一种翼-腿混合推进的水下滑翔机及其工作方法

1.本发明涉及水下滑翔机技术领域，尤其是涉及一种翼-腿混合推进的水下滑翔机及其工作方法。


背景技术：

2.随着深海资源的开发利用以及海洋科学的探究，海洋机器人越来越受到人们的关注，其中，水下滑翔机的技术已比较成熟，它利用净浮力和姿态角调整获得推进力，具有优异的续航能力、简易的结构等特点，满足深海探索的需要。
3.随着深海考察任务的多样化以及海洋环境的复杂多变，人们对水下滑翔机的水下作业能力和运动形态提出了更高的要求。而目前的水下滑翔机常见的矩形薄板机翼和大尺寸扑翼布局，在执行海底多变的工作任务时，会出现以下问题：其一，大尺寸扑翼布局限制其通过狭窄区域；其二，如若变轨则需机身倾斜,变轨半径很大，无法快速躲避障碍物；其三，在水下只能做锯齿状和螺旋回转轨迹的航行，面临复杂环境，水动力学性能低，无法保持有效、稳定地推进。


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-腿混合推进的水下滑翔机，增强灵活性，满足姿态的多样调整，提高推进效率。并提供了其工作方法。
5.技术方案：一种翼-腿混合推进的水下滑翔机，包括滑翔机本体，还包括在滑翔机本体相对两侧均有设置的双向柔性翼腿混合推进装置以及安装于滑翔机本体舱体内用于控制双向柔性翼腿混合推进装置运动的控制板；
6.双向柔性翼腿混合推进装置包括线机构驱动部、限位块组件、柔性翼、驱动控制单元、壳体组件，线机构驱动部安装于壳体组件内部，限位块组件在壳体组件外侧设置于其中部，线机构驱动部包括两组收缩绳组，分别从壳体组件内部穿出并与限位块组件连接，柔性翼设有两个，在限位块组件的相对两侧对称设置并分别与限位块组件连接，驱动控制单元包括安装于滑翔机本体舱体内的驱动伺服电机，驱动伺服电机的电机轴与壳体组件连接，柔性翼与驱动控制单元连接，线机构驱动部、驱动控制单元、驱动伺服电机分别与控制板信号连接。
7.进一步的，线机构驱动部还包括在壳体组件内部沿其长度方向对称间隔设置的两个驱动组件，两组收缩绳组分别与对应的一个驱动组件连接；
8.驱动组件包括蜗杆、蜗杆传动轴、舵机组、蜗轮、滑轮、滑轮销轴、联轴器、蜗轮轴套，舵机组安装于壳体组件的内壁上，蜗杆传动轴一端通过联轴器与舵机组连接，另一端与蜗杆连接，蜗轮通过支撑轴承座安装于壳体组件的内壁上并与蜗杆啮合，蜗轮上同轴安装有蜗轮轴套，滑轮通过滑轮销轴与蜗轮轴套同轴连接，收缩绳组缠绕于滑轮上，舵机组与控制板信号连接。
9.最佳的，滑轮为上下对称布置的双滑轮，一端滑轮槽为顺时针缠绕的线，另一端滑
轮槽为逆时针缠绕的线，两组收缩绳组均设有两股收缩绳，分别为收缩绳一、收缩绳三为一股，收缩绳二、收缩绳四为一股，分别缠绕在对应的滑轮的绳槽上，其中，收缩绳一与收缩绳三互连缠绕于同一个滑轮上，形成互为伸缩关系，收缩绳二与收缩绳四互连缠绕于另一同个滑轮上且互为伸缩关系。
10.进一步的，限位块组件包括限位弹性连接板、限位块、限位弹簧、尾部限位块、限位块连接轴，限位块设有多个，每个限位块的相对两侧面上分别垂直固定有一个限位弹性连接板，多个限位块依次排列使限位弹性连接板排成两列，每列限位弹性连接板分别穿设于对应的一个柔性翼中并与其内壁固定，使两个柔性翼对称设置于一列限位块的相对两侧，相邻两个限位块之间分别通过一根限位块连接轴连接，每个限位块连接轴上分别套设有一个用于限制相邻两个限位块之间夹角的限位弹簧，尾部限位块通过又一个限位块连接轴与排列于末端的限位块连接，该限位块连接轴上同样套设有一个限位弹簧，用于限制尾部限位块与排列于末端的限位块之间的夹角，收缩绳组自首位的限位块起依次穿过多个限位块后与尾部限位块连接，两组收缩绳组在限位块内部相对间隔设置且分别靠近其中一列限位弹性连接板。
11.最佳的，限位弹簧为扭转弹簧，其螺旋部套设于限位块连接轴上，两个扭力杆分别卡设在相邻的两个限位块的相对面上，或者卡设在尾部限位块与排列于末端的限位块的相对面上。每个限位块的相对两侧均设有四个卡槽，目的方便多向设置安装限位弹簧。
12.最佳的，柔性翼为硅胶材质，柔性翼的一侧面上开设有多个沿其翼长方向依次排列的安装孔位，安装孔位数量与限位块数量相等，每个安装孔位对应安装有一个限位弹性连接板，限位弹性连接板上设有螺栓安装孔位。
