一种无人水面航行器的制作方法

本发明涉及一种无人水面航行器，具体涉及一种通过波浪驱使航行器俯仰运动产生自主动力的水面无人航行器，属于波浪滑翔机技术领域。

背景技术：

随着对海洋环境保护的日益重视以及大规模海洋资源的开发，各种海洋机动观测装置的应用日趋广泛。现阶段，auv、无人艇、rov等在海洋科学考察、海洋工程、海水养殖等领域得到了广泛的应用。然而，传统的机动观测装置一般采用燃油或电池作为动力源，而限制了其长时间、大范围观测的能力。直接利用波浪能作为动力来源，可解决无人机动观测装置的能量供给难题。因而，设计一种可以有效利用波浪能作为驱动力的无人水面航行器来实现长时间、大范围的海洋监测、开发及科学研究显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的不足，而提供一种无人水面航行器，驱动机构直接位于无人水面航行器上，不需要自身携带能源进行驱动；去除了中间的缆绳连接，更能适应不同的波浪环境；弹性系统、限位系统、驱动系统内置密封于连接杆中，通过速度传感器监测航行器运动避免了负方向驱动的过程；同时具有更好的密闭性、使用寿命更长的特点，具有较好的机动性和续航能力。本发明中的航行器以波浪能作为直接驱动力，在波浪作用下通过航行器的俯仰运动来获取前进的动力，舵机组件控制航行器转向，利用通信系统的定位信息通过控制舵机转向实现无人水面航行器的定位及轨迹控制；通过通信系统将环境监测传感器所获取的水文信息等传输到地面站。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种无人水面航行器，包括航行器船体、控制导航仓、舵机舱，控制导航舱位于航行器船体的头部，舵机舱位于航行器船体的尾部；其特征在于：

所述的航行器船体，其船舱内部设置有锂电池组和控制器，其船舱盖板的顶面设置有太阳能电池板，太阳能电池板通过太阳能板控制器与锂电池相连接；所述的船舱盖板，将锂电池组和控制器密封在航行器船体的舱体内部，确保在恶劣的环境下正常运行；锂电池组是太阳能电池板的储电器，太阳能电池板与锂电池连接，将转化的电能储存到锂电池当中，为用电部件供电；

所述的控制导航舱，其舱体内部设置有驱动控制器、速度传感器和gps模块，控制导航舱的导航控制仓盖板将驱动控制器、速度传感器、gps模块密封在控制导航舱的舱体内部，确保在恶劣的环境下正常运行；舱体底部靠近头部的位置设置有前连接杆，前连接杆的两端设置有前驱动翼片，前连接杆内部设置有驱动电机；速度传感器的信号输出端与驱动控制器的信号输入端相连接，驱动控制器的信号输出端与驱动电机相连接，驱动电机与前驱动翼片相连接；

所述的舵机舱，其舱体内部设置有舵机，其舵机舱盖的顶面设置有通信电台，舵机舱盖将舵机密封在舵机舱的舱体内部，确保在恶劣的环境下正常运行；舱体底部靠近尾部的位置设置有一片舵机翼片，舵机翼片与舵机相连接，舵机与控制器的信号输出端相连接，控制器的信号输入端与通信电台的信号输出端相连接，通信电台的信号输入端与gps模块的信号输出端相连通；舱体底部靠近头部的位置设置有后连接杆，后连接杆的两端设置有后驱动翼片，后连接杆内部同样设置有驱动电机，该驱动电机与后驱动翼片相连接、且与控制导航舱内的驱动控制器的信号输出端相连接。

上述技术方案中，所述的导航控制舱，舱体底部靠近头部的位置竖直设置有一根前支撑杆，前支撑杆的末端设置有一块前支撑板，前支撑板的板面与前支撑杆垂直；前支撑杆的下部设置有一根所述的前连接杆，前连接杆与前支撑杆垂直、且位于前支撑板的上方；前连接杆的两端各连接有一片所述的前驱动翼片，前驱动翼片的材质为碳纤维，前驱动翼片的翼片平面与前支撑杆垂直；

