一种双航态无人航行器以及航态切换方法

本发明属于海洋无人航行器，尤其涉及一种双航态无人航行器以及航态切换方法。

背景技术：

1、海洋无人航行器是指不需要人员操控或驾驶的自主航行器，通过预先设定的导航路径、传感器和自主控制系统来执行各种任务。这些航行器广泛应用于海洋研究、海洋勘测、资源勘探、海洋监测、海洋环境保护、海底地形测绘等领域。海洋无人航行器可以根据其功能和设计特点分为多种类型，其中包括：海面无人航行器：这类航行器在水面上自主航行，类似于遥控艇。它们通常用于海洋监测、测量、水质采样等任务，也可配备相机和传感器进行数据收集和监测。水下无人航行器：这类航行器是用于在水下执行任务的自主潜水船只。它们可以在海底进行地形测绘、资源勘探、海洋生物研究等任务，也被广泛用于水下探测和海底考古学。

2、水面航行与水下航行是两种截然不同的航行状态。为了满足未来海洋多空间立体联合观测的需求，现有水面和水下无人航行器技术存在一些局限性。水面无人航行器主要基于小型船舶的技术体系，而水下无人航行器则借鉴鱼雷和潜艇的技术体系。然而，这两类无人航行器都只能在各自的航行空间中连续工作，无法在水面和水下之间自由切换航态。

3、实现无人航行器在水面与水下两种航态下均可适航，需要解决一系列技术问题。首先，航行器的总体外形设计必须克服水面和水下航行带来的不同水动力、水阻力和操纵特性差异。同时，驱动方式也是关键问题，现有的水面无人航行器通常采用螺旋桨或水动力推进系统，但这些方式在水下效率会受到限制，需要研发新型的驱动方式，使其能够在水面和水下都能高效推进和驱动。此外，航行器在水面与水下两种状态下的浮力和重力平衡要求不同，现有的设计通常只针对单一航态的平衡。

4、综上所述，要实现无人航行器在水面与水下双航态适航，需要在结构设计、驱动方式、衡重特性调节、能源供应与续航能力等方面进行全面的创新与突破。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种解决目前水面与水下无人航行器航态单一、双航态适航性、驱动方式、衡重特性调节性能不佳的双航态无人航行器以及航态切换方法。

2、本发明是这样实现的，一种双航态无人航行器，包括流线型的壳体，所述壳体内部设置姿态调节单元，其特征在于：所述壳体的一端为水下导流头部，所述壳体的另一端为水上导流头部，还包括充水腔，充排水组件，主动推进器，收展侧翼总成；所述充水腔设于所述壳体内部；所述充排水组件用于对所述充水腔内充水或者将所述充水腔中的水排出；所述主动推进器靠近所述水下导流头部设置，所述主动推进器用于对无人航行器施以指向所述水上导流头部的水动推进力；所述收展侧翼总成安装于所述壳体侧部，所述收展侧翼总成具有收合和展开姿态。

3、在上述技术方案中，优选的，所述水下导流头部的前端为导流圆弧构造，所述水上导流头部的前端为锥状构造。

4、在上述技术方案中，优选的，所述水下导流头与所述水上导流头部之间设有环向间隔设置的n条型线，所述型线向所述水上导流头部的方向呈聚拢状。

5、在上述技术方案中，优选的，所述壳体包括位于前部的密封壳体以及位于后部的透水壳体，所述水下导流头部设于所述密封壳体的前端，所述水上导流头部设于所述透水壳体的后端。

6、在上述技术方案中，优选的，所述密封壳体的内部为所述充水腔，所述充水腔内部设置耐压功能舱，所述姿态调节单元设置于所述耐压功能舱中。

7、在上述技术方案中，优选的，所述充排水组件设于所述密封壳体内侧，所述充排水组件包括充水单元和排水单元；所述充水单元包括充水管道和充水泵，所述充水管道的进水口连接于所述密封壳体且与外侧连通，所述充水管道的出水孔口与所述密封壳体内侧连通，所述充水泵串装于所述充水管道，所述排水单元包括排水管道和排水泵，所述排水管道的出水口连接于所述密封壳体且与外侧连通，所述排水管道的进水孔口与所述密封壳体内侧连通，所述排水泵串装于所述排水管道。

