CN103640675A - 水面三体两栖无人艇 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水面三体两栖无人艇，中间艇体的底部正中间通过垂直的第一片体连接入水艇体，中间艇体的正中间两侧各通过一个水平的第二片体连接一个侧体的顶部，每个第二片体上前后均置放两个螺旋桨，入水艇体的上部低于侧体的底部，每个侧体的底部均通过外张水翼连接入水艇体；前置螺旋桨与片体之间以固定在第二片体上的前置螺旋桨的支撑框架连接，后置螺旋桨与第二片体之间以后置螺旋桨的可旋转支撑框架连接，可旋转支撑框架在艇宽方向的外端通过轴承连接于第二片体、内端与第一根传动轴连接；能有效地克服目前水面无人艇海浪航行操纵性和耐波性能差及姿态难以控制的缺点和海浪中工作效率低的弱点。

Description

水面三体两栖无人艇

技术领域

本发明涉及一种船艇，特指一种用于水面、水下及低空侦察巡逻和监测的水面三体两栖无人艇型。

背景技术

典型的水面无人艇没有艇员，依靠遥控或自主方式在水面航行，艇上不需要配备指挥和操纵人员，艇表面涂有多种隐身材料，加之体积小巧，可借助海浪、岛礁等近岸复杂环境的掩护，可在高危险水域长时间活动，无人自主控制，能够完成ISR、兵力保护、精确打击、反潜等任务。基本上都是采用模块化设计，根据需求按模块化方式更替任务模块，可配备不同的装备，通过遥控、制定程序和无人智能等方式完成指定的任务。目前的水面无人艇基本都是采用滑行艇型，滑行艇的排水量及其尺度都很小，在海面上航行受到海浪的作用，其航行性能差，工作效率低下。特别是，很难在高海况条件下正常工作。

水空两栖艇中，只有地效翼船和气垫船两种类型，地效翼船属于高速大型船只，该船型不适合用来监测作业的小型无人艇，且在低速时候无法脱离水面，而高航速下其航行稳定性差。气垫船虽然在高速低速下都可以脱离水面，但是其距离水面非常近，基本限制在其围裙高度范围内，在较大的波浪情况下气垫会漏气而失效，且气垫船由于其船底要用来封闭气垫，不方便安装监测装备。有个别水上直升机虽然可以实现水面垂直起降，但其结构只是在直升机的基础上将起落架上安装浮体，仅供起落时使用，且机身重心高，耐波性能差，水面航行性能差，若以水上直升机作为以监测和巡逻为主要任务的小型无人艇，其造价和维护费用也很高。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服目前水面无人艇高速航行时运动稳定可控性差的致命缺点和海浪中工作效率低的弱点，并且用于水面、水下及低空监测的水面三体两栖无人艇。

本发明通过以下技术方案予以实现：具有中间艇体，中间艇体的底部正中间通过垂直的第一片体连接入水艇体，中间艇体的正中间两侧各通过一个水平的第二片体连接一个侧体的顶部，每个第二片体上前后均置放两个螺旋桨，入水艇体的上部低于侧体的底部，每个侧体的底部均通过外张水翼连接入水艇体；两个侧体沿中间艇体横向向外下方延伸，向外下方的外张角度为35°～65°；中间艇体中部偏前的顶面布置一个顶部感知平台，中间艇体前部下底面布置一个倒挂式感知平台；两个第二片体、两个侧体、两个外张水翼均相对于中间艇体左右对称，四个螺旋桨相对于中间艇体两两左右对称；中部艇体内部设有电池组、控制***、传动***以及其他仪器设备；前置螺旋桨与片体之间以固定在第二片体上的前置螺旋桨的支撑框架连接，后置螺旋桨与第二片体之间以后置螺旋桨的可旋转支撑框架连接，后置螺旋桨的可旋转支撑框架在艇宽方向的外端通过轴承连接于第二片体、内端与第一根传动轴连接；传动***分别连接第一、第二根传动轴的中间，第二根传动轴在艇宽方向的两端分别连接一个水平舵；螺旋桨连接无刷电机，无刷电机通过电子调速器连接电池组和控制***。