13.最佳的，限位块的数量为5～9个，相邻两个限位块之间的夹角θ为22
°
～28
°
，摆角α为6
°
～10
°
。
14.进一步的，驱动控制单元还包括姿态传感器、a/d转换器、控制电路，控制板为stm32控制板，姿态传感器设有多个，沿柔性翼的翼长方向依次间隔安装于其内部，姿态传感器通过a/d转换器与stm32控制板连接，三者通过控制电路依次信号连接。
15.当水下滑翔机上的各驱动伺服电机的旋转角度不一致时，通过stm32控制板经串口传输脉冲信号进行统一协调操作，同时控制各驱动伺服电机相互配合完成多种运动模式。
16.进一步的，壳体组件包括翼形壳体、翼形壳体密封盖，线机构驱动部安装于头部镂空的翼形壳体中并通过翼形壳体密封盖密封于其内部，使壳体组件呈三角翼形状；双向柔性翼腿混合推进装置为偶数个且至少为四个，对称布置于滑翔机本体的相对两侧。
17.一种上述的翼-腿混合推进的水下滑翔机的工作方法，
18.对于上浮/下沉工作模式，对应的翼-腿混合推进的水下滑翔机工作状态控制方法如下：
19.s11：水下滑翔机在上浮/下沉过程中，驱动控制单元触发采集海水来流速度；
20.s12：驱动控制单元将采集数据信号传递给控制板；
21.s13：控制板进行数据处理发出指令，将计算翼的升力的脉冲信号传递给线机构驱动部；
22.s14：线机构驱动部根据脉冲信号的指令按照计算结果的范围，分别控制两组收缩
绳组的长度,改变柔性翼的整体和局部弧度参数；如线机构驱动部接受的脉冲信号结果不在计算的范围之内，驱动控制单元重新采集海水来速度信号，对柔性翼的整体和局部弧度参数进行调整；
23.对于移动工作模式，对应的翼-腿混合推进的水下滑翔机工作状态控制方法如下：
24.s21：水下滑翔机在移动过程中，驱动控制单元触发采集海水来流速度；
25.s22：驱动控制单元将采集数据信号传递给控制板；
26.s23：控制板进行数据处理发出指令，控制板发出滑翔机水平稳态滑翔速度方程的脉冲信号传递给线机构驱动部和驱动伺服电机；
27.s24：线机构驱动部控制收缩绳组为放松状态，限位块组件随着水流的阻力自由变化；要实现水下高效的周期推进时，限位块组件在线机构驱动部的周期性转矩下利用收缩绳组的收放实现仿尾鳍的波浪形摆动，驱动伺服电机同步振幅摆动通过柔性翼周期性波浪形摆动产生振荡推力；
28.对于悬停工作模式，对应的翼-腿混合推进的水下滑翔机工作状态控制方法如下：
29.s31：水下滑翔机在水中悬浮过程中，双向柔性翼腿混合推进装置呈现竖直状态，驱动控制单元触发采集海水来流速度；
30.s32：驱动控制单元将采集数据信号传递给控制板；
31.s33：控制板进行数据处理发出指令，发出反馈的时变速度数据的脉冲信号给线机构驱动部；
32.s34：线机构驱动部控制两组收缩绳组为收紧状态，实时操纵两组收缩绳组的收缩预留量，通过限位块组件改变柔性翼的局部弧度参数，实现主动变形的扑翼，执行来流速度相反方向摆动；
33.对于海底作业工作模式，对应的翼-腿混合推进的水下滑翔机工作状态控制方法如下：
34.s41：水下滑翔机在海底作业工程中，当达到水下滑翔机与地面的预设距离时，控制板进行数据处理发出指令；控制板发出信号给线机构驱动部，线机构驱动部控制两组收缩绳组的收放状态，通过限位块组件使柔性翼呈c形腿；
35.s42：控制板发出摆线运动方程为的脉冲信号给驱动伺服电机，驱动伺服电机根据脉冲信号的指令驱动对应的同方向弯曲的c型腿进行同步周期旋转前进；
36.s43；当控制板收到前方障碍物高度小于c形腿高度1/2时，c形腿同方向弯曲一致，驱动伺服电机驱动对应的一个双向柔性翼腿混合推进装置，使相邻两个双向柔性翼腿混合推进装置之间转角相差180
°
，两两交替旋转前进；
37.s44：当控制板收到前方障碍物高度大于c形腿轴高度1/2时，线机构驱动部调整收缩绳组改变所述c形腿不同方向的弯曲，使相邻两个双向柔性翼腿混合推进装置之间转角相差180
°
，两两交替旋转前进；
38.有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：
39.1、本发明提供的水下滑翔机的双向柔性翼腿混合推进装置都是独立的，分别由独立的驱动控制模块实现各个翼的角度调整，因而，水下滑翔机可根据不同任务和作业要求实现多种运动模式，例如海底作业、上浮、下沉、移动和悬停，全方面提高作业范围、作业能力、机动性、实用性。
