一种翼身融合水下滑翔机机动性提高装置及其工作方法

1.本发明涉及水下滑翔机技术领域，尤其是涉及一种翼身融合水下滑翔机机动性提高装置及其工作方法。

背景技术：

2.水下滑翔机是一种新型的水下机器人，由于其利用净浮力和姿态角调整获得推进力，能源消耗极小，只在调整净浮力和姿态角时消耗少量能源，并且具有效率高、续航力大(可达上千公里)的特点。虽然水下滑翔机的航行速度较慢，但其制造成本和维护费用低、可重复使用、并可大量投放等特点，满足了长时间、大范围海洋探索的需要。
3.在理想状态下，水下滑翔机的运动范围是一个平面，当受到海流的影响时，它在水下执行任务时其运动轨迹并不是可控的，虽然在翼身融合水下滑翔机两翼加装推进器可以提高水下滑翔机的机动性和操纵性，但这会降低水下滑翔机的隐蔽性和续航能力。

技术实现要素：

4.发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种翼身融合水下滑翔机机动性提高装置，在保证其隐蔽性和续航能力的前提下，增强动力性。并提供了其工作方法。
5.技术方案：一种翼身融合水下滑翔机机动性提高装置，包括绳索收放装置和配重滑动系统，绳索收放装置包括绳索收放电机组、绳索和配重，配重滑动系统包括等腰三角形滑轨和可滑动小车组，绳索收放电机组安装于水下滑翔机内部，等腰三角形滑轨安装于水下滑翔机底部，可滑动小车组包括左侧滑动小车、右侧滑动小车，以等腰三角形滑轨的底边中线为界，分别与等腰三角形滑轨的左半部分、右半部分滑动连接，左侧滑动小车和右侧滑动小车上分别设有一个绳索引导孔，绳索设有两根，两根绳索一端分别与绳索收放电机组连接，另一端分别穿设于对应的一个绳索引导孔中后与配重连接。
6.进一步的，等腰三角形滑轨包括内侧滑轨和外型滑轨，两者均为等腰三角形且截面呈c型，内侧滑轨置于外型滑轨内且两者的c型开口相对间隔设置，内侧滑轨和外侧滑轨上分别开有插销锁定孔。
7.进一步的，水下滑翔机的底面开设有与等腰三角形滑轨匹配的凹槽，内侧滑轨和外侧滑轨分别置于凹槽内并分别与其对应的一内侧壁通过螺丝固定。
8.进一步的，左侧滑动小车和右侧滑动小车上分别安装有一个主动插销，左侧滑动小车上的主动插销与内侧滑轨上的插销锁定孔匹配，右侧滑动小车上的主动插销与外侧滑轨上的插销锁定孔匹配。
9.最佳的，等腰三角形滑轨的底边中线与水下滑翔机的中轴线在同一平面内，等腰三角形滑轨的顶角和两个底角处均通过圆弧过渡。
10.最佳的，等腰三角形滑轨的底边长a为水下滑翔机宽度w的0.6～0.8倍，等腰三角形滑轨的底边高b为水下滑翔机长度l的0.5～0.75倍，等腰三角形滑轨等腰三角形的底边a与底边高b的比值η的取值范围为2＜η＜3。
11.最佳的，配重的质量m与水下滑翔机的质量m的比值β的取值范围为0.05＜β＜0.1。
12.最佳的，绳索收放电机组包括两个电机，分别通过一根绳索与配重连接，两根绳索一端分别与对应的一个电机连接，另一端分别穿设于对应的一个绳索引导孔中后与配重连接。
13.一种上述的翼身融合水下滑翔机机动性提高装置的工作方法，水下滑翔机的工作状态包括不工作状态、改变翼身融合水下滑翔机俯仰角状态、改变翼身融合水下滑翔机横滚角状态、同时改变翼身融合水下滑翔机俯仰角、横滚角状态；
14.处于不工作状态时：
15.左侧滑动小车、右侧滑动小车分别锁定于等腰三角形滑轨的左、右两底角处，配重收纳于水下滑翔机内部；
16.处于改变翼身融合水下滑翔机俯仰角状态时：
17.绳索收放电机组通过绳索使配重下方，左侧滑动小车沿着等腰三角形滑轨移动到达等腰三角形滑轨的顶角处后锁定，右侧滑动小车沿着等腰三角形滑轨移动到达等腰三角形滑轨底边中点处后固定，使配重悬挂于水下滑翔机中轴正下方；
18.处于改变翼身融合水下滑翔机横滚角状态时：
19.左侧滑动小车、右侧滑动小车分别锁定于等腰三角形滑轨的左、右两底角处；绳索收放电机组的两个电机开始工作，调节其对应绳索的长度，使左侧滑动小车与配重之间的绳索长度和右侧滑动小车与配重之间的绳索长度产生长度差，从而配重悬挂于水下滑翔机下方且偏离其中轴线；
20.处于同时改变翼身融合水下滑翔机俯仰角、横滚角状态时：
21.左侧滑动小车、右侧滑动小车分别移动到等腰三角形滑轨左、右两腰上后锁定，绳索收放电机组的两个电机开始工作，调节其对应绳索的长度，此时，左侧滑动小车、右侧滑动小车到等腰三角形滑轨顶角的距离存在距离差，左侧滑动小车与配重之间的绳索长度和右侧滑动小车与配重之间的绳索长度存在长度差，配重悬挂于水下滑翔机下方且偏离其中轴线。
22.最佳的，左侧滑动小车与配重之间的绳索长度s1与右侧滑动小车与配重之间的绳索长度s2的比值α的取值范围为1.8＜α＜2.5；左侧滑动小车到等腰三角形滑轨顶角的距离q1与右侧滑动小车到等腰三角形滑轨顶角的距离q2的比值γ的取值范围为2＜γ＜4。
