一种7000米级深渊水下滑翔机的制作方法

本发明涉及水下机器人，具体地说是一种下潜深度为7000米级的深渊水下滑翔机。

背景技术：

水下滑翔机是一种无外挂推进装置，结合浮标、潜标与机器人技术，依靠自身浮力驱动的新型水下移动观测平台。水下滑翔机具有运动可控、噪声低、能耗低、成本低、续航力强、同步性好等特点，已逐渐成为一种通用的水下观测平台。从设计下潜深度来分，水下滑翔机可分为浅海、深海、深渊级水下滑翔机。水下滑翔机主要功能包括海洋环境参数观测功能、自主滑翔运动控制功能、观测路径规划功能、观测数据存储与远距离传输功能等。水下滑翔机的应用可有效提高海洋环境的空间和时间观测密度，增强海洋环境的综合感知能力。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种7000米级深渊水下滑翔机，该水下滑翔机的下潜深度为7000米级，是一种深海深渊水文剖面观测的水下滑翔机器人。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明的水下滑翔机由艏部至艉部分为艏部浸水舱段、浮力调节舱段、姿态调节舱段及艉部浸水舱段，其中浮力调节舱段及姿态调节舱段为密封舱段、分别密封连接于中段支撑环的前后两侧，所述中段支撑环的左右两侧对称安装有水平翼，所述艉部浸水舱段的上下两侧对称安装有垂直翼；所述艏部浸水舱段内安装有抛载装置，水下滑翔机通过该抛载装置抛弃重物后浮出水面，该艏部浸水舱段上穿设有组合天线，所述组合天线安装于浮力调节舱段上；所述浮力调节舱段内分别安装有主控单元及用于改变水下滑翔机排水体积的浮力调节装置；所述姿态调节舱段内安装有姿态调节装置，该姿态调节装置通过改变水下滑翔机重心沿轴向、沿径向的位置，进而改变水下滑翔机的俯仰角度、横倾角度；所述主控单元分别与浮力调节装置中的动力源、姿态调节装置中的动力源、抛载装置中的动力源及组合天线连接。

其中：所述艏部浸水舱段包括艏部导流罩及艏部固定架，该艏部固定架安装于艏部导流罩的内部，所述组合天线的一端穿入艏部导流罩内，并固定在所述浮力调节舱段上，该组合天线的桅杆固定于所述艏部固定架上，所述艏部导流罩与浮力调节舱段抵接。

所述艏部浸水舱段内安装有高度计，该高度计与所述主控单元连接。

所述浮力调节舱段包括艏部耐压球壳及碳纤维耐压舱体a，该碳纤维耐压舱体a的前端与所述艏部耐压球壳密封连接，后端与所述中段支撑环的前侧密封连接，所述组合天线的一端及抛载装置分别固定在艏部耐压球壳上。

所述浮力调节装置容置于碳纤维耐压舱体a中，前端通过拉杆与所述艏部耐压球壳连接，后端通过连接拉杆固定在所述中段支撑环上，通过拧紧拉杆及连接拉杆上的螺母将所述艏部耐压球壳、碳纤维耐压舱体a、浮力调节装置及中段支撑环拉紧夹连在一起；所述艏部耐压球壳上安装有防腐蚀的牺牲阳极。

所述姿态调节舱段包括碳纤维耐压舱体b、艉部支撑环及艉部耐压球壳，该碳纤维耐压舱体b的前端与所述中段支撑环的后侧密封连接，后端与所述艉部支撑环的前侧密封连接，该艉部支撑环的后侧与所述艉部耐压球壳密封连接。

所述姿态调节装置容置于碳纤维耐压舱体b中，该姿态调节装置中的方管轴前端通过角接触球轴承固定在所述中段支撑环的中心孔上，后端与所述艉部支撑环的中心孔相连，通过拧紧所述方管轴后端的防松螺母将所述姿态调节装置、碳纤维耐压舱体b、中段支撑环及艉部支撑环拉紧夹连在一起；所述艉部耐压球壳上分别安装有上电插座、抽真空丝堵及防腐蚀的牺牲阳极，该上电插座与所述主控单元连接。

