一种回转体型AUV水平鳍前向弹出增稳装置

本发明属于流体力学、水下航行器操纵性及稳定性领域，具体涉及一种回转体型auv水平鳍前向弹出增稳装置。

背景技术：

随着人类社会的高速发展，对能源、食物等资源的需求大大增加，而陆地的资源已被人类消耗大半，覆盖了地表五分之四的海洋蕴含着丰富的资源，海洋是地球表面最大的自然地理单元因此二十一世纪是海洋世纪，海洋将成为国际发展的主要竞争领域，这其中更是包括以高新技术为向导的新经济竞争。如何勘探、开采海洋资源成为了本世纪最受欢迎的问题之一。在经济、政治和军事上具有举足轻重的战略意义无人水下航行器作为海上交通运输的主要工具，具有体积小、易操控、经济性高等特点，已成为海洋工程技术的热点，其设计研发价值也随之逐渐攀升。

自主水下航行器(autonomousunderwatervehicle，简称auv)。auv不因其在军事领域、民用领域都有广阔的应用前景，受到各国的重视。auv作为一个水下的高度集成系统，需要自主航行到指定位置并需要自主完成各种水下作业，如定点悬停或定区域悬停、回旋作业、垂直上浮下潜等运动，自主航行时对auv的稳定性有很高的要求，但是在进行水下作业时又要具有相当的机动性能，加之水下环境复杂，但海流、波浪等海洋环境对操纵性的影响是不容忽视的，以及auv本身动力学模型的非线性和耦合性，因此，要求auv自身具备良好的操纵性能。

auv操纵性是指借助操舵机构或其它动力机构改变或保持运动姿态、航深和航向的性能。操纵性包括两个方面：一个是保持运动状态的能力，即稳定性；另一个就是改变运动状态的能力，即机动性。随着船舶操纵性理论的逐渐成熟和完善，潜艇、auv等潜水器的操纵性也引起了广泛的关注。同时由于环境探测、信息收集及精准操纵类任务需求的出现，对auv是水下航行稳定性提出了更高的要求。例如：当水下航行器进行水下回收或卧底潜伏工作时，要求auv具有微速航行稳定性。现有航行器稳定性很难保障航行器在微速甚至零速作业运动，传统十字形鳍舵系统很难保持auv在这种工作状态时航行的稳定。

现有技术中申请号为cn2019106949094的一种使用自带水平舵减小auv横摇和纵摇的方法，对auv遭受海浪干扰产生横摇和纵摇运动时的水平舵的受力和运动情况进行详细分析，根据对水平舵的在干扰下的受力分析，明确水平舵在横摇和纵摇周期内应采取的运动方式，并基于水平舵的升力模型，横摇和纵摇运动下的扶正力矩，对auv进行横摇和纵摇控制。该项技术方案从控制模型角度提高了auv的抗干扰能力。但是，该技术方案无法应对复杂海洋状况下的低速航行器稳定性问题。首先，当航行器处于低速状态下其流体受力情况将会产生明显变化，控制力及控制力矩无法满足稳定控制。其次，自然状况下的海洋环境更为复杂，受力情况具有明显时变性控制方案无法应对复杂海洋环境。最后，由于该项技术方案受机械结构影响，对航行器增稳能力受限，无法应对极端情况高稳定性要求。

现有技术中申请号为2018114046795的一种可变翼形双功能深海无人潜航器及其工作方法，该技术方案通过变形后的主、副翼板解决了直航阻力和动不稳定性问题，将潜航器大范围滑翔与高速直航双模式进行融合。但是，该技术方案由于需要加装主、副翼其内部空间及外形均发生较大变化无法适用于现有回转体auv。其次，其滑翔与高速直航双模式航行与现有大部分依靠螺旋桨等动力系统的回转体auv无法匹配，其适用性大大受限。同时，该技术方案是对高速直航动不稳定性提出的相关解决办法，无法有效解决3kn以下的低速或微速条件下的auv低速航行失稳问题。

因此有必要提供一种机构结构紧凑，不影响航行器的整体外形布局的新型鳍舵装置。提升回转体型auv的稳定性，使auv更好的适应低航速等各种不同工况对操纵性及稳定性的要求。