23.有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：
24.1、本发明可以调节水下滑翔机在水下滑翔过程中的俯仰角，在下潜深度不变的情况下，可改变水下滑翔机完成一个下潜上浮周期的航行距离，实现一款水下滑翔机完成一个周期不同航程的组网监测。
25.2、本发明无需在水下滑翔机左右两翼安装推进器，即可完成向左向右偏航的高机动性滑翔，实现更大范围的数据采集和目标探测与跟踪。
26.3、本发明通过改变可滑动小车在等腰三角形滑轨上的位置，控制绳索收放电机组调节绳索长度，使翼身融合水下滑翔机重心发生偏移，进而改变翼身融合水下滑翔机的姿态，来增加翼身融合水下滑翔机的机动性。
27.4、本发明能够直接代替其他翼身融合水下滑翔机左右两翼的螺旋桨推进装置，使得翼身融合水下滑翔机在系统整体性和滑翔隐蔽性上都有提升。
附图说明
28.图1为本发明安装于水下滑翔机上的结构示意图；
29.图2为本发明中绳索收放装置、小车及配重的连接结构示意图；
30.图3为本发明从不工作状态到改变俯仰角状态过程示意图；
31.图4为本发明在俯仰角改变状态时配重相对位置及绳索长度示意图；
32.图5为图4的简化原理图；
33.图6为本发明在横滚角改变状态时配重相对位置及绳索长度示意图；
34.图7为图6的简化原理图。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
36.一种翼身融合水下滑翔机机动性提高装置，如图1～7所示，包括绳索收放装置1和配重滑动系统2，绳索收放装置1包括绳索收放电机组101、绳索102和配重103，配重滑动系统2包括等腰三角形滑轨21和可滑动小车组22。
37.绳索收放电机组101安装于水下滑翔机100内部，等腰三角形滑轨21安装于水下滑翔机100底部，可滑动小车组22包括左侧滑动小车228、右侧滑动小车229，以等腰三角形滑轨21的底边中线为界，分别与等腰三角形滑轨21的左半部分、右半部分滑动连接，等腰三角形滑轨21的底边中线与水下滑翔机100的中轴线在同一平面内，等腰三角形滑轨21的顶角和两个底角处均通过圆弧过渡。等腰三角形滑轨21包括内侧滑轨211和外型滑轨212，两者均为等腰三角形且截面呈c型，内侧滑轨211置于外型滑轨212内且两者的c型开口相对间隔设置，内侧滑轨211和外侧滑轨212上分别开有插销锁定孔213，水下滑翔机100的底面开设有与等腰三角形滑轨21匹配的凹槽999，内侧滑轨211和外侧滑轨212分别置于凹槽999内并分别与其对应的一内侧壁通过螺丝213固定。
38.左侧滑动小车228和右侧滑动小车229上分别设有一个绳索引导孔222，绳索收放电机组101包括两个电机，两个电机各自分别通过一根绳索102与配重103连接，两根绳索102一端分别与对应的一个电机连接，另一端分别穿设于对应的一个绳索引导孔222中后与配重103连接。绳索102上可配置滑轮组，以方便电机通过绳索102收放配重103至水下滑翔机100内部及外部。
39.左侧滑动小车228和右侧滑动小车229上分别安装有一个主动插销223，左侧滑动小车228上的主动插销223与内侧滑轨211上的插销锁定孔213匹配，右侧滑动小车229上的主动插销223与外侧滑轨212上的插销锁定孔213匹配，主动插销223配置有活塞缸等动力源，能够通过系统控制实现从对应的插销锁定孔213中插入或拔出的动作。
40.左侧滑动小车228和右侧滑动小车229上还分别设有伸缩弹簧221及马达，并设有四个车轮，可通过系统控制在等腰三角形滑轨21上滑动，当左侧滑动小车228和右侧滑动小车229经过等腰三角形滑轨21的顶角或两个底角，且前面两个轮子和后面两个轮子不在等腰三角形滑轨21的同一条边上时，这时四个轮子之间的相对位置关系不是一个矩形，为了方便左侧滑动小车228和右侧滑动小车229通过等腰三角形滑轨21的顶角或两个底角，因此在左侧滑动小车228和右侧滑动小车229上安装伸缩弹簧221。
41.设水下滑翔机100的宽度为w、长度为l，等腰三角形滑轨21的底边长为a、底边高为b，其中a和b的取值范围如下：0.6w＜a＜0.8w,0.5l＜b＜0.75l；又有，等腰三角形滑轨21的底边与高的长度之比η＝a/b的取值范围为：2＜η＜3。设配重103的质量为m、水下滑翔机100的质量(除配重以外的总质量)为m，其中配重103质量m与翼身融合水下滑翔机100质量m之比β(β＝m/m)的取值范围为：0.05＜β＜0.1。
