基于伸缩翼的混合式双向垂直剖面仪及其双向定域方法

技术领域

本发明涉及水下探测设备技术领域，具体地说，涉及一种基于伸缩翼的混合式双向垂直剖面仪及其双向定域方法。

背景技术

我国海洋资源丰富，水下机器人作为一种探测设备可以代替人类完成海洋中的资源勘察、水下预警等任务。目前常见的水下机器人包括浮标、AUV、滑翔机、剖面仪等，滑翔机通常在水下进行锯齿形运动，从而可以完成一片海域或者特定路径下的环境监测及数据采集任务，而剖面仪通常在水中进行垂直往复运动，来实现对较小海域的环境勘察。然而常规的剖面仪受到海洋洋流的影响，会发生随波逐流的现象，从而不能针对海洋中确定的位置点进行观测，为此，现有技术中将传统剖面仪和滑翔机进行结合，研制出混合式垂直剖面仪，通过调节滑翔角及偏航角实现围绕海面固定点的运动，从而对固定海域进行环境观测。

但目前的混合式垂直剖面仪仅能够以海面上的固定点作为目标点进行水平位置修正，并不能实现对水面下的固定点的观测，尤其在同时需要水面及水下定点观测的情况下变得不再适用，所以亟需一种能够进行双向定域的混合式垂直剖面仪来实现海面及水下的定点观测。

此外，目前的滑翔机翅膀通常为固定翼，固定翼有着安装简单，成本低廉的优点，但是在实际运输中会占较大空间，并且在船基进行布放回收时会提高操作难度及风险度，虽然现在有少数折叠翼结构研发出来，但往往存在结构复杂，稳定性低的问题，如公布号为CN103837045A的中国专利文献公开的一种可折叠菱形弹翼展开系统，包括基座、第一边条、导轨、第一弹翼、第二弹翼、作动器、滑块、第二边条、第三弹翼、第四弹翼、推块、末位锁定杆、后座、末位锁定组件、初始锁定销。初始状态时使四片弹翼处于收拢折叠状态，在收到展开指令后，在作动器推动下实现四片弹翼的展开功能，展开后四片弹翼呈现菱形外形，通过末位锁定组件实现弹翼展开状态的固定。该发明的技术方案即存在上述问题。

所以亟需一种结构简单可靠、利于布放的伸缩翼来减少布放流程、增加布放时船只及水下滑翔机的安全性，实现水下滑翔机或其他水下机器人的方便存储及快速安全布放。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于伸缩翼的混合式双向垂直剖面仪及其双向定域方法，采用伸缩翼结构作为侧翼及尾翼，伸缩翼展开时机体可以进行滑翔运动，伸缩翼处于收缩状态时方便存储，并且提高了布放时的效率和船只及机体的安全性。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供的基于伸缩翼的混合式双向垂直剖面仪包括：主体和设于所述主体两端的头部导流罩和尾部导流罩；所述头部导流罩和所述尾部导流罩内均设有伸缩尾翼模块，所述主体中部设有伸缩侧翼模块。

上述技术方案中，通过在混合式垂直剖面仪的头部及尾部设置伸缩翼，使得混合式垂直剖面仪的头部及尾部可以进行互相调换，从而使得机体在下潜过程中及上浮过程中均具备滑翔能力，使得混合式垂直剖面仪可以实现以水面及水下特定位置作为目标点的运动。