所述姿态调节舱段上安装有ctd传感器，该ctd传感器通过水密电缆连接于安装在姿态调节舱段上的ctd水密连接器上，所述ctd水密连接器与主控单元连接。

所述艉部浸水舱段包括艉部导流罩及艉部固定架，该艉部固定架位于艉部导流罩的内部，所述艉部固定架的前端固接于姿态调节舱段上，后端上下分别固定有垂直翼固定件，每个垂直翼固定件上均安装有垂直翼；所述艉部导流罩的前端与姿态调节舱段抵接，后端固定在所述艉部固定架上。

所述水下滑翔机各密封点处均采用双密封结构，即密封的零件之间采用径向o形密封圈与轴向o形密封圈实现密封。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明采用四个舱段设计，干湿舱相结合，各舱段功能相对独立，浮力调节装置、姿态调节装置、组合天线、抛载装置等独立性较强，便于整体安装，拆卸，实现了很好的模块化设计。

2.本发明的设计下潜深度为7000米，重量小于145公斤，满足小型化，大深度的作业需求；利用碳纤维耐压舱体、钛合金耐压球壳、中段支撑环等构成密封舱主体，结构简单可靠、质量轻、耐腐蚀性能强、耐压性能好；所有密封点位均采用双密封冗余设计，系统防渗水性能好。

3.本发明将浮力调节装置前置，组合天线与抛载装置均置于艏部，无论在上浮或下潜过程中，浮力调节装置的泵向外排油或向内回油对重心的影响均有利于滑翔机的姿态调整，降低了姿态调节装置动作的频率，减小了系统的功耗。

4.本发明的浮力调节装置可根据水下滑翔机上浮时的速度，来分级动态调整向外泵油量，既大幅降低了系统的能耗，又保持了水下滑翔机速度的稳定性。

5.本发明在将水平翼安装在水下滑翔机的几何中心位置，利于提供升力，同时对转向不产生影响；将垂直翼安装在水下滑翔机的最艉部，提高了横倾转向性能，实测最小转弯半径仅为19米。

6.本发明传感器的搭载均采用外挂式设计，结构简单可靠；可通过艏部耐压球壳或艉部耐压球壳预留接口，来扩展科学传感器或其它功能模块。

7.本发明中的组合天线集成了无线电、铱星与gps三种天线，采用直接入舱设计，结构简单可靠，露出水面较高，天线信号良好，易于拆装，满足近、远程通信以及定位需求。

8.本发明主控单元采用低功耗设计、浮力调节系统采用分级泵油设计、各功能元件均有省电策略、续航能力超过1个月。

9.本发明在工作模式上具备定点观测、轨迹跟踪观测、螺旋下潜观测、定向观测等多种工作模式，以满足不同的科学应用需求。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的内部结构剖视图；