42.上述的翼身融合水下滑翔机机动性提高装置的工作方法，其中，水下滑翔机100的工作状态包括不工作状态、改变翼身融合水下滑翔机俯仰角状态、改变翼身融合水下滑翔机横滚角状态、同时改变翼身融合水下滑翔机俯仰角、横滚角状态；
43.处于不工作状态时：
44.左侧滑动小车228、右侧滑动小车229分别锁定于等腰三角形滑轨21的左、右两底角处，配重103收纳于水下滑翔机100内部；
45.处于改变翼身融合水下滑翔机俯仰角状态时：
46.绳索收放电机组101通过绳索102使配重103下方，左侧滑动小车228沿着等腰三角形滑轨21移动到达等腰三角形滑轨21的顶角处后锁定，右侧滑动小车229沿着等腰三角形滑轨21移动到达等腰三角形滑轨21底边中点处后固定，使配重103悬挂于水下滑翔机100中轴正下方；
47.处于改变翼身融合水下滑翔机横滚角状态时：
48.左侧滑动小车228、右侧滑动小车229分别锁定于等腰三角形滑轨21的左、右两底角处；绳索收放电机组101的两个电机开始工作，调节其对应绳索102的长度，使左侧滑动小车228与配重103之间的绳索102长度和右侧滑动小车229与配重103之间的绳索102长度产生长度差，从而配重103悬挂于水下滑翔机100下方且偏离其中轴线；
49.处于同时改变翼身融合水下滑翔机俯仰角、横滚角状态时：
50.左侧滑动小车228、右侧滑动小车229分别移动到等腰三角形滑轨21左、右两腰上后锁定，绳索收放电机组101的两个电机开始工作，调节其对应绳索102的长度，此时，左侧滑动小车228、右侧滑动小车229到等腰三角形滑轨21顶角的距离存在距离差，左侧滑动小车228与配重103之间的绳索102长度和右侧滑动小车229与配重103之间的绳索102长度存在长度差，配重103悬挂于水下滑翔机100下方且偏离其中轴线。
51.左侧滑动小车228与配重103之间的绳索102长度s1与右侧滑动小车229与配重103之间的绳索102长度s2的比值α的取值范围为1.8＜α＜2.5；左侧滑动小车228到等腰三角形滑轨21顶角的距离q1与右侧滑动小车229到等腰三角形滑轨21顶角的距离q2的比值γ的取值范围为2＜γ＜4。
52.当本装置从不工作状态转换为改变翼身融合水下滑翔机俯仰角状态时，首先，绳索收放电机组101转动释放绳索102，原本收纳于水下滑翔机100内部的配重103下降；然后左侧滑动小车228沿等腰三角形滑轨21左腰滑动至等腰三角形滑轨21顶角处，左侧滑动小车228上的主动插销223插入到等腰三角形滑轨21的插销锁定孔213内；同时，右侧滑动小车229沿等腰三角形滑轨21底边滑动至等腰三角形滑轨21底边中点处，右侧滑动小车229上的主动插销223插入到等腰三角形滑轨21的插销锁定孔213内。
53.在改变翼身融合水下滑翔机俯仰角状态下，通过改变配重103与左侧滑动小车228、右侧滑动小车229之间绳索102的长度，来调节配重103相对于水下滑翔机100的位置。
54.在改变翼身融合水下滑翔机俯仰角状态下，当配重103与左侧滑动小车228之间绳索102的长度小于配重103与右侧滑动小车229之间绳索102的长度时，配重103使水下滑翔机100的重心前移，水下滑翔机100俯仰角增大。
55.当本装置从不工作状态转换为改变翼身融合水下滑翔机横滚角状态时，绳索收放电机组101转动释放绳索102，原本收纳于水下滑翔机100内部的配重103下降；然后调节配重103到左侧滑动小车228、右侧滑动小车229之间绳索102的长度，来调节配重103相对于水下滑翔机100的位置。
56.在改变翼身融合水下滑翔机横滚角状态下，当配重103与左侧滑动小车228之间绳索102的长度小于配重103与右侧滑动小车229之间绳索102的长度时，配重103使水下滑翔机100的重心左移，水下滑翔机100横滚角改变，水下滑翔机100向左偏航。
57.当本装置从不工作状态转换为同时改变翼身融合水下滑翔机俯仰角、横滚角状态时，绳索收放电机组101转动释放绳索102，原本收纳于水下滑翔机100内部的配重103下降；左侧滑动小车228在等腰三角形滑轨21左半部分滑动，右侧滑动小车229在等腰三角形滑轨21右半部分滑动；最后，左侧滑动小车228、右侧滑动小车229分别锁定于等腰三角形滑轨21左、右两腰上，且左侧滑动小车228、右侧滑动小车229到等腰三角形滑轨21顶点的距离不相等。左侧滑动小车228与配重103之间绳索102的长度和右侧滑动小车229与配重103之间绳索102的长度不同，配重103悬挂于水下滑翔机100下方，且不在中轴正下方。
58.在同时改变翼身融合水下滑翔机俯仰角、横滚角状态下，配重103使水下滑翔机100的重心位置发生改变，当水下滑翔机100重心前移且左移时，水下滑翔机100俯仰角增大且向左偏航。