40.2、本发明提供的水下滑翔机的双向柔性翼腿混合推进装置克服了目前水下滑翔机矩形薄板机翼水动力学性能低的问题，采用多个碳纤维限位块，通过弹性连接板连接。收缩绳通过无级变速调整每个限位块之间的夹角和摆角，形成各种形态的柔性翼，提高了升阻比，同时利用涡流加快了推进速度，符合较高速、高效、噪音小等特点。
41.3、本发明提供的水下滑翔机c形腿属于偏心轮,c形腿轴心位于c形腿圆周上,c形腿绕此轴进行旋转运动。当c形腿在海底前后滚动时，翼增大了接触面，腿增强了刚度，同时其轴心的运动轨迹满足摆线方程，因此c形腿不存在沉陷问题，便于海底作业。
42.4、本发明提供的翼-腿混合推进的水下滑翔机，克服了目前大型滑翔机运输和组装的问题，运输时可收缩柔性翼，减小了运输体积；组装时，可将水下滑翔机处于地面矗立状态，便于安装和调整；下水时，可将腿调整为竖直状态，使水下滑翔机处于悬浮状态，减小了下水阻力。
附图说明
43.图1为本发明的翼-腿混合推进装置示意图；
44.图2为本发明的翼-腿混合推进装置内部示意图；
45.图3为本发明的驱动部分局部剖视图；
46.图4为本发明中的限位块连接示意图；
47.图5为本发明中两限位块的摆动角度示意图；
48.图6为本发明中的柔性翼；
49.图7为本发明中的限位弹性连接板；
50.图8为本发明中限位装置的弹簧结构图；
51.图9为本发明的海底作业状态运动示意图；
52.图10为本发明的上浮状态运动示意图；
53.图11为本发明的下沉状态运动示意图；
54.图12为本发明的移动状态运动示意图；
55.图13为本发明的悬停状态运动示意图；
56.图14为本发明的柔性翼的升力示意图；
57.图15为本发明的工作状态控制流程示意图。
具体实施方式
58.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。
59.一种翼-腿混合推进的水下滑翔机，请参阅图1～13所示，包括滑翔机本体、在滑翔机本体相对两侧均有设置的双向柔性翼腿混合推进装置以及安装于滑翔机本体舱体内用于控制双向柔性翼腿混合推进装置运动的控制板。
60.双向柔性翼腿混合推进装置为偶数个且至少为四个，对称布置于滑翔机本体的相对两侧，在本实施例中，以设置四个双向柔性翼腿混合推进装置为例，四个双向柔性翼腿混合推进装置分别布置在壳体舱前后两侧对称。双向柔性翼腿混合推进装置包括线机构驱动部1-0、限位块组件2-0、柔性翼3、驱动控制单元4-0、壳体组件5-0。线机构驱动部1-0包括收缩绳组6、蜗杆9、蜗杆传动轴12、舵机组13、蜗轮14、滑轮15、滑轮销轴16、联轴器17、蜗轮轴套18，滑轮15为上下对称布置的双滑轮。限位块组件2-0包括限位弹性连接板4、限位块5、限位弹簧7、尾部限位块8、限位块连接轴19。柔性翼3由两个非完全整体半翼构成。驱动控制单元4-0包括驱动伺服电机20、姿态传感器21、a/d转换器22、控制电路24，控制板23为stm32控制板。壳体组件5-0包括翼形壳体1、翼形壳体密封盖2。
61.线机构驱动部1-0设置在头部镂空三角翼形状的翼形壳体1中；限位块组件2-0位于双向柔性翼腿混合推进装置的中间，柔性翼3设有两个，在限位块组件2-0的相对两侧对称设置并分别与限位块组件2-0连接，成对称布置，驱动伺服电机20的电机轴与壳体组件5-0连接，柔性翼3与驱动控制单元4-0连接，线机构驱动部1-0、驱动控制单元4-0、驱动伺服电机20分别与控制板23信号连接。两两限位块5之间通过合页方式实现铰接，将限位弹簧7套在限位块连接轴19上，并嵌入在限位块5的卡槽内实现固定，通过收缩绳组6改变限位弹簧7实现限位块组2-0角度变化，收缩绳组6内置在限位块5各端的通孔滑道中进行滑动，由两根闭合回路绳索组成；柔性翼3位于中间限位块5的两侧布置，通过限位弹性连接板4插入预留的分为7段形成非完全整体柔性翼3的空腔位置，然后将两者套在伸出的限位块5上，通过螺栓连接将其紧固；驱动控制单元4-0设置在所述双向柔性翼腿混合推进装置的前端，本实施例共包括4个驱动伺服电机20，分别编号为驱动伺服电机一20-1、驱动伺服电机二20-2、驱动伺服电机三20-3、驱动伺服电机四20-4，驱动对应双向柔性翼腿混合推进装置旋转；姿态传感器21设置在柔性翼3内，两边对称布置；控制板23位于舱体中，其被配置为控制位于舱体内的驱动电机20和舵机组13，操纵翼-腿的主动变形和被动变形。