可选地，在一个实施例中，所述的伸缩尾翼模块包括沿所述主体的横截面设置的底板和设置在所述底板上的：

支架，顶部活动安装有对称设置的两个翼板；

驱动机构，驱动所述翼板伸缩。

可选地，在一个实施例中，所述的驱动机构包括垂直于所述底板设置的丝杠、与所述丝杠配合的螺母、以及驱动所述丝杠转动的防水电机；所述的翼板的一角活动连接至所述螺母。

可选地，在一个实施例中，所述的底板上设有与所述丝杠平行的两个导杆，所述的螺母设有与所述导杆滑动配合的通孔。

可选地，在一个实施例中，所述的螺母为异形块，所述异形块的中心设有螺孔，在螺孔的对称两侧设置所述的通孔，另外对称的两侧分别设有用于活动连接两翼板一角的铰链。

可选地，在一个实施例中，所述的螺母与所述的翼板之间设有一连接杆，所述连接杆一端活动连接所述翼板一角，另一端活动连接至所述螺母。

可选地，在一个实施例中，所述的伸缩侧翼模块包括：

固定架，设于所述主体的两侧，其上设有滑槽，所述滑槽的长度大于侧翼收缩后的宽度；

侧翼，由若干伸缩单元构成，所述伸缩单元上覆盖有硅胶薄膜。

可选地，在一个实施例中，所述的伸缩单元包括首尾铰接的四块支撑板和设于其中两相邻支撑板之间的扭簧，相邻的伸缩单元之间通过共用的铰链相连。

可选地，在一个实施例中，所述的滑槽的上下壁设有用于与所述主体相连的螺钉孔、用于固定所述伸缩单元一侧的固定孔、和用于所述伸缩单元另一侧活动的导向槽。

第二方面，本发明提供的基于伸缩翼的混合式双向垂直剖面仪的双向定域方法，基于上述基于伸缩翼的混合式双向垂直剖面仪实现，包括以下步骤：

入水前，伸缩侧翼模块为折叠状态，用水溶线捆扎固定防止弹开；入水后，水溶线逐渐溶解，伸缩侧翼模块伸展，完成展开过程；

双向垂直剖面仪入水后，首先与船基进行通信，完成任务下达后双向垂直剖面仪打开头部的伸缩尾翼模块；接着双向垂直剖面仪调节机体浮力，使整体浮力减小下沉，下沉过程中，结合洋流信息改变自身姿态，不断向水下目标点运动；当在水下目标点完成作业准备上浮时，关闭头部的伸缩尾翼模块，打开尾部的伸缩尾翼模块；随后，调节机体浮力，使整体浮力增大上浮，上浮过程中，结合洋流信息改变自身姿态，不断向水面目标点运动，当到达水面目标点后则完成一个运动循环，开始准备下一个循环。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

本发明的基于伸缩翼的混合式双向垂直剖面仪及其双向定域方法，由可伸缩侧翼代替传统的固定翼，便于设备的存储及运输，并且在布放设备的过程中可以大大减小由于突出的侧翼导致绳索缠绕的风险，提高了布放时的效率和船只及机体的安全性；

本发明在头部及尾部均设置了可伸缩尾翼，可以结合当前的作业任务调换机体的头部及尾部，使得机体在下潜过程中及上浮过程中均具备滑翔能力，从而提高了机体的运动效率，增加了机体运动的灵活性；

本发明基于自身结构提出了一种双向定域策略，区别于传统的单向定域，可以通过改变自身结构实现向水面目标点或者水下目标点的运动，从而增加了可承担作业任务的灵活性，并且对于复杂多变的海洋环境有着更好的适应性。

附图说明

图1为本发明实施例中双向垂直剖面仪的剖面图；

图2为本发明实施例中双向垂直剖面仪向水面目标点滑翔运动时的结构图；

图3为本发明实施例中双向垂直剖面仪向水下目标点滑翔运动时的结构图；

图4为本发明实施例中双向垂直剖面仪存储运输时或布放时的结构图；

图5为本发明实施例中伸缩尾翼模块的结构示意图；

图6为本发明实施例中螺母的结构示意图；

图7为本发明实施例中伸缩侧翼模块的结构示意图；

图8为本发明实施例中伸缩单元的结构示意图；

图9为本发明实施例中伸缩侧翼模块的硅胶薄膜折叠过程的示意图；

图10为本发明实施例中伸缩侧翼模块的固定架的结构示意图；

图11为本发明实施例中混合式双向垂直剖面仪及其定域策略示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

参见图1和图2，本实施例的基于伸缩翼的混合式双向垂直剖面仪包括主体100，以及分别设置在主体100两端的头部导流罩102和尾部导流罩103，头部导流罩102和尾部导流罩103内均设有伸缩尾翼模块，主体100中部设有伸缩侧翼模块。天线101所在一端定义为双向垂直剖面仪的头部，另一端定义为双向垂直剖面仪的尾部。头部的伸缩侧翼模块可以完全收缩于头部导流罩102中，尾部的伸缩侧翼模块可以完全收缩于尾部导流罩103中。