技术特征：

1.一种翼身融合水下滑翔机机动性提高装置，其特征在于：包括绳索收放装置(1)和配重滑动系统(2)，绳索收放装置(1)包括绳索收放电机组(101)、绳索(102)和配重(103)，配重滑动系统(2)包括等腰三角形滑轨(21)和可滑动小车组(22)，绳索收放电机组(101)安装于水下滑翔机(100)内部，等腰三角形滑轨(21)安装于水下滑翔机(100)底部，可滑动小车组(22)包括左侧滑动小车(228)、右侧滑动小车(229)，以等腰三角形滑轨(21)的底边中线为界，分别与等腰三角形滑轨(21)的左半部分、右半部分滑动连接，左侧滑动小车(228)和右侧滑动小车(229)上分别设有一个绳索引导孔(222)，绳索(102)设有两根，两根绳索(102)一端分别与绳索收放电机组(101)连接，另一端分别穿设于对应的一个绳索引导孔(222)中后与配重(103)连接。2.根据权利要求1所述的一种翼身融合水下滑翔机机动性提高装置，其特征在于：等腰三角形滑轨(21)包括内侧滑轨(211)和外型滑轨(212)，两者均为等腰三角形且截面呈c型，内侧滑轨(211)置于外型滑轨(212)内且两者的c型开口相对间隔设置，内侧滑轨(211)和外侧滑轨(212)上分别开有插销锁定孔(213)。3.根据权利要求2所述的一种翼身融合水下滑翔机机动性提高装置，其特征在于：水下滑翔机(100)的底面开设有与等腰三角形滑轨(21)匹配的凹槽(999)，内侧滑轨(211)和外侧滑轨(212)分别置于凹槽(999)内并分别与其对应的一内侧壁通过螺丝(213)固定。4.根据权利要求2所述的一种翼身融合水下滑翔机机动性提高装置，其特征在于：左侧滑动小车(228)和右侧滑动小车(229)上分别安装有一个主动插销(223)，左侧滑动小车(228)上的主动插销(223)与内侧滑轨(211)上的插销锁定孔(213)匹配，右侧滑动小车(229)上的主动插销(223)与外侧滑轨(212)上的插销锁定孔(213)匹配。5.根据权利要求1所述的一种翼身融合水下滑翔机机动性提高装置，其特征在于：等腰三角形滑轨(21)的底边中线与水下滑翔机(100)的中轴线在同一平面内，等腰三角形滑轨(21)的顶角和两个底角处均通过圆弧过渡。6.根据权利要求1所述的一种翼身融合水下滑翔机机动性提高装置，其特征在于：等腰三角形滑轨(21)的底边长a为水下滑翔机(100)宽度w的0.6～0.8倍，等腰三角形滑轨(21)的底边高b为水下滑翔机(100)长度l的0.5～0.75倍，等腰三角形滑轨(21)等腰三角形的底边a与底边高b的比值η的取值范围为2＜η＜3。7.根据权利要求1所述的一种翼身融合水下滑翔机机动性提高装置，其特征在于：配重(103)的质量m与水下滑翔机(100)的质量m的比值β的取值范围为0.05＜β＜0.1。8.根据权利要求1所述的一种翼身融合水下滑翔机机动性提高装置，其特征在于：绳索收放电机组(101)包括两个电机，分别通过一根绳索(102)与配重(103)连接，两根绳索(102)一端分别与对应的一个电机连接，另一端分别穿设于对应的一个绳索引导孔(222)中后与配重(103)连接。