混合型多功能海洋监测自主平台的制作方法

专利名称：混合型多功能海洋监测自主平台的制作方法
技术领域：
本发明属于机电一体化领域，具体涉及一种用于海洋环境监测的自主航行平台。
背景技术：
为了保护海洋环境，高效利用海洋资源，海洋探测必不可少。水下自主滑翔器、水 下自主航行器、混合型水下航行器(Hybrid Autonomous Underwater Vehicle)(集水下 自主航行器和水下自主滑翔器功能于一身的航行器)、剖面浮标和中性漂移潜标作为海 洋探测传感器的载体，他们的重要性日显突出。
水下自主航行器由螺旋桨推进装置、尾舵转向装置等组成。水下自主滑翔器由浮力 驱动装置、横滚和俯仰调节装置等组成。混合型水下自主航行器由螺旋桨推进装置、浮 力驱动装置、横滚和俯仰调节装置等组成。三者不具备剖面浮标和中性漂移潜标的功能。
水下自主滑翔器和混合型水下自主航行器都内置俯仰和横滚调节装置和浮力驱动装 置，没有充分利用浮力驱动的同时带来的俯仰姿态调节功能，多设置了一套俯仰调节装 置，结构复杂。
剖面浮标和中性漂移潜标只有垂直方向的浮力驱动，没有姿态和方向调整装置，自 主性较差。不具备水下自主航行器、水下自主滑翔器和混合性水下自主航行器的功能。

发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种混合型多功能海洋监测自主平 台，该平台克服了当前海洋监测用剖面浮标和中性漂流潜标自主性差的缺点，简化了当 前水下自主航行器和混合性水下自主航行器的结构，拓展了水下自主航行器和混合型水 下自主航行器的功能。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是 一种混合型多功能 海洋监测自主平台，包括机体，机体上对称安装的两个机翼、米字形布置的四个尾舵以 及置于机体首端的通讯天线和机体末端的螺旋桨，所述机体包括头部罩、浮力驱动舱段、
功能拓展舱段和AUV功能舱段，所述头部罩内安装有浮力驱动外皮囊，所述浮力驱动舱 段内部安装液压系统，所述功能拓展舱段容纳任务传感器，所述AUV功能舱段内部固定
3安装尾舵转向机构，所述AUV功能舱段后部固定安装螺旋桨推进模块，该平台还包括重 心调节舱段，所述重心调节舱段内设置有重心调节机构，所述重心调节舱段设置在该平 台的重心位置附近，所述重心调节机构包括一根中心轴和安装在中心轴上的两个可转动 电池包，所述中心轴与重心调节舱段通过转动关节连接，所述两个电池包形状相同、重 量相等，所述电池包重心到该平台重心的连线垂直于平台的轴线，该平台的重心是该垂 线的垂足。
所述机体包括依次连接的头部罩、浮力驱动舱段、重心调节舱段、功能拓展舱段和 AUV功能舱段。
所述机体的外型为鱼雷型。
所述中心轴上固装有套轴，所述套轴的一端固装有开合电机减速器，所述开合电机 减速器的输出轴上安装有小锥齿轮；所述套轴的另一端固装有大直齿轮，所述大直齿轮 与小直齿轮啮合，所述小直齿轮安装在摆动电机减速器的输出轴上，所述摆动电机减速 器固装在重心调节舱段内；所述每个电池包各包括电池组架、镶嵌在电池组架中的电池 组和固定安装在电池组架上的大锥齿轮，所述两个电池包的大锥齿轮方向相对、可转动 地套装在所述套轴上，与所述小锥齿轮啮合。
所述中心轴的一端固装有电机，所述电机的输出轴与丝杠连接，所述丝杠上安装有
丝杠螺母，所述丝杠螺母的两侧分别对称地铰接有连杆i和连杆n，所述连杆I与一个 电池包铰接，所述连杆n与另一个电池包铰接，所述每个电池包各包括电池组架、镶嵌
在电池组架中的电池组；所述中心轴的另一端固装有大直齿轮，所述大直齿轮与小直齿 轮啮合，所述小直齿轮安装在摆动电机减速器的输出轴上，所述摆动电机减速器固装在 重心调节舱段内。
本发明具有的优点和积极效果是提高了当前海洋监测用剖面浮标和中性漂流潜标 的自主性，简化了当前水下自主航行器和混合性水下自主航行器的设计，拓展了水下自 主航行器和混合型水下自主航行器的功能；该平台采用模块化结构设计，可以根据任务 需要，选择不同机翼大小及形状和增减功能舱段。该平台结构简单，具有水下自主航行 器(Autonomous Underwater Vehicle)、 水下自主滑翔器(Autonomous Underwater Glider)、剖面浮标(Profiling Float)和中性漂移潜标(Neutral-buoyant Drifting Buoy)四种平台的功能，通过在快速航行、锯齿形剖面、垂直剖面、悬停漂移等工作模 式间的切换以适应不同海况及任务要求，并在某一大范围海域内进行长时间，高效率检 测作业。


