧胸鳍模块后部；尾鳍模块安装于航行器的尾部。

5、本专利技术进一步的技术方案：还包括抛载模块，航行器未按照预期指令航行时，通过抛载重物的方式快速浮出水面，与地面控制中心进行通信。

6、本专利技术进一步的技术方案：所述头部与主体模块包括重浮力调节模块、感知探测与控制模块、电源模块和主体支架；所述重浮力调节模块通过调节航行器整体排水体积实现浮力的变化调整；所述感知探测与控制模块用于采集水中与水底的视频图像与水文信息，接收控制指令与传感信息实现对航行器的运动控制；所述电源模块包括左侧电池和右侧电池，对称分布于躯干两侧，为整个航行器提供电能；所述主体支架用于支撑航行器主体，并与其他模块进行固定连接。

7、本专利技术进一步的技术方案：所述左侧胸鳍模块包括左扑动电机、左转动电机、左胸鳍鳍板和左保型组件，所述左扑动电机通过左胸鳍固定支架和主体支架固定连接；所述左保型组件平行分布于左柔性鳍板肋条上；所述左柔性鳍板通过鳍板连接件和左转动电机的输出轴固定连接，左转动电机带动左柔性鳍板实现扭转运动；所述左转动电机固定连接于左扑动电机的输出轴上，另一端通过左胸鳍转动支架和主体支架固定连接；所述左扑动电机带动左转动电机实现上下扑动运动，配合左转动电机的转动，实现左胸鳍扑动与扭转的耦合运动；所述右侧胸鳍模块与左侧胸鳍模块对称分布，通过控制两侧胸鳍的对称与非对称运动。

8、本专利技术进一步的技术方案：所述螺旋桨推进模块包括左螺旋桨推进器5和右螺旋桨推进器，左螺旋桨推进器通过左螺旋桨固定支架固定连接于头部与主体模块；所述右螺旋桨推进器与左螺旋桨推进器对称分布；通过控制两侧螺旋桨推进器的转动，为航行器提供扑动或滑翔游动更大的推进力，提升游动的速度和机动性。

9、本专利技术进一步的技术方案：所述尾鳍模块包括尾部舵机、尾部舵机固定支架、尾部左鳍板连接块、尾部右鳍板连接块、尾部转动支架、转动连杆、尾部左鳍板和尾部右鳍板；所述尾部舵机通过尾部舵机固定支架和头部与主体模块固定连接；所述转动连杆一端固定连接于尾部舵机的输出轴上，另一端安装于尾部转动支架；所述尾部转动支架固定连接于头部与主体模块；所述尾部左鳍板连接块和尾部右鳍板连接块固定连接于转动连杆；所述尾部左鳍板与尾部右鳍板分别与尾部左鳍板连接块和尾部右鳍板连接块连接，对称分布于航行器尾部；所述尾部舵机的转动通过转动连杆带动尾部左鳍板与尾部右鳍板的同步转动，控制航行器俯仰运动。

10、本专利技术进一步的技术方案：所述头部与主体模块的外壳为刚性材料，且为naca翼型。

11、本专利技术进一步的技术方案：所述左侧胸鳍模块、右侧胸鳍模块与尾鳍模块被蒙皮包覆，固定连接于头部与主体模块。

12、本专利技术进一步的技术方案：所述左胸鳍鳍板、右胸鳍鳍板、尾部左鳍板与尾部右鳍板采用的为5mm的碳纤维板或2mm的弹簧钢片。

13、一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体水下航行器的航行方法，其特征在于：

14、当航行器扑动与滑翔，通过控制两侧螺旋桨推进器的转动，可为航行器提供额外的推进力，提升游动的速度和机动性；

15、当航行器扑动运动，两侧胸鳍产生的推进力方向相同且大小相等时，航行器前游；控制两侧螺旋桨同步转动，可产生同向且相等的推进力，航行器的前游速度从2-3节提升至10-15节；

16、当航行器扑动两侧胸鳍产生的推进力大小不等，左侧推进力大于右侧推进力时，航行器左转；控制两侧螺旋桨非同步转动，左螺旋桨推进器转速大于右螺旋桨推进器，左螺旋桨产生的推进力大于右螺旋桨，航行器的向左转向速度从50°-60°/s提升至90°-100°/s；同样，当航行器扑动右侧胸鳍产生的推进力大于左侧胸鳍，同时控制右螺旋桨推进器转速高于左螺旋桨推进器，可提升航行器向右转向速度。

17、本专利技术的有益效果在于：

18、本专利技术提供的一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体水下航行器，参照蝠鲼的外形与功能，在具有胸鳍与尾鳍扑动的功能下，为其额外添加了重浮力调节与螺旋桨推进装置。航行器利用左右胸鳍的扑动实现前游、转向等高机动运动；利用重浮力调节实现高效率滑翔运动，在扑动与滑翔运动时，利用尾鳍与水流的相互作用实现俯仰姿态的调节。仿蝠鲼航行器兼具扑动高机动与滑翔高效率的特点，在此基础上，采用螺旋桨辅助推进，进一步提升航行器扑动与滑翔的游动速度与转向、俯仰机动性，特别是弥补了航行器滑翔速度较慢导致的偏航与俯仰机动性不足之处，可实现航行器原地转向与快速俯仰机动运动。

