CN105270585B - 一种水下航行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下航行器，包括壳体及安装在壳体上的叶轮组件，壳体内安装有陀螺组件，陀螺组件包括陀螺支架和控制力矩陀螺群，控制力矩陀螺群包括四个单框架控制力矩陀螺，每个单框架控制力矩陀螺均包括单框架、陀螺转子、单框架转轴、单框架驱动电机和陀螺转子驱动电机，单框架驱动电机安装在陀螺支架上并通过单框架转轴驱动单框架旋转，陀螺转子驱动电机和陀螺转子均安装在所述单框架上并且所述陀螺转子通过所述陀螺转子驱动电机驱动其旋转。本发明的控制力矩陀螺群能够提供连续光滑的输出力矩，这满足了航行中对敏捷性和精确性的要求，并且能够在零动量状态下实现零回转半径，极大提高了航行器的机动性。

Description

一种水下航行器

技术领域

本发明属于水下运载工具领域，更具体地，涉及一种水下航行器。

背景技术

目前，绝大多数水下航行器的姿态控制执行机构是舵和桨。一般航行器在高速运动时利用舵控制其姿态，在低速或者零速时利用桨来调整其姿态。其具有以下特点：

1)在航行器处于低速或者零速状态时，舵效丧失。因此对于具有一定速度的航行体若仅仅采用舵作为姿态控制执行机构时，航行器需要较大的回转半径，这不利于航行体在狭小空间里作业。

2)舵和桨所产生的控制力(力矩)都是与流体的相互作用产生的，因此容易受流场影响，难以做到精确姿态控制，特别是在复杂流场环境下作业时。

3)采用桨作为姿态控制执行机构，虽然在航行器低速或零速情况下亦能输出控制力矩，但是也存在一些不足。首先，桨的存在一定程度上破坏了航行器壳体的完整性，这不利于航行器的快速性、耐压性和工艺性；其次，桨裸露在海水中，受海洋生物污染和海水腐蚀严重；另外，单个桨只能提供一个方向的力矩，若要使航行器能够任意姿态角机动，则至少需要多个桨(用于提供推力的桨除外)；再者，螺旋桨与水的相互接触还会产生噪音，这对有隐身性能要求的航行器(如鱼雷)来说，十分不利；最后，桨与水的相互接触会破坏流场的特性，当作业表面是疏松的或作业对象容易受到流场影响时，不利于水下航行体的作业。另外，对一些小型或微型水下航行器，其有限的空间并不利于姿态控制浆的布置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种水下航行器，采用控制力矩陀螺群的陀螺效应来控制航行器的姿态，具有更高的敏捷性与机动性。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种水下航行器，包括壳体及安装在壳体上的叶轮组件，其特征在于，所述壳体内安装有陀螺组件，所述陀螺组件包括陀螺支架和安装在陀螺支架上的控制力矩陀螺群，其中，

所述控制力矩陀螺群包括四个单框架控制力矩陀螺，并且每个单框架控制力矩陀螺均包括单框架、陀螺转子、单框架转轴、单框架驱动电机和陀螺转子驱动电机，其中，所述单框架驱动电机安装在所述陀螺支架上并且其通过所述单框架转轴驱动所述单框架旋转，所述单框架转轴可转动并安装在所述陀螺支架上，所述陀螺转子驱动电机和陀螺转子均安装在所述单框架上并且所述陀螺转子通过所述陀螺转子驱动电机驱动其旋转；

所述单框架控制力矩陀螺还具有电机支座、转换轴、锁紧销、第一滚动轴承与第二滚动轴承，单框架包括上侧轴板和右侧支架，陀螺转子驱动电机由紧固螺栓固定于电机支座上；第一滚动轴承安装于电机支座上，用于支撑陀螺转子；转换轴与陀螺转子通过锁紧销连接并且转换轴位于陀螺转子内，而转换轴通过联轴器固定在陀螺转子驱动电机输出轴上，第二滚动轴承安装在右侧支架上用于支撑转换轴及陀螺转子转动，上侧轴板与电机支座和右侧支架分别通过第一紧固螺钉与第二紧固螺钉连接；当陀螺转子驱动电机通电时，其输出轴带动转换轴转动，并且通过锁紧销传递扭矩带动陀螺转子同步转动，与此同时控制力矩陀螺群整体框架上的单框架驱动电机带动单框架转轴旋转；

所述控制力矩陀螺群的四个单框架转轴的轴线相交且四者分布在一正四棱锥的四条侧棱上。

优选地，所述壳体内壁设置有两条导槽并且每条导槽均沿壳体的纵向设置，所述陀螺支架在对应于导槽的位置设置有多条安装杆并且每条安装杆均沿壳体的横向设置，每条安装杆均伸入所述导槽内并固定在壳体上。

