阅读说明：本技术 一种基于胸鳍与螺旋桨混合推进的水下仿生航行器 (Underwater bionic aircraft based on pectoral fin and propeller hybrid propulsion ) 是由 潘光 宋保维 路阳 白靖宜 曹勇 曹永辉 黄桥高 于 2019-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种基于胸鳍与螺旋桨混合推进的水下仿生航行器,属于仿生水下航行器领域；包括躯干部分、胸鳍推进模块、螺旋桨矢量推进模块和蒙皮外壳；躯干部分内安装有航行器的控制部分；胸鳍推进模块为两个对称组件分别安装于躯干部分的两侧；螺旋桨矢量推进模块安装于躯干部分的尾端；蒙皮外壳包裹于外侧。本发明推进效率和推进速度都有明显提升,且运动更灵活；调节各电机的相位角及频率,可使航行器迅速准确完成转向、俯仰、倒游、零半径转弯等动作；其次,通过螺旋桨的协同运动,可以使航行器在无运动速度情况下完成俯仰及旋转动作,且通常螺旋桨推进的最大速度可达到15-20节,相较仅胸鳍推进的航行器最大2-3节的推进速度而言有明显提高。(The invention provides an underwater bionic aircraft based on pectoral fin and propeller hybrid propulsion, belonging to the field of bionic underwater aircrafts; the aircraft comprises a trunk part, a pectoral fin propulsion module, a propeller vector propulsion module and a skin shell; the body part is internally provided with a control part of an aircraft; the pectoral fin propulsion module is formed by two symmetrical components which are respectively arranged at two sides of the trunk part; the propeller vector propulsion module is arranged at the tail end of the trunk part; the skin shell wraps the outer side. The invention has the advantages that the propelling efficiency and the propelling speed are obviously improved, and the movement is more flexible; the phase angle and the frequency of each motor are adjusted, so that the aircraft can quickly and accurately finish actions such as steering, pitching, reverse swimming, zero-radius turning and the like; secondly, the aircraft can complete pitching and rotating actions under the condition of no movement speed through the cooperative movement of the propellers, the maximum propelling speed of the propellers can reach 15-20 sections generally, and the propelling speed is obviously improved compared with the propelling speed of the aircraft which only propels the pectoral fins and has 2-3 sections at the maximum.)

一种基于胸鳍与螺旋桨混合推进的水下仿生航行器

技术领域

本发明属于仿生水下航行器领域，具体涉及一种基于胸鳍与螺旋桨混合推进的水下仿生航行。

背景技术

进入二十一世纪以来，海洋资源利用与海洋领土完整在国家经济与安全中占据越来越高的地位。为了更进一步探索海洋环境，利用海洋能源，世界各国开始大力投入自主式水下航行器(AUV,Autonomous Underwater vehicle)技术的研究。我国提出了海洋强国战略，将发展海洋经济、维护海洋权益、保护海洋环境、建设海洋强国作为我国的重点发展规划，更推动了我国的水下航行器技术领域的发展。

传统的水下航行器多是回转体式外观，依靠螺旋桨推进。工作稳定，推进速度快，但航行姿态难以灵活改变，避障性能不佳。基于胸鳍推进的仿生鳐鱼水下航行器作为一种新型水下航行器，具有运动机动性良好，生物仿生性高，隐蔽性强等优点，但运动速度不高，最大运行速度0.6倍身长，难以在水下有效追踪目标。

经文献检索，授权公告日为2012年5月16日、授权公开号为CN101654147的发明名称为一种仿牛鼻鲼的胸鳍推进式机器鱼的发明专利，它首次提出了一种基于胸鳍摆动提供推进力，尾部升降舵旋转改变俯仰运动姿态的水下仿生航行器。但由于推进胸鳍机构仅能完成一个自由度的上下扑动，其向前的推进力只能由向上方向的分力提供，前移困难，运行速度低。

