CN106005297B - 自动避让障碍物的万向推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自动避让障碍物的万向推进装置，包括机身及用于给所述万向推进装置供应浮力的浮体，所述机身包括机身架、推进器、电池盒及用于调整万向推进装置受力的受力调整结构；所述浮体可自转地安装在所述机身架的上部，所述推进器、所述受力调整结构及所述电池盒设置在所述机身架；所述浮体的最大横截面面积大于所述机身的最大横截面的面积；所述万向推进装置做直线前进运动时，所述浮体碰触障碍物后，所述机身架绕所述浮体的自转轴转动。通过上述结构，本发明所述的自动避让障碍物的万向推进装置性能可靠、能自动躲避障碍物。

Description

自动避让障碍物的万向推进装置

技术领域

本发明涉及一种能在水中实现避让功能的装置，特别涉及一种自动避让障碍物的万向推进装置。

背景技术

中国专利CN202038437公开了一种具有新型避障装置的小型水面机器人，其具有躲避障碍的功能，而其实现躲避障碍的功能是依靠大量传感器和单片机处理器才得以实现。但这款避障装置存在以下一些问题：一方面，由于采用大量的传感器和单片机，所以制作成本会较高；一方面，由于传感器及单片机较多，所涉及的电连接及信号传输较多，从而导致电路出现问题的机率较高；最后，由于主要采用传感器和单片机结构，成本较高，若要转化用于玩具领域，不适合成本预算。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足，提供一种结构巧妙的自动避让障碍物的万向推进装置，其能在水中实现自动避让障碍物的功能。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种自动避让障碍物的万向推进装置，包括机身及用于给所述万向推进装置供应浮力的浮体，所述机身包括机身架、推进器、电池盒及用于调整万向推进装置受力的受力调整结构；所述浮体可自转地安装在所述机身，所述推进器、所述受力调整结构及所述电池盒设置在所述机身架；所述浮体的最大横截面面积大于所述机身的最大横截面的面积；所述万向推进装置在水中直线运动时，所述浮体碰触障碍物后，所述机身以所述浮体的自转轴为转动轴转动。

作为优选，所述浮体的自转轴与作用于所述推进器的推力的方向垂直，且所述浮体的自转轴与作用于所述推进器的推力的作用线不相交。

作为优选，所述浮体的自转轴位于浮体的中心。

作为优选，所述受力调整结构包括一平衡块及至少一块阻流板，所述平衡块及阻流板设置在所述机身架；所述推进器设置在所述机身架的中部，所述电池盒位于所述推进器的第一侧，所述平衡块及阻流板位于所述推进器的第二侧；所述推进器的第一侧与所述推进器的第二侧为相反方向的两侧；所述阻流板的阻流面平行于所述浮体的自转轴线；至少一块阻流板的阻流面与作用于所述推进器的推力的相反方向成锐角。

作为优选，所述阻流板设有两块或三块，至少两块阻流板的阻流面与作用于所述推进器的推力的相反方向成锐角。

作为优选，还包括控制板，所述控制板上设有控制电路，所述控制电路包括湿敏开关/声控开关，所述控制电路与电池盒及电机连接。

作为优选，所述浮体的底面设有垂直尾翼；所述垂直尾翼位于所述浮体的后部且分布于浮体中线的两侧。

作为优选，所述推进器包括电机及螺旋桨，所述螺旋桨安装在所述电机的转轴上；机身架对应螺旋桨的位置设置十字保护网。

作为优选，所述浮体内设有摄像头、GPS定位仪及计时器。

作为优选于，还包括一袋状的过滤网及一水泵；所述水泵设置于所述机身架，所述水泵的进水口连接一水管，所述过滤网设于所述机身架，所述过滤网的出水侧与所述水管的进口相互连接。

作为优选，所述控制板上还设有用于接收遥控信号的信号接收模块，所述信号接收模块与控制电路连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

