一种自持式低功耗长续航的无人潜航器

1.本技术涉及无人潜航器的技术领域，尤其涉及一种自持式低功耗长续航的无人潜航器。


背景技术：

2.无人潜航器(uuv)作为无人平台中的重要一员，随着海洋在经济与军事领域战略地位和作用日益加强，外加其使用的便捷性、执行危险任务的能力和潜在的应用前景，已成为各海洋大国和军事强国争相研制的热门无人平台。无人潜航器目前已应用于情报侦察、反潜反雷、海洋调查、海底地形测量、海洋水文监测等军民领域。其中，美国、俄罗斯、欧洲和日本等发达国家已将uuv作为重点发展的海洋观测载体和作战武器，且成立了专门的研究所和高效实验室，如美国麻省理工学院的自主水下机器人实验室、美国海军研究生院智能水下运载器研究中心、日本东京大学机器人应用实验室、英国海事技术中心等。
3.无人潜航器具有造价低廉、使用灵活、隐蔽性强、适应复杂海况以及有效避免人员伤亡的特点，作为一种海上力量倍增器有着广泛的军事用途。无人潜航器通常由潜艇、水面舰艇或民船搭载布放，分为遥控型和自主型，其中完全自主无人潜航器是未来发展的趋势。无人潜航器利用自身搭载的各种传感器和武器，能够执行远程通信中继、侦察监视、反潜警戒、反水雷等任务。
4.无人潜航器具有以下优势:1)体积小，侧方和正面的截面积非常小，主动声呐难以探测。2)自噪声小，声隐蔽性好，被动声呐难以侦听。随着人工智能、水下通信等技术发展，无人潜航器的智能化程度将不断提高，能够与环境发生交互作用，执行任务时能有效地探测和识别水下目标、取样或完成各种人力无法胜任的复杂工作。但是，目前大部分无人潜航器是以电池为动力来源，而现阶段电池的能量密度无法支撑无人潜航器长时间远距离航行。多数无人潜航器只能以4到5节甚至更低的速度航行，必须在电力耗尽前返回到就近港口或海上船舰充电，因此执行任务范围受限，而且增加被敌搜获的机率。
5.扑翼振荡现象广泛存在于自然界中，如鸟类，昆虫，鱼类以及鲸和海豚等海洋生物利用其翅膀或鳍的扑翼振荡产生升力和推力以实现运动。其中昆虫是最早进化出主动飞行能力的生物，在机动性方面至今仍然未被其他生物或人造飞行器超越。理论研究表明，扑翼推进效率显著高于常规推进系统，最高可达85％，这种推进方式展现出了优秀的空气动力和水动力性能。由于具有显著的性能优势和广泛的应用前景，仿扑翼机器人成为了新型水下机器人的研究热点。扑翼推进的优秀的水动力学性能启发了研究人员模仿扑翼的沉浮俯仰运动采集流体的能量。经过20多年发展，扑翼能量采集的效率从28％提高到了40％，扑翼的运动模式也从当初的主动运动发展成全被动运动。事实上，大型鸟类往往在飞行过程中同时运用了扑翼推进和能量采集。大型鸟类给无人潜航器设计的启示在于，采用滑翔姿势完成大部分的推进过程。这是因为滑翔过程中有效攻角小、阻力低，是一种低损耗推进方式，较小的高度差即可实现较大距离的推进，并且滑翔所消耗的重力势能可转化自上海洋水流的动能。
6.本发明提出了一种新型的无人潜航器，这种无人潜航器既能像大型鸟类那样在推进的过程中利用周围流体的的动能进行低功耗甚至无功耗的动态滑翔；同时也能依靠自身能量，通过改变重力/浮力进行沉浮运动，主动制造高度差进行低功耗的滑翔运动。这种无人潜航器在民用领域，可以解决海洋水文信息实时采集的问题，海洋水文信息采集是海洋能资源评估、气候变化等研究的基础条件，此外，低功耗远航无人潜航器还可应用于地质测绘、资源勘测、环境监控等领域；在军事领域，低功耗长续航无人潜航器可执行情报、监视、侦察(isr)等任务，长续航无人潜航器可拓展其执行任务的持续时间和覆盖范围。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本技术提供一种自持式低功耗长续航的无人潜航器，可利用扑翼动态滑翔实现低功耗、远距离巡航。