62.本发明的线机构驱动部，线机构驱动部1-0包括两组收缩绳组6、在壳体组件5-0内部沿其长度方向对称间隔设置的两个驱动组件，两组收缩绳组6分别与对应的一个驱动组件连接；
63.驱动组件由蜗杆9、蜗杆传动轴12、舵机组13、蜗轮14、滑轮15、滑轮销轴16、联轴器17、蜗轮轴套18组成，舵机组13安装于壳体组件5-0的内壁上，蜗杆传动轴12一端通过联轴器17与舵机组13连接，另一端与蜗杆9连接，蜗轮14通过支撑轴承座安装于壳体组件5-0的内壁上并与蜗杆9啮合，蜗轮14上同轴安装有蜗轮轴套18，滑轮15通过滑轮销轴16与蜗轮轴套18同轴连接，收缩绳组6缠绕于滑轮15上，舵机组13与控制板23信号连接。
64.滑轮15一端滑轮槽为顺时针缠绕的线，另一端滑轮槽为逆时针缠绕的线，两组收缩绳组6均设有两股收缩绳，分别为收缩绳一6-1、收缩绳三6-3为一股，收缩绳二6-2、收缩绳四6-4为一股，分别缠绕在对应的滑轮15的绳槽上，其中，收缩绳一6-1与收缩绳三6-3互连缠绕于同一个滑轮15上，形成互为伸缩关系，收缩绳二6-2与收缩绳四6-4互连缠绕于另一同个滑轮15上且互为伸缩关系。
65.舵机组13经过联轴器17与蜗杆传动轴12连接，通过蜗杆传动轴12将转矩传递给蜗杆9，蜗杆9再将转矩传递到蜗轮14上。再经过蜗轮轴套18和滑轮销轴16，上下对称布置的滑轮15得到转矩力可以将线缠绕在上下对称布置的滑轮15的绳槽上。上下对称布置的滑轮15
是利用滑轮销轴16固定在翼形壳体1上，滑轮15两端收缩和放松来调整限位块组件的变形。蜗轮14上的支撑轴承座承受固定载荷和工作载荷。与连接轴上的双向收紧滑轮15连接。一端滑轮槽的线逆时针缠绕，另一端滑轮槽的线顺时针缠绕，滑轮顺时针和逆时针旋转，实现槽内线的收紧和放松。翼形壳体1和翼形壳体密封盖2之间将舵机组13进行防水处理。本结构紧凑，减小了空间占有率，降低能源消耗。
66.限位块组件2-0的限位块5设有多个，数量通常为5～9个，每个限位块5的相对两侧面上分别垂直固定有一个限位弹性连接板4，多个限位块5依次排列使限位弹性连接板4排成两列，每列限位弹性连接板4分别穿设于对应的一个柔性翼3中并与其内壁固定，使两个柔性翼3对称设置于一列限位块5的相对两侧，相邻两个限位块5之间分别通过一根限位块连接轴19连接，每个限位块连接轴19上分别套设有一个用于限制相邻两个限位块5之间夹角的限位弹簧7，尾部限位块8通过又一个限位块连接轴19与排列于末端的限位块5连接，该限位块连接轴19上同样套设有一个限位弹簧7，用于限制尾部限位块8与排列于末端的限位块5之间的夹角，收缩绳组6自首位的限位块5起依次穿过多个限位块5后与尾部限位块8连接，两组收缩绳组6在限位块5内部相对间隔设置且分别靠近其中一列限位弹性连接板4。
67.限位弹簧7为扭转弹簧，其螺旋部套设于限位块连接轴19上，两个扭力杆分别卡设在相邻的两个限位块5的相对面上，或者卡设在尾部限位块8与排列于末端的限位块5的相对面上。
68.本实施例中，限位块组件包含八个限位块5，一个尾部限位块8和七个限位弹性连接板4。七个限位弹性连接板4与前七个限位块5左右两端相连，再将外端限位弹性连接板4与限位块5连接的限位弹性连接板4贴合。限位块5之间通过限位块连接轴19铰接，限位块5两两之间定位布置球形的凸包和凹包；限位块5之间的夹角为θ为22
°
～28
°
，限位块5之间的摆角α为6
°
～10
°
。限位块5为轻量化的碳纤维材质。限位弹性连接板4为轻量化的橡胶材质。体现较好的水动力学特性，推进效率高，使结构更好的固定防止水流阻力破坏。
69.本发明的柔性翼结构整体外形轮廓是仿照蓝鳍金枪鱼外形轮廓尺寸设计；测量蓝鳍金枪鱼外形尺寸后，进行外轮廓曲线拟合分段函数校核，并等比例缩放成相对应的水下滑翔机推进装置的合适尺寸。柔性翼3的形状来自于较小阻力系数的水翼，其对应被分成七段，包括最内部的限位块5、中间的限位弹性连接板4和外部的柔性翼3。他们都是基于限位块5之间的摆动而产生摆动的。柔性翼3可利用3d打印技术，采用硅胶材料3d打印成型，成型后在其表面涂新型减阻材料。柔性水翼3取代了刚性的连接部件，减少了机构的数量，并减轻了机构的质量，具有灵活性好、噪声低、推进效率高等特点。