9.一种如权利要求1～8任一所述的翼身融合水下滑翔机机动性提高装置的工作方法，其特征在于：水下滑翔机(100)的工作状态包括不工作状态、改变翼身融合水下滑翔机俯仰角状态、改变翼身融合水下滑翔机横滚角状态、同时改变翼身融合水下滑翔机俯仰角、横滚角状态；处于不工作状态时：左侧滑动小车(228)、右侧滑动小车(229)分别锁定于等腰三角形滑轨(21)的左、右两
底角处，配重(103)收纳于水下滑翔机(100)内部；处于改变翼身融合水下滑翔机俯仰角状态时：绳索收放电机组(101)通过绳索(102)使配重(103)下方，左侧滑动小车(228)沿着等腰三角形滑轨(21)移动到达等腰三角形滑轨(21)的顶角处后锁定，右侧滑动小车(229)沿着等腰三角形滑轨(21)移动到达等腰三角形滑轨(21)底边中点处后固定，使配重(103)悬挂于水下滑翔机(100)中轴正下方；处于改变翼身融合水下滑翔机横滚角状态时：左侧滑动小车(228)、右侧滑动小车(229)分别锁定于等腰三角形滑轨(21)的左、右两底角处；绳索收放电机组(101)的两个电机开始工作，调节其对应绳索(102)的长度，使左侧滑动小车(228)与配重(103)之间的绳索(102)长度和右侧滑动小车(229)与配重(103)之间的绳索(102)长度产生长度差，从而配重(103)悬挂于水下滑翔机(100)下方且偏离其中轴线；处于同时改变翼身融合水下滑翔机俯仰角、横滚角状态时：左侧滑动小车(228)、右侧滑动小车(229)分别移动到等腰三角形滑轨(21)左、右两腰上后锁定，绳索收放电机组(101)的两个电机开始工作，调节其对应绳索(102)的长度，此时，左侧滑动小车(228)、右侧滑动小车(229)到等腰三角形滑轨(21)顶角的距离存在距离差，左侧滑动小车(228)与配重(103)之间的绳索(102)长度和右侧滑动小车(229)与配重(103)之间的绳索(102)长度存在长度差，配重(103)悬挂于水下滑翔机(100)下方且偏离其中轴线。10.根据权利要求9所示的一种翼身融合水下滑翔机机动性提高装置的工作方法，其特征在于：左侧滑动小车(228)与配重(103)之间的绳索(102)长度s1与右侧滑动小车(229)与配重(103)之间的绳索(102)长度s2的比值α的取值范围为1.8＜α＜2.5；左侧滑动小车(228)到等腰三角形滑轨(21)顶角的距离q1与右侧滑动小车(229)到等腰三角形滑轨(21)顶角的距离q2的比值γ的取值范围为2＜γ＜4。

技术总结

本发明公开了一种翼身融合水下滑翔机机动性提高装置，该装置安装于翼身融合水下滑翔机的腹部，包括绳索收放装置和配重滑动系统，绳索收放装置包括绳索收放电机组、绳索和配重，配重滑动系统包括等腰三角形滑轨和可滑动小车组。并公开了其工作方法。本发明中通过调节绳索收放装置和配重滑动系统，改变配重相对翼身融合水下滑翔机，进而改变翼身融合水下滑翔机整体的重心，由此改变水下滑翔机的俯仰角、横滚角，来提高翼身融合水下滑翔机的机动性。性。性。