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一种用于波浪滑翔机的转向装置及其通讯控制方法.pdf

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一种 用于 波浪 滑翔机 转向 装置 及其 通讯 控制 方法
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摘要
申请专利号:

CN201910048766

申请日:

20190118

公开号:

CN109572945A

公开日:

20190405

当前法律状态:

公开

?#34892;?#24615;:

审中

法?#19978;?#24773;: 公开
IPC分类号: B63B35/00;B63H1/04;B63H25/42;B63H21/17 主分类号: B63B35/00;B63H1/04;B63H25/42;B63H21/17
申请人: 上海交通大学
发明人: 田新亮;王道勇;王鹏;杨建民;李欣;彭涛;郭孝先;赵亚坤
地址: 200240 上海市闵行区东川路800号
优先权:
专利代理机构: 31220 代理人: 郑立
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法律状态
申请(专利)号:

CN201910048766

授权公告号:

法律状态公告日:

20190405

法律状态类型:

公开

摘要

本发明公开了一种用于波浪滑翔机的转向装置及其通讯控制方法,涉及船舶与海洋工程领域,包括螺旋桨和电子调速器,螺旋桨安装在波浪滑翔机的水下滑翔体尾部。本发明设计合理,实用性强,本装置通过螺旋桨产生较大的横向推力,结合具有快速动态响应特点的电子调速器实现通讯控制过程,从而?#34892;?#25552;高波浪滑翔机的转向效率,保证其路径追踪功能的准确性和可靠性,大大?#26723;?#20102;生产成本和能源消耗。

权利要求书

1.一种用于波浪滑翔机的转向装置,其特征在于,包括螺旋桨和电子调速器,所述螺旋桨安装在所述波浪滑翔机的水下滑翔体尾部。 2.如权利要求1所述的用于波浪滑翔机的转向装置,其特征在于,所述螺旋桨横向安装在所述水下滑翔体尾部的通孔内。 3.如权利要求1所述的用于波浪滑翔机的转向装置,其特征在于,所述电子调速器安装在所述波浪滑翔机的水面浮体的舱室中。 4.如权利要求1所述的用于波浪滑翔机的转向装置,其特征在于,所述电子调速器通过三相线与所述螺旋桨连接。 5.如权利要求1所述的用于波浪滑翔机的转向装置,其特征在于,所述电子调速器通过电源线与太阳能板连接,所述太阳能板安装在所述波浪滑翔机的水面浮体上。 6.如权利要求1所述的用于波浪滑翔机的转向装置,其特征在于,所述电子调速器通过信号线与所述波浪滑翔机的控制?#20302;?#36830;接。 7.如权利要求1所述的用于波浪滑翔机的转向装置,其特征在于,所述螺旋桨叶片为弧?#25105;?#29255;,所述弧?#25105;?#29255;末端设有导流结构。 8.如权利要求7所述的用于波浪滑翔机的转向装置,其特征在于,所述螺旋桨叶片数量为3~6个。 9.如权利要求1所述的用于波浪滑翔机的转向装置,其特征在于,所述螺旋桨叶片的最外层是碳?#23435;?#23618;。 10.一种如权利要求1所述的用于波浪滑翔机的转向装置的通讯控制方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤: 步骤1、所述波浪滑翔机的控制?#20302;?#26681;据编定的程序和所需推力大小输出不同的PWM波的占空比; 步骤2、所述电子调速器通过信号线接收所述控制?#20302;?#36755;出的PWM波的占空比,根据PWM波的占空比的不同调整输出电压高低,并通过三相线将电压信号输出给所述螺旋桨; 步骤3、根据所述电子调速器的输出电压的高低,所述螺旋桨的转速会发生相应改变,从而获得改变所述波浪滑翔机航向所需要的推力。