8.本技术提供一种自持式低功耗长续航的无人潜航器，包括：
9.活动罩，各直线活动地安装于固定外壳的前后二端，以与所述固定外壳围成变形密封腔；
10.直线驱动机构，分别用以驱动所述活动罩的直线活动，以使变形密封腔的体积改变，形成下沉或上浮的驱动力；
11.扑翼，各从所述固定外壳所围固定密封腔的二侧向伸出；
12.摆动驱动机构，用以驱动所述扑翼摆动以使扑翼的攻角发生改变，进而形成前进或后退的驱动力。
13.可选地，所述直线驱动机构包括步进电机和螺杆组件，所述螺杆组件分别固接所述活动罩和步进电机，所述螺杆组件用以在步进电机的旋转动力输入下产生直线动力。
14.可选地，所述活动罩通过膨胀节固装在所述固定外壳上。
15.可选地，所述活动罩的外表面被配置成流线形。
16.可选地，所述摆动驱动机构包括驱动电机和曲轴，所述曲轴分别固接所述驱动电机和扑翼。
17.可选地，所述驱动电机与曲轴的连接处采用绝缘机油密封，所述驱动电机、曲轴被分隔在不同的密封腔内。
18.可选地，所述扑翼的端部固设有翼端板。
19.可选地，还包括电连接的蓄电池和发电机构，所述发电机构用以在受水流驱动扑翼的机械能转化成电能，所述蓄电池用以储存所述电能。
20.可选地，所述蓄电池位于固定密封腔的底部。
21.相对于现有技术，本技术具有如下有益效果：
22.1、潜航器利用水下滑翔前进，水下滑翔过程中有效攻角小、阻力低，是一种低能耗推进方式，较小的高度差即可实现较大的推进距离。潜航器在下沉和上浮过程中分别利用重力势能和浮力势能推进，实现了不间断的水下滑翔推进。
23.2、本技术利用膨胀节模仿鱼类通过改变自身的体积来进行沉浮运动。潜航器与外界不存在质量的交换，自身重力基本不变，降低了潜航器漏水的可能性。并且膨胀节本身具有弹性，可以储存外界流体的压缩能，减小自身的能量消耗。
24.3、潜航器利用扑翼不同的位置和攻角实现了沉浮过程中的前后机动，具有更大的
灵活性。
25.4、潜航器仅仅在电动机工作时消耗电源的电能，在滑翔过程中大部分时间不消耗能量，而电源的电能可来自于环境水流的流体能，潜航器通过利用水流的流体能实现超长续航。
附图说明
26.下面结合附图，通过对本技术的具体实施方式详细描述，将使本技术的技术方案及其它有益效果显而易见。
27.图1为本技术实施例提供的自持式低功耗长续航无人潜航器的总体示意图结构示意图。
28.图2为本技术实施例提供的自持式低功耗长续航无人潜航器的工作状态示意图。
29.图3为本技术实施例提供的自持式低功耗长续航无人潜航器受水流作用的示意图。
30.其中，图中元件标识如下：
31.1-变形密封腔；2-固定密封腔；3-膨胀节；4-固定外壳；5-活动罩；7-螺杆；9-步进电机；11-驱动电机；13-曲轴；15-扑翼；17-潜航的轴线；18-蓄电池；19-翼端板。
具体实施方式
32.下面将结合本技术实施例，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
33.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
34.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
35.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本技术的不同结构。为了简化本技术的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本技术。此外，本技术可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本技术提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