优选地，每个单框架转轴的轴线与壳体中心线所成的角为60°。

优选地，所述控制力矩陀螺群的四个单框架转轴中，其中两个单框架转轴的轴线与所述壳体的中心线共面。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明采取四个单框架控制力矩陀螺相互作用的结构，四个单框架控制力矩陀螺按照一定的构型组合在一起便组成了控制力矩陀螺群。控制力矩陀螺群内部的陀螺转子在围绕其自身旋转轴转动的同时，单框架带动陀螺转子绕单框架转轴转动，迫使陀螺转子的旋转轴方向在空间发生改变，从而获得陀螺力矩，产生陀螺效应，陀螺转子角动量产生的反作用力矩作用在陀螺支架上，而陀螺支架固定在航行器的外壳上，进而实现对航行器的姿态控制。由于控制力矩陀螺群提供的力矩是由陀螺转子的陀螺效应产生的，不需要与流场相互作用，所以可以将控制力矩陀螺群内置于航行器的外壳内，因此它不会破坏航行器体型曲面的完整性，不用直接跟流体接触，所以不影响航行器的快速性，不存在密封问题，也不存在被腐蚀的问题，也有利于抑制振动噪音；另外，控制力矩陀螺群具有力矩放大功能，无论是在高速还是低速亦或是零动量航行中，都能够满足航行器对姿态控制敏捷性的要求；能实现零回转半径，有利于狭小空间内的作业，这对于在限制空间内作业的水下机器人具有非常重要的意义。

2)本发明的控制力矩陀螺群能够提供连续光滑的输出力矩，这满足了航行中对敏捷性和精确性的要求，并且能够在零动量状态下实现零回转半径，极大提高了航行器的机动性。整个航行器控制方便、控制精度高；连接可靠、装拆方便；壳体强度高和抗海水腐蚀能力强；安装灵活、方便，可应用于水下机器人和水下其他航行体。

3)本发明采用合理构型的控制力矩陀螺群，能够提供多个方向的力矩，因此航行体能够实现任意姿态角的机动。控制力矩陀螺群由于内置，不破坏流场的特性，特别有利于航行体抓取容易受流场影响的物体，如微小生物等，也有利于在水下执行精细作业任务。

4)本发明控制力矩陀螺群在航行体上的布置可以非常灵活，可以集中布置，也可以分散布置。

附图说明

图1是本发明撤去壳体中段后的结构示意图；

图2是本发明中壳体的剖面示意图；

图3是图2中沿A-A线的剖视图；

图4是本发明中控制力矩陀螺群的结构示意图；

图5是本发明中陀螺支架的结构示意图；

图6是单框架控制力矩陀螺的结构示意图；

图7是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图7，一种水下航行器，包括壳体I及安装在壳体I上的叶轮组件III，所述壳体I内安装有陀螺组件II，所述陀螺组件II包括陀螺支架16和安装在陀螺支架16上的控制力矩陀螺群，其中，

所述控制力矩陀螺群包括四个单框架控制力矩陀螺15，并且每个单框架控制力矩陀螺15均包括单框架29、陀螺转子36、单框架转轴35、单框架驱动电机13和陀螺转子驱动电机22，其中，所述单框架驱动电机13安装在所述陀螺支架16上并且驱动所述单框架29绕单框架转轴35旋转，所述单框架转轴35可转动安装在所述陀螺支架16上，所述陀螺转子驱动电机22和陀螺转子36均安装在所述单框架29上并且所述陀螺转子36通过所述陀螺转子驱动电机22驱动旋转；

所述控制力矩陀螺群的四个单框架转轴35的轴线相交且四者分布在一正四棱锥的四条侧棱上，要使控制力矩陀螺群具有对航行体三轴的姿态控制能力，理论上是需要三个单框架控制力矩陀螺15组成控制力矩陀螺群。进一步，若要求控制力矩陀螺群有足够的三轴姿态控制能力，则需要有一定的冗余数量的单框架控制力矩陀螺。控制力矩陀螺群包含冗余的单框架控制力矩陀螺数量越大，则其姿态控制能力越强。但是考虑到水下航行体空间，所以采用具有最小冗余系统的控制力矩陀螺群，即由四个单框架控制力矩陀螺15组成的金字塔构型的控制力矩陀螺群。而轴线分布在正四棱锥的四条侧棱上，这样可以使控制力矩陀螺群可控角动量大，冗余性高，寿命长，机动性能强。