经文献检索，授权公告日为2015年10月14日、授权公开号为CN204701760U的发明名称为“一种扑翼型仿生水下机器人”的发明专利，它首次提出一种基于胸鳍以四连杆机构控制扑动动作，尾鳍进行俯仰姿态控制的扑翼胸鳍水下仿蝠鲼航行器，但以一整块平板构成的胸鳍扑翼结构形态仿生性较差，与真实自然界中的蝠鲼胸鳍有较大区别。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出了一种基于胸鳍与螺旋桨混合推进的水下仿生航行器，依靠多连杆结构骨架胸鳍扑动完成前进、后退、上浮、下潜、转向等动作，位姿调节精确，保证航行器的高机动性与仿生性，同时尾部通过两个矢量螺旋桨推进完成协同运动，有效提高仿蝠鲼水下航行器的推进速度。

本发明的技术方案是：一种基于胸鳍与螺旋桨混合推进的水下仿生航行器，其特征在于：包括躯干部分、胸鳍推进模块、螺旋桨矢量推进模块和蒙皮外壳；所述躯干部分用于支撑整个仿生航行器，其内安装有仿生航行器的控制部分；所述胸鳍推进模块包括左侧胸鳍驱动模块和右侧胸鳍驱动模块两个对称组件，两个所述对称组件分别安装于躯干部分的两侧；螺旋桨矢量推进模块安装于躯干部分的尾端；

所述躯干部分内的控制部分包括通信模块22、探测工作模块23、控制模块24和电源模块25；各模块之间通过导线连接；通信模块22用于通信和定位，探测工作模块23 用于探测水中温度、金属离子浓度和氧气浓度，控制模块24用于接收指令并控制各部件的运动，电源模块25用于给整个航行器提供电能；

所述左侧胸鳍驱动模块包括三个垂直于航行器轴向的鳍条组件，依次沿航行器轴向均布于躯干部分的一侧壁上，三个所述鳍条组件均为曲柄连杆结构，分别由电机控制，用于航行器左侧胸鳍的前、中、后三个位置的定型和驱动，和对称件右侧胸鳍驱动模块配合能够实现仿蝠鲼的扑翼运动；

所述螺旋桨矢量推进模块包括两个结构对称的左、右矢量涵道螺旋桨模块，左侧矢量螺旋桨推进机构包括摆动驱动电机16、涵道螺旋桨推进器17和电机支架18；摆动驱动电机16通过电机支架18与所述躯干部分尾端固连，涵道螺旋桨推进器17由摆动驱动电机16带动以其输出轴为转轴进行转动，摆动驱动电机16的输出轴与所述躯干部分尾端壁面平行；左、右矢量涵道螺旋桨模块中的两个涵道螺旋桨推进器能够分别绕摆动驱动电机16输出轴进行同向或不同角度的差动旋转。

所述蒙皮外壳为柔性防水材料，包裹于左侧胸鳍驱动模块、右侧胸鳍驱动模块、躯干部分和螺旋桨矢量推进模块外，并与四个部分的各形态节点固定，同时螺旋桨矢量推进模块中的涵道螺旋桨推进器置于所述蒙皮外壳外侧。

本发明的进一步技术方案是：所述躯干部分壳体外型轮廓的纵截面是NACA翼型。

本发明的进一步技术方案是：所述左侧胸鳍驱动模块的三个所述鳍条组件沿航行器轴向从头部向尾端分布的分别为头部鳍条组件、中部鳍条组件和后部鳍条组件；

所述头部鳍条组件包括头部电机1、头部连杆2、头部滑块3、头部摆杆4和头部电机支架12；头部电机1通过头部电机支架12固定于所述躯干部分侧壁前端，其输出轴与头部连杆2的一端垂直固定，使得头部连杆2能够绕头部电机1的输出轴旋转；头部滑块3与固定于头部连杆2正下方的第一支架铰接；头部摆杆4的中部与头部连杆2的另一端铰接，其下端穿过头部滑块3上设置的通孔，并保证间隙配合；

所述中部鳍条组件包括中部电机5、中部连杆6、中部第一滑块7、中部第二滑块 8、中部第一摆杆9、中部第二摆杆14和中部电机支架13；中部电机5通过中部电机支架13固定于所述躯干部分侧壁中部，其输出轴与中部连杆6的一端垂直固定，使得中部连杆6能够绕中部电机5的输出轴旋转；中部第一滑块7与固定于中部连杆6正下方的第二支架铰接；中部第一摆杆9的上部与中部连杆6的另一端铰接，其下部穿过中部第一滑块7上设置的通孔，并保证间隙配合；中部第二滑块8与中部连杆6的另一端铰接；中部第二摆杆14的中部与中部第一摆杆9的顶端铰接，其下部穿过中部第二滑块8上设置的通孔，并保证间隙配合；