图l是本发明的外观图2是本发明的内部配置结构示意图3-a是本发明重心调节机构的立体图3-b是本发明重心调节机构的工作状态示意图4是本发明运动姿态示意图5-a是本发明的前视图5-b是本发明的后视图6是本发明工作模式示意图7-a是本发明重心调节机构的第一种结构示意图7-b是图7-a的分解示意图8-a是本发明重心调节机构的第二种结构示意图8-b是图8-a的分解示意图8-c是图8-a中由电池包框架、中心轴等组成的多连杆机构示意图8-d是两个电池包闭合时多连杆机构的工作状态原理图8-e是两个电池包张开时多连杆机构的工作状态原理图。 图中1、头部罩，2、浮力驱动舱段，3、重心调节舱段，4、功能拓展舱段，5、 AUV功 能舱段，6、通讯天线，7、机翼，8、尾舵，9、螺旋桨，10、浮力驱动外皮囊，11、 液压动力系统，12、重心调节机构，13、尾舵转向机构，14、螺旋桨推进系统，15、 中心轴，16、电池包(l)， 17、电池包(2)， 18、电池组架(l)， 19、电池组架(2)， 20、 电池组(2)， 21、摆动电机减速器，22、小直齿轮，23、大直齿轮，24、开合电机减速器 (2)， 25、大锥齿轮(2)， 26、大锥齿轮(l)， 27、小锥齿轮，28、中心轴套轴，29、电池 组(l) ， 30、多连杆机构，31、步进电机，32、丝杠，33、丝杠螺母，34a、连杆I ， 34b、 连杆n， 35、转动关节件，36、步进电机固定架。
具体实施例方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图
详细说明如下
请参阅图l、图2、图5-a、图5-b，本发明一种混合型多功能海洋监测自主平台， 由机体、对称安装的两个机翼7、米字形布置的四个尾舵8以及分别置于机体首端、末端 的通讯天线6和螺旋桨9组成。机体由头部罩l、浮力驱动舱段2、重心调节舱段3、功舱5段组成。机体可采用鱼雷型外形，能够更加便于实现模块 化。
头部罩1前端与四周设置透气孔，头部罩1内的海水可以从透气孔处流入流出。浮 力驱动舱段2、重心调节舱段3、功能拓展舱段4和AUV功能舱段5均为独立密封的耐压 单元。机翼7、尾舵8和螺旋桨9可实现快速方便的拆装与更换。重心调节舱段3应当设 置在该平台的重心位置附近，确保电池包重心到平台重心的连线垂直于平台的轴线，平 台的重心是该垂线的垂足。
头部罩1内安装浮力驱动外皮囊10，浮力驱动舱段2内部安装液压动力系统11,重 心调节舱段3内设置重心调节机构12，功能拓展舱段4容纳任务传感器，AUV功能舱段5 内部固定安装尾舵转向机构13， AUV功能舱段5后部固定安装螺旋桨推进系统14。
请参阅图3-a、图3-b，重心调节机构12由一根中心轴15和两个电池包16、 17组 成。中心轴15与重心调节舱段3之间采用转动关节(例如轴承)相互连接。形状相同、 重量相等的两个电池包16、 17安装在中心轴15上，可以绕中心轴15相对转动。
重心调节机构12的实现方案多种多样，比如齿轮传动机构，多连杆机构等。下面给 出一种齿轮传动实现方法。如图7-a和图7-b所示，小锥齿轮27固定安装在开合电机减 速器24的输出轴上，开合电机减速器24固定安装在中心轴套轴28上，大直齿轮23也 固定安装在中心轴套轴28上，同时中心轴套轴28固定安装在中心轴15上，中心轴15 与重心调节舱段3之间采用转动关节连接。电池包(1)16由电池组架(1)18、镶嵌在电池 组架(1) 18中的电池组(1)29和固定安装在电池组架(1) 18上的大锥齿轮(1)26组成。电 池包(2) 17由电池组架(2) 19、镶嵌在电池组架(2) 19中的电池组(2) 20和固定安装在电池 组架(2)19上的大锥齿轮(2)25组成。两个大锥齿轮25、 26套装在中心轴套轴28上，可 以绕中心轴套轴28相对转动，两个大锥齿轮25、 26方向相对并与小锥齿轮27啮合，这 样，开合电机减速器24的输出扭矩通过锥齿轮传动来驱动两个电池包15、 16张开和闭 合。摆动电机减速器21固定安装在重心调节舱段3上，小直齿轮22固定安装在摆动电 机减速器21的输出轴上，小直齿轮22与固定安装在中心轴套轴28上的大直齿轮23啮 合，这样摆动电机减速器21的输出扭矩通过直齿轮传动来驱动两个电池包16、 17摆动。 