基于海水浮力调节系统的多功能大型水下滑翔机的制作方法

本公开涉及海洋航行器技术领域，尤其涉及一种基于海水浮力调节系统的多功能大型水下滑翔机，其适用于大航程长、时序的海洋环境数据和声场数据的测量。

背景技术：

水下滑翔机具有大航程、长时序、低成本、隐蔽性好、可重复利用等多方面优点，其在海洋观测领域发挥了越来越重要的作用。自1989年美国科学家hernystommel首次提出水下滑翔机的概念以来，各海洋强国开始研制水下滑翔机，使得水下滑翔机的理论和技术进入高速发展期，其中slocum、spray和seaglider等类型的滑翔机已被海洋学研究和沿海调查任务所采用。现阶段百公斤以内的小型水下滑翔机技术已趋向成熟，但大型水下滑翔机的研究起步较晚，其中美国的xray和zray水下滑翔机为较早出现的大型水下滑翔机。

小型水下滑翔机可以实现数千公里的航程，但由于其体积重量和内部空间有限，一方面带载能力有限，另一方面可搭载传感器种类少，只能搭载ctd等低能耗水文探测传感器，无法搭载高能耗的环境参数测量传感器和声学传感器。相反，大型水下滑翔机能够搭载更大容量的电池系统，其可供能量达数十千瓦时，为搭载更多高能耗的传感器和大航程探测任务提供了技术可行性。

为防止深水压力破坏内部油箱，小型水下滑翔机一般在每个测量剖面结束后都需返回水面进行回油操作，即打开电磁截止阀，使外油囊中的液压油以自吸的方式流回内部油箱。小型水下滑翔机通常无法实现水下的回油操作，如此操作增加了滑翔机暴露在水面的时间；但大型水下滑翔机具有足够的内部空间和带载能力，可以采用更加完备和复杂的液压系统实现水下回油和快速排油等功能，进而实现滑翔机的水下悬浮和区间深度剖面测量功能，总体上提升滑翔机对于海洋测量任务的适用性。

然而，现有的大型水下滑翔机由于机翼较长，在直航推进模式下，其机翼会产生额外的航行阻力，增加能耗。为此，需研制机翼折叠或伸缩机构，在直航状态下将机翼部分缩回，提升滑翔机动稳定性及操纵性的同时提升其航行效率。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种基于海水浮力调节系统的多功能大型水下滑翔机，以缓解现有技术中大型水下滑翔机直航推进模式下耗能高，隐蔽性、稳定性、操纵性以及航行效率较差等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种基于海水浮力调节系统的多功能大型水下滑翔机，包括：机身；浮力调节系统，用于调节水下滑翔机的浮力大小；移动电池，可沿机身轴向方向前后移动，用于实现水下滑翔机俯仰姿态控制；以及伸缩翼，可进行伸展或收缩，分别对应滑翔机的水下滑翔模式或直航推进模式。

在本公开实施例中，浮力调节系统外包覆有承压外壳，所述浮力调节系统，包括：活塞式内水箱，用于储存海水；排水单元，用于将活塞式内水箱的海水向外排放；所述排水单元包括：海水泵，与所述活塞式内水箱相连，用于排放海水时提供动力；以及蓄能器，用于快速转存海水并在排放海水时提高排放速度；回水单元，用于将外部海水回收至活塞式内水箱；所述回水单元包括：慢速回水支路，其上设置有慢速流量阀，用于慢速回水；快速回水支路，与慢速回水支路并联关系，其上设置有快速流量阀，用于快速回水；以及三位两通电磁换向阀，与回水单元相连，用于通过切换来选择回水支路进而选择回水模式；以及两个电磁阀，分别设置于浮力调节系统的海水出入管道上以及蓄能器的海水出入管道上，通过各自通断的配合选择排水或回水路径。

在本公开实施例中，所述排水模式，包括：快速排水模式，首先通过海水泵将活塞式内水箱中的海水压入蓄能器后，再通过蓄能器将海水快速排出；以及正常排水模式，通过海水泵将活塞式内水箱中的海水直接排出至外部。在本公开实施例中，所述回水模式，包括：快速回水模式，通过三位两通电磁换向阀将回水路径选择为快速回水支路；以及慢速回水模式，通过三位两通电磁换向阀将回水路径选择为慢速回水支路。

在本公开实施例中，所述浮力调节系统还包括：安全阀，连接于管道上，用于使浮力调节系统管道压力不超过规定值；浮力补偿模块，用于在浮力调节过程中进行浮力补偿；多个过滤器，设置于管道上，用于海水的过滤，以及多个单向阀，设置于管道上，用于控制海水流动方向，在排水和水下回水时起背压作用。

