柔性尾鳍混合驱动水下滑翔机的制作方法

本发明属于水下航行器技术领域，尤其涉及一种柔性尾鳍混合驱动水下滑翔机。

背景技术：

水下滑翔机依靠调节浮力实现升沉，配合水平翼的升力将垂直运动转换为水平运动，采用内置的姿态调整机构改变姿态以实现滑翔运动，可对复杂海洋环境进行长时序、大范围的观测与探测，在全球海洋观测与探测系统中发挥着重要作用，具有长航程、长航时、隐蔽性好等优点。

由于水下滑翔机自身的航行速度低，自身机动性和抗海流能力差，因而，研发了多种混合驱动水下滑翔机，尾鳍混合驱动水下滑翔机就是其中的一种。目前，尾鳍混合驱动水下滑翔机多数采用刚性尾鳍，例如专利cn106005323a公开的仿生水下滑翔机，也有少数在尾鳍后加装了柔性鳍片，例如专利cn104386228a公开的鱼尾式扑翼混合动力水下滑翔机，但即使加装了柔性鳍片，其尾鳍柔性仍然较差，不利于水下滑翔机长时间、大范围作业。

在仿生机器鱼领域，虽然提出了许多柔性尾鳍结构，但其整体存在驱动结构体积较大、驱动复杂的问题，若在水下滑翔机上采用类似的驱动结构，不可避免的会占用水下滑翔机除尾部以外的其它空间，在体积小、重量轻的水下滑翔机上并不适用。

技术实现要素：

本发明针对上述现有尾鳍混合驱动水下滑翔机存在的不足，提出一种柔性尾鳍混合驱动水下滑翔机，其尾鳍具有柔性，尾鳍驱动控制机构的体积小、重量轻，可完全安装于尾部，不占用除尾部以外的其它空间，且柔性尾鳍的摆动幅度和频率能够准确控制。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

柔性尾鳍混合驱动水下滑翔机，包括滑翔机主体，以滑翔机主体的首部为前、尾部为后、顶部为上、底部为下；所述滑翔机主体的尾部安装有柔性尾鳍驱动装置，所述柔性尾鳍驱动装置包括呈尾鳍形状的柔性蒙皮，所述柔性蒙皮通过尾鳍连接件安装于所述滑翔机主体的尾端，所述柔性蒙皮内设有用于带动所述柔性蒙皮摆动的张拉组件，所述滑翔机主体的尾部内设有用于驱动所述张拉组件的驱动组件；所述张拉组件包括多组成对设置的立杆，每根所述立杆均沿上下方向设置，同组的两根所述立杆分别贴于所述柔性蒙皮的左侧面和右侧面，多组所述立杆沿前后方向分布于所述柔性蒙皮内；相邻两组所述立杆中，位于不同侧面且不同组的两根所述立杆之间均铰接有横撑杆；位于最前方的一组所述立杆固定连接于所述尾鳍连接件，该组所述立杆为固定立杆，其余组所述立杆均为活动立杆；同组的两根所述活动立杆之间均连接有处于张紧状态的被动弹簧、以及用于连接所述驱动组件的传动件，每组所述活动立杆对应的所述传动件均包括处于张紧状态的第一主动弹簧和第二主动弹簧，以及一根刚性绳；所述第一主动弹簧连接于位于左侧面的所述活动立杆，所述第二主动弹簧连接于位于右侧面的所述活动立杆；所述刚性绳的中部位于所述滑翔机主体的尾部内；每组所述活动立杆对应的所述刚性绳的左端沿自前向后方向依次穿过所述尾鳍连接件、位于该组所述活动立杆前方且位于左侧面的全部所述立杆，并与所述第一主动弹簧相连；每组所述活动立杆对应的所述刚性绳的右端沿自前向后方向依次穿过所述尾鳍连接件、位于该组所述活动立杆前方且位于右侧面的全部所述立杆，并与所述第二主动弹簧相连；所述驱动组件包括防水电机和安装于所述防水电机输出轴的导线器，所述导线器包括与所述防水电机输出轴共轴线设置的多个绕线轮，所述绕线轮的数量与所述刚性绳的数量一致，每根所述刚性绳的中部绕过一个所述绕线轮，自前向后排列的所述活动立杆连接的刚性绳所对应的绕线轮的半径逐渐增大。

