一种混合驱动水下滑翔机的制作方法

本发明涉及一种水下滑翔机，特别是涉及一种应用于长时间长航程水域监测测试的混合驱动水下滑翔机。

背景技术：

洋流对海洋中多种物理过程、化学过程、生物过程和地质过程，以及海洋上空的气候和天气的形成及变化，都有影响和制约的作用。故了解和掌握海流的规律、大尺度海-气相互作用和长时期的气候变化，对渔业、航运、排污和军事等都有重要意义。

大洋环境中洋流的水资源信息是一种直接关系到国家资源利用和国家发展的重要资源信息。如何获得足够丰富的洋流资源信息是一个现实难题，同时考虑到海洋中存在有涡流等扰动环境，解决问题的关键在于滑翔机具有长航程、应急主动驱动的环境适应性和自身能源的获取方式等指标。

目前，国内对洋流监测开展了一定研究，但在机器人的能源获取和低温保护等方面存在不足。

中国发明专利zl201210487518.3公开了“便携式水下海洋环境监测滑翔机”，该发明实现了一种水下滑翔机应用于水下海洋环境监测，采用单一的滑翔驱动，没有考虑到能源的供给问题和紧急制动转向等功能。

中国实用新型专利zl201620489688.9公开了一种“非固定翼及其水下滑翔机”，该滑翔机采用非固定翼方式实现水下滑翔机驱动和转向，但是该滑翔机没有考虑长航程需求、能源的供给问题、应急驱动和远程控制的需要。

现有滑翔机均采用单一电池供电，没有考虑自身能源获取，无法实现长航程大规模海洋资源探测和应急情况下自动多模式主动运动。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术存在的问题，提供一种实现长航程大规模范围内海洋资源探测的混合驱动水下滑翔机，可以实现自主能源获取已达到长时间运行的目的，以满足海洋资源探测需要。

为达到上述目的，本发明的构思是：本发明采用具有大型侧翼和倒流稳定翼的潜水艇机体，能够比较好的实现水下滑翔的功能，采用两个高效直流无刷电机作为翼载螺旋桨的驱动，配合两套独立的具有电机驱动和逆变功能的电路系统，可以实现水下滑翔机在滑翔过程中洋流驱动电机进行逆变发电，同时配合主推螺旋桨系统实现应急和远程控制情况下水下滑翔机的前后驱动、差动转向和制动等主动控制，采用沉浮调整机构和姿态调整机构控制调整水下滑翔机的浮力和重心位置，已获得滑翔姿态驱动力，来实现水下滑翔机滑翔功能，最终完成水下滑翔机滑翔功能、滑翔过程中洋流发电储能功能和综合多模式主动驱动的功能。

所采用两套直流电机驱动逆变系统独立工作，可以根据环境和控制需要，分别独立工作在驱动和逆变等不同组合状态，完成灵活的水下滑翔机驱动和洋流驱动发电控制的有效配合，实现能源利用最大化和满足长航程大规模海洋资源探测的需要。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种混合驱动水下滑翔机，它包括：一个潜水艇机体、一个主控制系统、一个沉浮调整机构、一个姿态调整机构、一个主推螺旋桨、两个翼载螺旋桨、一个电源管理系统、一个姿态传感系统、一个高性能蓄电池、一套任务传感系统和一套卫星定位通讯系统。所述潜水艇机体内安装有所述沉浮调整机构、姿态调整机构、主控制系统、主推螺旋桨、两个翼载螺旋桨、电源管理系统、姿态传感系统、高性能蓄电池、一套任务传感系统和卫星定位通讯系统，所述主控制系统与所述电源管理系统相连，完成系统供电和洋流驱动发电管理功能，所述主控制系统与所述姿态传感系统相连，获得机器人的当前姿态信息，所述主控制系统与所述任务传感系统相连，获得当前洋流的水质情况信息和滑翔机所处水深信息等，所述主控制系统与所述卫星定位通讯系统相连，实现全球卫星定位信息获取和卫星远程数据通讯和远程控制等功能，所述主控制系统与所述沉浮系统相连，实现滑翔机净浮力控制，已获得滑翔机上浮和下潜的动力，所述主控制系统与所述姿态调整机构用于调整滑翔机重心以改变滑翔机的姿态，以产生向前驱动动力，所述主推螺旋桨与所述主控制系统以实现滑翔机的应急进退驱动，所述翼载螺旋桨分别与所述主控制系统和所述电源管理系统相连，实现在滑翔过程中的洋流驱动发电和应急情况下的螺旋桨驱动，完成双向全驱和双向差动驱动的主动驱动能力，所述电源管理系统与所述高性能蓄电池相连实现系统电能存储与供给管理。