技术实现要素：

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种回转体型auv水平鳍前向弹出增稳装置，十字舵配合水平弹出三角形活动鳍板共同构成的、基于回转体型auv操纵系统的回转体型auv水平鳍前向弹出增稳装置。回转体型auv在3kn以下的低航速条件下，传统十字形鳍舵系统很难保持auv航行稳定，本发明使其能够在动力定位系统作用的低航速条件下，对回转体型auv进行稳定的操纵运动。

本发明的技术方案是：一种回转体型auv水平鳍前向弹出增稳装置，包括auv十字形鳍舵；其特征在于：还包括设置于auv十字形鳍舵的水平鳍上的水平弹出活动鳍板机构，左、右水平弹出活动鳍板机构对称设置于两侧的水平鳍上；

所述左水平弹出活动鳍板机构包括活动鳍板和液压弹出机构，所述活动鳍板的前端通过液压弹出机构安装于水平鳍的端面上，并通过液压弹出机构能够控制活动鳍板旋转，实现活动鳍板相对水平鳍向外弹出或收回的动作；所述液压弹出机构位于水平鳍前端，即靠近auv主体一端；

所述右水平弹出活动鳍板机构与左水平弹出活动鳍板机构结构完全相同，不再累述。

本发明的进一步技术方案是：所述液压弹出机构包括液压杆、回转轴、液压缸和液压泵，所述活动鳍板的前端通过回转轴与水平鳍前端铰接，能够相对转动；所述液压泵带动液压杆沿其轴向做伸缩运动，液压杆的轴向垂直于auv的轴向、平行于水平鳍的端面；液压杆的外端头与活动鳍板的前端靠近外缘处固定，由液压缸依次驱动液压泵、液压杆，由液压杆的轴向缩回带动活动鳍板绕回转轴转动，实现活动鳍板回收功能，由液压杆的轴向伸出带动活动鳍板绕回转轴转动，实现活动鳍板弹出、展开功能；同时通过液压杆的伸缩固定距离功能，能够实现活动鳍板的锁死。

本发明的进一步技术方案是：所述回转轴穿过活动鳍板上的回转孔，垂直安装于水平鳍的端面上；所述液压杆通过螺栓与活动鳍板固定，所述螺栓穿过活动鳍板上的活动鳍板固定孔；所述回转孔与活动鳍板固定孔的轴线位于同一平面内，该平面在活动鳍板回收状态时平行于auv的轴向，在活动鳍板展开状态时垂直于auv的轴向。

本发明的进一步技术方案是：所述活动鳍板为平板结构，所述水平鳍上端面靠近外缘处开有缺口，该缺口与活动鳍板对应设置，当活动鳍板回收后能够将缺口补齐，构成完整的水平鳍。

本发明的进一步技术方案是：所述活动鳍板为水平鳍板的等比缩小结构。

本发明的进一步技术方案是：所述左、右水平弹出活动鳍板机构的活动鳍板均展开后，水平鳍板的面积增加了70％、水平鳍板的展长增加了460％。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明公开了一种通过在十字舵的基础上，配合水平弹出活动鳍板共同构成的回转体型auv水平鳍前向弹出增稳装置。此机构结构紧凑，不影响航行器的整体外形布局。可用于回转体型auv操纵系统，在十字形鳍舵的水平鳍上，向回转体auv头部方向水平弹出活动鳍板机构的两块活动鳍板，当回转体auv需要保持在一水平面稳定探测时，通过弹出增稳装置可以快速实现减速效果，其减速效果增加了30％；同时操纵鳍板的面积增加了70％、鳍板的展长增加了460％。本发明在水平鳍弹出后增加了稳定鳍的沾湿面积。

根据理论公式分析，由于航行器进入3kn以下的微速状态其收到的流体动力以及控制力都以一定比例下降，这导致了航行器的稳定性不足易出现失稳问题，专利通过增加水平鳍的面积提高了这部分的控制力以及控制力矩，使航行器在低速状态下依旧可以保持良好的稳定性。通过k-t分析，对比分析横向横滚操纵性和纵平面操纵性，都得到了不同程度的提高。

本发明可以允许回转体型auv在需要提高操纵稳定性的时，迅速进入工作状态，向回转体auv头部方向快速弹出三角形活动鳍板，通过减速效果，迅速进入工作状态，在提高auv的稳定性的同时，使auv更好的适应各种不同工况对各种程度的操纵性及稳定性的要求。

