CN103754344A - 一种新型水下航行器并联矢量推进器结构及姿态确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型水下航行器并联矢量推进器结构，包括静平台和动平台，静平台上设有螺旋桨主推电机，动平台上设有螺旋桨传动轴系，其特征在于，静平台与动平台之间设有四组支链，四组支链包括三组RPS主动支链和一组SPS传动支链，静平台、动平台和三组RPS主动支链组成了三自由度并联机构，通过运动分析得到螺旋桨摆动姿态与三组RPS主动支链长度的关系。通过控制三组RPS主动支链的长度，能够使螺旋桨轴线快速达到所需要摆动的角度，并且三组RPS主动支链的驱动力由三个电机共同提供，相对于采用两个电机的推进机构每个电机所提供的功率会相对少一些。当有一个电机失效时，此时为两自由度并联机构，可靠性高。

Description

一种新型水下航行器并联矢量推进器结构及姿态确定方法

技术领域

本发明涉及一种海洋探测工具，更具体地说，是涉及一种水下航行器的推进结构。

背景技术

AUV是水下机器人中的一种，它是无缆式水下机器人，习惯上把它称为自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle,AUV）。随着AUV应用范围的不断扩大，设计者对AUV水下作业任务能力和复杂环境的适应能力提出了更高要求，尤其对AUV操纵性和机动性提出了更高的要求。在此背景下，传统的鳍舵式控制方法在一定程度上已经不能满足AUV在水下运动的复杂程度和灵活性要求，尤其在低速运动时舵的操纵性明显减弱，因此研制新型矢量推进器装置是有效的解决方案之一。矢量推进器也被称为推力转向技术，是指空间运动物体的推进系统除了提供前进推力外，还能同时或单独的在航行体的俯仰、偏航、横滚和反推力等方向上提供推力和力矩，用以部分或全部取代舵面产生的动力来经行控制。为了使矢量推进机构更加顺利的保证AUV能够在水下按照指定航迹作业，需要在现有的基础上提高矢量推进机构的刚度，运动精度及相应的速度。因此，相对于传统的串联机构，并联机构就更加适合作为AUV的矢量推进机构。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种新型水下航行器并联矢量推进器结构，该推进器具备结构紧凑、重量轻、可控性好、可靠性高、工作空间大以及能够使AUV具有低速转向性能等优点，可以满足水下机器人推进需求。

为了解决上述技术问题，本发明一种新型水下航行器并联矢量推进器结构，包括静平台和动平台，所述静平台上设有螺旋桨主推电机，所述动平台上设有螺旋桨传动轴系，所述静平台与动平台之间设有四组支链，所述四组支链包括三组RPS主动支链和一组SPS传动支链，所述静平台、动平台和三组RPS主动支链组成了三自由度并联机构，通过运动分析得到螺旋桨摆动姿态与三组RPS主动支链长度的关系。

本发明一种确定新型水下航行器并联矢量推进器中三组RPS主动支链状态的方法，对于上述新型水下航行器并联矢量推进器,采用牛顿欧拉法进行坐标变换，根据三自由度并联机构的特性，推导出螺旋桨摆动姿态与三组RPS主动支链长度的关系，具体步骤如下：

三组RPS主动支链与静平台之间的连接形成三个转动副A₁、A₂、A₃，所述三个转动副A₁、A₂、A₃相对螺旋桨主推电机的主轴径向均布，三组RPS主动支链与所述动平台之间的连接形成三个球铰链B₁、B₂、B₃，所述三个球铰链B₁、B₂、B₃相对所述螺旋桨传动轴系径向均布，△A₁A₂A₃和△B₁B₂B₃均为正三角形，△A₁A₂A₃的顶点与中心之间的距离为向量a₁的长度，△B₁B₂B₃的顶点与中心之间的距离为向量b₁的长度；△A₁A₂A₃的几何中心为点A，△B₁B₂B₃的几何中心为点B；于点A和点B处分别建立坐标系A-xyz和B-uvw，其中，坐标系A–xyz的z轴和坐标系B–uvw的w轴分别垂直于平面A₁A₂A₃和平面B₁B₂B₃，定义螺旋桨轴线的方向向量为e，坐标系B–uvw的u轴和坐标系A–xyz的x轴分别平行于B₂B₃和A₂A₃，坐标系A–xyz的y轴和坐标系B–uvw的v轴的方向由右手定则确定，在A₁、A₂、A₃点分别建立三组RPS主动支链的定坐标系A₁-x₁y₁z₁、A₂-x₂y₂z₂、A₃-x₃y₃z₃和三组RPS主动支链的连体坐标系A₁-u₁v₁w₁、A₂-u₂v₂w₂、A₃-u₃v₃w₃，其中，定坐标系A₁-x₁y₁z₁的x₁轴、定坐标系A₂-x₂y₂z₂的x₂轴、定坐标系A₃-x₃y₃z₃的x₃轴、连体坐标系A₁-u₁v₁w₁的u₁轴、连体坐标系A₂-u₂v₂w₂的u₂轴、连体坐标系A₃-u₃v₃w₃的u₃轴与所述三个转动副A₁、A₂、A₃的轴线重合，同时，所述z₁轴、z₂轴、z₃轴与z轴平行；所述w₁轴、w₂轴、w₃轴与RPS主动支链的轴线重合；y₁轴、y₂轴、y₃轴、v₁轴、v₂轴和v₃轴的方向由右手定则确定；