作为优选，所述柔性蒙皮为橡胶或硅胶材质，所述柔性蒙皮与活动立杆经硫化处理粘合连接，所述柔性蒙皮与尾鳍连接件经硫化处理粘合连接。

作为优选，所述柔性尾鳍驱动装置还包括用于支撑所述柔性蒙皮的支撑组件，所述支撑组件设置于所述柔性蒙皮内，所述支撑组件包括第一支撑杆和第二支撑杆；所述第一支撑杆的一端连接于所述活动立杆的上端并向上延伸，另一端连接于所述柔性蒙皮的内侧；所述第二支撑杆的一端连接于所述活动立杆的下端并向下延伸，另一端连接于所述柔性蒙皮的内侧。

作为优选，所述第一支撑杆和第二支撑杆均连接于最后方一组所述活动立杆。

作为优选，所述第一支撑杆和第二支撑杆均为多根，多根所述第一支撑杆分别连接于不同的所述活动立杆，多根所述第二支撑杆分别连接于不同的所述活动立杆。

作为优选，所述尾鳍连接件为环形连接件，所述环形连接件的中心线沿前后方向设置，所述刚性绳从所述环形连接件的通孔穿过。

作为优选，所述滑翔机主体包括呈筒状的耐压壳体，所述耐压壳体的中心线沿前后方向设置，所述耐压壳体的前后两端分别密封连接有前端盖和后端盖，所述耐压壳体的左右两侧分别连接有机翼，所述前端盖的前侧连接有前导流罩以形成所述滑翔机主体的首部，所述后端盖的后侧连接有后导流罩以形成所述滑翔机主体的尾部，所述尾鳍连接件连接于所述后导流罩的后端，所述驱动组件安装于所述后导流罩内。

作为优选，所述后导流罩内设有防水电机固定架，所述防水电机固定架固定连接于所述后端盖，所述防水电机固定安装于所述防水电机固定架。

作为优选，所述滑翔机主体内设有浮力驱动装置，所述浮力驱动装置包括内部盛装有油的内油箱、体积可膨胀的外油囊、用于将所述内油箱内的油泵入所述外油囊的油泵和连接于所述油泵的驱动电机，所述内油箱、油泵和驱动电机均设置于所述耐压壳体内，所述外油囊设置于所述后导流罩内，所述油泵的入口端和出口端分别通过输油油路连接于所述内油箱和外油囊，所述内油箱和外油囊之间还连通有回油油路，所述回油油路设有单向电磁阀。

作为优选，所述滑翔机主体内设有姿态控制装置、主控装置、任务载荷、抛载装置和天线，所述姿态控制装置和主控装置设置于所述耐压壳体内，所述任务载荷设置于所述前导流罩内并从所述前导流罩的顶部露出，所述抛载装置设置于所述前导流罩内并从所述前导流罩的底部露出，所述天线连接于所述后端盖并从所述后导流罩的顶部伸出。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

1、本发明提供的柔性尾鳍混合驱动水下滑翔机，其柔性尾鳍驱动装置中，尾鳍为柔性蒙皮，相比于刚性尾鳍，具有更好的柔性，有利于提高水下滑翔机的机动性；

2、本发明提供的柔性尾鳍混合驱动水下滑翔机，其尾鳍的摆动通过张拉组件和驱动组件控制，控制时通过一个防水电机与导线器配合即可实现对张拉组件的驱动，其驱动组件体积小、重量轻，可完全安装于尾部，不占用除尾部以外的其它空间；

3、本发明提供的柔性尾鳍混合驱动水下滑翔机，通过设置的张拉组件，使其尾鳍具有较高的结构强度和质量比，通过改变张拉组件中第一主动弹簧、第二主动弹簧和被动弹簧的刚度，可改变尾鳍的刚度，以满足不同的推动需求，适用范围广、灵活性强；

4、本发明提供的柔性尾鳍混合驱动水下滑翔机，通过控制防水电机的转速、转动量等变量，可精确控制尾鳍的摆动频率与幅度，使得其尾鳍具备高精度模拟鱼类运动规律的能力，实现了高效率地仿尾鳍推进；

5、本发明提供的柔性尾鳍混合驱动水下滑翔机，具有高机动、长航时、低噪声、大深度作业等优点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的柔性尾鳍混合驱动水下滑翔机的外部结构示意图；

图2为本发明实施例提供的柔性尾鳍混合驱动水下滑翔机的内部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的柔性尾鳍混合驱动水下滑翔机中柔性尾鳍驱动装置的结构示意图；

