一種多自由度操縱水下拖曳體的製作方法
2023-06-13 15:30:36 2
專利名稱：一種多自由度操縱水下拖曳體的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種海洋水下探測裝置的載體，具體是指一種多自由度操縱水下拖曳體。
背景技術：
水下拖曳系統是一種廣泛應用於水下環境調查、海洋環境監測等領域的水下探測裝置，系統通常由拖曳電纜、被動或可操縱水下拖曳體組成，水下拖曳體是系統的關鍵組成部分。拖曳體體內可根據不同的用途搭載各種水下化學元素探測傳感器或物理探測傳感器。工作船上的作業人員可以通過一定的控制手段對拖曳體實施軌跡與姿態操縱。水下拖曳系統的工作性質要求拖曳體工作時姿態穩定、並具有靈活的姿態與軌跡控制能力。如何按照拖曳系統的水下監測要求實現對拖曳體的簡便、多自由度的操縱，是可操縱水下拖曳體能否成功地運用於實際水下觀測作業的關鍵之一。現有的水下拖曳體中，對於拖曳體的深度和軌跡控制主要是通過改變拖曳電纜纜長結合調節拖曳體迫沉水翼的攻角來實現。從外部形式看，不同研究機構或企業所開發的各種類型的拖曳體基本上是仿照航空飛行器的形式，以固定或可調攻角的迫沉水翼加上裝載了水下探測儀器的單個柱形主體組成。這類單一柱形主體形式拖曳體的主要缺陷是:拖曳體的搖蕩阻尼較小，自主穩定性不足，控制手段單一。由此而造成了拖曳體在其拖曳作業過程中難以維持姿態穩定，不容易實現多自由度、大範圍、垂直於拖曳方向運動時的橫向水平水下觀測。為實現拖曳體能穩定、大範圍、多自由度水下作業，現有的水下拖曳體大多參照航空飛行器的控制原理，採用機構龐大的複雜控制機構來滿足其水下探測的要求。另一方面，市場上一些商業化輕便的拖曳體則由於控制動作單一、不易保證其姿態穩定、控制自由度少而難以在實際拖曳觀測作業中得到滿意的應用。
發明內容
本發明的目的是提供一種具有自主穩定功能、以簡單的控制機構和簡單的結構形式來實現對拖曳體多自由度操縱的多自由度操縱水下拖曳體。本發明通過下述技術方案實現:一種多自由度操縱水下拖曳體，包括魚雷狀浮體、可控制迫沉水翼、邊板、固定水平翼、固定垂直尾翼、可控制垂直尾翼以及主腔體；所述魚雷狀浮體為兩個，分隔水平設置，兩個魚雷狀浮體通過固定水平翼連接；主腔體為流線型，設置在兩個魚雷狀浮體下端中部，主腔體兩端各由兩個翼型構件支撐並分別與兩魚雷狀浮體相連；兩魚雷狀浮體外表面前端分別對稱設有拖曳部件，拖曳部件設有多個拖曳孔，拖纜通過拖曳孔與船體連接；兩魚雷狀浮體的尾部設置有固定垂直尾翼，固定垂直尾翼為對稱機翼型；—橢圓柱狀的腔體固定在尾部的固定水平翼中間，腔體內放置垂直尾翼攻角控制機構，垂直尾翼攻角控制機構主要由尾翼步進電機、主動齒輪、從動齒輪以及垂直轉軸組成；垂直轉軸固定連接可控制垂直尾翼，垂直轉軸還與從動齒輪連接；從動齒輪與主動齒輪嚙合，主動齒輪與尾翼步進電機連接，尾翼步進電機通過電纜與船上電源和拖曳體姿態控制器連接；所述垂直轉軸的軸心位於兩魚雷狀浮體對稱軸所在縱剖面上；可控制垂直尾翼為翼型結構，設置在腔體後端；所述可控制迫沉水翼為對稱或者非對稱機翼型，設置在兩魚雷狀浮體之間的前端，由一支撐軸支撐，支撐軸與兩個魚雷狀浮體連接，支撐軸