所述后部鳍条组件包括后部电机10、后部摆杆11和后部电机支架21；后部电机 10通过后部电机支架21固定于所述躯干部分侧壁后端，其输出轴与后部摆杆11的一端垂直固定，使得后部摆杆11能够绕后部电机10输出轴旋转。

本发明的进一步技术方案是：还包括浮力控制及抛载模块26，浮力控制及抛载模块26用于当航行器与地面控制中心失联时，通过抛载使航行器获得正浮力，使航行器的天线浮出水面。

本发明的进一步技术方案是：所述蒙皮外壳为珠光布料、POBB薄膜或聚乳酸薄膜的柔性材料。

本发明的进一步技术方案是：所述头部电机1、中部电机5、后部电机10、摆动驱动电机16与涵道螺旋桨推进器17内部的电机均为IPX68等级防水电机。

有益效果

本发明的有益效果在于：基于胸鳍与螺旋桨混合推进的水下仿生航行器，表面采用柔性材料包覆，相较于传统的单一平板形式的胸鳍机构而言，航行器外观和运动形态与实际海洋生物更相似。左右侧胸鳍分别通过三个互相运动独立的连杆机构进行驱动，当三个连杆机构的驱动电机以不同相位角、不同频率驱动运动时，胸鳍模块可直接为水下航行器提供向前的推力，相较过去航行器单自由度扑动驱动形式，仅能依靠升力向前的分力推进航行器而言，推进效率和推进速度都有明显提升，且运动更灵活。同时，调节各电机的相位角及频率，可使航行器迅速准确完成转向、俯仰、倒游、零半径转弯等动作。其次，通过螺旋桨的协同运动，可以使航行器在无运动速度情况下完成俯仰及旋转动作，且通常螺旋桨推进的最大速度可达到15-20节，相较仅胸鳍推进的航行器最大2-3节的推进速度而言有明显提高。

附图说明

图1是本发明基于胸鳍与螺旋桨联合推进的仿生水下航行器水平滑翔动作下内部结构图；

图2是本发明的胸鳍向上扑动时的内部结构图；

图3是本发明的胸鳍向下扑动时的内部结构图；

图4是本发明的尾部矢量螺旋桨协同推进俯仰的运动状态图；

图5是本发明的胸鳍内部图；

图6是本发明的零半径转弯时的运动状态图；

图7是本发明的水平滑翔状态图；

图8是本发明尾部螺旋桨推进结构图；

附图标记说明：1.头部电机，2.头部连杆，3.头部滑块，4.头部摆杆，5.中部电机，6.中部连杆，7.中部第一滑块，8.中部第二滑块，9.中部第一摆杆，10.后部电机， 11.后部摆杆，12.头部电机支架，13.中部电机支架，14.中部第二摆杆，16.摆动驱动电机，17.涵道螺旋桨推进器，18.电机支架，21.后部电机支架，22.通信模块，23. 探测工作模块，24.控制模块，25.电源模块，26.浮力控制及抛载模块。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明是一种基于胸鳍与螺旋桨混合推进的水下仿生航行器，航行器的外观为模仿蝠鲼类外观。包括躯干部分、胸鳍推进模块、螺旋桨矢量推进模块和蒙皮外壳；所述躯干部分用于支撑整个仿生航行器，其内安装有仿生航行器的控制部分；所述胸鳍推进模块包括左侧胸鳍驱动模块和右侧胸鳍驱动模块两个对称组件，两个所述对称组件分别安装于躯干部分的两侧；螺旋桨矢量推进模块安装于躯干部分的尾端；