在本公开实施例中，通过带背压的浮力调节系统的排水模式和回水模式的选择，配合移动电池前后移动，使滑翔机不返回水面即可实现水下深度区间内的上下往复滑翔及悬停功能。

在本公开实施例中，所述伸缩翼通过双齿轮齿条机构控制实现机翼的伸展和不完全收缩，进而实现小展弦比机翼的功能；在直航推进模式下机翼缩回以降低航行阻力，在滑翔模式下伸出机翼以提供升力。

在本公开实施例中，所述浮力调节系统直接使用海水作为工作液体，不需要外油囊来存储液压油作为工作介质。

在本公开实施例中，所述浮力调节系统采用液压油作为工作液体时，需另外加装外油囊。

在本公开实施例中，所述水下滑翔机还包括：导航通讯系统，螺旋桨推进装置，舵机系统，传感器装置，固定电池，控制系统，多普勒计程仪，以及抛载。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开基于海水浮力调节系统的多功能大型水下滑翔机至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

1)具有更大的内部空间和能源带载量，更易实现大航程的同时可搭载更多种类的和更高能耗的传感器，拓展滑翔机的工作范围和工作能力；

2)采用螺旋桨驱动和浮力驱动两种工作模式，其中螺旋桨驱动直航模式可以以精确的运动控制完成调查任务。浮力驱动滑翔模式可以实现剖面运动，完成垂直剖面测量任务。同时在浮力驱动模式下亦可采用螺旋桨驱动模式作为辅助推进，以抵抗海流的影响，提高滑翔速度和航迹保持能力。

3)其常规的水动力外形布局，外形和结构较为简单，设计难度小，制造成本低，可靠性高，维护和使用方便。

4)其基于海水泵的浮力调节系统，直接使用海水作为工作液体，不需要外油囊来存储液压油，大大减少了内部空间占用和系统的复杂性，对于大型滑翔机系统的设计与制造十分有利。

5)具备快速排水功能的浮力调节系统，可以实现快速排出海水的功能，使滑翔机在小深度范围和短时间内能够快速改变浮力。

6)具备快速回水和慢速回水功能的浮力调节系统，可以不返回水面实现水下定深和水下深度区间范围内的往复滑翔，使滑翔机具有深度区间剖面测量和水下悬浮功能，减少滑翔机暴露在水面的时间，提高隐蔽性。多种排水、回水模式的组合使浮力控制更加精准灵活，更加适应水下探测任务的多样化需求。

7)其双齿轮齿条机翼伸缩机构，展弦比合理适中，占用空间小，动作过程平稳可靠。在螺旋桨推进直航模式下，机翼收缩以降低阻力提高航行效率，在浮力驱动滑翔模式下伸出机翼提供升力。

附图说明

图1为本公开实施例基于海水浮力调节系统的多功能大型水下滑翔机的总体布局示意图；

图2为图1中浮力调节系统的组成结构示意图。

图3为本公开实施例基于海水浮力调节系统的多功能大型水下滑翔机进行深度区间剖面测量的示意图。

图4a为图1中伸缩翼的齿轮齿条装配结构示意图；

图4b为图1中伸缩翼的侧视结构示意图；

图4c为图1中伸缩翼的俯视结构接伸展状态示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-机身；

2-浮力调节系统；

3-移动电池；

4-伸缩翼；

5-导航通讯系统；

6-螺旋桨推进装置；

7-舵机系统；

8-传感器装置；

9-固定电池；

10-控制系统；

11-多普勒计程仪；

12-抛载；

20-浮力补偿模块；

21-活塞式内水箱；

22-海水泵；

23-安全阀；

24-蓄能器；

27-三位两通电磁换向阀；

41-电机；

42-减速器；

43-齿轮；

44-机翼；

45-齿条；

281、282、283、284、285-过滤器；

251、252、253、254-单向阀；

261、262-流量阀；

291、292-电磁截止阀。

具体实施方式

本公开提供了一种基于海水浮力调节系统的多功能大型水下滑翔机，所谓大型滑翔机一般满足质量500kg以上，长度4米以上，直径500mm以上，本公开实施例的滑翔机典型重量1000公斤，直径533毫米，长度6米，翼展2至3.5米，其采用海水浮力调节系统，作为一种大型的水下滑翔机，其包括耐压舱体、外壳、浮力调节系统、移动电池、通讯导航与控制系统、伸缩翼、推进与操纵系统、传感器系统等；控制系统控制浮力调节系统实现水下滑翔机的浮力大小调节，控制移动电池实现水下滑翔机的俯仰姿态控制；水下滑翔机在返回水面后利用通讯导航系统设定航向和作业任务；推进与操纵系统实现滑翔机的直航运动；伸缩翼机构实现机翼的伸缩，分别在滑翔模式和直航推进模式中使用；所述多功能大型水下滑翔机增加了执行任务时的隐蔽性，提高了滑翔机对多元化水下探测任务的适应性。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种基于海水浮力调节系统的多功能大型水下滑翔机，如图1所示，所述基于海水浮力调节系统的多功能大型水下滑翔机，包括：