图4为沿柔性尾鳍混合驱动水下滑翔机对称面剖开的柔性尾鳍驱动装置的剖视图；

图5为柔性尾鳍驱动装置中张拉组件的结构示意图；

图6为柔性尾鳍驱动装置中导线器的结构示意图；

图7为柔性尾鳍驱动装置中张拉组件与驱动组件的装配示意图；

图8为柔性尾鳍驱动装置中张拉组件处于初始状态时的驱动状态图；

图9为柔性尾鳍驱动装置中张拉组件处于摆动状态时的驱动状态图；

图10为本发明实施例提供的柔性尾鳍混合驱动水下滑翔机中浮力驱动装置的结构示意图；

以上各图中：1、滑翔机主体；11、前导流罩；12、前端盖；13、耐压壳体；14、后端盖；15、后导流罩；16、机翼；2、柔性尾鳍驱动装置；21、柔性蒙皮；22、尾鳍连接件；23、驱动组件；231、防水电机；232、导线器；2321、绕线轮；24、防水电机固定架；25、张拉组件；251、立杆；2511、固定立杆；2512、活动立杆；252、横撑杆；253、被动弹簧；254、传动件；2541、第一主动弹簧；2542、第二主动弹簧；2543、刚性绳；26、支撑组件；261、第一支撑杆；262、第二支撑杆；3、浮力驱动装置；31、内油箱；32、外油囊；33、油泵；34、驱动电机；35、输油油路；36、回油油路；37、单向电磁阀；4、姿态控制装置；5、主控装置；6、任务载荷；7、抛载装置；8、天线。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要说明的是，以滑翔机主体1的首部为前、尾部为后、顶部为上、底部为下，“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示方位的术语，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1-图4所示，本发明实施例涉及一种柔性尾鳍混合驱动水下滑翔机，包括滑翔机主体1，滑翔机主体1的尾部安装有柔性尾鳍驱动装置2，柔性尾鳍驱动装置2包括呈尾鳍形状的柔性蒙皮21，柔性蒙皮21通过尾鳍连接件22安装于滑翔机主体1的尾端，柔性蒙皮21内设有用于带动柔性蒙皮21摆动的张拉组件25，滑翔机主体1的尾部内设有用于驱动张拉组件25的驱动组件23；如图4和图5所示，张拉组件25包括多组成对设置的立杆251，每根立杆251均沿上下方向设置，同组的两根立杆251分别贴于柔性蒙皮21的左侧面和右侧面，多组立杆251沿前后方向分布于柔性蒙皮21内；相邻两组立杆251中，位于不同侧面且不同组的两根立杆251之间均铰接有横撑杆252；位于最前方的一组立杆251固定连接于尾鳍连接件22，该组立杆251为固定立杆2511，其余组立杆251均为活动立杆2512；同组的两根活动立杆2512之间均连接有处于张紧状态的被动弹簧253、以及用于连接驱动组件23的传动件254，每组活动立杆2512对应的传动件254均包括处于张紧状态的第一主动弹簧2541和第二主动弹簧2542，以及一根刚性绳2543；第一主动弹簧2541连接于位于左侧面的活动立杆2512，第二主动弹簧2542连接于位于右侧面的活动立杆2512；刚性绳2543的中部位于滑翔机主体1的尾部内；每组活动立杆2512对应的刚性绳2543的左端沿自前向后方向依次穿过尾鳍连接件22、位于该组活动立杆2512前方且位于左侧面的全部立杆251，并与第一主动弹簧2541相连；每组活动立杆2512对应的刚性绳2543的右端沿自前向后方向依次穿过尾鳍连接件22、位于该组活动立杆2512前方且位于右侧面的全部立杆251，并与第二主动弹簧2542相连；如图4、图6和图7所示，驱动组件23包括防水电机231和安装于防水电机231输出轴的导线器232，导线器232包括与防水电机231输出轴共轴线设置的多个绕线轮2321，绕线轮2321的数量与刚性绳2543的数量一致，每根刚性绳2543的中部绕过一个绕线轮2321，自前向后排列的活动立杆2512连接的刚性绳2543所对应的绕线轮2321的半径逐渐增大。