进一步的，所述的前连接杆，内部除了驱动电机外还设置有驱动齿轮、被动齿轮、翼片连接杆、轴承、限位块、压力弹簧；其中：驱动齿轮与被动齿轮相互咬合，且二者的直径均与前连接杆的直径平行；驱动电机连接有一根驱动连接杆，且驱动连接杆贯穿驱动齿轮；翼片连接杆依次贯穿被动齿轮、轴承、压力弹簧；轴承与驱动电机，位于驱动齿轮、被动齿轮的同一侧；轴承通过翼片连接杆与外部的前驱动翼片相连接；翼片连接杆的另一端设置限位块，压力弹簧为c型弹簧、且两端正对限位块的上下面，限位块随着翼片连接杆向上或者向下旋转时，限位块的上面或下面与压力弹簧的上端或下端接触从而受到压力限制；

进一步的，所述的前连接杆还设置有一块密封盖，将驱动电机、驱动连接杆、驱动齿轮、被动齿轮、轴承、限位块、压力弹簧密封在其内部，确保在恶劣的环境下正常运行；密封盖上设有一孔洞，孔洞直径与翼片连接杆的直径相等，翼片连接杆穿过孔洞与外部的前驱动翼片相连接；

进一步的，速度传感器检测船体随波浪向上或向下的速度，驱动器控制器接收到速度传感器发送的运动信息后控制驱动电机运行，前驱动翼片在驱动电机的控制下绕轴承旋转从而向上或向下偏转角度至固定角度0-45°，水流对前驱动翼片产生向下/向上以及向前的驱动力，从而为航行器获取动力；当前驱动翼片在水流作用下再偏转角度时，前驱动翼片带动翼片连接杆旋转，而翼片连接杆上的限位块也随之转动，此时压力弹簧受压从而限制翼片连接杆旋转，前驱动翼片也随之停止旋转。

上述技术方案中，所述的舵机舱，舱体底部靠近头部的位置竖直设置有一根后支撑杆，后支撑杆的末端设置有一块后支撑板，后支撑板的板面与后支撑杆垂直；后支撑杆的下部设置有一根所述的后连接杆，后连接杆与后支撑杆垂直、且位于后支撑板的上方；后连接杆的两端各连接有一片所述的后驱动翼片，后驱动翼片的材质为碳纤维，后驱动翼片的翼片平面与后支撑杆垂直；

进一步的，所述的后连接杆，内部结构与前连接杆结构相同，即内部设置有驱动电机、驱动齿轮、被动齿轮、翼片连接杆、轴承、限位块、压力弹簧；其中：驱动齿轮与被动齿轮相互咬合，且二者的直径均与前连接杆的直径平行；驱动电机连接有一根驱动连接杆，且驱动连接杆贯穿驱动齿轮；翼片连接杆依次贯穿被动齿轮、轴承、压力弹簧；轴承与驱动电机，位于驱动齿轮、被动齿轮的同一侧；轴承通过翼片连接杆与外部的后驱动翼片相连接；翼片连接杆的另一端设置限位块，压力弹簧为c型弹簧、且两端正对限位块的上下面，限位块随着翼片连接杆向上或者向下旋转时，限位块的上面或下面与压力弹簧的上端或下端接触从而受到压力限制；

进一步的，所述的后连接杆同样还设置有一块密封盖，将驱动电机、驱动连接杆、驱动齿轮、被动齿轮、轴承、限位块、压力弹簧密封在其内部，确保在恶劣的环境下正常运行；密封盖上设有一个孔洞，孔洞直径与翼片连接杆的直径相等，翼片连接杆穿过孔洞与外部的后驱动翼片相连接；

进一步的，后连接杆内的各零部件及后驱动翼片的运行方式与前连接杆及前驱动翼片的运行方式相同：速度传感器检测船体随波浪向上或向下的速度，驱动器控制器接收到速度传感器发送的运动信息后控制后连接杆内的驱动电机运行，后驱动翼片在该驱动电机的控制下绕轴承旋转从而向上或向下偏转角度至固定角度0-45°，水流对后驱动翼片产生向下/向上以及向前的驱动力，从而为航行器获取动力；当后驱动翼片在水流作用下再偏转角度时，后驱动翼片带动翼片连接杆旋转，而翼片连接杆上的限位块也随之转动，此时压力弹簧受压从而后限制翼片连接杆旋转，后驱动翼片也随之停止旋转。