通过α、β两个参数确定螺旋桨摆动姿态，设螺旋桨轴线依次绕x轴旋转α角、绕y轴旋转β角，则螺旋桨轴线的姿态矢量e表示为：

$e=\left[\begin{array}{c}\mathrm{s\βc\α}\\ -\mathrm{s\α}\\ \mathrm{c\βc\α}\end{array}\right],$ 式中s=sin,c=cos；

式中s=sin，c=cos；θ,φ,ψ为坐标转换矩阵R内部的三个参数；

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{\mathrm{Bx}}=\frac{a}{2}(1-\cos \mathrm{\θ})\sin 2\mathrm{\ψ}\\ r_{\mathrm{By}}=\frac{a}{2}(1-\cos \mathrm{\θ})\cos 2\mathrm{\ψ}\end{array}\right.,$ a为向量a₁的长度；；r_Bx,r_By分别是B点在坐标系A-xyz上的x轴，y轴坐标；

$R=\left(\begin{array}{ccc}\mathrm{c\ψc\φ}-\mathrm{s\ψc\θs\φ}& \text{-c\ψs\φ-s\ψc\θc\φ}& \mathrm{s\ψs\θ}\\ \mathrm{s\ψc\φ}+\mathrm{c\ψc\θs\φ}& -\mathrm{s\ψs\φ}+\mathrm{c\ψc\θc\φ}& -\mathrm{c\ψs\θ}\\ \mathrm{s\θs\φ}& \mathrm{s\θc\φ}& \mathrm{c\θ}\end{array}\right),$ 式中s=sin，c=cos；R为坐标系A–xyz相对于坐标系B–uvw转换矩阵；

${\stackrel{\→}{r}}_B=\left[\begin{array}{c}{r}_{\mathrm{Bx}}\\ r_{\mathrm{By}}\\ z\end{array}\right],$

是B点在坐标系A-xyz上的坐标，式中z为B点到平面A₁A₂A₃的距离；

至此，得出三个RPS主动支链的长度分别为：

$q_i=\left|\right|{\stackrel{\→}{r}}_B+R{\stackrel{\→}{b}}_i-{\stackrel{\→}{a}}_i\left|\right|,$ 其中，i=1,2,3。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）采用并联结构，不但提高了机构的刚度、相应速度和运动精度；而且结构紧凑，重量轻，尤其适合渐收的流线形尾部空间。

（2）采用三自由度并联机构，通过控制三个RPS主动支链的长度，能够使螺旋桨轴线快速达到所需要摆动的角度，并且三个RPS主动支链的驱动力由三个电机共同提供，相对于采用两个电机的推进机构每个电机所提供的功率会相对少一些。虽然，三个RPS主动支链中有一个多余的自由度，但是可以通过控制三个RPS主动支链的长度可以使平动位移是零，此外，当有一个电机失效时，此时为两自由度并联机构。自由度虽有冗余，但可靠性高。

