CN105346695A - 一种四旋翼微型水下航行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四旋翼微型水下航行器，包括机身、四个双向推进器以及用于安装所述双向推进器的连接件，其特征在于，四个双向推进器两台一组，两组分别对称布置在机身的两侧，所有双向推进器的螺旋桨转轴相对水平面倾斜布置且产生的推进力具有前进方向上的分力，所有双向推进器的螺旋桨转轴相对水平面倾斜角度的大小相等，同组的两个双向推进器分布在机身的前后方，两者的螺旋桨转轴倾斜方向相反；本发明布置合理，不仅使结构更加稳定，运动更加灵活，还可使航行器直接垂直方向运动即上浮或下潜；整体结构简单，便于进行小型化和微型化；各模块都可采用常规产品，无特殊要求，在保证水下航行器自主性的同时，实现了成本低、稳定性高等优点。

Description

一种四旋翼微型水下航行器

技术领域

本发明涉及水下航行机械装置，特别涉及一种四旋翼微型水下航行器。

背景技术

随着人口的急剧膨胀，陆上资源越来越匮乏，各国都将经济中心转移到海洋。海洋占地表面积七成有余，蕴涵大量人类可持续发展的能源。如何高效安全利用水下资源成为一项难题。与常规的水下航行器比，微型无人水下航行器具有原理简单、成本低廉、材料易得等特点，是一种重要的河海检测和探测工具。

目前，微型无人水下航行器的动力方式仍然是单桨或双浆运行，仍然存在一些需要改进的地方，例如单桨水下航行器在运行过程中稳定性，抗水流干扰能力都需要提高。

为了解决上述问题，有研究者提出了一种水下航行装置，公开号CN101475055A的专利文献公开了一种水下机器人，其包括带有密封舱室的机身、机身内装有水下摄像机和用于无线接收导入程序指令的控制系统，该控制系统带有电机驱动电路，该机身还活动连接有多个动力推进装置，用于输出动力的同时，使机身发生角度旋转。该动力推进装置为四个，各动力推进装置均为一连接有一螺旋浆的推进器，其包括一转向传动系统和设于该转向传动系统内的一动力传动系统，其中，该动力传动系统用于动力输出，该转向传动系统用于使机身沿自身轴线旋转的同时，还可使本体产生各个方向的空间移动。该发明的机器人可以实现一定流速下的水中动力悬停，同时保持一定的上下倾角，以配合实现如检测作业、科学探险、无人侦查等需要。该水下机器人可以完成水体的温度、深度、声纳、及水体摄像等工作，具有轻便灵活、工作可靠等优点。

虽然上述结构通过设置多个推进器来提高机器人(航行器)的稳定性，但是在实际使用过程中，通过多个推进器的螺旋桨推动水流进行移动平稳性仍然不好，特别是在上升或是下降过程中，多个推进器通过螺旋桨推动水流产生多个牵引力施加在机身上，影响机身的运行稳定性；并且调整行动方向时，需要调节推进器的螺旋桨转轴角度，使内部结构复杂，提高制造成本以及后期的维护费用。

发明内容

本发明提供了一种四旋翼微型水下航行器，结构简单、制造成本低、运行稳定、移动阻力小、移动灵活，可通过水下狭小区域，用于水下探测、水下作业等内容。

一种四旋翼微型水下航行器，包括机身、四个双向推进器、用于安装所述双向推进器的连接件以及控制单元，四个双向推进器两台一组，对称布置在机身的两侧，所有双向推进器的螺旋桨转轴相对水平面倾斜布置且产生的推进力具有前进方向上的分力，同一侧的两个双向推进器分别设置于机身的前后方，两者的螺旋桨转轴倾斜角度大小相同且方向相反。

