一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体水下航行器

技术领域

本发明属于仿生水下航行器领域，具体涉及一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼水下航行器。

背景技术

与常规水下航行器相比，仿生水下航行器具有高效率、高机动、高隐蔽等优势，适用于多种复杂的场景。目前的仿生水下航行器主要分为胸鳍推进与尾鳍推进两大类。

然而，目前的尾鳍推进仿生水下航行器虽然具有加速性能好、速度快等优点，但推进效率较低、续航时间较短，难以满足长时广域监测的需求。胸鳍推进仿生水下航行器虽然具有游动效率高等优点，但扑动与滑翔的速度较慢，而且滑翔的机动性较差，仅依靠滑翔与扑动方式难以满足广域复杂场景下快速游动与高速机动的需求。因此，目前现有仿生水下航行器的这些不足导致无法满足海域广域、地形复杂场景下的使用需求。

现有技术提出了一种基于胸鳍摆动与螺旋桨混合推进的水下仿生航行器。通过胸鳍扑动可以实现转向、俯仰、倒游等机动动作，结合螺旋桨辅助推进，可实现速度的较大提升。但由于胸鳍扑动与螺旋桨推进耗能较大，不具备滑翔运动，导致续航时间较短、推进效率较低。

现有技术还提出了一种具有滑扑一体功能的仿生柔体潜水器。通过胸鳍扑动实现高机动运动，依靠重浮力变化实现滑翔速度运动。但浮力调节能力有限，滑翔速度较慢，且不具备尾鳍，俯仰调节能力有限，滑翔的机动性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体水下航行器。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体水下航行器，其特征在于包括头部与主体模块、左侧胸鳍模块、右侧胸鳍模块、螺旋桨推进模块与尾鳍模块；所述头部与主体模块为整个仿生航行器的主体；所述左侧胸鳍模块与右侧胸鳍模块对称分布于头部与主体模块两侧；所述螺旋桨推进模块对称分布于头部与主体模块两侧，分别位于左侧胸鳍模块、右侧胸鳍模块后部；尾鳍模块安装于航行器的尾部。

本发明进一步的技术方案：还包括抛载模块，航行器未按照预期指令航行时，通过抛载重物的方式快速浮出水面，与地面控制中心进行通信。

本发明进一步的技术方案：所述头部与主体模块包括重浮力调节模块、感知探测与控制模块、电源模块和主体支架；所述重浮力调节模块通过调节航行器整体排水体积实现浮力的变化调整；所述感知探测与控制模块用于采集水中与水底的视频图像与水文信息，接收控制指令与传感信息实现对航行器的运动控制；所述电源模块包括左侧电池和右侧电池，对称分布于躯干两侧，为整个航行器提供电能；所述主体支架用于支撑航行器主体，并与其他模块进行固定连接。

本发明进一步的技术方案：所述左侧胸鳍模块包括左扑动电机、左转动电机、左胸鳍鳍板和左保型组件，所述左扑动电机通过左胸鳍固定支架和主体支架固定连接；所述左保型组件平行分布于左柔性鳍板肋条上；所述左柔性鳍板通过鳍板连接件和左转动电机的输出轴固定连接，左转动电机带动左柔性鳍板实现扭转运动；所述左转动电机固定连接于左扑动电机的输出轴上，另一端通过左胸鳍转动支架和主体支架固定连接；所述左扑动电机带动左转动电机实现上下扑动运动，配合左转动电机的转动，实现左胸鳍扑动与扭转的耦合运动；所述右侧胸鳍模块与左侧胸鳍模块对称分布，通过控制两侧胸鳍的对称与非对称运动。

本发明进一步的技术方案：所述螺旋桨推进模块包括左螺旋桨推进器5和右螺旋桨推进器，左螺旋桨推进器通过左螺旋桨固定支架固定连接于头部与主体模块；所述右螺旋桨推进器与左螺旋桨推进器对称分布；通过控制两侧螺旋桨推进器的转动，为航行器提供扑动或滑翔游动更大的推进力，提升游动的速度和机动性。