上述技术方案中，所述的gps模块将定位信息发送给通信电台，控制器接受通信电台的信息后控制舵机运行从而控制舵机翼片转动实现无人水面航行器的定位、转向及轨迹控制。

上述技术方案中，所述的无人水面航行器还包括检测传感器组件，检测组件为检测各种水文信息的传感器，搭载在航行器船体的底部、侧面或前部，传感器的水文信息输出端与通信电台的水文信息输入端相连接，通信电台的水文信息输出端与底面接收站相连接。

上述技术方案中，所述的锂电池组是太阳能电池板的储电器，太阳能电池板与锂电池连接，将转化的电能储存到锂电池当中；所述的锂电池分别与舵机、通信电台、传感器、驱动电机、驱动控制器、控制器、gps模块、速度传感器相连接，为其提供电力能源。

本发明技术方案的优点在于：

(1)不需要自身携带能源进行驱动，同现有的波浪滑翔机相比，驱动机构直接位于无人水面航行器上。

(2)去除了中间的缆绳连接，相较于现有的波浪滑翔机更能适应不同的波浪环境，同现有的波浪滑翔机相比，如图4所示：其利用了波浪作用下浮体的俯仰运动作为驱动翼片的动力，随着波浪仰起时，船体向上运动，速度传感器监测到向上的速度后，通过控制器及限位系统控制驱动翼片向下偏转到固定角度，水流对翼片产生向下以及向前的驱动力，随着波浪俯下时，船体向下运动，速度传感器监测到向下的速度后，通过控制器及限位系统控制驱动翼片向上偏转到固定角度，水流对翼片产生向上以及向前的驱动力。传统波浪能滑翔机无控制翼片偏转的驱动，仅通过水流作用使得驱动翼片被动偏转，如图5所示：当船体到达底部向上运动时，如无电机驱动翼片转动，单纯靠水流驱动翼片转动时，驱动翼片从向上角度偏转到水平的过程将产生一个负方向驱动的力。

(3)本发明将弹性系统、限位系统、驱动系统内置密封于连接杆中，通过速度传感器监测航行器运动避免了负方向驱动的过程同时具有更好的密闭性、使用寿命更长的特点，具有较好的机动性和续航能力。

(4)本发明利用绿色能源波浪能作为直接驱动力，并利用太阳能为无人水面航行器提供所需的电能；舵机控制叶片转动实现转向功能；并通过控制器的自主巡航控制，以实现无人水面航行器沿预定轨迹航行的目的；通过通信系统将检测传感器组件获得的各种水文信息传输到地面站；近而可以实现大范围、长时间对海洋环境和资源的无人监测。

附图说明

图1：一种无人水面航行器的整体结构示意图；

图2：无人水面航行器的前连接杆的内部结构示意图；

图3：无人水面航行器的舵机舱的结构示意图；

图4：无人航行器的驱动原理图；

图5：如果没有驱动限位系统时航行器的缺陷示意图；

其中：1为航行器船体，2为传感器，3为后支撑板，4为后支撑杆，5为后驱动翼片，6为后连接杆，7为舵机翼片，8为舵机舱，9为舵机，10为舵机舱盖，11为通信电台，12为控制器，13为太阳能电池板，14为船舱盖板，15为锂电池组，16为导航控制仓盖板，17为驱动控制器，18为速度传感器，19为gps模块，20为控制导航舱，21为前支撑杆，22为前连接杆，23为前驱动翼片，24为前支撑板，25为驱动电机，26为驱动连接杆，27为驱动齿轮，28为密封盖，29为翼片连接杆，30为被动齿轮，31为轴承，32为限位块，33为压力弹簧。

具体实施方式

以下对本发明技术方案的具体实施方式详细描述，但本发明并不限于以下描述内容：

本发明提供了一种无人水面航行器，包括航行器本体、波浪能驱动装置、通信系统、以及环境监测传感器组件，其中：航行器本体组件包括航行器船体、太阳能电池板、锂电池组；波浪能驱动装置包括：航行器获取动力的波浪能组件、控制航行器航向的舵机组件、控制驱动翼片角度的驱动组件；通信系统包括通信天线、gps及控制器：