本发明在水下运行时，所述机身依靠控制四个呈上述放置的双向推进器正反转所产生的作用力的合力来实现整个机身的上下、前后、左右移动；由于本本发明将同组的两个双向推进器设置成相对反向倾斜，即一个逆时针倾斜，一个顺时针倾斜，且倾斜角度的大小相同，从而可以产生在水平方向上合力抵消且产生垂直方向上的合力的目的，从而实现垂直上升或下降，双向推进器的旋转方向变化可改变推进力的方向。本发明可以不用调节双向推进器的螺旋桨转轴的角度来航行器的运行方向，而是通过调节各双向推进器的旋转方向和旋转速度来调节合力的大小和方向，从而实现整个机身的上下、前后、左右移动。

在说明四个双向推进器控制机身移动前，需要先对双向推进器的安装方向进行预先设定，每个双向推进器都有预设的正转方向和反转方向，以下将同组的两个双向推进器相对安装(即两者正转时产生的推进力相反)，前方的双向推进器正向安装，后方的双向推进器反向安装，完成上述设定后：

当机身前方的两个双向推进器反转，机身后方的两个双向推进器正转，且四个双向推进器转速相同时，此时四个双向推进器在水平方向上的推进力分力方向向前，航行器前进；当左侧合力大于右侧的合力时，航行器右转前进；当右侧合力大于左侧的合力时，航行器左转前进。

当机身前方的两个双向推进器正转，后方的两个双向推进器反转，且四个双向推进器转速相同时，此时四个双向推进器在水平方向上的推进力分力方向向后，航行器后退；当左侧合力大于右侧的合力时，航行器右转后退；但右侧合力大于左侧的合力时，航行器左转后退。

当四个双向推进器都正转，前后的双向推进器在水平方向上产生的推进力相互抵消，合力产生向下的推进力，航行器上升；

当四个双向推进器都反转，前后的双向推进器在水平方向上产生的推进力相互抵消，航行器保持悬停或者下潜；

控制单元用于调节各双向推进器的大小和方向。

同组两个双向推进器也可以设置成正转时产生的推进力在水平方向上的分力相同，只需调整各双向推进器的正反转设定，也可以完成上述的功能。

单个双向推进器即可以是正向安装，也可以是反向安装，可以是顺时针倾斜，也可以是逆时针倾斜。

本发明可改变双向推进器的螺旋桨转轴(中心轴)与机身的中心线所在的平面(相当于水平面)之间的夹角，减小水下阻力，使运动更灵活多变。优选的，所述的双向推进器的螺旋桨转轴相对水平面倾斜角度可调，倾斜角度的大小为5～80°；倾斜可以是顺时针也可以是逆时针。进一步优选的，所述倾斜角度的大小为10～45°，此时双向推进器产生的推进力在水平方向上的产生的分力较大，运行更灵活。

为了适应不同的水下环境要求，使整体受到的阻力较小，方便航行器运行，提高航行速度，优选的，所述双向推进器可绕机身的中心线周向移动，所述双向推进器与机身的中心线所在的平面相对水平面的夹角为-45～45°。此处将所述双向推进器看做一个点，即双向推进器绕机身的中心线相对水平面转动的角度范围为-45～45°。

为了提高航行器整体的平稳性，降低重心，进一步优选的，所述双向推进器与机身的中心线所在的平面相对水平面的夹角为-45～-10°。即双向推进器安装在机身的下方。

为了简化结构，方便安装，优选的，所述机身上设有绕其中心线周向延伸的轨道，所述连接件滑动安装在所述轨道中使所述双向推进器可绕机身的中心线周向移动。为了方便安装，优选的，所述轨道为滑槽，所述连接件包括嵌入滑槽的滑块。所述滑块为固定在连接件上的螺栓。

为了使航行器可以根据需要调节双向推进器的螺旋桨转轴的角度，优选的，所述的双向推进器转动安装在连接件上使螺旋桨转轴可相对水平面调整角度。

为了进一步保持航行器的稳定性，机身和内部零件分布关于机身的中心线对称，也前后对称，使得重量分布均匀。为了使航行器运行更平稳，优选的，同组的两个双向推进器的螺旋桨转轴设置在同一平面内。