本发明进一步的技术方案：所述尾鳍模块包括尾部舵机、尾部舵机固定支架、尾部左鳍板连接块、尾部右鳍板连接块、尾部转动支架、转动连杆、尾部左鳍板和尾部右鳍板；所述尾部舵机通过尾部舵机固定支架和头部与主体模块固定连接；所述转动连杆一端固定连接于尾部舵机的输出轴上，另一端安装于尾部转动支架；所述尾部转动支架固定连接于头部与主体模块；所述尾部左鳍板连接块和尾部右鳍板连接块固定连接于转动连杆；所述尾部左鳍板与尾部右鳍板分别与尾部左鳍板连接块和尾部右鳍板连接块连接，对称分布于航行器尾部；所述尾部舵机的转动通过转动连杆带动尾部左鳍板与尾部右鳍板的同步转动，控制航行器俯仰运动。

本发明进一步的技术方案：所述头部与主体模块的外壳为刚性材料，且为NACA翼型。

本发明进一步的技术方案：所述左侧胸鳍模块、右侧胸鳍模块与尾鳍模块被蒙皮包覆，固定连接于头部与主体模块。

本发明进一步的技术方案：所述左胸鳍鳍板、右胸鳍鳍板、尾部左鳍板与尾部右鳍板采用的为5mm的碳纤维板或2mm的弹簧钢片。

一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体水下航行器的航行方法，其特征在于：

当航行器扑动与滑翔，通过控制两侧螺旋桨推进器的转动，可为航行器提供额外的推进力，提升游动的速度和机动性；

当航行器扑动运动，两侧胸鳍产生的推进力方向相同且大小相等时，航行器前游；控制两侧螺旋桨同步转动，可产生同向且相等的推进力，航行器的前游速度从2-3节提升至10-15节；

当航行器扑动两侧胸鳍产生的推进力大小不等，左侧推进力大于右侧推进力时，航行器左转；控制两侧螺旋桨非同步转动，左螺旋桨推进器转速大于右螺旋桨推进器，左螺旋桨产生的推进力大于右螺旋桨，航行器的向左转向速度从50°-60°/s提升至90°-100°/s；同样，当航行器扑动右侧胸鳍产生的推进力大于左侧胸鳍，同时控制右螺旋桨推进器转速高于左螺旋桨推进器，可提升航行器向右转向速度。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体水下航行器，参照蝠鲼的外形与功能，在具有胸鳍与尾鳍扑动的功能下，为其额外添加了重浮力调节与螺旋桨推进装置。航行器利用左右胸鳍的扑动实现前游、转向等高机动运动；利用重浮力调节实现高效率滑翔运动，在扑动与滑翔运动时，利用尾鳍与水流的相互作用实现俯仰姿态的调节。仿蝠鲼航行器兼具扑动高机动与滑翔高效率的特点，在此基础上，采用螺旋桨辅助推进，进一步提升航行器扑动与滑翔的游动速度与转向、俯仰机动性，特别是弥补了航行器滑翔速度较慢导致的偏航与俯仰机动性不足之处，可实现航行器原地转向与快速俯仰机动运动。

经过实验验证，本发明仿蝠鲼航行器滑翔前游速度从1-2节提升至5-6节，扑动前游速度从2-3节提升至10-15节；滑翔转向速度从10°-20°/s提升至40°-50°/s，扑动转向速度从50°-60°/s提升至90°-100°/s，各项性能均获得了较大提升，可满足广域复杂场景下的长时应用。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是本发明一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼柔体潜水器总体结构图；

图2是本发明左侧胸鳍与螺旋桨推进的结构图。

图3是本发明尾鳍扑翼运动的结构图。

图4是本发明尾鳍向上运动状态图。

图5是本发明尾鳍向下运动状态图。

附图标记说明：1-头部与主体模块、2-左侧胸鳍模块、3-右侧胸鳍模块、4-尾鳍模块、5-左螺旋桨推进器、6-右螺旋桨推进器、7-重浮力调节模块、8-感知探测与控制模块、9-左侧电池、10-右侧电池、11-主体支架、12-左扑动电机、13-左转动电机、14-左胸鳍固定支架、15-左胸鳍转动支架、16-鳍板连接件、17-左柔性鳍板、18-左保型组件、19-左柔性鳍板肋条、20-尾部舵机、21.尾部舵机、22-尾部舵机固定支架、23-尾部左鳍板连接块、24-尾部右鳍板连接块、25-转动连杆、26-尾部转动支架、27-尾部左鳍板、28-尾部右鳍板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