上述潜水艇机体采用潜水艇对称结构配合主推螺旋桨机构和翼载螺旋桨机构实现，完成滑翔机支架和本体外壳保护功能，内部安装和固定各种系统，该机构包机外壳、侧翼和导流翼，所述机外壳与所述侧翼和导流翼固定连接在一起，所述翼载螺旋桨安装固定于所述侧翼上。

上述主控制系统的结构包括一个微处理器经左右两个驱动隔离电路分别连接左右两个驱动逆变桥电路、连接左右两个电流检测电路、经左右两个位置传感电路连接左右两个直流无刷电机、经所述电源管理系统连接所述高性能蓄电池、经电机功率驱动模块、直流电机连接主推螺旋桨、经功率驱动模块连接所述沉浮调整机构和所述姿态调整机构、连接复位电路和接口转换电路，所述左右两个检测电路和左右两个直流无刷电机分别连接左右两个驱动逆变桥电路，所述接口转换电路连接姿态传感系统、任务传感系统和卫星定位通讯系统；所述直流无刷电机用于连接所述翼载螺旋桨；所述主控制系统用于控制滑翔机实现综合多模式运动控制。

上述沉浮调整机构包括：两个继电器、一个继电器驱动电路、一个直流电机、一个水泵、一个积水箱和一个水压传感器，所述继电器驱动电路分别与两个继电器和所述主控制系统相连，所属两个继电器的输出端与所述直流电机相连，实现直流电机的电源控制，进而实现电机的正反转控制，所述直流电机驱动所述水泵，所述积水箱经水压传感器连接所述水泵，所述水压传感器和所述主控制系统相连，实现所述积水箱中水压监测，起到保护积水箱的作用。

上述姿态调整机构采用步进电机配合丝杠，以积水像和配重块组合构成滑动质量块，通过驱动滑动质量快的移动来调整滑翔机自身重心位置，产生滑翔机下潜和上浮的姿态角，进而产生推动滑翔机滑翔的驱动力。

上述姿态传感系统获得当前滑翔机的运动能够姿态信息和加速度信息，以便于判断当前滑翔机所处环境的洋流驱动情况和自身电机驱动情况。

上述任务传感系统用于获得滑翔机所处水深和当前环境的洋流温度、盐度、电导率、盐度、光学溶解氧、电阻率、浊度、总溶解性固体、ph值、深度信息等。

上述卫星定位通讯系统，用于实现全球卫星定位信息获取和远程数据通讯，以便完成滑翔机的远程定位、轨迹跟踪和实时数据传送和远程控制的功能。

上述综合多模式运动控制包括水下滑翔机的滑翔运动、洋流发电和多模主动运动；所述滑翔运动是指所述主控制系统控制所述沉浮调整机构实现水下滑翔机的浮力大小调整，控制所述姿态调整机构实现水下滑翔机姿态请教控制，通过借鉴自身浮力和姿态倾角实现滑翔运动；所述洋流发电是指在滑翔过程中所述翼载螺旋桨借鉴洋流驱动条件下实现逆变发电储能；所述多模主动运动控制是指所述主控制系统控制所述翼载螺旋桨和所述主推螺旋桨实现全速推进、紧急制动和后退驱动运动，控制所述翼载螺旋桨实现差动转向运动的多种主动运动控制模式。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：本发明采用两套独立驱动逆变电路在微处理器的控制下可以实现水下滑翔机的前后驱动、差动转向和制动等主动控制，并能实现水下滑翔机在滑翔过程中洋流驱动情况下进行发电储能,配合姿态调整机构、沉浮调整机构和主推螺旋桨系统，具有混合驱动和洋流发点储能功能,实现能源利用最大化，满足长航程大范围海洋资源探测的需要。