本发明的四旋翼微型自主式水下航行器重量略小于浮力，可保证整机在故障时浮于水面。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用在航行器机身上安装四个双向推进器，推进器布置合理，不仅使结构更加稳定，运动更加灵活，还可使航行器直接垂直方向运动即上浮或下潜，动力也更加充足；

(2)本发明整体结构简单，便于进行小型化和微型化；

(3)本发明中各模块都可采用常规产品，无特殊要求，在保证水下航行器自主性的同时，实现了成本低、稳定性高等优点。

附图说明

图1是本发明的主视结构示意图。

图2是本发明的仰视结构示意图。

图3是本发明的侧视结构示意图。

图4是本发明的推进器的连接结构示意图。

具体实施方式

如图1～3所示，本实施例的四旋翼微型水下航行器包括：机身、四个双向推进器以及四个推进器连接件。

机身由前舱1，前连接舱2，中间舱3，后连接舱4和后舱5构成；所述机身各舱体皆通过均匀分布的多个螺钉相互连接，本实施例中设定6个。

双向推进器通过推进器连接件9安装在前连接舱2和后连接舱4上。

本实施例的四旋翼微型水下航行器还包括：

水密封插件71，水密封插件71分两组，每组两个，通过螺钉对称固定在前连接舱2和后连接舱4上；

组合盖8，组合盖8包括充气盖81、充电盖82、换能器盖83和天线盖84，通过自身螺纹安装在各舱体上，天线72安装在天线盖84内；

为了保证整个机体的重量分布，平稳运行，本实施例中的四台双向推进器分别为双向推进器61，双向推进器62，双向推进器63和双向推进器64，布置时，双向推进器分别两两对称安装在前连接舱2和后连接舱4上。双向推进器61和63布置在前连接舱2上，双向推进器62和64布置在前连接舱4上，各侧两个双向推进器分布在机身的前后方。前后方推进器的螺旋桨转轴以机身的中心线B(中心线B相对水平面平行)为轴旋转相反角度且相切于机身的圆弧形外轮廓面。

为了保持航行器的稳定性，机身和内部零件分布关于中心面A对称，也前后对称，使得重量分布均匀。本发明的四旋翼微型自主式水下航行器重量略小于浮力，可保证整机在故障时浮于水面。

如图4所示，单个双向推进器与机身的连接结构细节图，推进器连接件9的一端通过双向推进器(表示任一双向推进器)上的表面槽65以及转轴66安装，转轴和机身的中心线B形成平面C，表面槽65以及转轴66安装的设置使双向推进器6可相对推进器连接件9转动，双向推进器6的螺旋桨转轴与水平面的夹角为α，夹角α的调整范围为-45°～+45°。

推进器连接件9的另一端设有3个螺纹孔，通过螺栓与机身相固定，机身的前连接舱2和后连接舱4表面设有周向槽91，螺栓与周向槽91配合使周向槽91与推进器连接件9相嵌以实现双向推进器相对于机身周向的位置变化，平面C和中心面A之间形成夹角β，夹角β为45°至135°。

以上结构使得本实施例可改变双向推进器的螺旋桨转轴与水平面的夹角，改变双向推进器和机身弧形外轮廓相切面的法向量与水平面的夹角。

本实施例中，还包括用于传递和接收外部信号的通讯设备和用于定位机身的导航设备，通讯设备与导航设备都受控于控制设备。导航设备包括全球定位系统、惯性导航系统、多普勒声呐计程仪以及深度计。通讯设备包括水声通讯和无线电通讯。本实施例中，还包括用于探测机身周围环境的任务载荷，其中任务载荷包括前视声呐和侧扫声呐。

水下航行器完成相关任务的过程可分为3个阶段：准备阶段、执行执行阶段、返航回收阶段。

首先进行岸上准备，先安装电池在前连接舱2和后连接舱4中，然后再安装其他各个模块。完成整机的安装后，将机体放入水中，因整体重量略小于浮力，航行器浮在水面。基站通过无线电通讯让中央控制设备启动准备程序，确定航行器初始位置，计算最佳路径。计算完成后准备阶段结束。