（3）采用SPS传动支链将主推电机的运动和转矩传递到螺旋桨轴系，避免直接将电机安放在动平台上，减小了并联机构的质量和惯量，进一步优化了矢量推进机构的动力学性能。

（4）本发明中只有电机套筒和水下航行器的机架相连，避免了由于机架刚度不足在矢量机构运动中造成误差。

附图说明

图1是本发明新型水下航行器并联矢量推进器结构的整体外观图；

图2是图1中所示RPS主动支链简图；

图3是图1中所示SPS传动支链示意图；

图4是本发明新型水下航行器并联矢量推进器结构的机构简图；

图5是本发明中三自由度并联机构简图；

图中1-螺旋桨主推电机，2-电机套筒，3-RPS主动支链，4-SPS传动支链，5-螺旋桨传动轴系，31-转动副，32-作动筒密封舱，33-伸缩杆,34-球铰链，41-第一等速万向节，42-花键连接，43-第二等速万向节。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，本发明一种新型水下航行器并联矢量推进器结构，包括静平台和动平台，所述静平台上设有螺旋桨主推电机1，所述动平台上设有螺旋桨传动轴系5，所述静平台与动平台之间设有四组支链，所述四组支链包括三组RPS主动支链3和一组SPS传动支链4，所述静平台、动平台和三组RPS主动支链3组成了三自由度并联机构。本发明机构的主体以电机套筒2作为静平台。其运动部件包括：三组RPS主动支链3（如图2所示）、动平台以及其上的螺旋桨传动轴系5，另外，在静平台与动平台之间设有SPS传动支链。三组RPS主动支链和静、动两个平台组成了三自由度并联机构。为了将转矩从位于静平台的电机套筒2中的电机传递到螺旋桨传动轴系5，设置有SPS传动支链4，如图3所示。在机构运动中，该SPS传动支链4不影响机构总自由度，只负责传递电机运动和转矩。矢量推进器的机构简图如图4所示。

结合附图对本发明做进一步描述。矢量推进器的整体外观如图1所示，1为螺旋桨主推电机，2为电机套筒，并在该并联矢量推进器中充当机架即静平台的作用；3为RPS主动支链；4为SPS传动支链，该SPS传动支链负责将螺旋桨主推电机1的转矩和运动传递到螺旋桨传动轴系5中。

图2为本发明中RPS主动支链的简图，其中31为转动副；32为作动筒密封舱,该作动筒密封舱32内装有步进电机和与该步进电机相连的丝杠—螺母传动副，通常还配有压力补偿装置，以适合深水状态下使用；伸缩杆33与丝杠—螺母传动副中的螺母相连；34为球铰链。在机构运动中，整个RPS主动支链拥有6个自由度，其中，轴向伸缩的P自由度受到步进电机的控制。通过控制步进电机的转角、转速可以在三组RPS主动支链协同工作的情况下控制螺旋桨传动轴系的转角和转速，使其做两自由度球面运动，从而满足矢量推进的要求。

图3为本发明中SPS传动支链的简图，其中41为连接螺旋桨主推电机1的第一等速万向节；42为花键连接；43为连接螺旋桨传动轴系5与SPS传动支链4的第二等速万向节。在整个机构运动中，SPS传动支链4既不对动平台提供约束也不产生主动运动，只负责将螺旋桨主推电机1的转矩传递到螺旋桨传动轴系5中。由于SPS传动支链4的存在，可以使现有技术中设计在动平台上的主推电机转移到机架上，并且在外部阻力不是很大的情况下仍然能精确的将螺旋桨主推电机1的转动传递到螺旋桨传动轴系5中。这样避免了动平台上由于装备质量过大而导致的整个机构惯性过大，同时，也减小了机构运动中三个RPS主动支链中的电机所需要输出的转矩，从而减小所需电机的额定转矩、功率以及转子的转动惯量，降低了成本。另外，也使得机构构型更加紧凑，便于更加合理的规划AUV尾部空间。

图4为本发明矢量推进器的机构简图，通过此图可以明显的看出本发明推进器中的三组RPS主动支链3与动平台和静平台之间的连接关系，针对本发明新型水下航行器并联矢量推进器，采用牛顿欧拉法进行坐标变换，根据其中三自由度并联机构的特性，推导出螺旋桨摆动姿态与三组RPS主动支链长度的关系，如图5所示，具体步骤如下：