本发明基于艇体水动力学、空气动力学、轮机工程学、控制科学、***工程学和人工智能多学科综合优化设计，能有效地克服目前水面无人艇海浪航行操纵性和耐波性能差及姿态难以控制的缺点和海浪中工作效率低的弱点，其综合性能优于目前水面无人艇，适用于在高海况条件作业的侦察监测无人艇为小型水面无人艇在更高海况环境条件下正常作业提供了有力技术支撑。

附图说明

图1是本发明的主视图；

图2是图1的俯视图；    

图3是图1的左视图；

图4是图1中中部艇体1内部组成及外部连接图；

图5是图1中前后螺旋桨6的连接结构图；

图6是图3中侧体2的A-A两种剖面图；

图7是图2中螺旋桨6及水平舵9的控制示意图；

图8是本发明航行时的升力示意图；

1.中部艇体；2.侧体；3.入水艇体；4.连接中部艇体1和入水艇体3的片体；5.外张水翼；6.螺旋桨；7.连接中部艇体1和侧体2的片体；8.顶部感应平台；9.水平舵；10.倒挂式感应平台；11.无刷电机；12.前置螺旋桨的支撑框架；13.后置螺旋桨的可旋转支撑框架；14.传动轴；15.电子调速器。 

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，本发明具有中间艇体1，中间艇体1的底部正中间带有入水艇体3，入水艇体3相对于中间艇体1左右对称。中间艇体和入水艇体3之间通过垂直的片体4连接，中间艇体1的正中间两侧各通过一个水平的片体7连接一个侧体2的顶部，两个片体7相对于中间艇体1左右对称，两个侧体2也相对于中间艇体1左右对称。在水平的片体7上布置有螺旋桨6，每个片体7上前后均置放两个螺旋桨6，四个螺旋桨6相对于中间艇体1两两左右对称。入水艇体3的上部低于侧体2的底部，每个侧体2的底部均通过外张水翼5连接入水艇体3，两个外张水翼5相对于中间艇体1左右对称。外张水翼5可以提供艇体上升的附加升力，在割划水面航行状态时，使得艇体具有优异的自稳性，同时，由于外张水翼5和两个侧体2位置布置在舯部，在高速时候能够最大地抬升艇体，减小阻力的同时保证良好的航向稳定性。

两侧体2为外张的机翼型，沿中间艇体1横向向外下方延伸，外张角度（侧体2内表面与中间艇体1中间纵剖面的夹角）为35°～65°。对于艇高长比大或者设计航行海况较低的艇，该外张角度取上限值，对于艇高长比小或者设计航行海况高的艇，外张角度取下限值。航行时，翼型侧体2会产生垂直于侧体2表面的升力，有外张角度时，其升力的水平方向的分力会增加其横摇时的约束，增加无人艇的耐波性；其垂直方向的升力则可以托起艇体，减小其入水体积和阻力。侧体2最大长度与最大横向尺度之比为9～22，长高比为4～9。艇体水面航速越高、侧体2最大长度与最大横向尺度之比越大，长高比越小，艇体水面航速越低，侧体2最大长度与最大横向尺度之比越小，长高比越大。

为了使得该无人艇具有良好的工作条件，在中间艇体1中部偏前艇体顶面布置一个顶部感知平台8，在中间艇体1前部下底面布置一个倒挂式感知平台10，在水面航行时可以仅使用顶部感知平台8，而在飞行状态时可以以下部倒挂式感知平台10为主，顶部感知平台8起辅助作用。

前置的两个螺旋桨6和后置的两个螺旋桨6转速相反，选定的主机型号、功率和转速也分别相同；四个螺旋桨6的直径、叶数、桨型和转速等依据飞行时的巡航与最大速度间的某个中间速度所需升力而设计确定。