准备阶段结束后，开始任务执行阶段。航行器按照事先编好的程序及计算得到的路径，开始自主巡航，以到达任务目的地。若发现障碍，在导航设备指引下可绕行阻碍物。在快要接近任务目的地时，任务载荷还可确定任务目标的位置，使工作位置更加精确。到达任务目的地后，航行器按照事先编好的任务程序，执行相关任务，如启动水下摄像机拍摄水下状态图。

任务完成后，航行器进入返航回收阶段，即航行器在导航设备指引下，自主巡航到基站附近水面回收。在航行器处于任何位置，中央控制设备停止当前的执行任务，使航行器执行来自基站的简单控制任务。

本实例通过控制推进器的正反转以及旋转速度实现潜水器在水下悬停、前行、后退、上浮、下潜以及转向运动。具体实施如下：本实施例的所有双向推进器的转轴安装在舱壁上都旋转一定角度当双向推进器62和双向推进器64正转，双向推进器61和双向推进器63反转，且4个双向推进器转速相同时，航行器前进；

当双向推进器62和双向推进器64反转，双向推进器61和双向推进器63正转，且4个双向推进器转速相同时，航行器后退；

当4个双向推进器61、双向推进器62、双向推进器63和双向推进器64都反转，且4个双向推进器转速相同时，航行器保持悬停或者下潜；

当4个双向推进器61、双向推进器62、双向推进器63和双向推进器64都正转，航行器上升；

当双向推进器62和双向推进器64正转，双向推进器61和双向推进器63反转，但双向推进器61和双向推进器62的转速大于双向推进器63和双向推进器64时，航行器右转(有修改，请确认，图片为仰视图)前进；

当双向推进器62和双向推进器64正转，双向推进器61和双向推进器63反转，但双向推进器61和双向推进器62的转速小于双向推进器63和双向推进器64时，航行器左转前进；

实现后退转向时的方式与前进相似。

综上所述，本实施例的微型自主式水下航行器，四个双向推进器呈一定角度对称的安装在机身上，可使航行器在任意运动时保持自身稳定，灵活多变，提高了工作效率和质量。

Claims (9)

1.一种四旋翼微型水下航行器，包括机身、四个双向推进器、用于安装所述双向推进器的连接件以及控制单元，其特征在于，四个双向推进器两台一组，对称布置在机身的两侧，所有双向推进器的螺旋桨转轴相对水平面倾斜布置且产生的推进力具有前进方向上的分力，同一侧的两个双向推进器分别设置于机身的前后方，两者的螺旋桨转轴倾斜角度大小相同且方向相反。

2.如权利要求1所述的四旋翼微型水下航行器，其特征在于，所述的双向推进器的螺旋桨转轴相对水平面倾斜角度可调，倾斜角度的大小为5～80°。

3.如权利要求2所述的四旋翼微型水下航行器，其特征在于，所述的倾斜角度的大小为10～45°。

4.如权利要求1～3任一权利要求所述的四旋翼微型水下航行器，其特征在于，机身的中心线与水平面平行且沿机身前进方向延伸，所述双向推进器可绕机身的中心线周向移动，所述双向推进器与机身的中心线所在的平面相对水平面的夹角为-45～45°。

5.如权利要求4所述的四旋翼微型水下航行器，其特征在于，所述双向推进器与机身的中心线所在的平面相对水平面的夹角为-45～-10°。

6.如权利要求4所述的四旋翼微型水下航行器，其特征在于，所述机身上设有绕其中心线周向延伸的轨道，所述连接件滑动安装在所述轨道中使所述双向推进器可绕机身的中心线周向移动。

7.如权利要求6所述的四旋翼微型水下航行器，其特征在于，所述轨道为滑槽，所述连接件包括嵌入滑槽的滑块。

8.如权利要求2或3所述的四旋翼微型水下航行器，其特征在于，所述的双向推进器转动安装在连接件上使螺旋桨转轴可相对水平面调整角度。

9.如权利要求1所述的四旋翼微型水下航行器，其特征在于，同组的两个双向推进器的螺旋桨转轴设置在同一平面内。