如图8-图9所示，上述柔性尾鳍混合驱动水下滑翔机中，柔性尾鳍驱动装置2的工作原理为：在张拉组件25中，由于每组活动立杆2512之间连接的被动弹簧253以及传动件254中的第一主动弹簧2541和第二主动弹簧2542均处于张紧状态，从而使刚性绳2543能够紧紧的绕于导线器232的绕线轮2321上。当防水电机231正转驱动导线器232正向旋转时，刚性绳2543随导线器232的绕线轮2321一并旋转，使刚性绳2543位于绕线轮2321右侧部分缩短、左侧部分伸长，由于与刚性绳2543右端相连的第二主动弹簧2542处于张紧状态、不能再伸长，第二主动弹簧2542会向其连接的位于右侧面的活动立杆2512施加拉力，而右侧面的活动立杆2512受横撑杆252支撑力作用在拉力作用下只能向右侧偏移，由于右侧面的活动立杆2512和左侧面的活动立杆2512之间的被动弹簧253也处于张紧状态，被动弹簧253会拉动左侧面的活动立杆2512也向右侧偏移，同时，由于自前向后排列的活动立杆2512连接的刚性绳2543所对应的绕线轮2321的半径逐渐增大，使张拉组件25的偏移量由前向后逐渐增大，从而使张拉组件25整体向右侧弯曲，张拉组件25进而带动柔性蒙皮21发生变形，实现尾鳍的右摆。可以理解的是，通过防水电机231反转可实现尾鳍的左摆。因而，通过防水电机231正转、反转的交替，可实现尾鳍的往复摆动，从而驱动滑翔机主体1运动。根据不同的任务需求，通过控制防水电机231的转速、转动量等变量，可精确控制尾鳍的摆动频率与幅度，可实现水下滑翔机的加速、转弯等机动动作。

上述柔性尾鳍混合驱动水下滑翔机，其柔性尾鳍驱动装置2中，尾鳍为柔性蒙皮21，相比于刚性尾鳍，具有更好的柔性，有利于提高水下滑翔机的机动性。上述柔性尾鳍混合驱动水下滑翔机，其尾鳍的摆动通过张拉组件25和驱动组件23控制，控制时通过一个防水电机231与导线器232配合即可实现对张拉组件25的驱动，其驱动组件23体积小、重量轻，可完全安装于尾部，不占用除尾部以外的其它空间。上述柔性尾鳍混合驱动水下滑翔机，通过设置的张拉组件25，使其尾鳍具有较高的结构强度和质量比，通过改变张拉组件25中第一主动弹簧2541、第二主动弹簧2542和被动弹簧253的刚度，可改变尾鳍的刚度以满足不同的推动需求，适用范围广、灵活性强。上述柔性尾鳍混合驱动水下滑翔机，通过控制防水电机231的转速、转动量等变量，可精确控制尾鳍的摆动频率与幅度，使得其尾鳍具备高精度模拟鱼类运动规律的能力，实现了高效率地仿尾鳍推进。总之，上述柔性尾鳍混合驱动水下滑翔机，具有高机动、长航时、低噪声、大深度作业等优点。

如图5所示，上述张拉组件25中，针对活动立杆2512，需要说明的是，活动立杆2512的组数不局限于本实施例中设置的3组，本领域技术人员可根据尾鳍的摆动需要，具体设置活动立杆2512的组数。针对横撑杆252，需要说明的是，为了使张拉组件25的结构更稳定，优选的，每两根立杆251之间铰接的横撑杆252为两根，一根横撑杆252铰接于两根立杆251的上端之间，另一根横撑杆252铰接于两根立杆251的下端之间；可以理解的是，每两根立杆251之间铰接的横撑杆252的数量不局限于本实施例中的两根，本领域技术人员可根据张拉结构稳定性的需要，具体设置每两根立杆251之间连接的横撑杆252的数量。针对每组活动立杆2512之间连接的被动弹簧253，需要说明的是，为了使张拉组件25的结构更稳定，优选的，每组活动立杆2512之间连接的被动弹簧253为两个，被动弹簧253的轴向两端分别通过细绳连接于两根活动立杆2512；可以理解的是，每组活动立杆2512之间连接的被动弹簧253的数量不局限于本实施例中的两个，本领域技术人员可根据张拉结构稳定性的需要，具体设置每组活动立杆2512之间连接的被动弹簧253的数量。针对每组活动立杆2512之间连接的传动件254，本领域技术人员也可以根据驱动需要设置为多个。针对第一主动弹簧2541和第二主动弹簧2542，需要说明的是，第一主动弹簧2541的轴向一端通过细绳连接于位于左侧面的活动立杆2512、轴向另一端连接刚性绳2543的左端，第二主动弹簧2542的轴向一端通过细绳连接于位于右侧面的活动立杆2512、轴向另一端连接刚性绳2543的右端。

上述驱动组件23中，需要说明的是，如图6所示，导线器232的各绕线轮2321的外周均设有卡槽，刚性绳2543卡于卡槽内，以确保刚性绳2543随绕线轮2321旋转。

针对柔性蒙皮21，需要说明的是，本实施例中，柔性蒙皮21为橡胶或硅胶材质，柔性蒙皮21与活动立杆2512经硫化处理粘合连接，柔性蒙皮21与尾鳍连接件22经硫化处理粘合连接。采用橡胶或硅胶材质制作蒙皮，硫化后可与活动立杆2512和尾鳍连接件22粘合为一体，构成整体结构，有利于提高尾鳍的结构稳定性。

