CN105539781A - 一种基于轴向正交可调螺旋桨阵列的水下无人探测器 - Google Patents

Abstract

一种基于轴向正交可调螺旋桨阵列的水下无人探测器，该探测器由多个分布式螺旋桨驱动，每个螺旋桨的驱动方向可以在有限的几个相互正交的轴向（即直角坐标系X,Y,Z的全部或部分轴向）间切换，通过多个螺旋桨在推进方向、推进速度的配合，实现探测器的前进/后退、上浮/下潜、转向等操作。由于螺旋桨的轴向切换方向少且固定，因此切换装置的结构简单，实现方式多样，可以基于电机及电磁阀等调节。发明所述水下探测器配备多种姿态传感器，及中央处理器实现航行姿态的反馈与控制；配备阵列声波探头及相应的数据采集、处理模块，实现对水下物体及水底地形的探测。发明所述水下无人探测器具有结构简单、成本低、机动性强等特点。

Description

一种基于轴向正交可调螺旋桨阵列的水下无人探测器

技术领域

本发明涉及机械设计及水下探测等领域，具体为一种具有轴向正交可调螺旋桨阵列的水下无人探测器。

背景技术

水下无人探测器是一种航行于水下的航行器，能够完成水下勘探、侦测甚至是军事上的进攻防守等任务。在海洋开发日益重要的现在，水下探测器越来越得到了各个国家的重视，无论是在民用还是在军用上，都扮演着重要的角色。而随着计算机技术、人工智能技术、微电子技术等的突飞猛进，水下无人探测器得到了大力发展，特别在民用领域，类似于如今民用小型无人飞机的大量普及，水下探测器也向着简单化、小型化、低成本、低能耗成的趋势发展。

对于本专利所讨论的水下无人探测器，主要希望该探测器能够结构简单，成本低，功耗低，并尽量保证其航行的机动性和姿态可调节性。传统的水下航行器依靠螺旋桨及方向舵来推进和控制方向，当航行器需要进行深度以及方向改变时，需要控制水平舵和垂直舵进行控制，机动性有限。为此，有些航行器安装了多个螺旋桨，分布在探测器四周，每个螺旋桨的方向固定不变，通过调节不同推进方向上的螺旋桨来控制探测器航行方向及姿态，但这种方式中多个螺旋桨一般不同时工作，造成机械资源浪费。近年来，矢量推进技术受到广泛关注，这种技术通过控制推进器的推力的方向和大小来控制探测器的行驶。但是矢量推进器需要复杂机械传动装置控制推进器的方向，且一般要求推进器方向能够精确的连续变化，使得成本高，技术难度大，不利于低成本小型水下探测器使用。

本专利给出一种基于轴向正交可调螺旋桨阵列的水下无人探测器，该探测器可以看作是多个固定方向螺旋桨阵列与矢量螺旋桨推进技术的折中方案。该无人探测器配备多个螺旋桨，每个螺旋桨的轴向可以在有限的几个相互正交的方向间切换。通过调节每个螺旋桨的轴向和转速，依靠多个螺旋桨间配合，使探测器完成转向、上浮/下潜、前进/后退等操作，从而完成水下的探测作业。

发明内容

一种基于轴向正交可调螺旋桨阵列的水下无人探测器，该探测器配备多个分布式螺旋桨阵列来进行驱动行驶。

上述的多个螺旋桨中，每个螺旋桨可以在有限几个相互正交的轴向间切换。例如：如果以探测器的几何中心为原点建立直角坐标系X,Y,Z，则每个螺旋桨的推进方向可以为X,Y,Z轴中的全部或者部分轴向，在每个轴向中，螺旋桨还可以实现正转反转实现在该轴向的正方向和负方向推进。每个螺旋桨可切换方向则根据螺旋桨的功能需求、螺旋桨所处位置、探测器的外形及航行自由度等实际需求来确定。

由于每个螺旋桨的推进方向仅在有限的几个正交方向内切换，因此其切换装置简单，实现方式多样。例如除可以基于电机调节外，还可以基于电磁阀原理（通过通电线圈与带有磁性的磁铁产生作用力）完成偏转。这种螺旋桨切换方向数量少且固定，与方向可连续变换的推进器相比，机械构造简单、鲁棒性强、成本低，且轴向切换速度快。虽然单个这种推进器可能在航行自由度及机动性上不如连续方向变换的推进器，但发明所述的水下无人探测器通过多个推进器的配合，可进一步增强其航行的机动性。