机身1；

浮力调节系统2，用于调节水下滑翔机的浮力大小；

移动电池3，可沿机身轴向方向前后移动，用于实现水下滑翔机俯仰姿态控制；

伸缩翼4，可进行伸展或收缩，分别对应水下滑翔机的滑翔模式或直航推进模式。

所述浮力调节系统2，其外包覆有承压外壳，所述浮力调节系统，包括：

活塞式内水箱21，用于储存海水；

排水单元，用于将活塞式内水箱的海水向外排放，包括：

海水泵22，与所述活塞式内水箱21相连，用于排放时提供动力；

蓄能器24，用于快速转存海水并在排放海水时提高排放速度；以及回水单元，用于将外部海水回收至活塞式内水箱21，包括：

慢速回水支路，其上设置有慢速流量阀262，用于慢速回水；

快速回水支路，与慢速回水支路并联关系，其上设置有快速流量阀261，用于快速回水；

三位两通电磁换向阀27，与回水单元相连，用于通过切换来选择回水支路进而选择回水模式；以及

两个电磁阀，分别设置于浮力调节系统的海水出入管道上以及蓄能器的海水出入管道上，通过各自通断的配合选择排水或回水路径。

所述排水模式，包括：

快速排水模式，首先通过海水泵22将活塞式内水箱21中的海水压入蓄能器24后，再通过蓄能器24将海水快速排出；以及

正常排水模式，通过海水泵22将活塞式内水箱21中的海水直接排出至外部。

所述回水模式，包括：

快速回水模式，通过三位两通电磁换向阀27将回水路径选择为快速回水支路；以及

慢速回水模式，通过三位两通电磁换向阀27将回水路径选择为慢速回水支路。

所述浮力调节系统还包括：

安全阀23，连接于管道上，用于使浮力调节系统管道压力不超过规定值；

浮力补偿模块，用于在浮力调节过程中进行浮力补偿；

多个过滤器281、282、283、284、285，设置于管道上，用于海水的过滤，以及

多个单向阀251、252、253、254，设置于管道上，用于控制海水流动方向，在排水和水下回水时起背压作用；

所述伸缩翼4通过双齿轮齿条机构控制实现机翼的伸展和不完全收缩，低功耗滑翔模式，机翼伸展；直航推进模式，机翼收缩。

所述水下滑翔机还包括：导航通讯系统5，螺旋桨推进装置6，舵机系统7，传感器装置8，固定电池9，控制系统10，多普勒计程仪11，以及抛载12。

在本公开实施例中，如图2所示，浮力调节系统原理如下：

排水阶段分为正常排水阶段和快速排水阶段，分别对应正常排水模式和快速排水模式。

正常排水时，关闭电磁截止阀292，开启电磁截止阀291，此时处于活塞式内水箱21中的海水通过海水泵22排出舱外；

快速排水时，首先关闭电磁截止阀291，开启电磁截止阀292，将活塞式内水箱21中的海水通过海水泵22先压入蓄能器24中，待排出指定量的海水后，再打开电磁截止阀291，将蓄能器24中的海水排除舱外，实现快速排水功能。排水过程中单向阀251在排水支路起背压作用，将三位两通电磁换向阀27切换到关闭通路，在回水支路起背压作用。安全阀23使循环系统压力不超过规定值，起到保护循环系统的作用。排水过程结束后，关闭电磁截止阀291，此时电磁截止阀291起背压作用。

回水阶段也分为慢速回水阶段和快速回水阶段，分别对应慢速回水模式和快速回水模式。通过快速流量阀261控制流量阈值实现快速回水；通过慢速流量阀262控制流量阈值实现慢速回水。

慢速回水时，开启电磁截止阀291，关闭电磁截止阀292，海水通过过滤器281过滤后进入循环系统。将三位两通电磁换向阀27切换到慢速回水支路，海水通过单向阀253和流量阀262流入活塞式内水箱21。当回到指定量海水时，关闭电磁截止阀291，三位两通电磁换向阀27切换到关闭通路，慢速回水阶段结束。