太阳能电池板与太阳能板控制器相连接，并通过该太阳能板控制器连接到蓄电池，用于航行器通信系统、环境监测传感器组件及舵机部分的供电。太阳能发电系统用于为航行器上的通信、驱动限位系统供电，航行器以波浪能作为直接驱动力。

通信系统中的通信电台安装在航行器尾部，通过控制器与地面站进行实时数据传输。gps模块内置于航行器前端的控制导航仓内，便于测得实时位置，实现准确定位。速度传感器内置于航行器前端的控制导航仓内，时刻监测航行器速度信息传输到驱动控制器、控制器从而控制驱动限位系统来控制驱动翼片角度。

舵机叶片通过控制器控制舵机转动从而控制整个航行器的航行，舵机组件控制航行器的转向；位于控制导航仓内部的驱动控制器利用监测速度传感器的运动信息，控制驱动限位系统内的驱动电机从而控制驱动翼片的偏转角度。同时，控制器通过通信系统、控制导航仓中gps模块的定位信息通过控制舵机来实现无人水面航行器自主巡航的控制，并且沿预定轨迹航行，通过通信系统将传感器组件获得的各种水文信息传输到地面站。

波浪能驱动系统包括碳纤维叶片、轴承、弹性系统、驱动电机、速度传感器及转动导航控制器；所述碳纤维叶片通过连杆与轴承连接；所述的轴承通过与航行器连接；所述的碳纤维叶片可绕轴旋转；所述的限位系统与弹性系统共同限制碳纤维叶片的转动；所述的电机在控制器控制下通过监测速度传感器实现正反转动固定角度从而控制驱动翼片的偏转角度；所述的限位驱动及控制角度的电机均密封于连接杆内，确保可以在恶劣的环境下正常运行。限位系统弹簧系统、限位杆及驱动电机共同构成，弹性系统为压力弹簧。

本发明中的航行器以波浪能作为直接驱动力，在波浪作用下通过航行器的俯仰运动来获取前进的动力，舵机组件控制所述航行器转向，利用通信系统的定位信息通过控制舵机转向灯实现无人水面航行器的定位及轨迹控制；通过通信系统将环境监测传感器所获取的水文信息等传输到地面站。

实施例1：本发明的无人水面航行器的具体结构：

一种无人水面航行器，包括航行器船体1、控制导航舱20、舵机舱8，控制导航舱位于航行器船体的头部，舵机舱位于航行器船体的尾部，如图1所示：

所述的航行器船体，其船舱内部设置有锂电池组15和控制器12，其船舱盖板14的顶面设置有太阳能电池板13，太阳能电池板通过太阳能板控制器与锂电池相连接；所述的船舱盖板，将锂电池组和控制器密封在航行器船体的舱体内部；

所述的控制导航舱，其舱体内部设置有驱动控制器17、速度传感器18和gps模块19，控制导航舱的导航控制仓盖板16将驱动控制器、速度传感器、gps模块密封在舱体内部；舱体底部靠近头部的位置设置有前连接杆22，前连接杆的两端设置有前驱动翼片23，前连接杆内部设置有驱动电机25；速度传感器的信号输出端与驱动控制器的信号输入端相连接，驱动控制器的信号输出端与驱动电机相连接，驱动电机与前驱动翼片相连接；

所述的舵机舱8，其舱体内部设置有舵机9，其舵机舱盖10的顶面设置有通信电台11，舵机舱盖10将舵机密封在舵机舱的舱体内部；舱体底部靠近尾部的位置设置有一片舵机翼片7，舵机翼片与舵机相连接，舵机与控制器12的信号输出端相连接，控制器的信号输入端与通信电台的信号输出端相连接，通信电台的信号输入端与gps模块19的信号输出端相连通；舱体底部靠近头部的位置设置有后连接杆6，后连接杆的两端设置有后驱动翼片5，后连接杆内部同样设置有驱动电机，该驱动电机与后驱动翼片相连接、且与控制导航舱内的驱动控制器17的信号输出端相连接。

