CN107632612B - 一种内外联合式姿态控制水下航行器 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下运载工具领域，并公开了一种内外联合式姿态控制水下航行器，包括壳体和十字舵、螺旋桨和三个以上的陀螺组件，每个陀螺组件均包括陀螺框架、齿轮机构、第一齿轮驱动电机、双出轴电机和两个陀螺转子，所述齿轮机构包括第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮和第二齿轮分别通过第一转轴和第二转轴安装在所述陀螺框架，所述第一齿轮驱动电机安装在所述陀螺框架上，所述第二齿轮上安装双出轴电机，双出轴电机的电机轴的两端分别连接一所述陀螺转子；本发明通过同时设有十字舵和陀螺组件使得水下航行器在多种工况下对其进行切换控制与联合控制均能保持高效的机动性，且陀螺组件能够输出连续力矩，保障了水下航行器应对各种水下环境的能力。

Description

一种内外联合式姿态控制水下航行器

技术领域

本发明属于水下运载工具领域，更具体地，涉及一种内外联合式姿态控制水下航行器。

背景技术

现今，一般情况下水下航行器在设计对自身的姿态控制系统时通常会选用桨和舵作为执行机构。舵在高速机动时进行姿态控制，当速度降低时则利用桨来调整自身的姿态。其具有以下特点：

1)在航行器的机动速度较低时，舵机构将丧失其作用。航行器若仅采用舵作为姿态控制执行机构的话，必须时刻保持自身具有一定的速度，因此这类航行器需要较大半径进行回转，这显然不利于航行器在狭小的空间里进行作业。

2)作为姿态控制执行机构的舵和桨都是靠与流体相互作用产生控制力和控制力矩的，因此姿态控制的实际效果容易受流场影响，在复杂流场的环境下水下航行器姿态控制的精确性较低。

3)虽然采用桨在低速情况下也可以输出控制力矩，但是桨在一定程度上破坏了航行器壳体的完整性，这不利于航行器进行快速机动、也不利于结构承受较大的水深压力；其次，裸露在海水中的桨受海水腐蚀严重；再者，桨只能提供单方向的力矩，若要使航行器能够任意姿态角机动，则需要多个桨协同工作；另外，螺旋桨在工作时还会产生噪音，这对有的航行器(如鱼雷)来说，会对所要求的隐身性能带来十分不利的影响；最后，桨的转动还会破坏航行器周围流场的特性，当作业表面是疏松土壤或作业对象容易受到流场影响时，会对水下航行器的作业产生极为恶劣的影响。特别地，对小构型水下航行器，桨的布置会对设计人员的工作产生阻碍。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种内外联合式姿态控制水下航行器，在水下航行器处于低速或零速的状态下，采用陀螺组件来进行自身的姿态控制，而在高速状态下，水下航行器利用桨和舵辅以陀螺组件用来增加其自身的敏捷性与机动性，保障了水下航行器应对各种水下环境的能力。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种内外联合式姿态控制水下航行器，包括壳体和设置在所述壳体尾部的的十字舵和螺旋桨，其特征在于，

还包括三个以上的陀螺组件，每个所述陀螺组件分别安装在所述壳体内，并且每个所述陀螺组件均包括陀螺框架、齿轮机构、第一齿轮驱动电机、双出轴电机和两个陀螺转子，其中，所述陀螺框架安装在所述壳体的内壁上，所述齿轮机构包括相互啮合的第一齿轮和第二齿轮，并且所述第一齿轮和第二齿轮分别通过第一转轴和第二转轴安装在所述陀螺框架，所述第一齿轮驱动电机安装在所述陀螺框架上并且该第一齿轮驱动电机的旋转轴与所述第一转轴固定连接，以用于驱动所述第一齿轮转动，所述第二齿轮上设置有电机容纳孔和两个陀螺转子容纳孔，所述双出轴电机设置在所述电机容纳孔处并且此双出轴电机的电机轴的两端分别连接一所述陀螺转子，所述第一转轴和第二转轴平行，所述双出轴电机的电机轴与所述第二转轴垂直；

其中，水下航行器处于零速状态时，航行器姿态控制所需的力矩完全由所述陀螺组件产生；航行器以大于零速的速度航行时，水下航行器姿态控制所需的力矩由安装于航行器内部的所述陀螺组件及安装于外部的所述十字舵联合产生，并且上述两种姿态控制方式的切换由安装于壳体内的控制器完成。

优选地，所述壳体包括连接在一起的半球形首段、圆柱形中段以及所述尾段，所述圆柱形中段部分用于容纳陀螺组件、电源和控制器，所述电源分别与所述陀螺组件和所述控制器连接，三个以上的所述陀螺组件在壳体内采用分散布置方式，所述半球形首段、圆柱形中段以及尾段分别布置一个以上的陀螺组件。