图3为本发明的结构俯视图；

其中：1为浮力调节装置，2为姿态调节装置，3为组合天线，4为艏部固定架，5为天线保护件，6为高度计固定件，7为艏部导流罩，8为艏部耐压球壳，9为碳纤维耐压舱体a，10为连接拉杆，11为中段支撑环，12为方管轴，13为传感器托件a，14为传感器托件b，15为传感器固定件，16为艉部耐压球壳，17为艉部导流罩，18为艉部固定架，19为垂直翼，20为垂直翼固定件，21为水平翼，22为水平翼固定件，23为牺牲阳极，24为抽真空丝堵，25为高度计，26为抛载装置，27为主控单元，28为径向o形密封圈，29为轴向o形密封圈，30为ctd传感器，31为艉部支撑环，32为ctd(温盐深)水密连接器，33为上电插座，34为碳纤维耐压舱体b，35为拉杆，a为艏部浸水舱段，b为浮力调节舱段，c为姿态调节舱段，d为艉部浸水舱段。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～3所示，本发明的水下滑翔机由艏部至艉部分为艏部浸水舱段a、浮力调节舱段b、姿态调节舱段c及艉部浸水舱段d，其中浮力调节舱段b及姿态调节舱段c为密封舱段、分别密封连接于中段支撑环11的前后两侧，艏部浸水舱段a及艉部浸水舱段d为框架式浸水舱结构；中段支撑环11的左右两侧对称安装有水平翼21，水平翼21插入到水平翼固定件22中的凹槽处，并通过螺钉固定在水平翼固定件22上，水平翼固定件22通过两个螺钉固定在中段支撑环11上，水平翼21主要起着为滑翔机航行提供升力的作用；艉部浸水舱段d的上下两侧对称安装有垂直翼19。水平翼21的位置为整个水下滑翔机形体的中间位置，水平翼21只提供升力，对转向无影响；垂直翼19设置在水下滑翔机的最艉部，能达到稳定效果最佳，转向效果最好的目的；本实施例的水平翼21与垂直翼19均采用平板结构固定翼设计。艏部浸水舱段a内安装有抛载装置26，水下滑翔机通过该抛载装置26抛弃重物后浮出水面，该艏部浸水舱段a上穿设有组合天线3，组合天线3安装于浮力调节舱段b上；浮力调节舱段b内分别安装有主控单元27及用于改变水下滑翔机排水体积的浮力调节装置1；姿态调节舱段c内安装有姿态调节装置2，该姿态调节装置2通过改变水下滑翔机重心沿轴向、沿径向的位置，进而改变水下滑翔机的俯仰角度、横倾角度；本发明的主控单元27为现有技术，起着管理、规划、计算、存储、控制各个执行机构与功能单元的作用，是滑翔机按照指令进行观测任务的大脑，主控单元27分别与浮力调节装置1中的动力源、姿态调节装置2中的动力源、抛载装置26中的动力源及组合天线3连接。

本实施例的艏部浸水舱段a包括艏部导流罩7及艏部固定架4，该艏部浸水舱段a外部用具有流线型外形的艏部导流罩7包络，与外界水环境接触，为框架式浸水舱结构，艏部导流罩7与浮力调节舱段b的艏部耐压球壳8抵接；艏部固定架4位于艏部导流罩7的内部，艏部导流罩7通过四个螺钉径向固定在艏部固定架4上。组合天线3为杆状结构，可提高天线露出水面的高度，保证通信与定位的信号强度，组合天线3的一端(即图2中的右侧末端)插入到浮力调节舱段b的艏部耐压球壳8上，并通过螺母固定在艏部耐压球壳8上；同时，组合天线3的桅杆穿过天线保护件5，并通过螺钉固定在艏部固定架4上，这样既能够避免天线在承受外力时发生旋转，同时也能降低天线根部的应力，起着保护组合天线的作用。组合天线3内部集成了铱星通信天线、gps定位天线、无线电天线，采用了三合一的管装结构设计，起着水下滑翔机通信与定位的作用；信号线直接进密封舱(即浮力调节舱段c)内，避免转接造成的信号衰减，并且置于水下滑翔机的艏部。本实施例的艏部导游罩7内安装有高度计25，高度计25通过高度计固定件6固定在艏部固定架4上，并与主控单元27连接，起着避障与防触底的作用；本实施例的高度计25与水下滑翔机轴向中心线形成20度夹角，在水下滑翔机以25度角(常用角度)下潜时，高度计25能够与海平面形成约45度夹角，既兼顾了前向的避碰，又兼顾了防触底。