另外，双向垂直剖面仪还包括：浮力调节模块104，其可以通过调节外部油囊的体积来改变整体的浮力，从而实现在水中的上浮及下沉运动；姿态调节模块105，其可以通过调节两个沿圆周方向布置的重块来调节整体的重心，从而改变双向垂直剖面仪的不同的姿态；腔体106，电器元件、浮力调节模块104(除外部油囊外)、姿态调节模块105均位于腔体106内，腔体106两端通过端盖进行密封，从而实现腔体106内部干燥环境与外部水环境的隔离；透水舱段107，浮力调节模块104的外部油囊位于其中。伸缩侧翼模块通过侧翼固定架108固定于腔体106上。

参见图5和图6，伸缩尾翼模块包括底板201、支架、第一翼板202、第二翼板203、和驱动机构。底板201沿主体100的横截面设置，支架包括垂直底板201且对称设置的第一直杆204和第二直杆205，两翼板的一顶角分别活动安装在两直杆的顶端。驱动机构包括垂直于底板201设置的丝杠206、与丝杠206配合的螺母207、以及驱动丝杠206转动的防水直线电机210。丝杠206位于底板201的中心，且与两直杆位于同一直线上。两翼板的另外一个顶角分别活动连接至翼板连接杆208。底板201上设有与丝杠206平行的两个导杆209。螺母207为异形块，中心设有螺孔2071，在螺孔2071的对称两侧设置与两导杆滑动配合的通孔2072，另外对称的两侧分别设有安装轴2073，安装轴2073上活动安装有翼板连接杆208，翼板连接杆208的另一端活动连接翼板的顶角。

参见图7至图10，伸缩侧翼模块包括固定架301和侧翼302，固定架设于主体100的两侧，其上设有滑槽3011，滑槽3011的长度大于侧翼302收缩后的宽度。侧翼302由若干伸缩单元构成，伸缩单元上覆盖有硅胶薄膜303。伸缩单元包括首尾铰接的第一支撑板3021、第二支撑板3022、第三支撑板3023和第四支撑板3024，四个支撑板构成平行四边形，其中两相邻支撑板之间设有扭簧3025。相邻的伸缩单元之间通过共用的铰链相连。多个伸缩单元之间通过螺栓连接形成旋转副组成折叠侧翼。扭簧3025的两根金属脚一根压在第一支撑板3021上，一根压在第二支撑板3022上。硅胶薄膜303随着伸缩侧翼的运动完成折叠及伸展动作，如图9所示，其中(a)图为伸缩侧翼处于展开状态时硅胶薄膜303的状态，(d)图为伸缩侧翼处于折叠状态时硅胶薄膜303的状态，当伸缩侧翼由展开状态变为折叠状态时会依次经过(b)、(c)状态，由折叠状态变为展开状态时会依次经过(c)、(b)状态。

滑槽3011的上下壁设有用于与主体侧翼固定架108相连的螺钉孔3012、用于固定伸缩单元一侧的固定孔3013、和用于伸缩单元另一侧活动的导向槽3014。

本实施例的工作过程如下：

伸缩侧翼展开：入水前，侧翼302为折叠状态，如图4所示，用水溶线捆扎固定防止弹开，硅胶薄膜303则处于图9中(d)所示状态，扭簧3025处于受压状态；入水后，水溶线逐渐溶解，侧翼302在扭簧3025的弹力下伸展，最终完成展开过程。

双向定域策略：如图11所示，双向垂直剖面仪入水后，首先通过天线101与船基进行通信，完成任务下达后双向垂直剖面仪打开头部的伸缩尾翼模块，如图3所示，头部的伸缩尾翼模块具体打开过程为：防水直线电机208驱动丝杠206转动，使螺母207沿丝杠206上下移动，进而使得第一翼板202、第二翼板203进行转动，从而完成打开过程。接着，双向垂直剖面仪通过浮力调节模块104调节机体浮力，使得整体浮力减小，开始下沉，下沉过程中，姿态调节模块105结合洋流信息改变自身姿态，不断向水下目标点运动；当在水下目标点完成作业准备上浮时，关闭头部的伸缩尾翼模块，打开尾部的伸缩尾翼模块，如图2所示；随后，浮力调节模块104调节机体浮力，使得整体浮力增大开始上浮，上浮过程中，姿态调节模块105结合洋流信息改变自身姿态，不断向水面目标点运动，当到达水面目标点后则完成一个运动循环，开始准备下一个循环。