的軸線與兩個浮體的軸線正交；位於兩魚雷狀浮體之間的前端；可控制迫沉水翼的兩端分別設置有邊板，邊板的面與可控制迫沉水翼展長方向垂直；迫沉水翼攻角控制機構設置在魚雷狀浮體內，迫沉水翼攻角控制機構主要由連杆、蝸杆、連杆套環、蝸輪、固定鉸接轉軸、萬向傳動裝置、迫沉水翼步進電機、操縱杆套環以及操縱杆組成；連杆與固定鉸接轉軸連接，操縱杆的一端伸出魚雷狀浮體並與可控制迫沉水翼的尾部連接，另一端與操縱杆套環鉸接，操縱杆套環套接在連杆上，連杆套環套接在連杆上，連杆套環與蝸輪之間設有一萬向傳動裝置；蝸輪與蝸杆連接，蝸杆與迫沉水翼步進電機連接，迫沉水翼步進電機通過電纜與船體電源連接。為進一步實現本發明目的，所述主腔體與兩個魚雷狀浮體水平連線的垂直距離優選為500 600mm。所述固定水平翼為對稱機翼型，在前後端分別與兩魚雷狀浮體連接，後端的固定水平翼還包括斜向布置水平翼型構件，其翼展方向與縱向成45度角。所述主腔體的流線型外形優選採用水滴或魚雷狀的形式；主腔體內搭載不同類型的海洋物理、化學參數採樣傳感器，或聲、光物理傳感器。所述支撐軸位於距魚雷狀浮體頂部五分之一浮體的長度處。所述邊板與兩邊相應的魚雷狀浮體的距離為10 20mm，邊板的長度比可控制迫沉水翼的弦長大20 40mm，可控制迫沉水翼的邊板在可控制迫沉水翼的前、後兩端處分別突出10 20mm,邊板的高度比可控制迫沉水翼的最大厚度大20 40mm,可控制迫沉水翼邊板在可控制迫沉水翼的最大厚度處的上、下兩端分別突出10 20mm。所述可控制迫沉水翼的弦長為250 300mm ;可控制迫沉水翼的最大厚度為40 50mm。所述萬向傳動裝置由兩個萬向節和一根短軸組成，兩個萬向節分別設置在連杆套環和蝸輪上。所述可控制垂直尾翼的前端與橢圓柱狀的腔體的末端的距離優選為10 20mm。本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果:(I)穩定性好。本發明所述可操縱水下拖曳體為雙體結構，流線型主腔體布置在正下方。一方面兩魚雷狀浮體產生一定的向上浮力，另一方面，裝載有儀器設備的主腔體質量較大，二者的聯合作用使整個拖曳體的浮心提高、重心下降，這樣兩浮體與主腔體之間的合力能產生較大的回覆力矩，因此所述拖曳體的橫、縱搖阻尼都較大，使得拖曳體在作業過程中具有良好的姿態穩定性能，具有較強的自主穩定能力，從而減少了使用者維持其姿態所要求發出的操縱動作，降低了控制系統的設計要求。(2)控制方式相對簡單。由於僅僅只需兩個控制電機，操縱可控制迫沉水翼和可控制垂直尾翼的偏轉，即可實現拖曳體升沉和水平方向的多自由度運動。較之傳統控制方式，對於同樣的多自由度操縱，本發明的控制機構設計難度大大降低。(3)自由度多、操縱效率高。本發明可控制迫沉水翼翼面積大，能產生較大的迫沉力，再加上拖曳體流線型外形，水阻力相對較小，使得拖曳體深度操控效率較高。另外，所述部裝有可控制垂直拖曳體尾尾翼，可操縱拖曳體進行橫向運動。(4)水下探測儀器布置靈活。本發明用於設置水下探測儀器的主腔體可以根據不同的水下監測任務要求靈活地決定其外形尺度，從而擴大了拖曳體的使用範圍。