优选地，当陀螺组件为三个、四个或五个时，它们最终分别形成三棱台、四棱台或五棱台构型。

优选地，所述双出轴电机的电机轴的轴线与所述第二齿轮的中心线相交。

优选地，所有的双出轴电机的电机轴相互平行，并且任意两个所述第二齿轮的中心线所成的角大于0。

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)本发明通过同时设有十字舵和陀螺组件使得水下航行器在多种工况下对其进行切换控制与联合控制均能保持高效的机动性，且陀螺组件能够输出连续力矩，保障了水下航行器应对各种水下环境的能力。

2)本发明的陀螺转子可以产生陀螺效应从而为陀螺组件提供力矩，这种控制力矩的产生方式不需要与海水相互作用，可以将陀螺组件置于航行器壳体内部，因此它不会破坏航行器构型曲面的完整性，不影响航行器的快速性和密封性，使得航行器不易被海水腐蚀，也有利于抑制振动噪音；

3)航行器零速状态时，航行器姿态控制所需的力矩完全由所述陀螺组件产生；航行器以大于零速航行时，航行器姿态控制所需的力矩由安装于航行器内部的所述陀螺组件及安装于外部的所述十字舵联合产生。两种控制方式的切换由安装于航行器内部的控制器完成。

上述方法能够使航行器具有零速状态下的姿态控制能力，有利于水下航行器在狭小空间内的作业。并使航行器在大于零速航行时，具有更敏捷和更精确的机动能力；

4)本发明的陀螺组件在航行体上的布置可以非常灵活，可以集中布置，也可以以一定的空间构型进行分散布置。使航行器内部空间得到更有效的利用。

附图说明

图1是本发明撤去部分壳体后的结构示意图；

图2是陀螺组件的结构示意图。

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2，一种内外联合式姿态控制水下航行器，包括壳体II和设置在所述壳体II尾段的的十字舵IV和螺旋桨V，另外还包括三个以上的陀螺组件，每个所述陀螺组件分别安装在所述壳体II内，并且每个所述陀螺组件均包括陀螺框架7、齿轮机构、第一齿轮驱动电机8、双出轴电机3和两个陀螺转子6，其中，所述陀螺框架7安装在所述壳体II的内壁上，所述齿轮机构包括相互啮合的第一齿轮1和第二齿轮4，并且所述第一齿轮1和第二齿轮4分别通过第一转轴2和第二转轴安装在所述陀螺框架7，所述第一齿轮驱动电机8安装在所述陀螺框架7上并且该第一齿轮驱动电机8的旋转轴与所述第一转轴2固定连接，以用于驱动所述第一齿轮1转动，所述第二齿轮4上设置有上设置有电机容纳孔和两个陀螺转子容纳孔，所述双出轴电机3设置在所述电机容纳孔处并且此双出轴电机3的电机轴的两端分别连接一所述陀螺转子6，所述第一转轴2和第二转轴平行，所述双出轴电机3的电机轴与所述第二转轴垂直；

譬如，当陀螺组件分别为三个、四个、五个时，它们最终分别形成三棱台、四棱台、或五棱台构型。

进一步，所述双出轴电机3的电机轴的轴线与所述第二齿轮4的中心线垂直相交。

进一步，所述壳体II还具有半球形首段和圆柱形中段，并所述圆柱形中段部分用于容纳陀螺组件、电源和控制器，所述电源分别与所述陀螺组件和所述控制器连接，三个以上的所述陀螺组件在壳体内采用分散布置方式，所述半球形首段、圆柱形中段以及尾段分别布置一个以上的陀螺组件。

进一步，所述控制器包括基于四元数的PD姿态控制器和基于四元数的滑膜变结构的姿态控制器I。

进一步，所有的双出轴电机3的电机轴相互平行，并且任意两个所述第二齿轮4的中心线所成的角大于0。

多个陀螺组件III可在航行器内部采用灵活的分散布置方式，每个陀螺组件III均可输出力矩作用于航行器上，多个陀螺组件III输出的力矩形成作用于航行器上的连续的控制力矩，从而可从航行器内部控制航行器姿态。当航行器为零速状态时其外部的十字舵IV无舵效，当航行器处于低速时，其外部十字舵IV舵效很低，在这些情况下陀螺组件III可用于从内部控制航行器姿态，从而保证航行器航行速度为零时或航行速度很低时也具有姿态机动能力；当航行器具有较高航行速度时，内部陀螺组件III的力矩控制能力不足以有效控制航行器姿态，而此时外部的十字舵IV具有很强舵效，可用于单独控制航行器的航行姿态；内部的陀螺组件III也可联合十字舵IV共同产生控制力矩，用于加强航行器低速或高速时的姿态控制能力；在上述多种工况下陀螺组件III与十字舵IV的切换控制与联合控制均由航行器内部的控制器I完成。螺旋桨V和十字舵IV安装在水下航行器壳体II尾端，十字舵IV即由垂向和水平向尾舵呈交叉的十字型布局。