通过上述结构，本发明所述的自动避让障碍物的万向推进装置结构简单巧妙、性能可靠、成本低廉、能在水中自动躲避障碍物，用途广泛，产品尺寸能根据实际需求设计。若做成玩具，观赏性好，有趣并使人心情愉悦；小孩子可使用附件钓杆钓起移动着的在浮体上的搭载物作为奖赏，既让小孩体会到成就感又提升了小孩的手脑配合能力。本发明也可作为一种清洁设备使用，放在水中，无需人工照料即可实现打捞清洁。本发明还可作为一种水中的侦察设备，结合GPS定位及计时器，可以水下摄影，对水中情况进行监测和记录。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的结构侧面示意图；

图3是本发明的分解示意图；

图4是本发明的局部结构的爆炸图(搭载物和浮体没有在图中表示)；

图5是本发明的局部结构俯视图(搭载物和浮体没有在图中表示)；

图6是本发明的前行状态下的原理图；

图7是本发明的避障的原理图；

图8是本发明的自动修正航向的原理图；

图9是本发明清理水下杂物的原理示意图。

图中：

1—机身架；101—保护壳；102—电池盒；103—控制板；104—插头；105—平衡块；106—第一阻流板；107—第二阻流板；108—第三阻流板；2—推进器；201—螺旋桨；202—电机；3—浮体；301—垂直尾翼；4—搭载物；51—水泵；52—过滤袋。

现结合附图与具体实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参阅图1至图5所示，本发明所述的一种自动避让障碍物的万向推进装置，包括机身及用于给所述万向推进装置供应浮力的浮体3；机身包括机身架1、推进器2、电池盒102、平衡块105及控制板103。浮体的最大横截面面积大于机身的最大横截面的面积，即使从俯视角度观察万向推进装置时浮体完全覆盖了机身，即使万向推进装置碰到水上障碍物时浮体先与机身碰上。

浮体3采用轻质发泡材料或其它轻质材料做成实心体，也可利用其它非轻质材料做成空心体；浮体3的侧面及上表面覆盖较光滑的塑胶材料，这样可以减少本装置在水中移动时的阻力。浮体3可根据需求设置摄像头、水声信息记录仪(例如声纳装置)、GPS定位仪及计时器。浮体可自转地安装在所述机身，具体地，浮体3的中心设置一轴承，对应该轴承在机身架1上设有一轴体，浮体3通过轴体及轴承配合可自转地安装在机身架1的上部；本发明中，浮体可自转地安装在所述机身上后，浮体和机身皆可实现自转，且两者的自转轴重合。浮体3的底面设有两个垂直尾翼301，当浮体3区分前部及后部时，垂直尾翼301位于浮体的后部且分布于浮体中线的两侧；垂直尾翼的横截面可为两端窄中间宽的形状且两个垂直尾翼相互平行的形状，也可为圆形。垂直尾翼301的作用在于：当本装置向前移动时，浮体3的前部自动调节至与航向前方相同。

推进器2设置在机身架1的中部；推进器2包括电机202及螺旋桨201，螺旋桨201安装在电机202的转轴上。机身架1对应螺旋桨202的位置设置十字保护网，十字保护网可以避免水中的杂物卡紧螺旋桨201。轴体的轴线与电机202的转轴相互垂直，且轴体的轴线与电机202转轴的轴线不相交。

电池盒102设置在机身架1且位于推进器2的一侧；对应电池盒102配设有用于电池充电的插头104；或对应电池盒102配置微型USB充电端口。电池盒102的外部采用弧面，减少了流水对其的阻力。电池盒102的长度方向轴线与电机202的转轴平行。电池盒结构形式不限定，只要能满足使用需求即可。作为另一种实施例，电池盒可为非充电电池的电池盒，即无需配设用于充电的插头或充电端口。