圖1是本發明可操縱水下拖曳體的外形結構左視示意圖；圖2是本發明可操縱水下拖曳體的外形結構俯視示意圖；圖3是本發明可操縱水下拖曳體的外形結構前視示意圖；圖4是可操縱水下拖曳體的迫沉水翼攻角控制機構三維模型示意圖；圖5是本發明可操縱水下拖曳體的萬向傳動裝置三維模型示意圖；圖6是本發明可操縱水下拖曳體的迫沉水翼攻角控制機構側視示意圖；圖7是本發明可操縱水下拖曳體的迫沉水翼攻角控制機構後視示意圖；圖8是本發明可操縱水下拖曳體的可控制垂直尾翼控制機構側視示意圖；圖9是本發明可操縱水下拖曳體的可控制垂直尾翼控制機構俯視示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明，但本發明的實施方式不限於此。如圖1、2、3所示，多自由度操縱水下拖曳體包括魚雷狀浮體1、可控制迫沉水翼
2、邊板4、固定水平翼9、固定垂直尾翼16、可控制垂直尾翼14以及主腔體11 ;魚雷狀浮體I為兩個，分隔水平設置，兩個魚雷狀浮體I通過固定水平翼9連接；主腔體11為流線型，設置在兩個魚雷狀浮體I下端中部，與兩個魚雷狀浮體I中心水平連線的垂直距離優選為500 600mm，主腔體兩端各由兩個翼型構件10支撐並分別與兩魚雷狀浮體I相連。兩魚雷狀浮體I外表面前端分別對稱設有拖曳部件7，拖曳部件7優選設有5個拖曳孔8 ;拖曳部件7為一做了圓角處理的長方形金屬板，拖曳孔8用於固定於水上船體連接的拖纜。兩魚雷狀浮體I的尾部設置有固定垂直尾翼16，固定垂直尾翼16為對稱機翼型，維持航向穩定。固定水平翼9為對稱機翼型，在前後端分別與兩魚雷狀浮體I連接，後端的固定水平翼9還包括斜向布置水平翼型構件，其翼展方向與縱向成45度角。主腔體11的流線型外形優選採用水滴或魚雷狀的形式。主腔體11的主要作用是根據拖曳體不同的海洋探測任務搭載不同類型的海洋物理、化學參數採樣傳感器或聲納、光學攝像頭等聲、光物理傳感器。一橢圓柱狀的腔體12固定在尾部的固定水平翼9中間，腔體12內放置垂直尾翼攻角控制機構13,通過垂直轉軸15控制可控制垂直尾翼14的偏轉。可控制迫沉水翼2為對稱或者非對稱機翼型，設置在兩魚雷狀浮體I之間的前端，由一支撐軸5支撐，並可通過一操縱杆3帶動其繞支撐軸5轉動，支撐軸5與兩個魚雷狀浮體I連接，其軸線與兩個浮體的軸線正交；可控制迫沉水翼2的兩端分別設置有邊板4，邊板4的面與可控制迫沉水翼2展長方向垂直，與兩邊相應的魚雷狀浮體I的距離優選為10 20mm，邊板4的長度比可控制迫沉水翼2的弦長大20 40mm，可控制迫沉水翼2的弦長優選為250 300mm，可控制迫沉水翼的邊板4在可控制迫沉水翼2的前、後兩端處分別突出10 20mm,邊板4的高度比可控制迫沉水翼2的最大厚度大20 40mm,可控制迫沉水翼2的最大厚度是40 50mm,可控制迫沉水翼邊板4在可控制迫沉水翼2的最大厚度處的上、下兩端分別突出10 20mm。支撐軸5位於兩魚雷狀浮體I之間的前端，優選位於距魚雷狀浮體I頂部約五分之一浮體的長度處。這樣支撐軸5也位於可控制迫沉水翼最大厚度處的位置。機翼型的形狀有NASA公布的標準系列，根據選定的標準系列，當弦長確定以後，機翼形狀包括機翼的最大厚度也就確定了，弦長的確定一般根據拖曳體迫沉力的要求來定。