本发明的进一步技术方案是：所述液压弹出机构包括液压杆、回转轴、液压缸和液压泵，所述活动鳍板的前端通过回转轴与水平鳍前端铰接，能够相对转动；所述液压泵带动液压杆沿其轴向做伸缩运动，液压杆的轴向垂直于auv的轴向、平行于水平鳍的端面；液压杆的外端头与活动鳍板的前端靠近外缘处固定，由液压缸依次驱动液压泵、液压杆，由液压杆的轴向缩回带动活动鳍板绕回转轴转动，实现活动鳍板回收功能，由液压杆的轴向伸出带动活动鳍板绕回转轴转动，实现活动鳍板弹出、展开功能；同时通过液压杆的伸缩固定距离功能，能够实现活动鳍板的锁死。

1、本发明的驱动装置为液压弹出机构，包括液压杆、回转轴、液压缸和液压泵，采用该动力源的好处是液压机构空间布置灵活，并且具有体积小重量轻运动惯性小的优点。

2、本发明将回转孔与活动鳍板固定孔的轴线限定在同一平面内，该平面在活动鳍板回收状态时平行于auv的轴向，在活动鳍板展开状态时垂直于auv的轴向；能够通过简单的连接结构实现准确的位置控制，不会因偏转角度误差造成对稳定性的影响。

3、本发明将活动鳍板设置于水平鳍上端面的缺口处，当活动鳍板回收后能够将缺口补齐，构成完整的水平鳍，在正常运行不需要弹出展开时保持水平鳍的原有状态，不会影响其原有的稳定性和控制力；同时在增加装置的同时，不会增加auv的额外载荷。

4、活动鳍板为水平鳍板的等比缩小结构，最大限度的提高了弹出展开后水平鳍的展向长度及沾湿面积。

附图说明

图1为auv及水平鳍前向弹出增稳装置的立体结构示意图；

图2为水平鳍前向弹出增稳装置结构剖视图；

图3为固定十字形舵结构剖示意图；

图4为三角形水平弹出活动鳍板装置结构示意图；

图5为水平鳍前向弹出增稳装置未弹出状态示意图；

图6为水平鳍前向弹出增稳装置弹出状态示意图；

附图标记说明：1-回转体auv；2-水平鳍前向弹出增稳装置；3-固定十字形鳍舵机构；4-活动鳍板；5-回转孔；6-液压杆固定孔；7-液压杆；8-限位滑道；9-活动鳍板固定孔；10-回转轴。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。

参照图1、2所示，本发明一种回转体型auv水平鳍前向弹出增稳装置，包括auv十字形鳍舵；还包括设置于auv十字形鳍舵的水平鳍上的水平弹出活动鳍板机构，左、右水平弹出活动鳍板机构对称设置于两侧的水平鳍上；

所述左水平弹出活动鳍板机构包括活动鳍板4和液压弹出机构，所述活动鳍板4的前端通过液压弹出机构安装于水平鳍的端面上，并通过液压弹出机构能够控制活动鳍板旋转，实现活动鳍板相对水平鳍向外弹出或收回的动作；所述液压弹出机构位于水平鳍前端，即靠近auv主体一端；所述右水平弹出活动鳍板机构与左水平弹出活动鳍板机构结构完全相同，不再累述。所述活动鳍板为平板结构，所述水平鳍上端面靠近外缘处开有缺口，该缺口与活动鳍板对应设置，当活动鳍板回收后能够将缺口补齐，构成完整的水平鳍，在正常运行不需要弹出展开时保持水平鳍的原有状态，不会影响其原有的稳定性和控制力；同时在增加装置的同时，不会增加auv的额外载荷。

参照图3所示，所述液压弹出机构包括液压杆7、回转轴10、液压缸和液压泵，活动鳍板4的前端通过回转轴与水平鳍前端铰接，能够相对转动；所述液压泵带动液压杆7沿其轴向做伸缩运动，液压杆7的轴向垂直于auv的轴向、平行于水平鳍的端面；液压杆7的外端头与活动鳍板4的前端靠近外缘处固定，由液压缸依次驱动液压泵、液压杆7，由液压杆7的轴向缩回带动活动鳍板4绕回转轴转动，实现活动鳍板4回收功能，由液压杆7的轴向伸出带动活动鳍板4绕回转轴转动，实现活动鳍板4弹出、展开功能；同时通过液压杆7的伸缩固定距离功能，能够实现活动鳍板4的锁死。