进一步，所述壳体I内壁设置有两条导槽12并且每条导槽12均沿壳体I的纵向设置，所述陀螺支架16在对应于导槽12的位置设置有多条安装杆21并且每条安装杆21均沿壳体I的横向设置，每条安装杆21均伸入所述导槽12内并固定在壳体I上，这样便于陀螺支架16的安装。

进一步，每个单框架转轴35的轴线与壳体I中心线所成的角为60°，这样可以使控制力矩陀螺群在三个坐标轴上的最大角动量吸收能力尽可能相近。

进一步，所述控制力矩陀螺群的四个单框架转轴35中，其中两个单框架转轴35的轴线与所述壳体I的中心线共面，这样可以使奇异面复杂程度减小，操纵率设计难度减小，可控性增加。

进一步，所述控制力矩陀螺群中，考虑到水动力，设计了航行体基于四元数的PD姿态控制器。为了增强控制器抗干扰的能力，还进一步增加了基于四元数的滑膜变结构的姿态控制器。

参照图1，本发明的航行器优选包括三个部分，即壳体I，控制力矩陀螺群II及尾部的叶轮组件III。由于航行器整体采用密封机构，控制力矩陀螺群不与流体直接接触，故不需考虑控制力矩陀螺群本身的密封与腐蚀的问题，也有利于控制噪音。

图2为航行器壳体I的部件装配图。壳体I优选由首段1，中段5,尾段9及尾部法兰盘11组成。为了兼顾航行器的快速性和加工制造的工艺性，将航行器的头部设计为半球形，中部和尾部设计为圆柱型。壳体I的首段1和中段5之间用第一螺钉3紧固，并用第一密封圈2密封。中段5部分主要用于容纳执行机构、电源、控制系统的硬件等。中段5和尾段9之间由第二螺钉7固定，用第二密封圈6密封。尾部法兰盘11通过第三螺钉10固定于尾段上。壳体I的中段5的A向视图如图3所示，滑轨12用于安装控制力矩陀螺群。另外，在壳体I内可以设置滑轨4和隔板8，滑轨4的数量为两条并且二者之间形成导槽12，安装杆21可在滑轨4上自由滑动，确定位置后，再用第四螺钉紧固。。

控制力矩陀螺群整体结构如图4所示，它具有单框架驱动电机13，单框架驱动电机支座14，单框架控制力矩陀螺15及金字塔型的陀螺支架16。单框架驱动电机13固定在单框架驱动电机支座14上，并且两者由螺钉固定于陀螺支架16上。单框架驱动电机13用于驱动单框架29低速旋转。

图5为金字塔型框架的结构图，它由上支撑板17，下支撑板18，对孔横架19，对孔斜支架20及安装杆21构成。斜支架20与横架19的上下两端都留有用于安装单框架控制力矩陀螺15机构的孔。如图两个对孔斜支架20对称安装于下支撑板18上，在支架顶部安装上支撑板17，均采用螺钉固定。对孔横架19装在于上支撑板17和下支撑板18中间，用螺钉固定在上支撑板17和下支撑板18上。前侧和后侧的单框架控制力矩陀螺15的主轴嵌于横架19的孔中，而左右两侧的控制力矩陀螺的主轴嵌于斜支架20的孔中。安装杆21可在航行器中段滑轨上自由滑动，确定位置后，用螺钉紧固。

单框架力矩陀螺的结构图如图6所示，它具有陀螺转子驱动电机22，电机支座23，转换轴28，单框架29、锁紧销34，单框架转轴35，陀螺转子36，第一滚动轴承26与第二滚动轴承33，单框架29包括上侧轴板30和右侧支架32，陀螺转子驱动电机22由紧固螺栓25固定于电机支座23上，转换轴28的一端通过联轴器27与陀螺转子驱动电机22的输出轴连接，另一端由第二滚动轴承33支撑；第一滚动轴承26安装于电机支座23上，用于支撑陀螺转子36。陀螺转子36与转换轴28由锁紧销34连接，而转换轴28通过联轴器27固定在陀螺转子驱动电机22输出轴上，第二滚动轴承33安装在右侧支架32上用于支撑转换轴28及陀螺转子36转动。上侧轴板30与电机支座23和右侧支架32分别通过第一紧固螺钉24与第二紧固螺钉31连接。当陀螺转子驱动电机22通电时，其输出轴带动转换轴28转动，并且通过锁紧销34传递扭矩带动陀螺转子36同步转动。与此同时控制力矩陀螺群整体框架上的单框架驱动电机13带动单框架转轴35旋转，陀螺转子36在高速旋转的同时其旋转轴线位置也发生了变化，这样就会产生一个作用于框架的力矩，称为陀螺效应。框架控制力矩陀螺控制水下航行体的姿态是依靠其角动量的变化，其角动量的大小与陀螺的转动惯量、转速有关。通过伺服机构改变四个单框架力矩陀螺的旋转速度就可实现对航行器运动姿态的准确控制。