结合图1-5叙述胸鳍驱动模块的运动原理。胸鳍由头部、中部、后部三个鳍条组件组成，每个鳍条组件的杆件末端与柔性蒙皮内部相粘连，使得通过控制鳍条的运动可以带动整个外表蒙皮结构进行类似蝠鲼的扑翼动作。以左侧胸鳍驱动模块为例进行说明，所述左侧胸鳍驱动模块包括三个垂直于航行器轴向的鳍条组件，依次沿航行器轴向均布于躯干部分的一侧壁上，三个所述鳍条组件均为曲柄连杆结构，分别由电机控制，用于航行器左侧胸鳍的前、中、后三个位置的定型和驱动，和对称件右侧胸鳍驱动模块配合能够实现仿蝠鲼的扑翼运动；头部鳍条组件为二连杆曲柄滑块机构，中部鳍条组件为三连杆曲柄滑块机构，后部鳍条组件为电机带动一个摇杆转动。

所述头部鳍条组件包括头部电机1、头部连杆2、头部滑块3、头部摆杆4和头部电机支架12；头部电机1通过头部电机支架12固定于所述躯干部分侧壁前端，其输出轴与头部连杆2的一端垂直固定，使得头部连杆2能够绕头部电机1的输出轴旋转；头部滑块3与固定于头部连杆2正下方的第一支架铰接；头部摆杆4的中部与头部连杆2的另一端铰接，其下部穿过头部滑块3上设置的通孔，并保证间隙配合；

所述中部鳍条组件包括中部电机5、中部连杆6、中部第一滑块7、中部第二滑块 8、中部第一摆杆9、中部第二摆杆14和中部电机支架13；中部电机5通过中部电机支架13固定于所述躯干部分侧壁中部，其输出轴与中部连杆6的一端垂直固定，使得中部连杆6能够绕中部电机5的输出轴旋转；中部第一滑块7与固定于中部连杆6正下方的第二支架铰接；中部第一摆杆9的上部与中部连杆6的另一端铰接，其下部穿过中部第一滑块7上设置的通孔，并保证间隙配合；中部第二滑块8与中部连杆6的另一端铰接；中部第二摆杆14的中部与中部第一摆杆9的顶端铰接，其下部穿过中部第二滑块8上设置的通孔，并保证间隙配合；

所述后部鳍条组件包括后部电机10、后部摆杆11和后部电机支架21；后部电机 10通过后部电机支架21固定于所述躯干部分侧壁后端，其输出轴与后部摆杆11的一端垂直固定，使得后部摆杆11能够绕后部电机10的输出轴旋转。

当各鳍条的连杆机构处于水平伸展状态，且尾部的矢量螺旋桨不进行动作时，此时各电机位置为零位，航行器在水中水平滑翔。当头部电机1顺时针转动时，头部连杆2随之顺时针转动，头部摆杆4的近端在头部滑块3中滑动，头部摆杆4的远端上翘，头部摆杆4的远端的旋转角度大于电机1输出轴转动角度。中部电机5的往复转动动作可以带动中部连杆6往复转动，因中部第一摆杆9的一端在中部第一滑块7中可以前后滑动，中部连杆6与中部第一摆杆9铰接，中部连杆6可以驱动中部第一摆杆9的末端以较电机输出轴转角更大的角度往复摆动。中部第一摆杆9的末端与中部第二摆杆14的中部通孔铰接，中部第二摆杆14可以在中部第二滑块8的通孔内滑动，随着中部第一摆杆9的运动，中部第二摆杆14会以一个更大的角度往复摆动。中部第二摆杆14、中部连杆6与中部第一摆杆9的摆动相位相同，即均随着中部电机5的输出轴顺时针转动而向上摆动，随着中部电机5的输出轴逆时针转动而向下摆动。左后部鳍条组件的运动模式为后部电机10的输出轴往复转动，直接带动后部摆杆11往复运动。

结合图1-7说明胸鳍及螺旋桨驱动航行器整体的的运动机制：航行器主要依靠改变各胸鳍的连杆结构驱动电机的摆动频率、角度与相位差来精确控制航行器的运动姿态。从后缘向前缘方向看，当左侧胸鳍驱动模块的各连杆机构的电机输出轴均顺时针旋转时，左侧各连杆机构的末端与蒙皮粘连的部分均向上运动；当右侧各驱动电机输出轴均顺时针转动时，右侧各连杆机构末端带动蒙皮向下运动。左右侧各连杆机构由前到后相位差相差60°-120°向下拍动时，胸鳍将水流向后推动，航行器向前游动。左右侧各连杆机构由后到前相位差相差60°-120°向下拍动时，航行器倒游。当航行器左侧各连杆机构的末端同时向下拍动，同时右侧各连杆机构末端同时向上拍动时，航行器向左转向；增大拍动的运动幅值，航行器可原地向左转圈。当左右两侧连杆机构同时向下拍动，且对比幅值，向上拍动的幅值大于向下，尾部连杆拍动的幅值大于头部时，航行器可在水下完成下潜运动，反之，航行器上浮。