19、经过实验验证，本专利技术仿蝠鲼航行器滑翔前游速度从1-2节提升至5-6节，扑动前游速度从2-3节提升至10-15节；滑翔转向速度从10°-20°/s提升至40°-50°/s，扑动转向速度从50°-60°/s提升至90°-100°/s，各项性能均获得了较大提升，可满足广域复杂场景下的长时应用。

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【技术保护点】

1.一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体水下航行器，其特征在于包括头部与主体模块(1)、左侧胸鳍模块(2)、右侧胸鳍模块(3)、螺旋桨推进模块与尾鳍模块(4)；所述头部与主体模块(1)为整个仿生航行器的主体；所述左侧胸鳍模块(2)与右侧胸鳍模块(3)对称分布于头部与主体模块两侧；所述螺旋桨推进模块对称分布于头部与主体模块两侧，分别位于左侧胸鳍模块(2)、右侧胸鳍模块(3)后部；尾鳍模块(4)安装于航行器的尾部。

2.根据权利要求1所述一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体水下航行器，其特征在于，还包括抛载模块，航行器未按照预期指令航行时，通过抛载重物的方式快速浮出水面，与地面控制中心进行通信。

4.根据权利要求1所述一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体水下航行器，其特征在于，所述左侧胸鳍模块(2)包括左扑动电机(12)、左转动电机(13)、左胸鳍鳍板(17)和左保型组件(18)，所述左扑动电机(12)通过左胸鳍固定支架(14)和主体支架(11)固定连接；所述左保型组件(18)平行分布于左柔性鳍板肋条(19)上；所述左柔性鳍板(17)通过鳍板连接件(16)和左转动电机(13)的输出轴固定连接，左转动电机(13)带动左柔性鳍板(17)实现扭转运动；所述左转动电机(13)固定连接于左扑动电机(12)的输出轴上，另一端通过左胸鳍转动支架(15)和主体支架(11)固定连接；所述左扑动电机(12)带动左转动电机(13)实现上下扑动运动，配合左转动电机(13)的转动，实现左胸鳍扑动与扭转的耦合运动；所述右侧胸鳍模块(3)与左侧胸鳍模块(2)对称分布，通过控制两侧胸鳍的对称与非对称运动。

5.根据权利要求1所述一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体水下航行器，其特征在于，所述螺旋桨推进模块包括左螺旋桨推进器(5)和右螺旋桨推进器(6)，左螺旋桨推进器(5)通过左螺旋桨固定支架(20)固定连接于头部与主体模块；所述右螺旋桨推进器(6)与左螺旋桨推进器(5)对称分布；通过控制两侧螺旋桨推进器的转动，为航行器提供扑动或滑翔游动更大的推进力，提升游动的速度和机动性。

6.根据权利要求1所述一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体水下航行器，其特征在于，所述尾鳍模块(4)包括尾部舵机(21)、尾部舵机固定支架(22)、尾部左鳍板连接块(23)、尾部右鳍板连接块(24)、尾部转动支架(26)、转动连杆(25)、尾部左鳍板(27)和尾部右鳍板(28)；所述尾部舵机(21)通过尾部舵机固定支架(22)和头部与主体模块1固定连接；所述转动连杆(25)一端固定连接于尾部舵机(21)的输出轴上，另一端安装于尾部转动支架(26)；所述尾部转动支架(26)固定连接于头部与主体模块(1)；所述尾部左鳍板连接块(23)和尾部右鳍板连接块24固定连接于转动连杆(25)；所述尾部左鳍板(27)与尾部右鳍板(28)分别与尾部左鳍板连接块(23)和尾部右鳍板连接块(24)连接，对称分布于航行器尾部；所述尾部舵机(21)的转动通过转动连杆(25)带动尾部左鳍板(27)与尾部右鳍板(28)的同步转动，控制航行器俯仰运动。

7.根据权利要求1所述一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体水下航行器，其特征在于，所述头部与主体模块的外壳为刚性材料，且为NACA翼型。

8.根据权利要求1所述一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体水下航行器，其特征在于，所述左侧胸鳍模块、右侧胸鳍模块与尾鳍模块被蒙皮包覆，固定连接于头部与主体模块。

9.根据权利要求1所述一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体水下航行器，其特征在于，所述左胸鳍鳍板、右胸鳍鳍板、尾部左鳍板与尾部右鳍板采用的为5mm的碳纤维板或2mm的弹簧钢片。

10.一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体水下航行器的航行方法，其特征在于：

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【技术特征摘要】

3.根据权利要求1所述一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体水下航行器，其特征在于，所述头部与主体模块(1)包括重浮力调节模块(7)、感知探测与控制模块(8)、电源模块和主体支架(11)；所述重浮力调节模块(7)通过调节航行器整体排水体积实现浮力的变化调整；所述感知探测与控制模块(8)用于采集水中与水底的视频图像与水文信息，接收控制指令与传感信息实现对航行器的运动控制；所述电源模块包括左侧电池(9)和右侧电池(10)，对称分布于躯干两侧，为整个航行器提供电能；所述主体支架(11)用于支撑航行器主体，并与其他模块进行固定连接。

【专利技术属性】
技术研发人员：曹勇，郝艺伟，曹永辉，路阳，余应明，潘光，
申请(专利权)人：西北工业大学宁波研究院，
类型：发明
国别省市：

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