36.请参阅图1，本技术实施例自持式低功耗长续航的无人潜航器，包括：
37.活动罩5，各直线活动地安装于固定外壳4的前后二端，以与上述固定外壳4围成变
形密封腔1；
38.直线驱动机构，分别用以驱动上述活动罩5的直线活动，以使变形密封腔1的体积改变，形成下沉或上浮的驱动力；
39.扑翼15，各从上述固定外壳4所围固定密封腔2的二侧向伸出；
40.摆动驱动机构，用以驱动上述扑翼15摆动以使扑翼15的攻角发生改变，进而形成前进或后退的驱动力。
41.关于上述表述“变形密封腔1的体积改变，形成下沉或上浮的驱动力”可以被理解为：当变形密封腔1的容积减小时，浮力减小；当变形密封腔1的体积增大时，浮力增大。当潜航器的浮力减小到小于其自身重力时，潜航器将下沉运动；当潜航器浮力增大到大于其自身重力时，潜航器将上浮运动。
42.关于上述表述“上述扑翼15摆动以使扑翼15的攻角发生改变形成前进或后退的驱动力”可以被理解为：扑翼15在下沉和上浮过程中保持正攻角或负攻角。在下沉过程中，当扑翼15保持负攻角时，扑翼15受水流施加的水平流体力向前，推动潜航器向前运动；当扑翼15保持正攻角时，扑翼15受水流施加的水平流体力向后，推动潜航器向后运动。在上浮过程中，当扑翼15保持负攻角时，扑翼15受水流施加的水平流体力向后，推动潜航器向后运动；当扑翼15保持负攻角时，扑翼15受水流施加的水平流体力向前，推动潜航器向前运动。
43.此处术语“扑翼15的攻角”是指扑翼15的俯仰中心与驱动轴轴线不重合所致。俯仰中心发生360
°
转动则会改变扑翼15攻角。
44.上述扑翼15的摆动和活动罩5的直线伸缩能形成不同的组合工作状态。具体而言，扑翼15的摆动可改变潜航器重心位置，重心位置改变的幅度由俯仰中心到驱动轴轴线的距离决定。当扑翼15位于潜航器下后部位时，头部膨胀节3收缩，潜航器浮力减小、浮心左移，导致潜航器前半部分更重，潜航器头部相对于潜航器尾部下沉，直到潜航器的重心与浮心重新位移同一条垂线上，达到新的平衡。此时，扑翼15的负攻角导致潜航器在下沉过程中形向先前的推进力；当扑翼15位于潜航器前下部位时，头部膨胀节3伸长，潜航器浮力减小、浮心右移，导致潜航器后半部分更重，潜航器头部相对于潜航器尾部上抬，扑翼15的正攻角导致潜航器在上浮过程中形向先前的推进力；当扑翼15位于潜航器前上部位时，尾部膨胀节3伸长，潜航器浮力增大、浮心左移，同样导致潜航器头部相对于潜航器尾部下沉，扑翼15的向后正攻角导致潜航器在上浮过程中形向先后的推进力；当扑翼15位于潜航器后上部位时，潜航器浮力减小、浮心右移，同样导致潜航器头部相对于潜航器尾部上抬，扑翼15的正攻角导致潜航器在下沉过程中形向先后的推进力。总之，扑翼15的摆动可控制潜航器运动方向，活动罩5的伸缩可以控制扑翼15的俯仰运动和沉浮运动，以减小潜航器运动过程中迎流面积和阻力。
45.以扑翼15为例说明不同运动在扑翼15所处的位置，请参阅图2状态a，当扑翼15位于潜航器下后部位时，膨胀节3收缩，潜航器浮力减小、浮心左移，导致潜航器前半部分更重(右边为前进方向、左边为后退方向)，潜航器头部相对于潜航器尾部下沉，直到潜航器的重心与浮心重新位移同一条垂线上，达到新的平衡。此时，扑翼15的负攻角导致潜航器在下沉过程中形向先前的推进力。
46.请参阅图2状态b，当扑翼15位于潜航器前下部位时，膨胀节3伸长，潜航器浮力减小、浮心右移，导致潜航器后半部分更重，潜航器头部相对于潜航器尾部上抬，扑翼15的正
攻角导致潜航器在上浮过程中形向先前的推进力。