中间艇体1、侧体2、螺旋桨6和片体7采用碳纤维复合材料或铝合金等轻质材料的骨架与外板制成的板架构成，由侧体2、中间艇体1和片体7骨架拼接合拢，连接处（或整个艇体的蒙皮）由碳纤维/环氧树脂糊制成气密或水密的全封闭的艇体。

中间艇体1的上部主体采用形心偏前或居中的细长流线型回转体、或是剖面为椭圆（椭圆的短轴水平）的流线型体、或是剖面为近似椭圆（椭圆的短轴水平）的流线型体。入水浮体3也为细长流线型回转体、或是剖面为椭圆（椭圆长轴水平）的流线型体，既具有良好的低阻特性，工艺性也好。中间艇体1的上部主体长高比为9～12，对于布置容积要求高的艇体，该长高比取下限值，而对于布置容积要求不高的艇体，该长高比取上限值。入水浮体3长度约为中间艇体1总长的1/4～1/2，长宽比为5～9，对于水线以下布置容积要求高的艇体，该长度比取上限值、长宽比取下限值，而对于布置容积要求不高的艇体，该长度取下限值、长宽比取上限值。

如图4所示，中部艇体1内部主要安装电池组、控制***、传动***以及其他仪器设备，其余所有内部多余空间全部采用小重度浮力材料填充，大幅度地提高了破损时的抗沉性，为在破损条件下，维持工作能力提供了支撑。

如图5所示，螺旋桨6与片体7的连接采用前置螺旋桨的支撑框架12和后置螺旋桨的可旋转支撑框架13，保证螺旋桨6连同无刷电机11的重心在片体7的垂直轴心位置。靠近艇艏的前置的螺旋桨6与片体7的连接采用前置螺旋桨的支撑框架12，前置螺旋桨的支撑框架12固定在片体7上面。而靠近艇艉的后置的螺旋桨6与片体7的连接采用后置螺旋桨的可旋转支撑框架13，后置螺旋桨的可旋转支撑框架13则在艇宽方向的外端通过轴承连接于片体7、内端与第一根传动轴14连接，第一根传动轴14的中间与中部艇体1内的传动***连接，第二根传动轴14的中间也与中部艇体1内的传动***连接，第二根传动轴14在艇宽方向的两端分别连接一个水平舵9（参见图7）。螺旋桨6连接无刷电机11的输出轴，由无刷电机11带动旋转。

如图6所示，考虑到航行与飞行对于艇体的左右对称设计要求，两个侧体2采用完全相同的高升阻比、变弦长细长流线型短机翼，翼型是弓型，翼型剖面采用最大厚度位置略前移的改良弓型（图6（a））、最大厚度位置略微后移的改良机翼型（图6（b））。最大厚度h是侧体2弦长L的6%，侧体2的弦长L从上至下逐渐加长、厚度比逐渐减小，在接近底部时弦长缓慢减小，采用变弦长的侧体2可以使主要排水体积靠下，有效缓解艇体被升力托起后由于排水体积减小而引起的稳性下降。一方面可以为艇体在水面航行提供浮性、稳性等船艇静力学性能支撑，另一方面，也可以改善其水面航行的快速性和适航性等动力学性能。