圖4 7給出了可控制迫沉水翼2的迫沉水翼攻角控制機構6的機構控制原理圖，如圖4 7所示，迫沉水翼攻角控制機構6設置在魚雷狀浮體I內，迫沉水翼攻角控制機構6由連杆17、蝸杆18、連杆套環19、蝸輪20、固定鉸接轉軸21、萬向傳動裝置22、迫沉水翼步進電機23、操縱杆套環24以及操縱杆3組成；連杆與固定鉸接轉軸連接，連杆17可繞固定鉸接轉軸21轉動，在魚雷狀浮體I相應位置開有槽道，便於操縱杆3的一端伸出魚雷狀浮體I並與可控制迫沉水翼2的尾部連接，另一端與操縱杆套環24鉸接，操縱杆套環24套接在連杆17上，可在連杆17上自由滑動，連杆套環19套接在連杆17上，連杆套環19在連杆17上亦可自由滑動，連杆套環19與蝸輪20之間設有一萬向傳動裝置。如圖5所示，萬向傳動裝置22由兩個萬向節28和一根短軸29組成，兩個萬向節28分別設置在連杆套環19和蝸輪20上；蝸輪20與蝸杆18連接，蝸杆18與迫沉水翼步進電機23連接，迫沉水翼步進電機23通過電纜與與船體電源連接。具體的控制原理是:通過迫沉水翼步進電機23帶動蝸杆18旋轉，使蝸輪20豎直向上或向下移動，並通過萬向傳動裝置22使連杆套環19豎直向上或向下運動，從而使連杆17繞固定鉸接轉軸21轉動，再由此帶動操縱杆套環24與操縱杆3繞支撐軸5轉動，從而使可控制迫沉水翼2繞支撐軸5轉動，實現攻角改變。圖8、9給出了可控制垂直尾翼14的垂直尾翼攻角控制機構13的結構示意圖，如圖8、9所示，垂直尾翼攻角控制機構13由尾翼步進電機26、主動齒輪25、從動齒輪27以及垂直轉軸15組成；垂直轉軸15固定連接可控制垂直尾翼14，垂直轉軸15還與從動齒輪27連接；從動齒輪27與主動齒輪25嚙合，主動齒輪25與尾翼步進電機26連接，尾翼步進電機26通過電纜與船體電源連接；可控制垂直尾翼14為翼型結構，設置在腔體12後端，可控制垂直尾翼14的前端與橢圓柱狀的腔體12的末端的距離為10 20mm。通過控制尾翼步進電機26，使主動齒輪25順時針或逆時針旋轉，通過一定的齒數比，帶動從動齒輪27順時針或者逆時針轉動到所需要的轉角，從而使可控制垂直尾翼14順時針或逆時針偏轉。當垂直尾翼14按控制要求順時針偏一定轉角時，將使拖曳體獲得逆時針的偏角轉向控制力矩；反之，則使拖曳體獲得順時針的控制力矩。通過對控制垂直尾翼14的這種轉角控制，從而實現對拖曳體的橫向擺動的操縱。垂直轉軸15的軸心位於兩魚雷狀浮體I對稱軸所在縱剖面上。橢圓柱狀的腔體12的高度比尾翼步進電機高度大20 30mm。魚雷狀浮體I上設有纜線開孔，魚雷狀浮體I內部設有迫沉水翼步進電機23，腔體12內設有控制尾翼步進電機26，迫沉水翼步進電機23和控制尾翼步進電機26的電線電纜可通過纜線孔連接到水面工作船上拖曳體姿態控制器上。魚雷狀浮體I內部還設有浮力材料。本發明可操縱水下拖曳體的工作過程是:(I)根據不同的探測任務，在流線型主腔體11內布置相應類型的海洋探測傳感器。(2)選擇合適的拖孔8，先將兩根拖纜一端分別繫於兩對稱位置的拖孔8，再匯聚成一根拖纜與水面上的工作船連接。(3)在拖曳過程中，通過調節可控制迫沉水翼2的攻角，或者產生向下的迫沉力以抵抗拖纜的阻尼力使拖曳體下沉，或者產生向上的升力使拖曳體上升，以此實現對拖曳體拖行深度的控制。