70.柔性翼3的一侧面上开设有多个沿其翼长方向依次排列的安装孔位，安装孔位数量与限位块5数量相等，每个安装孔位对应安装有一个限位弹性连接板4，限位弹性连接板4上设有螺栓安装孔位。
71.驱动控制单元4-0的姿态传感器21设有多个，沿柔性翼3的翼长方向依次间隔安装于其内部，姿态传感器21通过a/d转换器22与stm32控制板23连接，三者通过控制电路24依次信号连接。
72.本实施例中的驱动控制单元4-0的四个驱动伺服电机由控制板经串口传输进行统一协调操作，驱动伺服电机20安装在水下滑翔机舱体内。柔性翼3分为七段，每段内侧各设有一个姿态传感器21，总数为七个。每个限位块5内侧的收缩绳组6有四根，分别为收缩绳一
6-1、收缩绳二6-2、收缩绳三6-3、收缩绳四6-4，收缩绳一6-1、收缩绳三6-3由舵机一13-1驱动，收缩绳二6-2、收缩绳四6-4由舵机二13-2驱动，根据柔性翼3的变形要求调整收缩绳组6四根绳长的预留量。stm32控制板与舵机组13都密封处理。
73.根据伯努利方程计算翼的升力翼的面积近似认为s＝ld,翼展为l，翼长为d。流体密度ρ为1025kg/m3，来流速度v1和v2是柔性翼上侧和下侧的流速。水翼主动控制升力过程是一种弧度控制过程，其过程包括，检测来流速度、计算升力和改变翼的弧度，实现水下滑翔机推进装置的主动和被动变形。
74.具体地，水下滑翔机推进装置具有五种状态，依次为海底作业状态、上浮状态、下沉状态、移动状态、悬停状态。
75.海底作业状态时，舵机组13输出转矩带动蜗杆9、涡轮14转动，经过蜗轮轴套18带动滑轮15逆时针旋转，收缩绳组6一端收紧，限位块5两两之间通过凹凸包定位卡紧，得到在海底行走的c形腿，使c形腿轴心位于c形腿圆周上，轴心的运动轨迹满足摆线方程。输出轴将转矩传到与其是紧固连接的所述翼形壳体1，双向柔性翼腿混合推进装置在转矩的作用下，整个装置将绕输出轴做整周的回转。对每个双向柔性翼腿混合推进装置的驱动伺服电机20辅以不同的控制时序，即可实现双向柔性翼腿混合推进装置在海底行走和翻过障碍物。具体如下：进行海底行走作业时，4个c形腿轴同方向弯曲一致，驱动伺服电机一20-1、驱动伺服电机二20-2、驱动伺服电机三20-3、驱动伺服电机四20-4分别驱动4个双向柔性翼腿混合推进装置同步旋转前进；进行海底越障作业时，当障碍物高度小于c形腿轴高度的1/2时，4个c形腿轴同方向弯曲一致，4个驱动伺服电机20驱动4个所述柔性翼-腿相差180
°
，两两交替旋转前进；当障碍物高度大于c形腿轴高度的1/2时，控制板通过舵机组调整收缩绳组6中的其中一端，改变所述c形腿轴不同方向的弯曲，4个驱动伺服电机20驱动4个所述柔性翼-腿相差180
°
，两两交替旋转爬行。
76.上浮状态时，水下滑翔机处于上升滑翔趋势，收缩绳组6通过所述驱动控制单元分析水流数据分别获得收缩长度，借助限位弹簧7保持限位块5的角度变化，大体呈现上凸抛物线弧度。
77.下沉状态时，水下滑翔机处于下落滑翔趋势，收缩绳组6通过所述驱动控制单元分析水流数据分别获得收缩长度，借助限位弹簧7保持限位块5的角度变化，大体呈现下凹抛物线弧度。
78.移动状态时，水下滑翔机处于水平滑翔趋势，收缩绳组6为放松状态，限位块5组合随着水流的阻力自由变化，大体呈现往复震荡摆动。要实现水下高效的周期推进时，限位块5在舵机组13的周期性转矩下利用线机构的收放实现仿尾鳍的波浪形摆动。通过柔性翼3周期性波浪形摆动产生振荡推力，相比单个关节的刚性板摆动，多关节的柔性翼3的反作用力较小，在水下前进的动力更大。如果其的角度不平行于水流，撞击它的动压会产生升力。
79.悬停状态时，水下滑翔机处于两种静态平衡趋势，其一是水下滑翔机处于悬浮状态，所述水下滑翔机双向柔性翼腿混合推进装置呈现竖直状态，通过主动变形达到静态平衡；其二是水下滑翔机处于地面矗立状态，收缩绳组6两端收紧，尾部限位块8贴于地面，处于静置状态。
80.上述翼-腿混合推进的水下滑翔机工作状态控制方法，如图14、15所示，包括以下流程：