说明书


一种用于波浪滑翔机的转向装置及其通讯控制方法
技术领域


本发明涉及船舶与海洋工程领域,尤其涉及一种用于波浪滑翔机的转向装置及其
通讯控制方法。


背景技术


随着社会经济的快速发展,陆地资源短缺、人口膨胀、环境恶化等问题日益严峻,
人们逐渐把目光投向了资源丰富的海洋,因此海洋的观测和开发就成为一个重要话题。目
前各种各样的海洋观测和开发设备已经涌现了出来,但是这些设备的动力?#20302;?#19968;般采用的
是?#21152;?#25110;电池,需要能源的补充,因此续航能力非常有限,无法进行长时间的监测,而且容
易造成海洋环境污染。要从根本上解决这一问题,就必须改进它的驱动方?#20132;?#32773;采用新的
能源供应。波浪滑翔机的出现就很好地解决了这一问题,它突破了海洋观测技术自身尺度
大时序长、检测成本昂贵以及海洋环境恶劣等限制,使海洋观测技术可以进行长期大范围
的作业而无需维护,并?#39029;?#26412;消耗较低。作为一种新型的无人观测设备,它是利用波浪能进
行驱动,几乎不需要提供额外的能量,实现了强的续航能力,而且没有废气和废物的排放,
对海洋环境不会造成污染。在其上搭载有太阳能电池板,为各种测量仪器进行能源补充,因
此可实现长时间﹑大范围的自主航行。波浪滑翔机搭载的多种传感器,可以获取各种海洋参
数,并且将数据及时的传递?#26728;?#31449;上,实现对各个区域的海洋环境的监测。


波浪滑翔机是由水面浮体和水下滑翔体两大部分组成。水面浮体上主要载有太阳
能电池板﹑控制?#20302;暢p传感器?#20302;?#20197;及可充电电池等。水下滑翔体则是使用纯机械的方式,
将波浪能转化为前行的动力,其主要由可转动的翼板﹑翼板支撑框架等组成。水面浮体在海
洋波浪的作用下产生垂荡运动,进而通过柔性缆绳使水下滑翔体做升降运动。调整水下滑
翔体机翼的角度,滑翔体则会在做升降运动的同时产生向前的运动,而柔性缆绳的牵引使
水面浮体亦产生向前的运动。水面浮体利用太阳能实现卫星和基?#23616;?#38388;指令和数据的传
输,从而实现路径跟踪和任务监测。因此,波浪滑翔机可以实现长时间大航程的观测作业,
而且不需要额外的能源补给。


目前波浪滑翔机在海洋中航行时的转向主要是依靠安装在水下滑翔体尾部的尾
舵实现的。水下滑翔体在水下航行?#20445;?#27969;动的水在舵叶上产生横向作用力,从而改变水下滑
翔体的航行方向,进而改变水面浮体的航向。然而,这种横向作用力的大小取决于水下滑翔
体的速度,速度越快,作用力越大。对于完全由波浪能驱动的水下滑翔体,其前进速度通常
较小,因此难以产生较大的转向力矩,波浪滑翔机的转向效率难以得到保证,对于其路径追
踪功能的实现造成了阻碍。


因此,本领域的技术人员致力于开发一种用于波浪滑翔机的转向装置,同?#24065;?#20837;
先进的通讯控制?#20302;?#20197;提高波浪滑翔机的转向效率,进而确保其路径跟踪功能的准确性和
可靠性。


发明内容


有鉴于现有技术的上述缺陷,本发明所要解决的技术问题是针对完全由波浪能驱
动的水下滑翔体,如何在转向时产生较大的横向推力以提高波浪滑翔机的转向效率,进而
保证其路径跟踪功能的准确性和可靠性。


为实现上述目的,本发明提供了一种用于波浪滑翔机的转向装置及其通讯控制方
法。具体地,本发明提供的技术方案如下:


一种用于波浪滑翔机的转向装置,包括螺旋桨和电子调速器,所述螺旋桨安装在
所述波浪滑翔机的水下滑翔体尾部。


进一步地,所述螺旋桨横向安装在所述水下滑翔体尾部的通孔内。


进一步地,所述电子调速器安装在所述波浪滑翔机的水面浮体的舱室中。


进一步地,所述电子调速器通过三相线与所述螺旋桨连接。


进一步地,所述电子调速器通过电源线与太阳能板连接,所述太阳能板安装在所
述波浪滑翔机的水面浮体上。


进一步地,所述电子调速器通过信号线与所述波浪滑翔机的控制?#20302;?#36830;接。


进一步地,所述螺旋桨叶片为弧?#25105;?#29255;,所述弧?#25105;?#29255;末端设有导流结构。


进一步地,所述螺旋桨叶片数量为3~6个。


进一步地,所述螺旋桨叶片的最外层是碳?#23435;?#23618;。


本发明还公开了一种如上所述的用于波浪滑翔机的转向装置的通讯控制方法,所
述方法包括以下步骤:


步骤1、所述波浪滑翔机的控制?#20302;?#26681;据编定的程序和所需推力大小输出不同的
PWM波的占空比;