其中：

导航控制舱20，舱体底部靠近头部的位置竖直设置有一根前支撑杆21，前支撑杆的末端设置有一块前支撑板24，前支撑板的板面与前支撑杆垂直；前支撑杆的下部设置有一根所述的前连接杆22，前连接杆与前支撑杆垂直、且位于前支撑板的上方；前连接杆的两端各连接有一片所述的前驱动翼片23，前驱动翼片的材质为碳纤维，前驱动翼片的翼片平面与前支撑杆垂直；

前连接杆内部除了驱动电机25外还设置有驱动齿轮27、被动齿轮30、翼片连接杆29、轴承31、限位块32、压力弹簧33；其中：驱动齿轮与被动齿轮相互咬合，且二者的直径均与前连接杆的直径平行；驱动电机连接有一根驱动连接杆26，且驱动连接杆贯穿驱动齿轮；翼片连接杆依次贯穿被动齿轮、轴承、压力弹簧；轴承与驱动电机，位于驱动齿轮、被动齿轮的同一侧；轴承通过翼片连接杆与外部的前驱动翼片23相连接；翼片连接杆的另一端设置限位块，压力弹簧为c型弹簧、且两端正对限位块的上下面，限位块随着翼片连接杆向上或者向下旋转时，限位块的上面或下面与压力弹簧的上端或下端接触从而受到压力限制；前连接杆设置有一块密封盖28，将驱动电机、驱动连接杆、驱动齿轮、被动齿轮、轴承、限位块、压力弹簧密封在其内部；密封盖上设有一孔洞，孔洞直径与翼片连接杆的直径相等，翼片连接杆穿过孔洞与外部的前驱动翼片相连接；

速度传感器18检测船体随波浪向上或向下的速度，驱动器控制器17接收到速度传感器发送的运动信息后控制驱动电机25运行，前驱动翼片23在驱动电机的控制下绕轴承31旋转从而向上或向下偏转角度至固定角度0-45°，水流对前驱动翼片产生向下/向上以及向前的驱动力，从而为航行器获取动力；当前驱动翼片在水流作用下再偏转角度时，前驱动翼片带动翼片连接杆29旋转，而翼片连接杆上的限位块32也随之转动，此时压力弹簧33受压从而限制翼片连接杆旋转，前驱动翼片也随之停止旋转。

舵机舱8，舱体底部靠近头部的位置竖直设置有一根后支撑杆4，后支撑杆的末端设置有一块后支撑板3，后支撑板的板面与后支撑杆垂直；后支撑杆的下部设置有一根所述的后连接杆6，后连接杆与后支撑杆垂直、且位于后支撑板的上方；后连接杆的两端各连接有一片所述的后驱动翼片5，后驱动翼片的材质为碳纤维，后驱动翼片的翼片平面与后支撑杆垂直；

后连接杆内部结构前连接杆结构相同，即内部设置有驱动电机、驱动齿轮、被动齿轮、翼片连接杆、轴承、限位块、压力弹簧；其中：驱动齿轮与被动齿轮相互咬合，且二者的直径均与前连接杆的直径平行；驱动电机连接有一根驱动连接杆，且驱动连接杆贯穿驱动齿轮；翼片连接杆依次贯穿被动齿轮、轴承、压力弹簧；轴承与驱动电机，位于驱动齿轮、被动齿轮的同一侧；轴承通过翼片连接杆与外部的后驱动翼片5相连接；翼片连接杆的另一端设置限位块，压力弹簧为c型弹簧、且两端正对限位块的上下面，限位块随着翼片连接杆向上或者向下旋转时，限位块的上面或下面与压力弹簧的上端或下端接触从而受到压力限制；后连接杆6同样还设置有一块密封盖，将驱动电机、驱动连接杆、驱动齿轮、被动齿轮、轴承、限位块、压力弹簧密封在其内部；密封盖上设有一孔洞，孔洞直径与翼片连接杆的直径相等，翼片连接杆穿过孔洞与外部的后驱动翼片相连接；

后连接杆内的各零部件及后驱动翼片的运行方式与前连接杆及前驱动翼片的方式相同：速度传感器18检测船体随波浪向上或向下的速度，驱动器控制器17接收到速度传感器发送的运动信息后控制后连接杆6内的驱动电机运行，后驱动翼片5在该驱动电机的控制下绕轴承旋转从而向上或向下偏转角度至固定角度0-45°，水流对后驱动翼片产生向下/向上以及向前的驱动力，从而为航行器获取动力；当后驱动翼片在水流作用下再偏转角度时，后驱动翼片带动翼片连接杆旋转，而翼片连接杆上的限位块也随之转动，此时压力弹簧受压从而后限制翼片连接杆旋转，后驱动翼片也随之停止旋转；