81.对于上浮/下沉工作模式，对应的翼-腿混合推进的水下滑翔机工作状态控制方法如下：
82.s11：水下滑翔机在上浮/下沉过程中，姿态传感器21触发采集海水来流速度；
83.s12：将采集数据信号通过控制电路24传输经a/d转换器22传递给控制板23；
84.s13：控制板23进行数据处理发出指令，将计算翼的升力的脉冲信号通过控制电路24给舵机组13；
85.s14：舵机组13根据脉冲信号的指令按照计算结果的范围，分别控制收缩绳一6-1、2、3、4的长度,借助限位弹簧7固定限位块5的角度改变柔性翼3的整体和局部弧度参数；如舵机组13接受的脉冲信号结果不在计算的范围之内，姿态传感器21重新采集海水来速度信号，对柔性翼3的整体和局部弧度参数进行调整；
86.对于移动工作模式，对应的翼-腿混合推进的水下滑翔机工作状态控制方法如下：
87.s21：水下滑翔机在移动过程中，姿态传感器21触发采集海水来流速度；
88.s22：将采集数据信号通过控制电路24传输经a/d转换器22传递给控制板23；
89.s23：控制板23进行数据处理发出指令，控制板23发出滑翔机水平稳态滑翔速度方程的脉冲信号通过控制电路24给舵机组13和四个驱动伺服电机20；
90.s24：舵机组13控制收缩绳组6为放松状态，限位块5组合随着水流的阻力自由变化；要实现水下高效的周期推进时，限位块5在舵机组13的周期性转矩下利用线机构的收放实现仿尾鳍的波浪形摆动，四个驱动伺服电机20同步振幅摆动通过柔性翼3周期性波浪形摆动产生振荡推力；
91.对于悬停工作模式，对应的翼-腿混合推进的水下滑翔机工作状态控制方法如下：
92.s31：水下滑翔机在水中悬浮过程中，所述水下滑翔机双向柔性翼腿混合推进装置呈现竖直状态，姿态传感器21触发采集海水来流速度；
93.s32：将采集数据信号通过控制电路24传输经a/d转换器22传递给控制板23；
94.s33：控制板23进行数据处理发出指令，控制板23发出反馈的时变速度数据的脉冲信号通过控制电路24给舵机组13；
95.s34:舵机一13-1控制收缩绳一6-1、收缩绳三6-3两端为收紧状态，舵机二13-1控制收缩绳二6-2、收缩绳四6-4两端为收紧状态。实时操纵收缩绳组6组的收缩预留量，借助限位弹簧7固定限位块5的角度改变柔性翼3的局部弧度参数，实现主动变形的扑翼。执行来流速度相反方向摆动。
96.对于海底作业工作模式，对应的翼-腿混合推进的水下滑翔机工作状态控制方法如下：
97.s41：水下滑翔机在海底作业工程中，当达到水下滑翔机与地面的预设距离时，控制板23进行数据处理发出指令；控制板23发出信号通过控制电路24给舵机组13，舵机一13-1将收缩绳一6-1或收缩绳三6-3一端收紧，同时舵机二13-1将收缩绳二6-2或收缩绳四6-4一端收紧，柔性翼呈c形腿轴；
98.s42：控制板23发出摆线运动方程为的脉冲信号通过控制电
路24给四个驱动伺服电机20，四个驱动伺服电机20根据脉冲信号的指令驱动4个同方向弯曲的c型腿进行同步周期旋转前进。
99.s43；当控制板23收到前方障碍物高度小于c形腿轴高度1/2时，4个c形腿轴同方向弯曲一致，4个驱动伺服电机20驱动4个所述柔性翼-腿相差180
°
，两两交替旋转前进；
100.s44：当控制板23收到前方障碍物高度大于c形腿轴高度1/2时，舵机组13调整收缩绳组6改变所述c形腿轴不同方向的弯曲，4个驱动伺服电机20驱动4个所述柔性翼-腿相差180
°
，两两交替旋转爬行。

技术特征：
1.一种翼-腿混合推进的水下滑翔机，包括滑翔机本体，其特征在于：还包括在滑翔机本体相对两侧均有设置的双向柔性翼腿混合推进装置以及安装于滑翔机本体舱体内用于控制双向柔性翼腿混合推进装置运动的控制板(23)；双向柔性翼腿混合推进装置包括线机构驱动部(1-0)、限位块组件(2-0)、柔性翼(3)、驱动控制单元(4-0)、壳体组件(5-0)，线机构驱动部(1-0)安装于壳体组件(5-0)内部，限位块组件(2-0)在壳体组件(5-0)外侧设置于其中部，线机构驱动部(1-0)包括两组收缩绳组(6)，分别从壳体组件(5-0)内部穿出并与限位块组件(2-0)连接，柔性翼(3)设有两个，在限位块组件(2-0)的相对两侧对称设置并分别与限位块组件(2-0)连接，驱动控制单元(4-0)包括安装于滑翔机本体舱体内的驱动伺服电机(20)，驱动伺服电机(20)的电机轴与壳体组件(5-0)连接，柔性翼(3)与驱动控制单元(4-0)连接，线机构驱动部(1-0)、驱动控制单元(4-0)、驱动伺服电机(20)分别与控制板(23)信号连接。