接下来给出一种多连杆实现方法。如图8-a 8-e所示，大直齿轮23套在中心轴15上， 并与中心轴15相对固定，步进电机固定架36也固定在中心轴15上，中心轴15通过转 动关节与重心调节舱段3连接。摆动电机减速器21与重心调节舱段3固定连接，小直齿 轮22套在摆动电机减速器21的输出轴上，并与摆动电机减速器21的输出轴相对固定， 小直齿轮22与大直齿轮23相互啮合，这样，摆动电机减速器21的输出扭矩可以用来驱动两个电池包16、 17相对中心轴15摆动。步进电机31通过步进电机固定架36与中心 轴15固定连接，步进电机31输出轴与丝杠32固定连接，丝杠32与丝杠螺母33之间通 过丝杠螺母副传动，丝杠螺母33分别与两侧的连杆I 34a、连杆1134b之间采用转动副连 接，每个连杆各与一个转动关节件35之间采用转动副连接，转动关节件35与电池包框 架18、 19固定连接。步进电机31、丝杠32、丝杠螺母33、连杆34、电池包框架18、 19、 中心轴15等组成多连杆机构30。多连杆机构30实现电池包16、 17相对中心轴15的开 合动作。图8-d、图8-e两图分别表示电池包16、 17闭合和张开时多连杆机构30的工作 状态。
如图6所示，多功能混合型海洋观测平台集成了水下自主航行器、水下自主滑翔器、 剖面浮标和中性漂流潜标等四种平台的功能，具有快速航行、锯齿剖面、悬停漂移和垂 直剖面等四种工作模式。
快速航行模式多功能混合型海洋环境监测平台(为了方便，下文简称平台)以该 模式工作时，浮力驱动外皮囊10设置为中性浮力排油量，即当平台的总体浮力等于平台 的重力时，浮力驱动外皮囊所容纳的油液体积量，此时平台的净浮力为零。重心调节机 构12中，两个电池包16、 17绕中心轴15转到如图3-b中(b)所示的位置，此时平台的 重心低于平台的浮心，平台稳定在图4中(c)所示的姿态。螺旋桨9转动，驱动平台前 向航行。米字型布局的四个尾舵8打出合适的舵角以产生俯仰、偏转力矩实现平台转向， 产生横滚力矩以平衡螺旋桨9带来的反作用扭矩。螺旋桨9反作用扭矩也可以由重心调 节机构12来平衡，此时两个电池包16、 17转动到如图3-b中(c)或(d)所示的位置， 且四个尾舵8只产生俯仰、偏转扭矩即可。该工作模式用于模拟水下自主航行器，可以 实现精确的轨迹控制和目标跟踪。
锯齿剖面模式平台以该模式工作，做斜上剖面运动时，重心调节机构12中两个电 池包16、 17绕中心轴15转到如图3-b中(b)所示的位置，此时平台的重心低于平台的 浮心。浮力驱动外皮囊10设置为大于中性浮力排油量，并产生一个抬头力矩，此时平台 的浮力大于重力。当平台转到如图4(d)所示的姿态时，抬头力、矩与电池包16、 17重力产 生的低头力矩平衡。由于机翼7和机体的存在，平台上升的同时产生一个前向运动；做 斜下剖面运动时，重心调节机构12中两个电池包16、 17绕中心轴15转到如图3-b中(b) 所示的位置，此时平台的重心低于平台的浮心。浮力驱动外皮囊10设置为小于中性浮力 排油量，并产生一个低头力矩，此时平台的浮力小于重力。当平台转到如图4(b)所示的 姿态时，低头力矩与电池包16、 17重力产生的抬头力矩平衡。由于机翼7和机体的存在， 平台下降的同时产生一个前向运动。锯齿剖面工作模式中，螺旋桨9停止转动，尾舵8用于平台转向。该工作模式用于模拟水下自主滑翔器，实现长时间大范围高效率的海洋 监测任务。
垂直剖面模式平台以该模式工作，做垂直上剖面运动时，浮力驱动外皮囊10设置 为大于，此时平台的浮力大于重力。重心调节机构12中两个电池包16、 17绕中心轴15 转到如图3-b中(a)所示的位置，此时平台的重心和浮心均在机体的回转轴线上，且浮心 在重心前部。这样，平台将稳定到如图4(a)所示的姿态，并垂直向上运动；做垂直下剖 面运动时，浮力驱动外皮囊IO设置为小于，此时平台的浮力小于重力。重心调节机构12 中两个电池包16、 17绕中心轴15转到如图3-b中(a)所示的位置，此时平台的重心和浮 心均在机体的回转轴线上，且浮心在重心后部。这样，平台将稳定到如图4(e)所示的姿 态，并垂直向下运动。垂直剖面工作模式中，螺旋桨9停止转动，尾舵8处于复位状态 (如图5所示)，即尾舵8不产生转向力矩。该工作模式用于模拟剖面浮标，实现海洋 水柱信息的垂直采样。 ..