同时，gps模块19将定位信息发送给通信电台11，控制器12接受通信电台的信息后控制舵机9运行从而控制舵机翼片7转动实现无人水面航行器的定位、转向及轨迹控制。

无人水面航行器还包括检测传感器组件，检测组件为检测各种水文信息的传感器2，搭载在航行器船体1的底部、侧面或前部，传感器的水文信息输出端与通信电台的水文信息输入端相连接，通信电台的水文信息输出端与底面接收站相连接。

上述的锂电池分别与舵机9、通信电台11、传感器2、驱动电机25、驱动控制器17、控制器12、gps模块19、速度传感器18相连接，为其提供电力能源。

实施例2：本发明实施例1的无人水面航行器的应用：

将本发明实施例1的无人水面航行器放于海域进行航行测量水文信息，无人水面航行器利用了波浪作用下浮体的俯仰运动作为驱动翼片的动力：

船体向上运动时，速度传感器18监测到船体向上的速度后，将速度信息传送给驱动器控制器17，驱动器控制器17接收到速度信息后控制前连接杆22和后连接杆6内的驱动电机25运行，前驱动翼片23、后驱动翼片5在各自驱动电机的控制下绕各自的轴承31旋转从而向下偏转角度至固定角度0-45°，水流对前驱动翼片、后驱动翼片均产生向下及向前的驱动力，从而为航行器获取动力；当前驱动翼片、后驱动翼片在水流作用下再偏转角度时，前驱动翼片、后驱动翼片带动各自的翼片连接杆29旋转，而翼片连接杆上的限位块32也随之转动，此时压力弹簧33受压从而限制翼片连接杆旋转，前驱动翼片、后驱动翼片也随之停止旋转。

船体向下运动时，速度传感器18监测到船体向下的速度后，将速度信息传送给驱动器控制器17，驱动器控制器17接收到速度信息后控制前连接杆22和后连接杆6内的驱动电机25运行，前驱动翼片23、后驱动翼片5在各自驱动电机的控制下绕各自的轴承31旋转从而向上偏转角度至固定角度0-45°，水流对前驱动翼片、后驱动翼片均产生向上及向前的驱动力，从而为航行器获取动力；当前驱动翼片、后驱动翼片在水流作用下再偏转角度时，前驱动翼片、后驱动翼片带动各自的翼片连接杆29旋转，而翼片连接杆上的限位块32也随之转动，此时压力弹簧33受压从而限制翼片连接杆旋转，前驱动翼片、后驱动翼片也随之停止旋转。

同时，gps模块19将海域的定位信息发送给通信电台11，控制器12接受通信电台的信息后控制舵机9运行，舵机运行带动舵机翼片转动，实现无人水面航行器的定位、转向及轨迹控制。

此外，检测各种水文信息的传感器12，将检测到的各种水文信息传输给通信电台，通信电台将水文信息反馈给地面通信站。

通过上述实施例可知，本发明所述航行器以波浪能作为直接驱动力，在波浪作用下通过航行器的俯仰运动来获取前进的动力，舵机组件控制所述航行器转向，利用通信系统的定位信息通过控制舵机转向实现无人水面航行器的定位及轨迹控制。通过通信系统将环境监测传感器所获取的水文信息等传输到地面站。

传统波浪能滑翔机无控制翼片偏转的驱动，仅通过水流作用使得驱动翼片被动偏转，如图5所示：当船体到达底部向上运动时，如无电机驱动翼片转动，单纯靠水流驱动翼片转动时，驱动翼片从向上角度偏转到水平的过程将产生一个负方向驱动的力，本发明将限位块、压力弹簧、驱动电机等密封于连接杆中，通过速度传感器监测航行器运动避免了负方向驱动的过程同时具有更好的密闭性、使用寿命更长的特点，具有较好的机动性和续航能力。

上述实例只是为说明本发明的技术构思以及技术特点，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。