电机202设有转轴一端的相反端旁侧的机身架1上设有保护壳101，控制板103安装在保护壳101内；控制板103上设有控制电路，控制电路包括湿敏开关/声控开关、PCB板及IC芯片。控制电路与电池盒102里面的电源及电机202连接，通过控制板103改变输给电机202的电流大小，实现电机202输出功率的大小变化，以控制游泳鸭移动的快慢。所述电流也可以是脉冲电流，其可通过调整所述脉冲的宽度、振幅、周期及电流大小中的至少一个参数，去实现输出功率的改变，从而控制游泳鸭向前移动速度的变化。

控制板103上还设有用于接收遥控信号的信号接收元件，信号接收元件可为红外信号接收管或WIFI信号接收器或蓝牙接收器，信号接收元件与控制电路连接。

浮体3上还设有用于指示电池充电状态的LED指示灯，LED指示灯与控制电路连接。平衡块105设置在机身架1且位于推进器2的另一侧。与平衡块105同一侧的机身架1设有三块阻流板，阻流板的阻流表面平行于机身架1上轴体的轴线。三块阻流板包括第一阻流板106、第二阻流板107、第三阻流板108，其中，第一阻流板106的阻流面与第二阻流板107的阻流面与作用于推进器2的纵向分力(以航向所在的直线为纵向)的相反方向成锐角；第三阻流板的阻流面可以任意角度放置，但如果与作用于推进器2的纵向分力的相反方向成钝角，会削弱抗干扰等的功能，与作用于推进器2的纵向分力的相反方向成锐角，阻流面积小，因此需加长加大尺寸。第三阻流板的阻流面与作用于推进器2的纵向分力的相反方向垂直且如图5所示的分布位置是作为优选项的。只要左右两边的力能平衡，取消第三阻流板也是可以的。其中，设置一块阻流板也能起到调整受力的效果，设置三块阻流板为优选。

通过推进器2、电池盒102与浮体3的配合，再通过阻流板的阻流作用，从而调整万向推进装置在没有遇到障碍物的航行时所受的力。

参阅图5，当机身置于水中的工作环境时，机身受重力及在水中浮力的共同影响，其在工作中不一定始终处于水平状态(也即是浮体3的自转轴不一定始终处于竖直状态)，倘若浮体3的自转轴越倾斜，在避让障碍物时推动机身绕浮体3的自转轴旋转所需要的力矩就越大。作为优选方案，在机身架1设置有平衡块105来调节机身的重力与浮力的合力点，使合力点靠近浮体3的自转轴。从而减小在避让障碍物时推动机身绕浮体3的自转轴旋转所需要的力矩。

为了使本装置的具有光效及声效，浮体3上还可设置扬声器及装饰灯，装饰灯、扬声器与控制电路连接。另外，在浮体3的上部可设有搭载物4，搭载物4可为装饰性形状，例如鸭子，也可以是根据本装置的使用需求设置结构。例如，为了用于钓起搭载物4，可在搭载物4上加一个吊环或吊孔，使用额外配上的钓杆，即可钓起搭载物4，作为一种钓物游戏使用。

为了使本装置能实现水体清理功能，还设有一袋状的过滤网52及一水泵51；水泵51设置于机身架1，水泵51的进水口连接一水管，过滤网52安装在机身架1里面，过滤网52出水侧与水管的进口相互连接。

本实施例的工作原理如下：(下文所述的推进器右侧为图6中Y侧，推进器的左侧为图6中的Z侧，FP1作用线为Y侧与Z侧的分界线；以航向为纵向。)

前行状态下航向保持直线航向的原理：

参阅图6至图7，本发明所述的万向推进装置放置在水中，C为航向，FP1为作用于推进器2上的推力的纵向分力，FP2为作用于推进器2上的推力的横向分力。当本装置前行时，F1为推进器2左侧产生的阻力的纵向分力，F4为推进器2左侧产生的阻力的横向分力，F2为推进器2右侧产生的阻力的纵向分力，F5为推进器2右侧产生的阻力的横向分力，F3为浮体3产生的阻力，FC为纵向阻力合力。B点为本装置的在前行时的阻力中心点并共线于FP1的推力线，O点为浮体3的自转中心点。当本装置前行时，其受力关系及状况如下：