快速回水时，把三位两通电磁换向阀切换到快回支路，海水通过单向阀252和流量阀261流入活塞式内水箱21。当回到指定量海水时，关闭电磁截止阀291，三位两通电磁换向阀27切换到关闭通路，快速回水阶段结束。回水过程中单向阀251在排水支路起背压作用，单向阀252和253分别在快速回水和慢速回水过程中在回水支路起背压作用。每次回水过程结束后，关闭电磁截止阀291，此时电磁截止阀291起背压作用。

在本公开实施例中，如图3所示，通过带背压的浮力调节系统的排水模式和回水模式的选择，配合移动电池前后移动，使滑翔机不返回水面即可实现水下深度区间内的上下往复滑翔及悬停功能，完成深度区间剖面测量功能。

在本公开实施例中，结合图4a至图4c所示，伸缩翼机构中齿轮齿条机构在auv螺旋桨驱动模式下，通过电机41经过减速器42，通过齿轮43传动安装在机翼44上的齿条45，实现机翼的收缩动作，减少航行过程中机翼产生的阻力，减少能耗。在浮力驱动模式下电机反转，实现机翼的伸出动作，为滑翔机提供所需的升力；通过采用不完全收缩的方式实现小展弦比机翼的伸缩功能。该功能可以通过但不局限于本公开所提的齿轮齿条机构来实现，该机构占用空间小，动作过程平稳可靠。在直航推进模式下机翼缩回以降低航行阻力，在滑翔模式下伸出机翼以提供升力。

本公开基于海水浮力调节系统的多功能大型水下滑翔机采用海水泵浮力调节系统，由海水泵吸入和排出海水改变滑翔机自身重力，进而为滑翔运动提供所需的可变净浮力。与传统滑翔机浮力调节系统相比，此种浮力调节系统直接使用海水作为工作液体，不需要外油囊来存储液压油，大大减少了内部占用空间，对于大型滑翔机的设计与制造十分有利；采用海水泵、蓄能器和电磁阀配合实现浮力调节系统的快速排水功能。由海水泵将海水打入蓄能器中，在调节浮力时打开电磁阀快速排出海水，使滑翔机可以在小深度区间和短时间内快速改变净浮力，提升了水下滑翔机的响应能力和操控速度；采用两条背压回水支路的浮力调节系统，使滑翔机在深水压力下具备快慢两种回水速度，通过电磁换向阀实现快慢两种回水模式的切换。多种排水、回水模式的组合使浮力控制更加精准灵活；水下滑翔机具备的深度区间剖面测量和水下悬浮功能。综合利用快速排水和慢速回水的模式，可以使滑翔机不返回水面即可实现水下定深和水下深度区间内的往复滑翔，减少滑翔机暴露在水面的时间，增加行动隐蔽性，提高滑翔机对多元化水下探测任务的适应性；所述浮力调节系统的工作液体不仅适用于海水，而且适用于液压油等工作液体。如果采用液压油作为工作液体，浮力调节系统只需另外加装外油囊即可。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于海水浮力调节系统的多功能大型水下滑翔机有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种基于海水浮力调节系统的多功能大型水下滑翔机，由于采用了基于海水泵的浮力调节系统，滑翔机不再需要外油囊装置，降低了系统复杂度，节省了内部空间。由于具有更大的带载能力，该水下滑翔机可搭载更高能耗的海洋环境探测和声学探测传感器，用于获取海洋环境数据和声学背景场数据。通过背压回水支路实现了无需返回水面即可在深水压力状态下回水，使滑翔机具有了水下深度区间剖面测量和水下悬浮功能，减少了滑翔机暴露在水面的时间，提高了执行任务时的隐蔽性。此外，通过在排水支路加入蓄能器，实现了快速排水功能，提高了滑翔机的响应速度。多功能大型水下滑翔机除了具有常规滑翔机的剖面运动能力外，通过螺旋桨推进系统和舵机系统也实现了水平直航功能。为了更好适应滑翔机在不同工作模式下的功能需求，利用齿轮齿条机构实现机翼的不完全伸缩功能，其占用空间小，动作过程平稳可靠。在直航推进模式下，机翼部分收缩使滑翔机具有更好的动稳定性，提升其操纵性的同时降低航行阻力。在低能耗滑翔模式下伸出机翼，提升其稳定性的同时为滑翔运动提供所需升力。本公开发明的大型水下滑翔机具有更大的内部空间和能源带载量，可搭载更多种类和更高能耗的传感器，拓展了滑翔机的作业能力和工作范围，具备良好的综合性能，适用于大航程长时序的任务需求。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。