悬停漂移模式平台以该模式工作时，浮力驱动外皮囊10设置为，此时平台的浮力 等于重力。重心调节机构12中两个电池包绕中心轴15转到如图3-b中(a)所示的位置， 此时平台的重心和浮心均在机体的回转轴线上，且浮心和重心重合。该工作模式用于模 拟中性漂移潜标，悬停或随流运动。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述 的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普 通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下， 还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种混合型多功能海洋监测自主平台，包括机体，机体上对称安装的两个机翼、米字形布置的四个尾舵以及置于机体首端的通讯天线和机体末端的螺旋桨，所述机体包括头部罩、浮力驱动舱段、功能拓展舱段和AUV功能舱段，所述头部罩内安装有浮力驱动外皮囊，所述浮力驱动舱段内部安装液压系统，所述功能拓展舱段容纳任务传感器，所述AUV功能舱段内部固定安装尾舵转向机构，所述AUV功能舱段后部固定安装螺旋桨推进模块，其特征在于，该平台还包括重心调节舱段，所述重心调节舱段内设置有重心调节机构，所述重心调节舱段设置在该平台的重心位置附近，所述重心调节机构包括一根中心轴和安装在中心轴上的两个可转动电池包，所述中心轴与重心调节舱段通过转动关节连接，所述两个电池包形状相同、重量相等，所述电池包重心到该平台重心的连线垂直于平台的轴线，该平台的重心是该垂线的垂足。
2. 根据权利要求l所述的混合型多功能海洋监测自主平台，其特征在于，所述机体 包括依次连接的头部罩、浮力驱动舱段、重心调节舱段、功能拓展舱段和AUV功能舱段。
3. 根据权利要求2所述的混合型多功能海洋监测自主平台，其特征在于，所述机 体的外型为鱼雷型。
4. 根据权利要求1所述的混合型多功能海洋监测自主平台，其特征在于，所述中 心轴上固装有套轴，所述套轴的一端固装有开合电机减速器，所述开合电机减速器的输 出轴上安装有小锥齿轮；所述套轴的另一端固装有大直齿轮，所述大直齿轮与小直齿轮 啮合，所述小直齿轮安装在摆动电机减速器的输出轴上，所述摆动电机减速器固装在重 心调节舱段内；所述每个电池包各包括电池组架、镶嵌在电池组架中的电池组和固定安 装在电池组架上的大锥齿轮，所述两个电池包的大锥齿轮方向相对、可转动地套装在所 述套轴上，与所述小锥齿轮啮合。
5. 根据权利要求1所述的混合型多功能海洋监测自主平台，其特征在于，所述中 心轴的一端固装有电机，所述电机的输出轴与丝杠连接，所述丝杠上安装有丝杠螺母， 所述丝杠螺母的两侧分别对称地铰接有连杆I和连杆II ，所述连杆I与一个电池包铰接， 所述连杆II与另一个电池包铰接，所述每个电池包各包括电池组架、镶嵌在电池组架中 的电池组；所述中心轴的另一端固装有大直齿轮，所述大直齿轮与小直齿轮啮合，所述 小直齿轮安装在摆动电机减速器的输出轴上，所述摆动电机减速器固装在重心调节舱段 内。
全文摘要
本发明公开了一种混合型多功能海洋监测自主平台，包括机体，机体上对称安装的两个机翼、米字形布置的四个尾舵以及置于机体首端的通讯天线和机体末端的螺旋桨，所述机体包括头部罩、浮力驱动舱段、功能拓展舱段和AUV功能舱段，该平台还包括重心调节舱段，重心调节舱段内设置有重心调节机构，重心调节舱段设置在该平台的重心位置附近，重心调节机构包括一根中心轴和安装在中心轴上的两个可转动电池包，中心轴与重心调节舱段通过转动关节连接，两个电池包形状相同、重量相等，电池包重心到该平台重心的连线垂直于平台的轴线，该平台的重心是该垂线的垂足。本发明具有水下自主航行器、水下自主滑翔器、剖面浮标和中性漂移潜标四种平台的功能。
文档编号B63H21/17GK101549744SQ200910068840
公开日2009年10月7日 申请日期2009年5月14日 优先权日2009年5月14日
发明者孙秀军, 张宏伟, 燕 杨, 王延辉, 王树新 申请人:天津大学