A、FP1＝FC＝F1+F2+F3，即纵向的阻力之和与推力之和相等，方向相反，且共线，纵向合力为0；

B、F4＝FP2+F5；即Y、Z两侧的横向推力之和相等，方向相反，横向合力为0，因此不会产生横向漂移；

C、F1*L1＝F2*L2+F3*L3，即在作用于推进器2上的推力的纵向分力的作用线的两侧所产的力矩是相等的，Y侧的扭矩为顺时针，Z侧的扭矩为逆时针，方向相反，合力矩为0，因此在本装置前行时不会产生绕阻力中心点B的扭矩；

D、F4*L4＝F5*L5+FP2*L6，即3个横向分力产生的绕阻力中心点B的力矩之和等于0.因此在本装置前行时也不会产生绕阻力中心点B的扭矩。

本装置满足了以上所受合力为0及所受合力矩为0的条件，所以本装置会作直线向前运动。

若推进器2的输出功率在持续增加或减小的过程中，FP1会相应地增加或减小，FP1也就会大于或小于FC，故在此过程中，本装置作加速度或减速度运动(时间很短，一瞬间)。当推进器2的输出功率稳定后，则本装置会自动恢复作直线向前运动。

前行状态下航向抗干扰和自适应的力学平衡原理：

参阅图5至图6，第一阻流板106的阻流面和第二阻流板107的阻流面设置成与作用于所述推进器的推力的相反方向成锐角夹角，其作用在于：本发明所述的万向推进装置在水中航行时，当推进器受外来流干扰，例如航行前方有股不平行于航向的水流过来时，机身在航向的Y侧及Z侧所受的阻力就有可能不一样；又如：当电力不足，或由控制板103控制减小或增加功率输出时，此时，推进器2产生的推力就会相应减小或增加，相应地，作用于所述推进器的推力也会相应减小或增加，故自动避让障碍物的万向推进装置的前进速度就会减慢或加快，从而导致机身架1在航向的Y侧及Z侧所受的阻力就有可能不一样；假若Z侧阻力增大，就会产生一个回转力矩致使机身绕浮体3的自转轴作逆时针旋转，此时，第一阻流板106和第二阻流板107的阻流面相对于航向的锐角夹角就会减小，随之在第一阻流板106和第二阻流板107相对于在航向方向上的阻力面积就会减少，因此所受到水的阻力也相应减小，直至与Y侧与Z侧的阻力矩达到平衡为止。同理，反之亦然。致使本发明所述的万向推进装置的航向能较好地保持直线或近似直线的航向，从而起到航向抗干扰及航向自适应的作用。

避障的原理：

参阅图6与图7，本发明所述的万向推进装置在水中航行时，当前方有障碍物的时候，因浮体3直径比机身大，因此首先是浮体3边缘触碰到障碍物，此时万向推进装置停止前进，F3处的阻力增加；因万向推进装置停止向前运动，F1,F4,F2,F5均为0，因此本装置的阻力中心也就由B点转移到O点了；而FP1及FP2的推力保持不变，又因新阻力中心O点与FP1及FP2之间有一定的距离，故机身会产生一个绕O点(即浮体的自转轴心)转动的扭矩，扭矩为M＝FP1*L3+FP2*L6，以驱动机身绕O点作顺时针旋转，FP1及FP2的推力方向也会随着机身的顺时针旋转而改变，当机身旋转到一定角度后，FP1及FP2的推力方向转至无障碍物阻挡的方向，因此障碍物就不会再对F3产生影响了，万向推进装置再次受FP1的推动作用，从而又推动万向推进装置往不受障碍物阻挡的其它方向前行，从而达到避让障碍物的目的。