2.根据权利要求1所述的一种翼-腿混合推进的水下滑翔机，其特征在于：线机构驱动部(1-0)还包括在壳体组件(5-0)内部沿其长度方向对称间隔设置的两个驱动组件，两组收缩绳组(6)分别与对应的一个驱动组件连接；驱动组件包括蜗杆(9)、蜗杆传动轴(12)、舵机组(13)、蜗轮(14)、滑轮(15)、滑轮销轴(16)、联轴器(17)、蜗轮轴套(18)，舵机组(13)安装于壳体组件(5-0)的内壁上，蜗杆传动轴(12)一端通过联轴器(17)与舵机组(13)连接，另一端与蜗杆(9)连接，蜗轮(14)通过支撑轴承座安装于壳体组件(5-0)的内壁上并与蜗杆(9)啮合，蜗轮(14)上同轴安装有蜗轮轴套(18)，滑轮(15)通过滑轮销轴(16)与蜗轮轴套(18)同轴连接，收缩绳组(6)缠绕于滑轮(15)上，舵机组(13)与控制板(23)信号连接。3.根据权利要求2所述的一种翼-腿混合推进的水下滑翔机，其特征在于：滑轮(15)为上下对称布置的双滑轮，一端滑轮槽为顺时针缠绕的线，另一端滑轮槽为逆时针缠绕的线，两组收缩绳组(6)均设有两股收缩绳，分别为收缩绳一(6-1)、收缩绳三(6-3)为一股，收缩绳二(6-2)、收缩绳四(6-4)为一股，分别缠绕在对应的滑轮(15)的绳槽上，其中，收缩绳一(6-1)与收缩绳三(6-3)互连缠绕于同一个滑轮(15)上，形成互为伸缩关系，收缩绳二(6-2)与收缩绳四(6-4)互连缠绕于另一同个滑轮(15)上且互为伸缩关系。4.根据权利要求1所述的一种翼-腿混合推进的水下滑翔机，其特征在于：限位块组件(2-0)包括限位弹性连接板(4)、限位块(5)、限位弹簧(7)、尾部限位块(8)、限位块连接轴(19)，限位块(5)设有多个，每个限位块(5)的相对两侧面上分别垂直固定有一个限位弹性连接板(4)，多个限位块(5)依次排列使限位弹性连接板(4)排成两列，每列限位弹性连接板(4)分别穿设于对应的一个柔性翼(3)中并与其内壁固定，使两个柔性翼(3)对称设置于一列限位块(5)的相对两侧，相邻两个限位块(5)之间分别通过一根限位块连接轴(19)连接，每个限位块连接轴(19)上分别套设有一个用于限制相邻两个限位块(5)之间夹角的限位弹簧(7)，尾部限位块(8)通过又一个限位块连接轴(19)与排列于末端的限位块(5)连接，该限位块连接轴(19)上同样套设有一个限位弹簧(7)，用于限制尾部限位块(8)与排列于末端的限位块(5)之间的夹角，收缩绳组(6)自首位的限位块(5)起依次穿过多个限位块(5)后与尾部限位块(8)连接，两组收缩绳组(6)在限位块(5)内部相对间隔设置且分别靠近其中一列限位弹性连接板(4)。5.根据权利要求4所述的一种翼-腿混合推进的水下滑翔机，其特征在于：限位弹簧(7)
为扭转弹簧，其螺旋部套设于限位块连接轴(19)上，两个扭力杆分别卡设在相邻的两个限位块(5)的相对面上，或者卡设在尾部限位块(8)与排列于末端的限位块(5)的相对面上。6.根据权利要求4所述的一种翼-腿混合推进的水下滑翔机，其特征在于：柔性翼(3)为硅胶材质，柔性翼(3)的一侧面上开设有多个沿其翼长方向依次排列的安装孔位，安装孔位数量与限位块(5)数量相等，每个安装孔位对应安装有一个限位弹性连接板(4)，限位弹性连接板(4)上设有螺栓安装孔位。7.根据权利要求4所述的一种翼-腿混合推进的水下滑翔机，其特征在于：限位块(5)的数量为5～9个，相邻两个限位块(5)之间的夹角θ为22
°
～28
°
，摆角α为6
°
～10
°