发明所述水下无人探测器可通过控制多个螺旋桨在推进方向，推进速度的组合变化，可实现探测器的前进/后退，上浮/下潜，转向等操作。

发明所述水下无人探测器配备陀螺仪、深度计、水平仪等传感器监视探测器的航向姿态等信息，并反馈给中央控制端，中央控制端通过对传感器信息的处理，发送控制信号对螺旋桨推进器进行调整，实现自适应的控制行驶方向和航行姿态。

发明所述水下无人探测器在船体内配备超声阵列探头及相应的数据采集处理模块，可完成对水下物体及水底地形的探测，通过所述探测器的行驶，可完成指定区域内的扫描成像。

附图说明

图1为所述发明水下无人探测器一种实施案例的立体图。

图2（a）为所述发明水下无人探测器一种实施案例的航行状态举例。

图2（b）为所述发明水下无人探测器一种实施案例的航行状态举例。

具体实施方式

下面结合一种实施案例及其附图，说明本发明的内容。该实施案例仅为本发明专利的一种举例，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，为发明所述水下无人探测器一种实施案例的结构图。该水下探测器由6个螺旋桨101--106驱动。如图中右下角所建立的直角坐标系，该实施案例中螺旋桨101—104可以在X轴和Z轴两个正交方向间切换，螺旋桨105和106为辅助前进、转向等操作时使用。其中该实施案例中，螺旋桨105内嵌于舱体内部，可尽量保持探测器前端的流线型，减少探测器前行时候自身带来的阻力。探测器主舱107内配备有探测装置、姿态传感器及中央处理器等装置。

图2（a）和图2（b）为发明所述水下无人探测器一种实施案例的航行姿态举例，其中图2（a）为探测器的仰视图（从Z轴正方向看去），此时探测器为沿X轴直行的行驶状态，此时螺旋桨101—105的推力方向为X轴方向，五个螺旋桨同时向X轴产生推力，可使探测器以较快速度前行或后退，对应于探测任务初期，探测器可以快速达到待探测的指定区域进行作业。另外，螺旋桨106产生推力可使探测器进行转向或掉头等操作，通过调整106螺旋桨正转和反转，可实现探测器的左转和右转。图2（b）为探测器的侧视图（从Y轴正方向看去），此时探测器为下潜/上浮的行驶状态，此时螺旋桨101—104的推力方向沿Z轴方向，此时可以通过调整螺旋桨的正转反转实现探测器上浮或者下潜。

类似的，通过调整不同位置螺旋桨的推力轴向与正/反转，实现其他形式状态及调整探测器姿态。还可以根据实际需求改变分布式螺旋桨的位置，增、减分螺旋桨数量等。

如果在水体有波动的场景，则可依据探测器内的多种姿态传感器反馈的姿态信息，通过中央处理器的处理，控制不同螺旋桨的工作状态，实现对波动水体对探测器作用力的自适应补偿，使得探测器能够在尽量保持稳定的姿态下进行探测，利于提高探测质量。

Claims (4)

1.一种基于轴向正交可调螺旋桨阵列的水下无人探测器，其特征在于探测器由多个轴向正交可调的螺旋桨提供驱动力，所述轴向正交可调为在直角坐标系X,Y,Z中，每个螺旋桨的可推进方向仅在X,Y,Z三个轴向中全部或者部分的轴向间切换，在每个轴向中，螺旋桨可以通过正转反转实现在当前轴方向的正方向推进和负方向推进，通过调整多个螺旋桨的推进方向，推进速度，实现探测器的前进/后退，上浮/下潜，转向以及姿态调整操作。

2.根据权利要求1所述的基于轴向正交可调螺旋桨阵列的水下无人探测器，其特征在于螺旋桨的切换装置的结构简单，实现方式多样，包括基于电机调节实现或基于电磁阀杠杆调节。

3.根据权利要求1所述的基于轴向正交可调螺旋桨阵列的水下无人探测器，其特征在于探测器配备陀螺仪、深度计、水平仪传感器反馈探测器的航行姿态信息，根据该反馈信息及探测的任务需求对螺旋桨推进器的轴向、转速进行调整。

4.根据权利要求1所述的基于轴向正交可调螺旋桨阵列的水下无人探测器，其特征在于配备声波阵列探头及相应的数据采集、处理模块，可完成对水下物体及水底地形的探测，通过所述探测器的行驶，完成指定区域内的扫描成像。