拖曳體所有組成部分均採用流線型外形，從而減小了水阻力，也就降低了拖纜所承受的拉力；翼型構件使拖曳體整個結構強度得到加強，同時翼型外形降低了水流的擾動，避免產生漩渦，使水流平穩流過可控制迫沉水翼2和可控制垂直尾翼14 ;可控制迫沉水翼2兩端設置邊板4，增加可控制迫沉水翼2的有效展弦比。通過設置固定垂直尾翼16，在直線拖曳作業中作為拖曳體的方向穩定機構；通過改變可控制垂直尾翼14的轉角，對拖曳體產生水平面上的迴轉力矩，使其產生橫向偏轉。在保持姿態穩定的前提下，以較少的控制動作，實現對拖曳體進行大範圍、多自由度的操縱。本發明的浮體採用魚雷狀外形，以減小拖曳體在拖曳過程中受到的水阻力；雙體結構使得拖曳體的橫穩心半徑增大，橫搖阻尼增大，搖蕩回復力矩增大，從而橫向穩定性提高；較之傳統的單一柱形主體，其自主穩定能力大大提高。可控制迫沉水翼設置在兩魚雷狀浮體之間，使得水流比較平穩地流過可控制迫沉水翼，可控制迫沉水翼由一根固定於兩浮體之間的支撐軸貫穿其中並將其支撐，迫沉水翼可繞該軸轉動，可控制迫沉水翼的攻角由設置在浮體內部的迫沉水翼攻角控制機構驅動其後部繞支撐軸轉動來實現，以此產生迫沉拖曳體到一定深度所需要的迫沉力，從而達到所要求的拖曳體沉深的目的。可控制迫沉水翼兩端設置有邊板以達到增加可控制迫沉水翼的有效展弦比、減少翼展從而達到使結構緊湊的目的。翼型構件均採用對稱翼型結構，均固定於兩浮體或浮體與主腔體之間，加強結構整體的穩定性，穩定水流，減小拖曳阻力。固定垂直尾翼採用對稱翼型結構，主要是增加拖曳體行進時的航向穩定性。可控制垂直尾翼由尾翼步進電機驅動，為拖曳體提供垂直於拖曳方向的橫向操縱力，實現對拖曳體進行橫向方向的大範圍操縱。如上所述，便可較好地實現本發明。
權利要求
1.一種多自由度操縱水下拖曳體，其特徵在於包括魚雷狀浮體、可控制迫沉水翼、邊板、固定水平翼、固定垂直尾翼、可控制垂直尾翼以及主腔體；所述魚雷狀浮體為兩個，分隔水平設置，兩個魚雷狀浮體通過固定水平翼連接；主腔體為流線型，設置在兩個魚雷狀浮體下端中部，主腔體兩端各由兩個翼型構件支撐並分別與兩魚雷狀浮體相連；兩魚雷狀浮體外表面前端分別對稱設有拖曳部件，拖曳部件設有多個拖曳孔，拖纜通過拖曳孔與船體連接；兩魚雷狀浮體的尾部設置有固定垂直尾翼，固定垂直尾翼為對稱機翼型； 一橢圓柱狀的腔體固定在尾部的固定水平翼中間，腔體內放置垂直尾翼攻角控制機構，垂直尾翼攻角控制機構主要由尾翼步進電機、主動齒輪、從動齒輪以及垂直轉軸組成；垂直轉軸固定連接可控制垂直尾翼，垂直轉軸還與從動齒輪連接；從動齒輪與主動齒輪嚙合，主動齒輪與尾翼步進電機連接，尾翼步進電機通過電纜與船上電源和拖曳體姿態控制器連接；所述垂直轉軸的軸心位於兩魚雷狀浮體對稱軸所在縱剖面上；可控制垂直尾翼為翼型結構，設置在腔體後端； 所述可控制迫沉水翼為對稱或者非對稱機翼型，設置在兩魚雷狀浮體之間的前端，由一支撐軸支撐，支撐軸與兩個魚雷狀浮體連接，支撐軸的軸線與兩個浮體的軸線正交；位於兩魚雷狀浮體之間的前端；可控制迫沉水翼的兩端分別設置有邊板，邊板的面與可控制迫沉水翼展長方向垂直；迫沉水翼攻角控制機構設置在魚雷狀浮體內，迫沉水翼攻角控制機構主要由連杆、蝸杆、連杆套環、蝸輪、固定鉸接轉軸、萬向傳動裝置、迫沉水翼步進電機、操縱杆套環以及操縱杆組成；連杆與固定鉸接轉軸連接，操縱杆的一端伸出魚雷狀浮體並與可控制迫沉水翼的尾部連接，另一端與操縱杆套環鉸接，操縱杆套環套接在連杆上，連杆套環套接在連杆上，連杆套環與蝸輪之間設有一萬向傳動裝置；蝸輪與蝸杆連接，蝸杆與迫沉水翼步進電機連接，迫沉水翼步進電機通過電纜與船體電源連接。