8、在上述技术方案中，优选的，所述密封壳体的内部设有推进导流通道，所述推进导流通道的进水口和出水口连接于所述密封壳体，所述推进导流通道的进水口设于所述密封壳体的下部，所述推进导流通道的出水口设于所述密封壳体靠近所述水下导流头部的端部，所述主动推进器是安装于所述推进导流通道内的水动力驱动器。

9、在上述技术方案中，优选的，所述收展侧翼总成包括侧翼板、折叠驱动器，所述侧翼板通过转轴安装于所述密封壳体，所述折叠驱动器驱动所述侧翼板绕所述转轴翻转并形成收合或者展开姿态。

10、在上述技术方案中，优选的，包括浮力调节单元，所述浮力调节单元包括油路总成和与油路总成连接的外油囊，所述油路总成安装于所述耐压功能舱中，所述外油囊设置于所述透水壳体中。

11、本发明所提出的双航态无人航行器的优点和效果是：

12、1、双航态适航性：该无人航行器具备在水面和水下两种航态下均可适航的能力，解决了现有水面和水下无人航行器单一航态的局限性，提供了更大的灵活性和应用范围。多样化的应用场景使得该无人航行器适用于海洋勘测、资源探索、救援行动等不同领域。

13、2、快速响应与长续航能力：水面航态下，航行器可快速响应任务需求，适合短时快速航行，而水下航态下，姿态调节单元以滑翔机的形式动作，调节效率高，适用于长时间慢速航行和长续航任务。高效能耗管理使得水面快速航行和水下长续航都能得到有效满足，提高了航行器的任务执行效率和续航能力。

14、3、外形优化降阻：航行器采用“双头”式外形，水面阶段利用“尖头”端为艇艏且“钝头”端为艇艉航行，水下阶段则反之，通过这种设计降低水阻，提高航行稳定性，增强了海洋观测能力。

15、4、稳定可靠的航态切换：采用充排水组件来调节航行器的衡重特性，在双航态间切换。在水面航态，密封壳体内部水排空，航行器浮心位置主要由密封壳体外形决定；在水下航态，密封壳体内部充水，航行器浮心位置主要由耐压功能舱外形及与壳体相对位置关系决定。本发明，通过壳体的充排水实现浮心位置切换，进而调节航行器航态。充排水组件构造简单，无需复杂的电控阀组与管路，提高了航行器的可靠性和稳定性，尤其适于在无人平台集成使用。

16、5、降低运维成本：航行器配备可收展的侧翼，降低了航行器的附体占用空间，在侧翼不使用时，可以收拢侧翼降低阻力并防止意外损坏，增加了航行器的耐久性和操作灵活性。

17、综上所述，这种双航态的无人航行器通过创新的设计和优化，克服了现有水面和水下无人航行器的单一航态问题，提供了更灵活、高效和多功能的海洋无人航行平台。其优点包括双航态适航性、快速响应与长续航能力、外形优化降阻、简化充排水组件和可收展侧翼设计，从而产生了多样化应用场景、高效能耗管理、降低运维成本、增强海洋观测能力和提升任务响应速度的良好效果。

18、本发明的第二目的，提出一种双航态无人航行器的航态切换方法，包括以下步骤：

19、s1.排出充水腔中的水至无人航行器漂浮于水面；

20、s2.无人航行器的收展侧翼总成收合姿态，主动推进器对无人航行器施以水动推进力，无人航行器以水上导流头部为前端航进；

21、s3.充水腔中充入水至无人航行器沉入水面之下；

22、s4.无人航行器的收展侧翼总成展开姿态，主动推进器停止工作；

23、s5.姿态调节单元工作并控制无人航行器以滑翔机的形式在水下以水下导流头部作为前端滑翔。