步骤2、所述电子调速器通过信号线接收所述控制?#20302;?#36755;出的PWM波的占空比,根
据PWM波的占空比的不同调整输出电压高低,并通过三相线将电压信号输出给所述螺旋桨;


步骤3、根据所述电子调速器的输出电压的高低,所述螺旋桨的转速会发生相应改
变,从而获得改变所述波浪滑翔机航向所需要的推力。


与现有技术相比,本发明提供的一种用于波浪滑翔机的转向装置及其通讯控制方
法,具有以下有益效果:


1、本装置可以在水下滑翔体的横向产生较大的推力,克服了原有的尾舵?#20302;?#22312;低
速时转向力矩较低的问题,使转向更加灵活,?#34892;?#25552;高了波浪滑翔机的转向效率;


2、本装置采用的电子调速器具有较快的动态响应过程,收到控制?#20302;?#21457;送的控制
命令后能够很快地控制螺旋桨产生相应的推力,从而使波浪滑翔机的转向更加灵活可控;


3、本装置可以进一步确保波浪滑翔机路径追踪功能的准确性和可靠性,提高作业
效率,大大?#26723;?#20102;生产成本和能源消耗。


以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明,以
充分地?#31169;?#26412;发明的目的、特征和效果。


附图说明


图1是本发明的一个较佳实施例提供的一种用于波浪滑翔机的转向装置的安装示
意图;


图2是本发明的一个较佳实施例提供的一种用于波浪滑翔机的转向装置的工作原
理示意图。


其中,1-水面浮体,2-舱室,3-太阳能板,4-控制?#20302;常?-电子调速器,6-信号线,7-
电源线,8-柔性缆绳,9-三相线,10-水下滑翔体,11-螺旋桨。


具体实施方式


以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例,使其技术内容更加清楚和便
于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体?#37073;?#26412;发明的保护范围并非仅限
于文中提到的实施例。


在附图中,结构相同的部件以相同数字标号表示,各处结构或功能相似的组件以
相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是?#25105;?#31034;出的,本发明并没有限定
每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰,附图中?#34892;?#22320;方?#23454;?#22840;大了部件的厚度。


如图1所示,本发明的一个较佳实施例用于波浪滑翔机的转向装置的安装示意图,
该装置包括螺旋桨11和电子调速器5。螺旋桨11安装在波浪滑翔机的水下滑翔体10的尾部
所设的通孔内,并通过三相线9与电子调速器5连接。电子调速器5置于波浪滑翔机的水面浮
体1的舱室2内,通过电源线7与太阳能板3连接,从而获取调速以及驱动螺旋桨旋转所需要
的电能。电子调速器5通过信号线6与波浪滑翔机的控制?#20302;?连接,从而接收控制?#20302;?所
发送的具有一定占空比的PWM波信号进行调速。螺旋桨11的桨叶可正转或者反转:在水流的
作用下,正转时产生向右的推力,使水下滑翔体10向左前进?#29615;?#36716;时产生向左的推力,使水
下滑翔体10向右前进。


具体地,本装置的螺旋桨叶片为弧?#25105;?#29255;,且在弧?#25105;?#29255;末端设有导流结构。弧形
叶片和周围的海水发生相对运动时会驱动周围的海水发生紊流,紊流的发生将导致海水流
?#23454;?#20043;间相互碰撞而消耗掉了海水获得的来自弧?#25105;?#29255;转动的动能,也就是转化为?#23435;?#29992;
的内能耗散浪费掉了,?#26723;?#26412;装置的能量效率。在弧?#25105;?#29255;末端增设导流结构可以引导海
水?#23454;?#30456;对弧?#25105;?#29255;表面运动的方向,使得海水?#23454;?#36895;度方向的变化可以平稳过渡,?#26723;?br>?#30528;?#25968;,大大改善螺旋桨桨毂周围和桨毂后面的流场,改善的流场将使得弧?#25105;?#29255;驱动的
那部分海水的动量都尽可能地与弧?#25105;?#29255;表面接近垂直相反的方向,以便将能量转化为驱
动螺旋桨11的动能;同?#20445;?#32010;流程度的减弱还会?#26723;?#36816;动方向?#21191;?#30340;海水?#23454;闋不?#21494;片的
强度,从而?#26723;?#34746;旋桨11振动剧?#39029;?#24230;和受到的汽蚀破坏,极大程度地减少了转向时紊流
发生的可能性,使转向动作更稳定可控。