。8.根据权利要求1所述的一种翼-腿混合推进的水下滑翔机，其特征在于：驱动控制单元(4-0)还包括姿态传感器(21)、a/d转换器(22)、控制电路(24)，控制板(23)为stm32控制板，姿态传感器(21)设有多个，沿柔性翼(3)的翼长方向依次间隔安装于其内部，姿态传感器(21)通过a/d转换器(22)与stm32控制板(23)连接，三者通过控制电路(24)依次信号连接。9.根据权利要求1所述的一种翼-腿混合推进的水下滑翔机，其特征在于：壳体组件(5-0)包括翼形壳体(1)、翼形壳体密封盖(2)，线机构驱动部(1-0)安装于头部镂空的翼形壳体(1)中并通过翼形壳体密封盖(2)密封于其内部，使壳体组件(5-0)呈三角翼形状；双向柔性翼腿混合推进装置为偶数个且至少为四个，对称布置于滑翔机本体的相对两侧。10.一种如权利要求1～9任一所述的翼-腿混合推进的水下滑翔机的工作方法，其特征在于，对于上浮/下沉工作模式，对应的翼-腿混合推进的水下滑翔机工作状态控制方法如下：s11：水下滑翔机在上浮/下沉过程中，驱动控制单元触发采集海水来流速度；s12：驱动控制单元将采集数据信号传递给控制板；s13：控制板进行数据处理发出指令，将计算翼的升力的脉冲信号传递给线机构驱动部；s14：线机构驱动部根据脉冲信号的指令按照计算结果的范围，分别控制两组收缩绳组的长度,改变柔性翼的整体和局部弧度参数；如线机构驱动部接受的脉冲信号结果不在计算的范围之内，驱动控制单元重新采集海水来速度信号，对柔性翼的整体和局部弧度参数进行调整；对于移动工作模式，对应的翼-腿混合推进的水下滑翔机工作状态控制方法如下：s21：水下滑翔机在移动过程中，驱动控制单元触发采集海水来流速度；s22：驱动控制单元将采集数据信号传递给控制板；s23：控制板进行数据处理发出指令，控制板发出滑翔机水平稳态滑翔速度方程的脉冲信号传递给线机构驱动部和驱动伺服电机；s24：线机构驱动部控制收缩绳组为放松状态，限位块组件随着水流的阻力自由变化；要实现水下高效的周期推进时，限位块组件在线机构驱动部的周期性转矩下利用收缩绳组的收放实现仿尾鳍的波浪形摆动，驱动伺服电机同步振幅摆动通过柔性翼周期性波浪形摆动产生振荡推力；对于悬停工作模式，对应的翼-腿混合推进的水下滑翔机工作状态控制方法如下：
s31：水下滑翔机在水中悬浮过程中，双向柔性翼腿混合推进装置呈现竖直状态，驱动控制单元触发采集海水来流速度；s32：驱动控制单元将采集数据信号传递给控制板；s33：控制板进行数据处理发出指令，发出反馈的时变速度数据的脉冲信号给线机构驱动部；s34：线机构驱动部控制两组收缩绳组为收紧状态，实时操纵两组收缩绳组的收缩预留量，通过限位块组件改变柔性翼的局部弧度参数，实现主动变形的扑翼，执行来流速度相反方向摆动；对于海底作业工作模式，对应的翼-腿混合推进的水下滑翔机工作状态控制方法如下：s41：水下滑翔机在海底作业工程中，当达到水下滑翔机与地面的预设距离时，控制板进行数据处理发出指令；控制板发出信号给线机构驱动部，线机构驱动部控制两组收缩绳组的收放状态，通过限位块组件使柔性翼呈c形腿；s42：控制板发出摆线运动方程为的脉冲信号给驱动伺服电机，驱动伺服电机根据脉冲信号的指令驱动对应的同方向弯曲的c型腿进行同步周期旋转前进；s43；当控制板收到前方障碍物高度小于c形腿高度1/2时，c形腿同方向弯曲一致，驱动伺服电机驱动对应的一个双向柔性翼腿混合推进装置，使相邻两个双向柔性翼腿混合推进装置之间转角相差180
°
，两两交替旋转前进；s44：当控制板收到前方障碍物高度大于c形腿轴高度1/2时，线机构驱动部调整收缩绳组改变所述c形腿不同方向的弯曲，使相邻两个双向柔性翼腿混合推进装置之间转角相差180
°
，两两交替旋转前进。

技术总结
本发明公开了一种翼-腿混合推进的水下滑翔机及其工作方法，滑翔机包括滑翔机本体、双向柔性翼腿混合推进装置、控制板；双向柔性翼腿混合推进装置包括线机构驱动部、限位块组件、柔性翼、驱动控制单元、壳体组件，线机构驱动部安装于壳体组件内部，限位块组件在壳体组件外侧设置于其中部，柔性翼设有两个，在限位块组件的相对两侧对称设置并分别与限位块组件连接，驱动控制单元包括安装于滑翔机本体舱体内的驱动伺服电机，驱动伺服电机的电机轴与壳体组件连接，柔性翼与驱动控制单元连接。本发明的水下滑翔机可根据不同任务和作业要求实现多种运动模式，如海底作业、上浮、下沉、移动和悬停，全方面提高作业范围、作业能力、机动性、实用性。实用性。实用性。


技术研发人员：朱永梅 何夏磊 管伟 吕昊 苏世杰 张建
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2023.01.05
技术公布日：2023/6/7