结合图4叙述螺旋桨矢量推进模块的运动机制，所述螺旋桨矢量推进模块包括两个结构对称的左、右矢量涵道螺旋桨模块，左侧矢量螺旋桨推进机构包括摆动驱动电机16、涵道螺旋桨推进器17和电机支架18；摆动驱动电机16通过电机支架18与所述躯干部分尾部固连，涵道螺旋桨推进器17由摆动驱动电机16的输出轴带动进行整体转动；左、右矢量涵道螺旋桨模块中的两个涵道螺旋桨推进器能够分别绕摆动驱动电机16输出轴进行同向或不同角度的差动旋转。涵道螺旋桨推进器17由摆动驱动电机16带动以其输出轴为转轴进行转动，摆动驱动电机16的输出轴与所述躯干部分尾端壁面平行；摆动驱动电机16的驱动轴可以带动整个涵道螺旋桨推进器的旋转，以形成一个矢量推进模块。当左右侧涵道螺旋桨推进器的螺旋桨同向旋转时，两侧推进器同时向下推动时，航行器尾部上翘，航行器向下运动；同时向上推动时，航行器向上运动。当左右侧涵道螺旋桨推机器的螺旋桨反向旋转时，航行器实现左右转向运动。

矢量螺旋桨驱动模块可以与胸鳍推进模块协同工作。矢量螺旋桨的协助可以加快胸鳍推进的航行速度，同时，在完成俯仰动作时，矢量螺旋桨可以协助更迅速地改变航行器的俯仰角。当胸鳍推进模块的左右两侧保持使航行器的运动状态不变时，尾部矢量螺旋桨的推进可以使航行器以较快速度斜向上或向下滑翔。

控制方面，控制模块24包括上位机、STM32驱动板、Jetson TX2单模块超级计算机和水声控制板。工作时首先人为给上位机输入一条指定规划巡航路线，上位机将路线分析后将动作指令发送给STM32驱动板，STM32驱动板控制各舵机进行运动。当前视和侧扫声呐探测到附近有鱼群等障碍物时，将信息发送给水声控制板，水声控制板将重新规划的路径信息发送给STM32驱动板，带动各舵机改变运动状态。

完成工作方面，所述通信模块22包括通信天线、无线通信模块、GPS定位模块。探测工作模块23包括检测用传感器、红外测距仪、前视声呐、侧扫声呐、照明系统、双目摄像机。双目摄像机搭配照明装置可以拍摄到水下的实时监控画面，Jetson TX2 单模块超级计算机可对其进行识别，无线模块和天线可将图像信息传输至地面上实验者。检测用传感器可以但不限于是温盐传感器、叶绿素传感器、高度传感器、深度传感器、重金属离子浓度传感器、水氧浓度传感器等，基于不同的工作要求可选用多种传感器。

浮力控制及抛载模块26用于当航行器与地面控制中心失联时，通过抛载使航行器获得正浮力，使航行器的天线浮出水面。此时GPS定位系统确定航行器的水域坐标，将坐标信息通过通信模块发送给地面控制中心，节省打捞航行器的时间。

柔性蒙皮外壳可为但不限于是珠光布料、POBB薄膜、聚乳酸薄膜等柔性材质。柔性蒙皮覆盖于控制舱壳体与整个胸鳍推进机构及尾部摆动驱动电机16外，但涵道螺旋桨推进器17的涵道部分需位于柔性蒙皮之外。

胸鳍推进机构的头、中、尾部连杆机构可直接包覆于蒙皮内，也可使用硅胶或水凝胶对其进行浇筑，将整个胸鳍推进机构浇筑为NACA翼型截面后再包覆蒙皮。

在航行器的控制模块与各驱动电机部分，均需采用防水密封。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。