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。

本发明是一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨推进的仿蝠鲼水下航行器，航行器的功能与外形模仿蝠鲼，兼具扑动、滑翔、螺旋桨推进多种运动模态。包括头部与主体模块1、左侧胸鳍模块2、右侧胸鳍模块3、螺旋桨推进模块与尾鳍模块4；所述头部与主体模块1为航行器主体部分，用于支撑航行器整体，以及与其他模块固定连接；所述的左侧胸鳍模块2和右侧胸鳍模块3为两个对称组件，对称分布于头部与主体模块1两侧；螺旋桨矢量推进模块包括左螺旋桨推进器5和右螺旋桨推进器6，左螺旋桨推进器5和右螺旋桨推进器6为两个对称组件，分别位于左侧胸鳍模块2、右侧胸鳍模块3后部；尾鳍模块4安装于航行器的尾部。

结合图2说明左侧胸鳍模块2的运动原理。所述左保型组件18平行固定连接于左柔性鳍板肋条19上，左保型组件18与蒙皮内侧进行粘连，实现对外部蒙皮的支撑保型作用，达到与生物相似逼真的外形，通过左柔性鳍板17的运动带动整体外表蒙皮结构实现类似蝠鲼的扑翼动作；所述左柔性鳍板17通过鳍板连接件16与左转动电机13的输出轴固定连接，左转动电机13的转动带动左柔性鳍板17实现扭转运动；所述左转动电机13固定连接于左扑动电机12的输出轴上，左扑动电机12的转动带动左转动电机13实现上下扑动运动，同时配合左转动电机13的转动，实现左胸鳍扑动与扭转的运动耦合，从而产生航行器运动所需的推力；通过控制左扑动电机12的扑动频率与上下幅度以及左转动电机13的转动角度，精准控制左胸鳍扑动产生的推力方向与大小。所述右侧胸鳍模块3与左侧胸鳍模块2对称分布，通过控制两侧胸鳍的对称与非对称运动，可产生反向、同向大小相等、同向大小不等的推力，实现航行器前游、倒游、转向等运动。

结合图1和图2说明航行器滑翔游动的运动原理。当左侧胸鳍模块2与右侧胸鳍模块3的扑动电机与转动电机都处于水平位置且保持不动，航行器依靠浮力变化在水中进行平翼滑翔运动。头部与主体模块1的重浮力调节模块7一端浸没海水，与海水接触的一端为可移动活塞，通过控制活塞的移动来控制浸没海水的体积，从而通过调节航行器整体排水体积实现浮力的变化调整；浮力发生变化，航行器在重力与浮力的共同作用下，便可实现滑翔运动；当重力大于浮力，航行器下潜；当浮力大于重力时，航行器上潜。

结合图3、图4和图5说明尾鳍控制俯仰的运动原理。航行器在水中进行扑动或滑翔运动，尾鳍模块4的尾部舵机21转动通过转动连杆25带动尾部左鳍板27和尾部右鳍板28实现角度偏转。由于航行器游动具有一定的速度，尾部左、右鳍板与水流产生相对作用，航行器尾部产生俯仰力矩，航行器抬头或低头，从而实现航行器运动中的俯仰角控制。尾部鳍板向上偏转时，航行器俯仰角增大；尾部鳍板向下偏转时，航行器俯仰角减小。航行器速度越快，尾部鳍板与水流的相对作用越显著，俯仰调节效果越好。采用尾鳍控制俯仰角的方式，摆脱了对传统质心机构的依赖，大大节省了主体空间，为其他搭载提供了额外的空间和重量。

螺旋桨推进模块可为航行器的运动提供额外的推进力。所述螺旋桨推进模块包括左螺旋桨推进器5和右螺旋桨推进器6，对称分布于主躯干的两侧。当左、右螺旋桨推进器同步转动时，两侧产生同向且大小相等的推进力；当两侧螺旋桨转速不等或一侧转动而另一侧不转动时，两侧产生同向但大小不等的推进力；当两侧螺旋桨转向相反时，两侧产生反向的推进力。