参照图1，本发明的航行器包括壳体II，陀螺组件III及尾部的螺旋桨V和十字舵IV。航行器采用整体密封结构。考虑到水动力和增强控制器抗干扰的能力，航行体还设有基于四元数的PD姿态控制器和基于四元数的滑膜变结构的姿态控制器I。

为了保证航行器加工制造的工艺性，将各个部位进行模块化设计，模块分别为半球形首段，圆柱形中段以及尾端。圆柱形中段部分主要用于容纳陀螺组件III、电源、控制系统的硬件设备等。

如图2所示为陀螺组件III整体结构，其具有陀螺框架7及固定在上面的第一齿轮驱动电机8，转轴2，第二齿轮4，第一齿轮1，陀螺转子6及双出轴电机3。陀螺框架7采用4颗螺钉固定，下端留有用于安装的孔。

陀螺框架7侧面开有一凹槽，凹槽用来安装第一齿轮驱动电机8，第一齿轮驱动电机8与转轴2相连，带动第一齿轮1旋转。陀螺框架7上还安装第二齿轮4，第二齿轮4与第一齿轮1啮合。第二齿轮4侧面开两个左右位置对称的陀螺转子容纳孔，用于安装陀螺转子6，中心开孔设有双出轴电机3，驱动陀螺转子6旋转产生力矩。第二齿轮4通过双出轴电机3两侧所设连接支架5用来与第二转轴相连，保证整个陀螺机构固定在陀螺框架7上，两个齿轮内部镂空，尽可能的减少整个机构的质量。

陀螺转子6在高速旋转时改变了其旋转轴线位置，产生了一个力矩作用于陀螺框架7上。陀螺组件依靠角动量的变化控制水下航行体的姿态，其角动量的大小与陀螺转子的转动惯量、转速有关。

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)

1.一种内外联合式姿态控制水下航行器，包括壳体和设置在所述壳体尾段的十字舵和螺旋桨，其特征在于，

还包括三个以上的陀螺组件，每个所述陀螺组件分别安装在所述壳体内，并且每个所述陀螺组件均包括陀螺框架、齿轮机构、第一齿轮驱动电机、双出轴电机和两个陀螺转子，其中，所述陀螺框架安装在所述壳体的内壁上，所述齿轮机构包括相互啮合的第一齿轮和第二齿轮，并且所述第一齿轮和第二齿轮分别通过第一转轴和第二转轴安装在所述陀螺框架，所述第一齿轮驱动电机安装在所述陀螺框架上并且该第一齿轮驱动电机的旋转轴与所述第一转轴固定连接，以用于驱动所述第一齿轮转动，所述第二齿轮上设置有电机容纳孔和两个陀螺转子容纳孔，所述双出轴电机设置在所述电机容纳孔处并且此双出轴电机的电机轴的两端分别连接一所述陀螺转子，所述第一转轴和第二转轴平行，所述双出轴电机的电机轴与所述第二转轴垂直；所述双出轴电机的电机轴的轴线与所述第二齿轮的中心线相交；

其中，水下航行器处于零速状态时，航行器姿态控制所需的力矩完全由所述陀螺组件产生；航行器以大于零速的速度航行时，水下航行器姿态控制所需的力矩由安装于航行器内部的所述陀螺组件及安装于外部的所述十字舵联合产生，并且上述两种姿态控制方式的切换由安装于壳体内的控制器完成。

2.根据权利要求1所述的一种内外联合式姿态控制水下航行器，其特征在于，所述壳体包括连接在一起的半球形首段、圆柱形中段以及所述尾段，所述圆柱形中段部分用于容纳陀螺组件、电源和控制器，所述电源分别与所述陀螺组件和所述控制器连接，三个以上的所述陀螺组件在壳体内采用分散布置方式，所述半球形首段、圆柱形中段以及尾段分别布置一个以上的陀螺组件。

3.根据权利要求1所述的一种内外联合式姿态控制水下航行器，其特征在于，当陀螺组件为三个、四个或五个时，它们最终分别形成三棱台、四棱台或五棱台构型。

4.根据权利要求1所述的一种内外联合式姿态控制水下航行器，其特征在于，所有的双出轴电机的电机轴相互平行，并且任意两个所述第二齿轮的中心线所成的角大于0。