如图7和图8所示，无刷电机11连接电子调速器15，电子调速器15再通过线缆连接到中部艇体1内的电池组和控制***，通过控制***发出指令给电子调速器14来控制无刷电机11的转速，达到螺旋桨6产生不同升力来控制无人艇的姿态和运动的目的。本发明通过中部艇体1内的电池组提供动力，倒挂式感知平台10和顶部感知平台8接收到的无人艇运动实时航行状态信息发送给控制***，控制***通过闭环控制***发送调整航行状态的指令给各个电子调速器15，电子调速器15将控制指令转为电压电流信号发给无刷电机11实现转速控制；控制***还将发送控制指令给传动***，通过第二根传动轴14带动水平舵9转动调整合适的舵角来保证航行的稳定。当倒挂式感知平台10和顶部感知平台8检测到大的海浪接近无人艇时，发出信号给控制***，然后控制***控制四个螺旋桨6调制转轴垂直状态高速旋转，产生巨大升力将无人艇抬升至空中避开波浪；若倒挂式感知平台10和顶部感知平台8检测到需要紧急变向的情况（如在岛礁间不适合飞行状态的情况下），会控制单侧的螺旋桨6旋转使艇体主动产生横倾，使得左右侧体2入水产生不对称转矩，又由于侧体2面积比常规垂直舵要大且侧体2距离中部艇体1距离大，因此该转矩可以达到很大以使得无人艇能够在高速情况下实现小半径转向，具有很高的操纵性。为保证艇体的基本飞行速度，通过闭环控制装置，两个靠近艇艉的螺旋桨6进行自动控制，使其可以绕横向水平轴在0°～20°的角度（见图5）该角度是螺旋桨6的轴线与艇体舯横剖面的夹角，从螺旋桨6的轴线转向艇体舯横剖面逆时针为正内转动。根据速度要求，航速越大转角越大，反之越小。螺旋桨6在无刷电机11的带动下高速旋转可以产生升力，实现无人艇的垂直起降，可以在高海况下实现紧急避浪，而且四个螺旋桨6的布置方式使得无人艇在飞行状态时候比水上直升机具有更好的抗风性能和操纵性能，还能够以飞行状态快速转移作业区域。另外，左右两侧螺旋桨6不同步工作时可实现主动减摇，增加其波浪中作业时候的稳定性。

Claims (5)

1.一种水面三体两栖无人艇，具有中间艇体（1），其特征是：中间艇体（1）的底部正中间通过垂直的第一片体（4）连接入水艇体（3），中间艇体（1）的正中间两侧各通过一个水平的第二片体（7）连接一个侧体（2）的顶部，每个第二片体（7）上前后均置放两个螺旋桨（6），入水艇体（3）的上部低于侧体（2）的底部，每个侧体（2）的底部均通过外张水翼（5）连接入水艇体（3）；两个侧体（2）沿中间艇体（1）横向向外下方延伸，向外下方的外张角度为35°～65°；中间艇体（1）中部偏前的顶面布置一个顶部感知平台（8），中间艇体（1）前部下底面布置一个倒挂式感知平台（10）；两个第二片体（7）、两个侧体（2）、两个外张水翼（5）均相对于中间艇体（1）左右对称，四个螺旋桨（6）相对于中间艇体（1）两两左右对称；中部艇体（1）内部设有电池组、控制***、传动***以及其他仪器设备；前置螺旋桨（6）与片体（7）之间以固定在第二片体（7）上的前置螺旋桨的支撑框架（12）连接，后置螺旋桨（6）与第二片体（7）之间以后置螺旋桨的可旋转支撑框架（13）连接，后置螺旋桨的可旋转支撑框架（13）在艇宽方向的外端通过轴承连接于第二片体（7）、内端与第一根传动轴（14）连接；传动***分别连接第一、第二根传动轴（14）的中间，第二根传动轴（14）在艇宽方向的两端分别连接一个水平舵（9）；螺旋桨（6）连接无刷电机（11），无刷电机（11）通过电子调速器（15）连接电池组和控制***。

2.根据权利要求1所述水面三体两栖无人艇，其特征是：侧体（2）最大长度与最大横向尺度之比为9～22，长高比为4～9。

3.根据权利要求1所述水面三体两栖无人艇，其特征是：前置两个螺旋桨（6）和后置两个螺旋桨（6）转速相反。

4.根据权利要求1所述水面三体两栖无人艇，其特征是：中间艇体（1）的上部主体长高比为9～12；入水浮体（3）长度为中间艇体（1）总长的1/4～1/2、长宽比为5～9。

5.根据权利要求1所述水面三体两栖无人艇，其特征是：两个侧体（2）是变弦长的细长流线型短机翼，翼型剖面是最大厚度位置略前移的改良弓型和最大厚度位置略微后移的改良机翼型，最大厚度是侧体（2）的弦长的6%，侧体（2）的弦长从上至下逐渐加长、厚度比逐渐减小，在接近底部时弦长缓慢减小。

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