避障原理其实在于当本装置碰到障碍物后，阻力中心点由B点自动转移到O点，而作用于推进器2上的推力不变，使得作用于推进器2上的推力作用线与新的阻力中心O点之间产生了距离，也就产生了扭转力矩来推动机身旋转，以改变作用于推进器2上的推力方向实现避让障碍物。

关于前进状态保持航行方向及避障的原理，与本装置的结构关系，进一步说明如下：

在其它实施例中，推进器2、浮体3、阻流板、平衡块105及电池盒102的设置方式可以根据实际情况改变，浮体3的自转轴线与作用于推进器2的推力的方向(如电机202转轴的轴线)的位置也可根据实际情况改变，只要满足以下条件：直线航行时，所受合力为0及所述合力矩为0；避障时，机身所受合力相对于机身的自转轴产生力矩。

自动修正方向的原理：

参阅图7及图8，以搭载物4为鸭子说明较为清楚，此时即浮体3的前部与鸭子的头部相同。浮体3的底部设置有两个垂直尾翼301，垂直尾翼301的截面为椭圆形状或飞机翼截面形状，截面较尖的一端朝前，搭载物4鸭子安装固定在靠近浮体3的中心位置，鸭子的尾部对着两垂直尾翼301的中间位置，头部朝着C航向。

a)当万向推进装置在水中按C航向移动时，两垂直尾翼301处会产生一定的较小的阻力，此时浮体3在航向后部的阻力大于航向前部的阻力，即可让鸭子的头部对准航向。

b)当万向推进装置在水中遇到障碍物时，浮体3边缘触碰到障碍物，此时机身会旋转，从而改变航向以躲避障碍物。当万向推进装置避开障碍物后继续航行时，此时万向推进装置的航向改变到如图C’航向，则两个垂直尾翼301已转变到航向的B侧，此时垂直尾翼301的截面较钝的一端转变成对着航向，因垂直尾翼301的阻流面积增加，所以这时在浮体3的B侧对就会产生较大阻力，其阻力大于航向A侧产生的阻力，因此会产生一扭转力矩带动浮体3绕中心轴旋转，直至垂直尾翼301转到航向的后部，浮体3在航向两边所受的扭转力矩一样大时，浮体3就会停止修正航向动作并保持其航向。

控制电路的工作原理：

湿敏开关安装在PCB板上，当玩具在水中环境时，湿敏开关和水之间形成通路，湿敏电路形成回路，从而产生一个电信号触发控制电路，控制电路导通。若PCB板上的是声控开关，即通过声音可触发控制电路。

充电：

电池置于电池盒102中可以通过机身上的插头104进行充电。插头104可为微型USB插头104或其它合适的充电插头104，可插到充电端口中。充电时就可以使用带有微型USB充电头的充电器。由于很多手机都使用这种充电器，就不需要为这种鱼提供特殊的充电器。因此，节省了成本，也更环保。

遥控：

本发明所述的万向推进装置可以红外线遥控及无线电遥控，如果置入蓝牙接收器或WIFI接收器，则可以通过电脑或手机客户端来控制此玩具。

清理水下杂物：

参阅图9所示(图中箭头为水流方向)，当水泵51工作时，水中的垃圾与水混合着从过虑袋口进入，水中的垃圾被过滤袋52阻拦并收集，从而起到清洁水的目的，过滤后的水则从水泵51的排水口排出，同时水泵51在排水过程中，产生了反冲力，从而也为万向推进装置往前移动提供推力。