本装置采用多组螺旋桨叶片的结构,采用的螺旋桨叶片数量设置为3~6个。本装
置是用于在海洋作业的波浪滑翔机,结合作业环境、螺旋桨11的效率、振动和空泡现象等要
素考?#29301;?#21494;片数量一?#38389;?#32622;在3~6个之间。叶片过少时振动情况较厉害不利于转向的稳定,
叶片过多时会因为翼栅作用使转向效率变低,因为选择这个范围内的叶片数量来确保转向
的稳定性和高效性。


本装置的螺旋桨叶片最外层可增置碳?#23435;?#23618;。因为海洋环境是一种复杂的腐蚀环
境。在这种环境中,含有多种电解质的海水本身是一种强的腐蚀介质,同时波、浪、潮、流又
对金属构件产生?#25512;低?#22797;应力和冲击,加上海洋微生物、附着生物及它们的代谢产物等都
对腐蚀过程产生直接或间接的加速作用,而螺旋桨叶片在高速旋转?#20445;?#21457;生和海水的高速
相对运动,产生一定的真空压力,造成液体汽化,汽化的气泡在海水?#23454;?#30340;?#19981;?#36816;动下,造
成螺旋桨叶片的表面发生剥落,从而破坏螺旋桨叶片。碳?#23435;?#22312;有机溶剂、酸性和碱性环境
中,不溶不?#29301;透?#34432;性非常好,增置碳?#23435;?#23618;可延长螺旋桨叶片的寿命和耐用性。另外,作
为?#23435;?#26448;料,碳?#23435;?#20855;有高强度和高模量的物理性能,增置碳?#23435;?#23618;可以使得螺旋桨叶片
做到内韧外刚,使螺旋桨叶片在突然启动或受到重载?#20445;?#19981;容易发生断裂,在平时运转时受
到轻载的应力不容易发生变形。


如图2所示,本发明的一个较佳实施例提供的用于波浪滑翔机的转向装置的工作
原理示意图。本装置中电子调速器5控制螺旋桨11转速使用的是脉冲宽度调制(PWM)方式。
脉冲宽度调制是利用微处理器的数?#20013;?#21495;对模拟电?#26041;?#34892;控制的一种非常?#34892;?#30340;技术。具
体?#36947;矗?#26159;通过对一系?#26032;?#20914;的宽度进行调制,改变电路输出电压的大小。实际应用中是通
过改变PWM波的占空比实现的。占空比指的是在一段连续工作时间内脉冲占用的时间与总
时间的比值。本实施例中利用该波浪滑翔机的转向装置进行通讯控制过程的具体步骤如
下:


步骤1、所述波浪滑翔机的控制?#20302;?根据编定的程序和所需推力大小输出不同的
PWM波的占空比;


步骤2、所述电子调速器5通过信号线6接收所述控制?#20302;?输出的PWM波的占空比,
根据PWM波的占空比的不同调整输出电压高低,并通过三相线9将电压信号输出给所述螺旋
桨11;


步骤3、根据所述电子调速器5的输出电压的高低,所述螺旋桨11的转速会发生相
应改变,从而获得改变所述波浪滑翔机航向所需要的推力。


本发明采用的电子调速器5可根据接收的PWM波占空比的不同改变螺旋桨11的转
向以及转速。在驱动螺旋桨11正转的占空比区间内,PWM波的占空比越大,输出的平均电压
就越高,螺旋桨11的转速就越快,产生的向右的推力就越大;在驱动螺旋桨11反转的占空比
区间内,PWM波的占空比越小,输出的平均电压就越高,螺旋桨11的转速就越快,产生的向左
的推力就越大。对于一定频率的PWM波信号,其占空比与对应的螺旋桨11推力可由实验测
得。只需要编写程序来改变控制?#20302;?输出的PWM波的占空比,就可以获得改变波浪滑翔机
航向所需要的推力,从而精准地改变波浪滑翔机的航向。


本发明提供的较佳具体实施例在可以在水下滑翔体的横向产生较大的推力,克服
了原有的尾舵?#20302;?#22312;低速时转向力矩较低的问题,使转向更加灵活,?#34892;?#25552;高了波浪滑翔
机的转向效率,并进一步确保波浪滑翔机路径追踪功能的准确性和可靠性,提高作业效率,
大大?#26723;?#20102;生产成本和能源消耗。


以上详?#35813;?#36848;了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术无需创
造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员
依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术
方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。


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