如图4所示，本实施例中，尾鳍连接件22为环形连接件，环形连接件的中心线沿前后方向设置，刚性绳2543从环形连接件的通孔穿过。

进一步的，为了便于使柔性蒙皮21呈尾鳍形状，如图4所示，柔性尾鳍驱动装置2还包括用于支撑柔性蒙皮21的支撑组件26，支撑组件26设置于柔性蒙皮21内，支撑组件26包括第一支撑杆261和第二支撑杆262；第一支撑杆261的一端连接于活动立杆2512的上端并向上延伸，另一端连接于柔性蒙皮21的内侧；第二支撑杆262的一端连接于活动立杆2512的下端并向下延伸，另一端连接于柔性蒙皮21的内侧。本实施例中，第一支撑杆261和第二支撑杆262均为多根，多根第一支撑杆261分别连接于不同的活动立杆2512，多根第二支撑杆262分别连接于不同的活动立杆2512。将第一支撑杆261和第二支撑杆262均设置为多根，更有利于将柔性蒙皮21支撑为尾鳍形状，而且不妨碍尾鳍的摆动。可以理解的是，本领域技术人员也可以只设置一组第一支撑杆261和第二支撑杆262，此时，第一支撑杆261和第二支撑杆262优选连接于最后方一组活动立杆2512，以便于将柔性蒙皮21支撑为尾鳍形状。

为了便于将上述柔性尾鳍驱动装置2安装于滑翔机主体1，如图1和图2所示，本实施例中，滑翔机主体1包括呈筒状的耐压壳体13，耐压壳体13的中心线沿前后方向设置，耐压壳体13的前后两端分别密封连接有前端盖12和后端盖14，耐压壳体13与前端盖12之间、耐压壳体13与后端盖14之间通过密封圈密封以形成耐压密封舱，耐压壳体13的左右两侧分别通过螺栓连接有机翼16，前端盖12的前侧通过螺栓连接有前导流罩11以形成滑翔机主体1的首部，后端盖14的后侧通过螺栓连接有后导流罩15以形成滑翔机主体1的尾部，尾鳍连接件22通过螺栓连接于后导流罩15的后端，驱动组件23安装于后导流罩15内。

为了便于安装防水电机231，如图3所示，后导流罩15内设有防水电机固定架24，防水电机固定架24通过螺栓连接于后端盖14，防水电机231固定安装于防水电机固定架24。

进一步的，如图2和图10所示，滑翔机主体1内设有浮力驱动装置3以配合柔性尾鳍驱动装置2进行驱动，浮力驱动装置3包括内部盛装有油的内油箱31、体积可膨胀的外油囊32、用于将内油箱31内的油泵入外油囊32的油泵33和连接于油泵33的驱动电机34，内油箱31、油泵33和驱动电机34均设置于耐压壳体13内，外油囊32设置于后导流罩15内，油泵33的入口端和出口端分别通过输油油路35连接于内油箱31和外油囊32，内油箱31和外油囊32之间还连通有回油油路36，回油油路36设有单向电磁阀37。需要说明的是，如图2所示，本实施例中，外油囊32具体为设置于防水电机固定架24内，连接于外油囊32与油泵33之间的输油油路35穿过后端盖14。

上述浮力驱动装置3的工作原理为：驱动电机34驱动油泵33将内油箱31内的油通过输油油路35输送至外油囊32，从而使外油囊32膨胀，外油囊32体积增大使水下滑翔机的浮力随之增大，当水下滑翔机的浮力大于自身重力时，水下滑翔机上浮；当需要控制水下滑翔机下潜时，打开单向电磁阀37，外油囊32中的油在海水压力作用下经回油油路36压回至内油箱31中，外油囊32体积减小使水下滑翔机的浮力随之减小，当水下滑翔机的浮力小于自身重力时，水下滑翔机下潜；机翼16将水下滑翔机的垂直运动转换为水平运动，从而驱动水下滑翔机运动。

此外，如图2所示，滑翔机主体1内设有姿态控制装置4、主控装置5、任务载荷6、抛载装置7和天线8，姿态控制装置4和主控装置5设置于耐压壳体13内，任务载荷6设置于前导流罩11内并从前导流罩11的顶部露出，抛载装置7设置于前导流罩11内并从前导流罩11的底部露出，天线8连接于后端盖14并从后导流罩15的顶部伸出。需要说明的是，姿态控制装置4、主控装置5、任务载荷6、抛载装置7和天线8均为本领域现有装置，在此对其具体结构不做赘述。