当航行器扑动与滑翔，通过控制两侧螺旋桨推进器的转动，可为航行器提供额外的推进力，提升游动的速度和机动性。当航行器扑动运动，两侧胸鳍产生的推进力方向相同且大小相等时，航行器前游；控制两侧螺旋桨同步转动，可产生同向且相等的推进力，航行器的前游速度从2-3节提升至10-15节。当航行器扑动两侧胸鳍产生的推进力大小不等，左侧推进力大于右侧推进力时，航行器左转；控制两侧螺旋桨非同步转动，左螺旋桨推进器转速大于右螺旋桨推进器，左螺旋桨产生的推进力大于右螺旋桨，航行器的向左转向速度从50°-60°/s提升至90°-100°/s。同样，当航行器扑动右侧胸鳍产生的推进力大于左侧胸鳍，同时控制右螺旋桨推进器转速高于左螺旋桨推进器，可提升航行器向右转向速度。当航行器进行滑翔运动时，由于浮力调节范围有限，航行器在重浮力作用下的最大滑翔速度为2节。通过使用螺旋桨协助推进，航行器滑翔速度可提升至5-6节，获得较大的速度提升。此外，在滑翔过程中，通过控制左、右螺旋桨的非同步转动，航行器滑翔转向速度从10°-20°/s提升至40°-50°/s，大大弥补了航行器常规滑翔方式下机动性不足的劣势。

螺旋桨推进模块辅助航行器扑动与滑翔运动，提升了游动速度与机动性。在此基础上，航行器速度提升可以加强尾鳍对航行器俯仰姿态的作用效用，进一步提升俯仰机动性。

所述感知探测与控制模块包括检测用传感器、图像声呐、惯性导航、USBL定位通信、被动声呐阵、照明系统与双目摄像机。图像声呐可以获取水底地形地貌信息，被动声呐阵用于识别水下高隐蔽目标，双目摄像机搭配照明装置可以拍摄水下画面。惯性导航用于航行器获取自身位置信息，按照规划路径进行航行。USBL用于水下航行时与底面控制中心的通信。检测用传感器可以但不限于是温盐传感器、叶绿素传感器、高度传感器、深度传感器、重金属离子浓度传感器、水氧浓度传感器、电磁传感器等，基于不同的工作要求可选用多种传感器。

所述感知探测与控制模块包括上位机控制系统、无线通信系统、STM32主控板与外设板和TW-T609边缘计算机。上位机系统用于向航行器下发控制指令，通过无线通信模块发送给STM32主控板，STM32主控板根据接收到的指令与外设板获取的传感信息，生成航行器胸鳍、尾鳍、推进器与浮力系统的动作，实现水下航行。TW-T609边缘计算机可存储图像声呐与双目摄像机获取的水下图像信息并对其进行在线识别。

所述安保系统包括抛载模块、北斗定位模块、北斗通信天线。抛载模块用于当航行器与地面控制中心失联时，通过抛载重物的方式使航行器获得较大的正浮力，快速浮出水面。此时北斗定位系统确定航行器的水域坐标，将坐标信息通过北斗通信模块发送给地面控制中心，节省打捞航行器的时间。

柔性蒙皮外壳可为但不限于是珠光布料、POBB薄膜、聚乳酸薄膜等柔性材质。柔性蒙皮覆盖于整个胸鳍推进机构及尾部摆动驱动电机外，但涵道螺旋桨推进器的涵道部分需位于柔性蒙皮之外。

在航行器的控制模块与各驱动电机部分，均需采用防水密封。控制模块与各驱动电机部分与电池之间通过防水导线连接。

本发明提出一种胸尾鳍扑动、重浮力滑翔、螺旋桨混合推进的仿蝠鲼水下航行器，依靠胸鳍扑动实现前游、转向等运动，依靠重浮力调节实现滑翔运动，依靠尾鳍实现俯仰运动，兼具胸鳍扑动高机动与滑翔高效率等优势，并采用螺旋桨辅助推进，进一步推升胸鳍扑动与重浮力滑翔的游动速度与机动性。本发明具有的特点是：兼具扑动高机动与滑翔高效率，采用螺旋桨推进进一步提升扑动与滑翔的游动速度和机动性，完成广域复杂场景下的长时探测任务。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。