附图说明

附图1是本发明一个实施例的框图。

附图2是图1示例中滑翔机的结构示意图。

附图3是图1示例中主控制系统的电路结构框图。

附图4是图1示例中沉浮系统的电路结构框图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

如图1所示，本混合驱动水下滑翔机，它包括：一个潜水艇机体（101）、一个主控制系统（102）、一个沉浮调整机构（103）、一个姿态调整机构（104）、一个主推螺旋桨（105）、两个翼载螺旋桨（106）、一个电源管理系统（107）、一个姿态传感系统（108）、一个高性能蓄电池（109）、一套任务传感系统（110）和一套卫星定位通讯系统（111），其特征在于：所述潜水艇机体（101）内安装有所述沉浮调整机构（103）、姿态调整机构（104）、主控制系统（102）、主推螺旋桨（105）、两个翼载螺旋桨（106）、电源管理系统（107）、姿态传感系统（108）、高性能蓄电池（109）、一套任务传感系统（110）和卫星定位通讯系统（111），所述主控制系统（102）与所述电源管理系统（107）相连，完成系统供电和洋流驱动发电管理功能，所述主控制系统（102）与所述姿态传感系统（108）相连，获得机器人的当前姿态信息，所述主控制系统（102）与所述任务传感系统（110）相连，获得当前洋流的水质情况信息和滑翔机所处水深信息等，所述主控制系统（102）与所述卫星定位通讯系统（111）相连，实现全球卫星定位信息获取和卫星远程数据通讯和远程控制等功能，所述主控制系统（102）与所述沉浮调整机构（103）相连，实现滑翔机净浮力控制，已获得滑翔机上浮和下潜的动力，所述主控制系统（102）与所述姿态调整机构（103）用于调整滑翔机重心以改变滑翔机的姿态，以产生向前驱动动力，所述主推螺旋桨（105）与所述主控制系统（102）以实现滑翔机的应急进退驱动，所述翼载螺旋桨（106）分别与所述主控制系统（102）和所述电源管理系统（107）相连，实现在滑翔过程中的洋流驱动发电和应急情况下的螺旋桨驱动，完成双向全驱和双向差动驱动的主动驱动能力，所述电源管理系统（107）与所述高性能蓄电池（109）相连实现系统电能存储与供给管理。

所述姿态调整机构（104）采用步进电机配合丝杠，以积水箱和配重块组合构成滑动质量块，通过驱动滑动质量快的移动来调整滑翔机自身重心位置，产生滑翔机下潜和上浮的姿态角，进而产生推动滑翔机滑翔的驱动力。

所述姿态传感系统（108）获得当前滑翔机的运动能够姿态信息和加速度信息，以便于判断当前滑翔机所处环境的洋流驱动情况和自身电机驱动情况。

所述任务传感系统（110）用于获得滑翔机所处水深和当前环境的洋流温度、盐度、电导率、盐度、光学溶解氧、电阻率、浊度、总溶解性固体、ph值、深度信息等。

所述卫星定位通讯系统（111），用于实现全球卫星定位信息获取和远程数据通讯，以便完成滑翔机的远程定位、轨迹跟踪和实时数据传送和远程控制的功能。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

参见图2，所述潜水艇机体（101）采用潜水艇对称结构配合主推螺旋桨机构和翼载螺旋桨机构，实现滑翔机支架和本体外壳保护功能，内部安装和固定各种系统（102、103、104、107、108、109、110和111），该机构包机外壳（201）、侧翼（202）和导流翼（203），所述机外壳（201）与所述侧翼（202）和导流翼（203）固定连接在一起，所述翼载螺旋桨（106）安装固定于所述侧翼（202）上，所述任务传感系统（110）安装在潜水艇机体（101）的中下部。

实施例三：

本实施例与实施例二基本相同，特别之处在于：

参见图3，所述主控制系统（102）的结构：一个微处理器（301）经左右两个驱动隔离电路（303a、303b）分别连接左右两个驱动逆变桥电路（302a、302b）、连接左右两个电流检测电路（304a、304b）、经左右两个位置传感电路（305a、305b）连接左右两个直流无刷电机(4a、4b)、经所述电源管理系统（107）连接所述高性能蓄电池（109）、经电机功率驱动模块（306）、直流电机（307）连接主推螺旋桨（105）、经功率驱动模块（309）连接所述沉浮调整机构（103）和所述姿态调整机构（104）、连接复位电路（310）和接口转换电路（308），所述左右两个检测电路（304a、304b）和左右两个直流无刷电机（4a、4b）分别连接左右两个驱动逆变桥电路（302a、302b），所述接口转换电路（308）连接姿态传感系统（108）、任务传感系统（110）和卫星定位通讯系统（111）；所述直流无刷电机（4a、4b）用于连接所述翼载螺旋桨（106）；所述主控制系统（102）用于控制滑翔机实现综合多模式运动控制。

所述综合多模式运动控制包括水下滑翔机的滑翔运动、洋流发电和多模主动运动；所述滑翔运动是指所述主控制系统（102）控制所述沉浮调整机构（103）实现水下滑翔机的浮力大小调整，控制所述姿态调整机构（104）实现水下滑翔机姿态请教控制，通过借鉴自身浮力和姿态倾角实现滑翔运动；所述洋流发电是指在滑翔过程中所述翼载螺旋桨（106）借鉴洋流驱动条件下实现逆变发电储能；所述多模主动运动控制是指所述主控制系统（102）控制所述翼载螺旋桨（106）和所述主推螺旋桨（105）实现全速推进、紧急制动和后退驱动运动，控制所述翼载螺旋桨（106）实现差动转向运动的多种主动运动控制模式。

所述微处理器（301）采用美国ti公司的tms320f28035微处理器，内含模拟-数字转换器，可实现姿态角信息的模数转换，获得姿态角数值，具有pwm脉宽调制输出控制功能、ecan增强can总线和eqep增强计数器等功能。