浮力调节舱段b为承压密封结构，本实施例的浮力调节舱段b包括艏部耐压球壳8及碳纤维耐压舱体a9，该碳纤维耐压舱体a9的前端与艏部耐压球壳8密封连接，后端与中段支撑环11的前侧密封连接，组合天线3的一端固定在艏部耐压球壳8上，抛载装置26通过防松螺母固定在艏部耐压球壳8上，抛载后利于天线浮出水面；抛载装置26在滑翔机出现故障时抛弃一个铅块重物，使得滑翔机迅速浮出水面，保障滑翔机工作时的安全。本发明的抛载装置26为现有技术，采用2018年11月20日公告、公告号为cn106926994b的“一种水下机器人用安全抛载装置”。浮力调节装置1容置于碳纤维耐压舱体a9中，前端(即图2中的左侧)通过四根拉杆35与艏部耐压球壳8连接，后端(即图2中的右侧)通过四根连接拉杆10固定在中段支撑环11上，通过拧紧拉杆35及连接拉杆10上的螺母可将艏部耐压球壳8、碳纤维耐压舱体a9、浮力调节装置1及中段支撑环11拉紧夹连在一起。本发明的浮力调节装置1为现有技术，该浮力调节装置1的作用为改变水下滑翔机排水体，浮力调节装置1的外皮囊位于艏部导流罩7中，吸排油时能自动产生有利的俯仰角度，浮力调节装置1可以将密封舱体内的内皮囊的液压油通过高压柱塞泵排到舱外与水接触的外皮囊中，从而增加排水体积，使得浮力大于重力，水下滑翔机实现上浮运动；反之，当外皮囊中的液压油通过低压隔膜泵回抽至内皮囊后，排水体积减小，从而使得浮力小于重力，水下滑翔机实现下潜运动。主控单元27容置于碳纤维耐压舱体a9中，并固定在中段支撑环11上，处于水下滑翔机的中间位置。

本实施例的姿态调节舱段c包括碳纤维耐压舱体b34、艉部支撑环31及艉部耐压球壳16，该碳纤维耐压舱体b34的前端与中段支撑环11的后侧密封连接，后端与艉部支撑环31的前侧密封连接，该艉部支撑环31的后侧通过沉头螺钉与艉部耐压球壳16密封紧固连接在一起。姿态调节装置2容置于碳纤维耐压舱体b34中，该姿态调节装置2中的方管轴12前端(即图2中的左侧)通过一对角接触球轴承固定在中段支撑环11的中心孔上，后端(即图2中的右侧)与艉部支撑环31的中心孔相连，艉部支撑环31径向有调心球轴承，轴向有推力滚针轴承，通过拧紧方管轴12后端的防松螺母，可以将姿态调节装置2、碳纤维耐压舱体b34、中段支撑环11及艉部支撑环31拉紧夹连在一起。姿态调节装置2可以改变水下滑翔机重心沿轴向的位置，也可改变重心沿径向的位置；当姿态调节装置2上的偏心电池组沿方管轴12向前滑动时，水下滑翔机的重心也跟着向前运动，反之，当偏心电池组向后运动时，水下滑翔机的重心也跟着向后运动；当姿态调节装置2上的偏心电池组沿轴向旋转时，水下滑翔机的重心也跟着产生径向偏转。由于水下滑翔机的浮心位置不变，改变水下滑翔机的重心沿轴向的位置，即可改变水下滑翔机的俯仰角度；同理改变水下滑翔机的重心沿径向的位置，即可改变水下滑翔机的横倾角度。本发明的姿态调节装置2为现有技术，采用2017年7月7日公开、公开号为cn106926997a的“一种水下机器人用质心调节装置”。艏部耐压球壳8上安装有防腐蚀的牺牲阳极。

本发明水下滑翔机的主密封舱体由艏部耐压球壳8、碳纤维耐压舱体a9、中段支撑环11、碳纤维耐压舱体b34、艉部支撑环31以及艉部耐压球壳16组成一个密封的耐压筒体结构，浮力调节装置1、姿态调节装置2、主控单元27等功能单元均密封其内，所有密封点处均采用双密封结构保证密封的可靠性，即上述零件之间的密封采用径向o形密封圈28与轴向o形密封圈29这两种密封方式。艉部耐压球壳16上分别安装有上电插座33、抽真空丝堵24及防腐蚀的牺牲阳极23，该上电插座33与主控单元27连接，插上短接的密封插头即可为滑翔机上电。抽真空丝堵24拧紧在艉部耐压球壳16上，拧开抽真空丝堵24，可以对密封舱内进行抽真空处理，以检验密封舱内的气密性能。牺牲阳极23通过螺钉拧紧在艉部耐压球壳16上，起到防腐蚀的作用。