本发明的控制力矩陀螺群采用由四个高速转动的陀螺按空间组成金字塔构型。四个陀螺高速转动产生角动量，改变角动量就可以利用产生的陀螺效应对航行体进行姿态控制。因此需要四台陀螺转子驱动电机22以驱动陀螺作高速转动，并需要四台低速大力矩电机用以改变转动陀螺角动量的方向。

陀螺转子驱动电机22转速要求在1500r/min～20000r/min，为此定制一款高速无刷直流电机。电机额定电压24V，空载额定转速大于20000r/min，空载额定电流1.5A～1.55A，使用电位器进行速度调节。由于定制电机加工制作的误差，每个电机的转速特性有所差别。通过控制系统手动调节电位器(前期试验)或者通过计算机与驱动器通信利用闭环控制(后期试验)，四台电机的性能可以满足试验要求。

陀螺转子驱动电机22驱动器是通用24V无刷直流电机驱动器DBLS-02系列，型号为BLSD2410DC-2Q-S。该驱动器以无刷直流电机控制器MC33035为核心，为闭环速度型控制器，利用直流无刷电机的霍尔信号进行倍频后进行闭环速度控制，控制环节设有PID速度调节器，系统控制稳定可靠，并带有速度显示功能。陀螺转子驱动电机22的速度是受到引脚SV输入模拟量的控制，对应0～5V模拟量电压，电机输出速度的范围为零至额定转速。

改变力矩陀螺的角动量需要低转速大力矩电机，因此单框架驱动电机13选用直流减速电机，工作时，其转速为0～10r/min。单框架29的低转速和陀螺转子36的高转速配合，从而对水下航行器的姿态进行控制。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种水下航行器，包括壳体及安装在壳体上的叶轮组件，其特征在于，所述壳体内安装有陀螺组件，所述陀螺组件包括陀螺支架和安装在陀螺支架上的控制力矩陀螺群，其中，

所述控制力矩陀螺群包括四个单框架控制力矩陀螺，并且每个单框架控制力矩陀螺均包括单框架、陀螺转子、单框架转轴、单框架驱动电机和陀螺转子驱动电机，其中，所述单框架驱动电机安装在所述陀螺支架上并且其通过所述单框架转轴驱动所述单框架旋转，所述单框架转轴可转动并安装在所述陀螺支架上，所述陀螺转子驱动电机和陀螺转子均安装在所述单框架上并且所述陀螺转子通过所述陀螺转子驱动电机驱动其旋转；

所述单框架控制力矩陀螺还具有电机支座、转换轴、锁紧销、第一滚动轴承与第二滚动轴承，单框架包括上侧轴板和右侧支架，陀螺转子驱动电机由紧固螺栓固定于电机支座上；第一滚动轴承安装于电机支座上，用于支撑陀螺转子；转换轴与陀螺转子通过锁紧销连接并且转换轴位于陀螺转子内，而转换轴通过联轴器固定在陀螺转子驱动电机输出轴上，第二滚动轴承安装在右侧支架上用于支撑转换轴及陀螺转子转动，上侧轴板与电机支座和右侧支架分别通过第一紧固螺钉与第二紧固螺钉连接；当陀螺转子驱动电机通电时，其输出轴带动转换轴转动，并且通过锁紧销传递扭矩带动陀螺转子同步转动，与此同时控制力矩陀螺群整体框架上的单框架驱动电机带动单框架转轴旋转；

所述控制力矩陀螺群的四个单框架转轴的轴线相交且四者分布在一正四棱锥的四条侧棱上。

2.根据权利要求1所述的一种水下航行器，其特征在于，所述壳体内壁设置有两条导槽并且每条导槽均沿壳体的纵向设置，所述陀螺支架在对应于导槽的位置设置有多条安装杆并且每条安装杆均沿壳体的横向设置，每条安装杆均伸入所述导槽内并固定在壳体上。

3.根据权利要求1所述的一种水下航行器，其特征在于，每个单框架转轴的轴线与壳体中心线所成的角为60°。

4.根据权利要求1所述的一种水下航行器，其特征在于，所述控制力矩陀螺群的四个单框架转轴中，其中两个单框架转轴的轴线与所述壳体的中心线共面。