47.请参阅图2状态c，当扑翼15位于潜航器前上部位时，膨胀节3伸长，潜航器浮力增大、浮心左移，同样导致潜航器头部相对于潜航器尾部下沉，扑翼15的向后正攻角导致潜航器在上浮过程中形向先后的推进力。
48.请参阅图2状态d，当扑翼15位于潜航器后上部位时，膨胀节3收缩，潜航器浮力减小、浮心右移，同样导致潜航器头部相对于潜航器尾部上抬，扑翼15的正攻角导致潜航器在下沉过程中形向先后的推进力。总之，扑翼15的摆动可为潜航器提供不同方向前进的动力，实现潜航器一定程度的机动；两个膨胀节3相互配合，控制潜航器的俯仰角度，保证潜航的轴线17始终与其运动方向一致，以减小潜航器在滑翔过程中的阻力。步进电机9和步进电机9可独立运作，在调节潜航器浮重心位置和扑翼15攻角的同时，控制潜航器的偏航角度。当扑翼15的攻角大于扑翼15的攻角，扑翼15的前进驱动力也大于扑翼15，潜航器将向扑翼15那一侧偏转，反之则向扑翼15那一侧偏转。
49.在一些实施例中，活动罩5通过膨胀节3固装在固定外壳4上。
50.上述膨胀节3的设计考虑是：膨胀节3本身具有一定的弹性，可以存储下沉过程中外界流体加的压缩功，并在上浮的过程中释放，减小一个沉浮周期内的能量消耗。
51.前文所提及的变形密封腔1、固定密封腔2各自在潜航器上的位置为：潜航器具有两个密封腔，位于收尾两端的是两个大密封腔即变形密封腔1，位于中间部分的固定外壳4所围成的一个小密封腔即为固定密封腔2。二个变形密封腔1的各安装有膨胀节3，膨胀节3固接上述活动罩5。
52.膨胀节3可以与潜航器的变形密封腔1焊接，潜航器的腔体形成完全的密封腔，减小漏气风险。
53.作为活动罩5的外表面的一种可示范地实现方式，其被配置成流线形。活动罩5被加工成成流线形以减小流动阻力。
54.作为直线驱动机构的一种可示范地实现方式，其包括步进电机9和螺杆7组件，螺杆7组件分别固接活动罩5和步进电机9，螺杆7组件用以在步进电机9的旋转动力输入下产生直线动力。
55.活动罩5通过与步进电机9相互连接，螺杆7和步进电机9构成贯穿式直线电机，驱动活动罩5沿直线运动。以步进电机9为例说明步进电机9如何控制潜航器变形密封腔1的容积。当步进电机9正转，带动螺杆7和活动罩5向左平移运动，进而带动膨胀节3收缩时，潜航器变形密封腔1的容积减小；当步进电机9反转，带动螺杆7和活动罩5向右平移运动，带动膨胀节3伸长时，潜航器变形密封腔1的容积增大。潜航器变形密封腔1容积变化会导致其浮力发生变化，当潜航器浮力减小到小于其自身重力时，潜航器将下沉运动；当潜航器浮力增大到大于其自身重力时，潜航器将上浮运动。膨胀节3本身具有一定的弹性，下沉过程水压会逐渐增大，从而压缩可变形腔体减小体积、对腔体压缩做功，膨胀节3会以弹性势能的性能储存中外界流体加的压缩功，并在上浮的过程中释放，减小一个沉浮周期内的能量消耗。步进电机9只在沉浮过程中的最高位置和最低位置动作，在沉浮过程的大部分时间内都不动作，以减小电能消耗。步进电机9和步进电机9可独立运作，在调节潜航器浮力的同时调节重心位置。
56.作为摆动驱动机构的一种可示范地实现方式，其包括驱动电机和曲轴13，所述曲
轴13分别固接所述驱动电机和扑翼15。
57.这里，曲轴13的采用使得扑翼15的俯仰中心与电机的轴线不重合，形成摆动组件，曲轴13的转动将带动扑翼15的俯仰中心任意转动，同时改变扑翼15攻角。曲轴13可以由一根驱动轴和一根遥杆固连形成，驱动轴与驱动电机的动力输出轴固连。
58.驱动电机可位于固定密封腔2内。驱动电机与曲轴13的连接处采用绝缘机油密封，所述驱动电机、曲轴13被分隔在不同的密封腔内，这样避免外界的水进入密封室。
59.在一些实施例中，上述潜航器还包括电连接的蓄电池18和发电机构，发电机构用以在受水流驱动扑翼15的机械能转化成电能，蓄电池18用以储存电能。以此，电机既可用作电动机、又可用作发电机。当潜航器周围存在水流时，电机进入发电机状态，扑翼15在水流和自身浮力共同作用下往复摆动，从而电机发电，并将电能储存在蓄电池18中。