本实施例的姿态调节舱段c上安装有ctd传感器30，ctd传感器30有右侧端面通过三个螺钉固定在传感器固定件15上，传感器托件a13通过沉头螺钉固定在ctd传感器30的左侧下部，传感器托件b14通过沉头螺钉固定在传感器固定件15上，传感器固定件15再通过螺钉固定在艉部支撑环31上，从而使得ctd传感器30固定，并且骑乘在碳纤维耐压舱体b34上；ctd传感器30通过水密电缆连接在ctd水密连接器32上，ctd水密连接器32固定在艉部耐压球壳16上，ctd水密连接器32与主控单元27连接。本实施例的高度计25和ctd传感器30均采用外挂的方式通过水密电缆以及水密连接器进入密封舱内。本实施例的ctd传感器30为现有的科学探测传感器，起着测量海水温度、深度、盐度的作用。

本实施例的艉部浸水舱段d包括艉部导流罩17及艉部固定架18，该艉部浸水舱段d外部用具有流线型外形的艉部导流罩17包络，与外界水环境接触，为框架式浸水舱结构；艉部固定架18位于艉部导流罩17的内部，艉部固定架18的前端通过四个螺钉固接于姿态调节舱段c的艉部耐压球壳16上，后端(即图2中的右侧)上下分别固定一个垂直翼固定件20，每个垂直翼固定件20上均通过螺钉固定有垂直翼19；垂直翼19不仅能够使得水下滑翔机的航行更稳定，同时在水下滑翔机具有横倾角时起着改变航行方向的作用。艉部导流罩17的前端(即图2中的左侧)与姿态调节舱段c的艉部耐压球壳16右侧的止口配合抵接，艉部导流罩17的后端(即图2中的右侧)通过四个螺钉固定在艉部固定架18上。

为了减轻水下滑翔机的重量，同时保证水下滑翔机的耐压性能，本发明的耐压舱体采用复合碳纤维材料，即碳纤维耐压舱体a9及碳纤维耐压舱体b34主体由碳纤维与环氧树脂复合而成，两端由钛合金环粘接而成，外壁设有1毫米的防渗水涂层来保证筒体的密封性能。水下滑翔机的艏部耐压球壳8与艉部耐压球壳16由于需要开孔，采用钛合金作为材料，并采用半球形设计来提高零件的抗压性能；同时，为了提高防腐性能，中段支撑环11与艉部支撑环31也采用钛合金材质。本实施例的艏部导流罩7与艉部导流罩17均为流线形设计，采用abs材料，既能减重，且成型工艺简单，成本低廉。

本发明采用模块化设计理念，各功能部件相互独立、集成度高；采用小型化、轻量化的设计理念，水下滑翔机耐压壳体采用轻质、高强度复合材料来减轻整体的质量；采用低功耗设计理念，优化各执行机构的效率，采用低功耗控制系统，满足长续航能力的要求；通过改变自身的排水体积来实现上浮和下潜运动；通过调节重心的轴向位置，来实现俯仰角的动态调整，从而实现下潜角度的控制；通过调节重心的径向位置，来实现横倾角的动态调整，从而实现转向功能；作业模式上可以采用轨迹跟踪模式、定点观测模式、螺旋下潜模式等多种作业模式，满足不同的科学应用需求。浮力调节装置1、姿态调节装置2、组合天线3、抛载装置26等功能部件结构功能独立可拆卸；高度计25、ctd传感器30等传感器采用外挂搭载的方式，方便拆卸与维护；艏部耐压球壳8与艉部耐压球壳16可预留孔位，方便其它传感器或推进器的拓展。

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