所述微处理器（301）的pwm控制输出信号分别与所述驱动隔离电路（303a、303b）的控制输入信号相连；所述微处理器（301）的adc模数转换输入分别与所述电流检测电路（304a、304b）、所述电源状态检测电路（306）和所述保温系统（107）等相连；所述微处理器（301）的eqep计数器输入分别与所述位置传感电路（305a、305b）相连；所述微处理器（301）与所述接口转换电路（308）相连，实现数据通讯和总线电平转换等功能；所述微处理器（301）的复位信号xrs与上电复位电路（310）相连。

所述驱动逆变桥电路（302a）分别与所述高性能蓄电池（109）、所述驱动隔离电路（303a）和所述直流无刷电机（4a）相连，所述驱动逆变桥电路（302a）内包括7个igbt大功率管（v0a、v1a、v2a、v3a、v4a、v5a和v6a）和与之配对的二极管（d0a、d1a、d2a、d3a、d4a、d5a和d6a），其中六个igbt大功率管（v1a、v2a、v3a、v4a、v5a和v6a）和与之配对的二极管（d1a、d2a、d3a、d4a、d5a和d6a）组合完成了驱动逆变桥，根据对这六个功率管的不同控制时序可以实现所述直流无刷电机（4a）的驱动和逆变发电两种功能；功率管v0a与二极管d0a用于实现电池的输出供电和电池充电控制，可以完成在紧急情况和电池储存电量不足情况下下关闭电池输出等功能，可以有效完成所述驱动逆变桥电路（302a）、所述驱动逆变桥电路（302b）和所述高性能蓄电池（109）之间并联隔离作用。

所述驱动逆变桥电路（302b）分别与所述高性能蓄电池（109）、所述驱动隔离电路（303b）和所述直流无刷电机（4b）相连，所述驱动逆变桥电路（302b）内包括7个igbt大功率管（v0b、v1b、v2b、v3b、v4b、v5b和v6b）和与之配对的二极管（d0b、d1b、d2b、d3b、d4b、d5b和d6b），其中六个igbt大功率管（v1b、v2b、v3b、v4b、v5b和v6b）和与之配对的二极管（d1b、d2b、d3b、d4b、d5b和d6b）组合完成了驱动逆变桥，根据对这六个功率管的不同控制时序可以实现所述直流无刷电机（4b）的驱动和逆变发电两种功能；功率管v0b与二极管d0b用于实现电池的输出供电和电池充电控制，可以完成在紧急情况和电池储存电量不足情况下下关闭电池输出等功能，可以有效完成所述驱动逆变桥电路（302a）、所述驱动逆变桥电路（302b）和所述高性能蓄电池（109）之间并联隔离作用。

所述驱动隔离电路（303a、303b）分别与所述驱动逆变桥电路（302a、302b），实现所述驱动逆变桥电路（302a、302b）中igbt功率管的控制驱动和隔离。

所述电流检测电路（304a、304b）用于实现电机驱动线上电流检测功能，以作为故障诊断等功用。

所述位置传感电路（305a、305b）采用霍尔元件布局于直流无刷电机中，用于实现电机转动位置的检测。

所述接口转换电路（308）与所述姿态传感系统（108）、所述任务传感系统（110）、所述卫星定位通讯系统（111），用于实现数据通讯和总线电平转换等功能。

所述姿态传感系统（108）采用microstrain公司的3dm-gx3姿态传感系统，用于获得机器人六自由度的速度、加速信息和全球gps定位信息等，为机器人控制系统提供姿态参考。

所述任务传感系统（110）包括施克激光扫描仪lms221和便携式气象站wxt-520等，同于实现机器人所处环境的温度、湿度和四周环境障碍物信息等。

所述卫星定位通讯系统（111）采用gprs、铱星双模通讯gps终端rf8800l，用于实现全球gps卫星定位、gprs数据通信、卫星数据通信，完成远程数据通讯和远程控制等功能。

实施例四：

本实施例与实施例三基本相同，特别之处在于：

参见图4，所述沉浮调整机构（103）的结构包括：两个继电器（401a、401b）、一个继电器驱动电路（402）、一个直流电机（403）、一个水泵（404）、一个积水箱（405）和一个水压传感器（406），所述继电器驱动电路（402）分别与两个继电器（401a、401b）和所述主控制系统（102）相连，所属两个继电器（401a、401b）的输出端与所述直流电机（403）相连，实现直流电机（403）的电源控制，进而实现电机的正反转控制，所述直流电机（403）驱动所述水泵（404），所述积水箱（405）经水压传感器（406）连接所述水泵（404），所述水压传感器（406）和所述主控制系统（102）相连，实现所述积水箱（405）中水压监测，起到保护积水箱（405）的作用。

以上通过具体实施方式对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。