60.具体地说，请参阅图3，当潜航器通过抛锚或其他方式固定在水流中时，膨胀节3伸长到最大长度，膨胀节3收缩到最小长度，此时扑翼15将维持一个较大的攻角，水流无法附着在扑翼15表面而发生周期流动分离，周期性脱落涡将驱动俯仰进行俯仰振荡运动，从而带动电机发电，并将电能储存在蓄电池18中。通过将环境水流中的流体能转化电能量，本发明的潜航器可实现水下自持式的低功耗长续航。
61.潜航器的蓄电池18可以位于固定密封腔2的底部，保证潜航器的浮心始终位于重心的上部，提高潜航器俯仰方向和横滚方向的稳定性。
62.在一些实施例中，扑翼15的翼端安装有翼端板19，以此在提高潜航器偏航方向稳定的同时，减小扑翼15端部绕流，提升扑翼15的驱动性能。当潜航器周围存在水流时，可利于水流作用于扑翼15，以使发电组件的发电。
63.以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种自持式低功耗长续航的无人潜航器，其特征在于，包括：活动罩，各直线活动地安装于固定外壳的前后二端，以与所述固定外壳围成变形密封腔；直线驱动机构，分别用以驱动所述活动罩的直线活动，以使变形密封腔的体积改变，形成下沉或上浮的驱动力；扑翼，各从所述固定外壳所围固定密封腔的二侧向伸出；摆动驱动机构，用以驱动所述扑翼摆动以使扑翼的攻角发生改变，进而形成前进或后退的驱动力。2.根据权利要求1所述自持式低功耗长续航的无人潜航器，其特征在于，所述直线驱动机构包括步进电机和螺杆组件，所述螺杆组件分别固接所述活动罩和步进电机，所述螺杆组件用以在步进电机的旋转动力输入下产生直线动力。3.根据权利要求1所述自持式低功耗长续航的无人潜航器，其特征在于，所述活动罩通过膨胀节固装在所述固定外壳上。4.根据权利要求1所述自持式低功耗长续航的无人潜航器，其特征在于，所述活动罩的外表面被配置成流线形。5.根据权利要求1所述自持式低功耗长续航的无人潜航器，其特征在于，所述摆动驱动机构包括驱动电机和曲轴，所述曲轴分别固接所述驱动电机和扑翼。6.根据权利要求5所述自持式低功耗长续航的无人潜航器，其特征在于，所述驱动电机与曲轴的连接处采用绝缘机油密封，所述驱动电机、曲轴被分隔在不同的密封腔内。7.根据权利要求1所述自持式低功耗长续航的无人潜航器，其特征在于，所述扑翼的端部固设有翼端板。8.根据权利要求1所述自持式低功耗长续航的无人潜航器，其特征在于，还包括电连接的蓄电池和发电机构，所述发电机构用以在受水流驱动扑翼的机械能转化成电能，所述蓄电池用以储存所述电能。9.根据权利要求7所述自持式低功耗长续航的无人潜航器，其特征在于，所述蓄电池位于固定密封腔的底部。

技术总结
本申请公开了一种自持式低功耗长续航的无人潜航器。本技术方案中，潜航器利用水下滑翔前进，水下滑翔过程中有效攻角小、阻力低，是一种低能耗推进方式，较小的高度差即可实现较大的推进距离。潜航器与外界不存在质量的交换，自身重力基本不变，降低了潜航器漏水的可能性。并且膨胀节本身具有弹性，可以储存外界流体的压缩能，减小自身的能量消耗。潜航器利用扑翼不同的位置和攻角实现了沉浮过程中的前后机动，具有更大的灵活性。潜航器仅仅在电动机工作时消耗电源的电能，在滑翔过程中大部分时间不消耗能量，而电源的电能可来自于环境水流的流体能，潜航器通过利用水流的流体能实现超长续航。现超长续航。现超长续航。


技术研发人员：姜伟 谢诞梅 侯佑民
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2023.02.20
技术公布日：2023/5/4