参照图4所示，所述回转轴穿过活动鳍板上的回转孔，垂直安装于水平鳍的端面上；所述液压杆通过螺栓与活动鳍板固定，所述螺栓穿过活动鳍板上的活动鳍板固定孔；所述回转孔与活动鳍板固定孔的轴线位于同一平面内，该平面在活动鳍板回收状态时平行于auv的轴向，在活动鳍板展开状态时垂直于auv的轴向。能够通过简单的连接结构实现准确的位置控制，不会因偏转角度误差造成对稳定性的影响。

所述左、右水平弹出活动鳍板机构的活动鳍板均展开后，水平鳍板的面积增加了70％、水平鳍板的展长增加了460％。

本发明的结构原理如下：

参照图1-图6，本实施案例水平鳍前向弹出增稳装置，由回转体auv1、水平鳍前向弹出增稳装置2及固定十字形鳍舵机构3共同构成。平鳍前向弹出增稳装置2由三角形活动鳍板4、回转孔5、液压杆固定孔6、液压杆7、活动鳍板固定孔9、及液压泵共同构成。三角形活动鳍板4与固定十字形鳍舵机构3之间采用回转轴连接；液压杆7与三角形活动鳍板4之间采用螺栓连接。

如图1auv及水平鳍前向弹出增稳装置的立体结构示意图所示，auv在十字形鳍舵的基础上对水平舵进行改装，在水平鳍板上三角活动鳍板4闭合的位置槽，使活动鳍板4在闭合时对原有的水平鳍板外形不产生影响。如图2水平鳍前向弹出增稳装置结构剖视图所示，在水平鳍板上设计回转孔5以及活动鳍板固定孔9，通过液压杆7运动带动活动鳍板4沿限位滑道8转动，实现三角形活动鳍板4在工作状态时向回转体auv头部方向弹出，并绕回转轴10转动，在三角形活动鳍板4弹出到指定位置后，液压杆7停止运动，活动鳍板4固定于指定的工作位置。固定十字形鳍舵机构3、三角形活动鳍板4、液压杆7以及限位滑道8共同配合，保证活动型十字鳍板机构灵活稳定、反应迅速在提高auv的稳定性的同时，使auv更好的适应各种不同工况对各种程度的操纵性及稳定性的要求。

本发明的实施方式如下：

如图5水平鳍前向弹出增稳装置未弹出状态示意图所示，在非高操纵稳定性要求的工作状态时，三角形活动鳍板4处于固定十字形鳍舵机构3水平鳍板的位置槽中，通过液压杆7、限位滑道8以及其他控制机构保证三角形活动鳍板4固定。当对回转体auv1具有较高稳定性要求时，如图6水平鳍前向弹出增稳装置弹出状态示意图所示，液压泵开始工作，带动液压杆7运动，推动三角形活动鳍板4沿限位滑道8旋转，当活动鳍版4旋转到指定工作位置时，液压泵停止工作，液压杆7停止运动。至此水平鳍前向弹出增稳装置2进入弹出工作状态，由于三角形活动鳍板4的弹出，操纵鳍板的面积增加了70％，而且鳍板的展长也增加了460％，并且由液压作为动力，鳍板弹出过程中，波动较小，因此auv操纵的稳定性也提高了50％，使auv可以满足高操纵稳定性的工作状况。

如图4水平弹出活动鳍板装置结构示意图所示，在auv操纵稳定性要求较低时，auv完成高操纵稳定性要求的工作后，水平鳍前向弹出增稳装置2将三角形活动鳍板将退回固定十字形鳍舵机构3的位置槽中。具体工作过程如下，液压泵开始工作液压杆7带动三角形活动鳍板4收回，当活动鳍版机构4回到制定位置与限位滑道8首端位置接触时，液压泵停止工作完成对活动鳍板活动的限定。

本发明是一种回转体型auv操纵系统的水平鳍前向弹出增稳装置，使其能够在动力定位系统作用有一定航速条件下，对回转体auv进行稳定的操纵运动。其安装和拆卸简便，结构稳定可靠，使用方便。本专利可以允许回转体auv在需要提高操纵稳定性的时，迅速进入工作状态，弹出活动鳍板，在提高auv的稳定性的同时，使auv更好的适应各种不同工况对各种程度的操纵性及稳定性的要求。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。