三组RPS主动支链与静平台之间的连接形成三个转动副A₁、A₂、A₃，所述三个转动副A₁、A₂、A₃相对螺旋桨主推电机的主轴径向均布，三组RPS主动支链与所述动平台之间的连接形成三个球铰链B₁、B₂、B₃，所述三个球铰链B₁、B₂、B₃相对所述螺旋桨传动轴系径向均布，△A₁A₂A₃和△B₁B₂B₃均为正三角形，△A₁A₂A₃的顶点与中心之间的距离为向量a₁的长度，△B₁B₂B₃的顶点与中心之间的距离为向量b₁的长度；△A₁A₂A₃的几何中心为点A，△B₁B₂B₃的几何中心为点B；于点A和点B处分别建立坐标系A-xyz和B-uvw，其中，坐标系A–xyz的z轴和坐标系B–uvw的w轴分别垂直于平面A₁A₂A₃和平面B₁B₂B₃，定义螺旋桨轴线的方向向量为e，坐标系B–uvw的u轴和坐标系A–xyz的x轴分别平行于B₂B₃和A₂A₃，坐标系A–xyz的y轴和坐标系B–uvw的v轴的方向由右手定则确定，在A₁、A₂、A₃点分别建立三组RPS主动支链的定坐标系A₁-x₁y₁z₁、A₂-x₂y₂z₂、A₃-x₃y₃z₃和三组RPS主动支链的连体坐标系A₁-u₁v₁w₁、A₂-u₂v₂w₂、A₃-u₃v₃w₃，其中，定坐标系A₁-x₁y₁z₁的x₁轴、定坐标系A₂-x₂y₂z₂的x₂轴、定坐标系A₃-x₃y₃z₃的x₃轴、连体坐标系A₁-u₁v₁w₁的u₁轴、连体坐标系A₂-u₂v₂w₂的u₂轴、连体坐标系A₃-u₃v₃w₃的u₃轴与所述三个转动副A₁、A₂、A₃的轴线重合，同时，所述z₁轴、z₂轴、z₃轴与z轴平行；所述w₁轴、w₂轴、w₃轴与RPS主动支链的轴线重合；y₁轴、y₂轴、y₃轴、v₁轴、v₂轴和v₃轴的方向由右手定则确定；

通过α、β两个参数确定螺旋桨摆动姿态，设螺旋桨轴线依次绕x轴旋转α角、绕y轴旋转β角，则螺旋桨轴线的姿态矢量e表示为：

$e=\left[\begin{array}{c}\mathrm{s\βc\α}\\ -\mathrm{s\α}\\ \mathrm{c\βc\α}\end{array}\right],$ 式中s=sin,c=cos；

式中s=sin，c=cos；θ,φ,ψ为坐标转换矩阵R内部的三个参数；

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{\mathrm{Bx}}=\frac{a}{2}(1-\cos \mathrm{\θ})\sin 2\mathrm{\ψ}\\ r_{\mathrm{By}}=\frac{a}{2}(1-\cos \mathrm{\θ})\cos 2\mathrm{\ψ}\end{array}\right.,$ a为向量a₁的长度；；r_Bx,r_By分别是B点在坐标系A-xyz上的x轴，y轴坐标；

$R=\left(\begin{array}{ccc}\mathrm{c\ψc\φ}-\mathrm{s\ψc\θs\φ}& \text{-c\ψs\φ-s\ψc\θc\φ}& \mathrm{s\ψs\θ}\\ \mathrm{s\ψc\φ}+\mathrm{c\ψc\θs\φ}& -\mathrm{s\ψs\φ}+\mathrm{c\ψc\θc\φ}& -\mathrm{c\ψs\θ}\\ \mathrm{s\θs\φ}& \mathrm{s\θc\φ}& \mathrm{c\θ}\end{array}\right),$ 式中s=sin，c=cos；R为坐标系A–xyz相对于坐标系B–uvw转换矩阵；

${\stackrel{\→}{r}}_B=\left[\begin{array}{c}{r}_{\mathrm{Bx}}\\ r_{\mathrm{By}}\\ z\end{array}\right],$

是B点在坐标系A-xyz上的坐标，式中z为B点到平面A₁A₂A₃的距离；

至此，得出三个RPS主动支链的长度分别为：

$q_i=\left|\right|{\stackrel{\→}{r}}_B+R{\stackrel{\→}{b}}_i-{\stackrel{\→}{a}}_i\left|\right|,$ 其中，i=1,2,3。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，元件造型、连接方式不经创造性的设计，与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种新型水下航行器并联矢量推进器结构，包括静平台和动平台，所述静平台上设有螺旋桨主推电机，所述动平台上设有螺旋桨传动轴系，其特征在于，所述静平台与动平台之间设有四组支链，所述四组支链包括三组RPS主动支链和一组SPS传动支链，所述静平台、动平台和三组RPS主动支链组成了三自由度并联机构，通过运动分析得到螺旋桨摆动姿态与三组RPS主动支链长度的关系。

2.一种确定新型水下航行器并联矢量推进器中三组RPS主动支链状态的方法，其特征在于，如权利要求1所述新型水下航行器并联矢量推进器,采用牛顿欧拉法进行坐标变换，根据三自由度并联机构的特性，推导出螺旋桨摆动姿态与三组RPS主动支链长度的关系，具体步骤如下：