2.根據權利要求1所述的多自由度操縱水下拖曳體，其特徵在於:所述主腔體與兩個魚雷狀浮體水平連線的垂直距離為500 600mm。
3.根據權利要求1所述的多自由度操縱水下拖曳體，其特徵在於:所述固定水平翼為對稱機翼型，在前後端分別與兩魚雷狀浮體連接，後端的固定水平翼還包括斜向布置水平翼型構件，其翼展方向與縱向成45度角。
4.根據權利要求1所述的多自由度操縱水下拖曳體，其特徵在於:主腔體的流線型外形採用水滴或魚雷狀的形式；主腔體內搭載不同類型的海洋物理、化學參數採樣傳感器，或聲、光物理傳感器。
5.根據權利 要求1所述的多自由度操縱水下拖曳體，其特徵在於:所述支撐軸位於距魚雷狀浮體頂部五分之一浮體的長度處。
6.根據權利要求1所述的多自由度操縱水下拖曳體，其特徵在於:所述邊板與兩邊相應的魚雷狀浮體的距離為10 20mm，邊板的長度比可控制迫沉水翼的弦長大20 40mm，可控制迫沉水翼的邊板在可控制迫沉水翼的前、後兩端處分別突出10 20mm，邊板的高度比可控制迫沉水翼的最大厚度大20 40mm,可控制迫沉水翼邊板在可控制迫沉水翼的最大厚度處的上、下兩端分別突出10 20mm。
7.根據權利要求6所述的多自由度操縱水下拖曳體，其特徵在於:所述可控制迫沉水翼的弦長為250 300mm ;可控制迫沉水翼的最大厚度為40 50mm。
8.根據權利要求1所述的多自由度操縱水下拖曳體，其特徵在於:所述萬向傳動裝置由兩個萬向節和一根短軸組成，兩個萬向節分別設置在連杆套環和蝸輪上。
9.根據權利要求1所述的多自由度操縱水下拖曳體，其特徵在於:所述可控制垂直尾翼的前端與橢圓柱 狀的腔體的末端的距離為10 20mm。
全文摘要
本發明公開了一種多自由度操縱水下拖曳體，包括魚雷狀浮體、可控制迫沉水翼、邊板、固定水平翼、固定垂直尾翼、可控制垂直尾翼以及主腔體；魚雷狀浮體為兩個，分隔水平設置，兩個魚雷狀浮體通過固定水平翼連接；主腔體為流線型，設置在兩個魚雷狀浮體下端中部，主腔體兩端各由兩個翼型構件支撐並分別與兩魚雷狀浮體相連；兩魚雷狀浮體外表面前端分別對稱設有拖曳部件，拖曳部件設有多個拖曳孔，拖纜通過拖曳孔與船體連接；兩魚雷狀浮體的尾部設置有固定垂直尾翼，固定垂直尾翼為對稱機翼型；本發明外形簡潔，航態穩定性好，自主穩定能力強，姿態控制方便，操縱效率高，可操縱自由度多，控制機構簡單，具有較高的實用價值和商業價值。
文檔編號B63C11/52GK103144752SQ20131004701
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月5日 優先權日2013年2月5日
發明者吳家鳴, 陳健, 黃志科, 馬志權 申請人:華南理工大學, 廣州市番禺靈山造船廠有限公司