本发明的优点：

通过上述结构，本发明所述的自动避让障碍物的万向推进装置结构设计简单巧妙、性能可靠、成本低廉、能在水中自动躲避障碍物，产品可做大或做小。若做成玩具，观赏性好，有趣并使人心情愉悦。且本发明用途广泛，控制方式灵活性高，可通过遥控或手机自编程控制本发明，本发明也可作为一种清洁设备使用，放在水里，无需人工照料即可实现打捞清洁。本发明还可作为一种水中的侦察设备，结合GPS定位及计时器，可以实现无人水下摄影，对水中情况进行监测和记录。本发明所述的万向推进装置上设置的搭载物4若为鸭子，即可逼真地再现小鸭子的生活状态，可爱而有趣。小孩子可使用附件钓杆钓起移动着的在浮体上的搭载物作为奖赏，既让小孩体会到成就感又提升了小孩的手脑配合能力。搭载物若设计成圣诞老人背着礼物，并在礼物上面加上吊环或吊孔，小孩子即可使用附件钓杆钓起移动着的礼物作为奖赏。整体设计简单巧妙，零件数量少，成本低，经济价值高，而且能够很好地实现避让功能。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变动。

Claims (10)

1.一种自动避让障碍物的万向推进装置，其特征在于，包括机身及用于给所述万向推进装置供应浮力的浮体，所述机身包括机身架、推进器、电池盒及用于调整万向推进装置受力的受力调整结构；所述浮体可自转地安装在所述机身，所述推进器、所述受力调整结构及所述电池盒设置在所述机身架；所述浮体的最大横截面面积大于所述机身的最大横截面的面积；所述万向推进装置在水中直线运动时，所述浮体碰触障碍物后，所述机身以所述浮体的自转轴为转动轴转动；

所述受力调整结构包括一平衡块及至少一块阻流板，所述平衡块及阻流板设置在所述机身架；所述推进器设置在所述机身架的中部，所述电池盒位于所述推进器的第一侧，所述平衡块及阻流板位于所述推进器的第二侧；所述推进器的第一侧与所述推进器的第二侧为相反方向的两侧；所述阻流板的阻流面平行于所述浮体的自转轴线；至少一块阻流板的阻流面与作用于所述推进器的推力的相反方向成锐角。

2.根据权利要求1所述的自动避让障碍物的万向推进装置，其特征在于，所述浮体的自转轴与作用于所述推进器的推力的方向垂直，且所述浮体的自转轴与作用于所述推进器的推力的作用线不相交。

3.根据权利要求1所述的自动避让障碍物的万向推进装置，其特征在于，所述浮体的自转轴位于浮体的中心。

4.根据权利要求1所述的自动避让障碍物的万向推进装置，其特征在于，所述阻流板设有两块或三块，至少两块阻流板的阻流面与作用于所述推进器的推力的相反方向成锐角。

5.根据权利要求1所述的自动避让障碍物的万向推进装置，其特征在于，还包括控制板，所述控制板上设有控制电路，所述控制电路包括湿敏开关/声控开关，所述控制电路与电池盒及电机连接。

6.根据权利要求1所述的自动避让障碍物的万向推进装置，其特征在于，所述浮体的底面设有垂直尾翼；所述垂直尾翼位于所述浮体的后部且分布于浮体中线的两侧。

7.根据权利要求1所述的自动避让障碍物的万向推进装置，其特征在于，所述推进器包括电机及螺旋桨，所述螺旋桨安装在所述电机的转轴上；机身架对应螺旋桨的位置设置十字保护网。

8.根据权利要求1所述的自动避让障碍物的万向推进装置，其特征在于，所述浮体内设有摄像头、GPS定位仪及计时器。

9.根据权利要求1所述的自动避让障碍物的万向推进装置，其特征在于，还包括一袋状的过滤网及一水泵；所述水泵设置于所述机身架，所述水泵的进水口连接一水管，所述过滤网设于所述机身架，所述过滤网的出水侧与所述水管的进口相互连接。

10.根据权利要求5所述的自动避让障碍物的万向推进装置，其特征在于，所述控制板上还设有用于接收遥控信号的信号接收模块，所述信号接收模块与控制电路连接。