三组RPS主动支链与静平台之间的连接形成三个转动副A₁、A₂、A₃，所述三个转动副A₁、A₂、A₃相对螺旋桨主推电机的主轴径向均布，三组RPS主动支链与所述动平台之间的连接形成三个球铰链B₁、B₂、B₃，所述三个球铰链B₁、B₂、B₃相对所述螺旋桨传动轴系径向均布，△A₁A₂A₃和△B₁B₂B₃均为正三角形，△A₁A₂A₃的顶点与中心之间的距离为向量a₁的长度，△B₁B₂B₃的顶点与中心之间的距离为向量b₁的长度；△A₁A₂A₃的几何中心为点A，△B₁B₂B₃的几何中心为点B；于点A和点B处分别建立坐标系A-xyz和B-uvw，其中，坐标系A–xyz的z轴和坐标系B–uvw的w轴分别垂直于平面A₁A₂A₃和平面B₁B₂B₃，定义螺旋桨轴线的方向向量为e，坐标系B–uvw的u轴和坐标系A–xyz的x轴分别平行于B₂B₃和A₂A₃，坐标系A–xyz的y轴和坐标系B–uvw的v轴的方向由右手定则确定，在A₁、A₂、A₃点分别建立三组RPS主动支链的定坐标系A₁-x₁y₁z₁、A₂-x₂y₂z₂、A₃-x₃y₃z₃和三组RPS主动支链的连体坐标系A₁-u₁v₁w₁、A₂-u₂v₂w₂、A₃-u₃v₃w₃，其中，定坐标系A₁-x₁y₁z₁的x₁轴、定坐标系A₂-x₂y₂z₂的x₂轴、定坐标系A₃-x₃y₃z₃的x₃轴、连体坐标系A₁-u₁v₁w₁的u₁轴、连体坐标系A₂-u₂v₂w₂的u₂轴、连体坐标系A₃-u₃v₃w₃的u₃轴与所述三个转动副A₁、A₂、A₃的轴线重合，同时，所述z₁轴、z₂轴、z₃轴与z轴平行；所述w₁轴、w₂轴、w₃轴与RPS主动支链的轴线重合；y₁轴、y₂轴、y₃轴、v₁轴、v₂轴和v₃轴的方向由右手定则确定；

通过α、β两个参数确定螺旋桨摆动姿态，设螺旋桨轴线依次绕x轴旋转α角、绕y轴旋转β角，则螺旋桨轴线的姿态矢量e表示为：

$e=\left[\begin{array}{c}\mathrm{s\βc\α}\\ -\mathrm{s\α}\\ \mathrm{c\βc\α}\end{array}\right],$ 式中s=sin,c=cos；

式中s=sin，c=cos；θ,φ,ψ为坐标转换矩阵R内部的三个参数；

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{\mathrm{Bx}}=\frac{a}{2}(1-\cos \mathrm{\θ})\sin 2\mathrm{\ψ}\\ r_{\mathrm{By}}=\frac{a}{2}(1-\cos \mathrm{\θ})\cos 2\mathrm{\ψ}\end{array}\right.,$ a为向量a₁的长度；；r_Bx,r_By分别是B点在坐标系A-xyz上的x轴，y轴坐标；

$R=\left(\begin{array}{ccc}\mathrm{c\ψc\φ}-\mathrm{s\ψc\θs\φ}& \text{-c\ψs\φ-s\ψc\θc\φ}& \mathrm{s\ψs\θ}\\ \mathrm{s\ψc\φ}+\mathrm{c\ψc\θs\φ}& -\mathrm{s\ψs\φ}+\mathrm{c\ψc\θc\φ}& -\mathrm{c\ψs\θ}\\ \mathrm{s\θs\φ}& \mathrm{s\θc\φ}& \mathrm{c\θ}\end{array}\right),$ 式中s=sin，c=cos；R为坐标系A–xyz相对于坐标系B–uvw转换矩阵；

${\stackrel{\→}{r}}_B=\left[\begin{array}{c}{r}_{\mathrm{Bx}}\\ r_{\mathrm{By}}\\ z\end{array}\right],$

是B点在坐标系A-xyz上的坐标，式中z为B点到平面A₁A₂A₃的距离；

至此，得出三个RPS主动支链的长度分别为：

$q_i=\left|\right|{\stackrel{\→}{r}}_B+R{\stackrel{\→}{b}}_i-{\stackrel{\→}{a}}_i\left|\right|,$ 其中，i=1,2,3。

Images