CN107792325A - 适用于微型无人潜航器的尾部集成结构及其操舵方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于微型无人潜航器的尾部集成结构，涉及无人潜航器技术领域，本发明中的尾部集成结构采用呈120度间隔分布的三舵配置，相比传统的十字型四舵设置在内部空间占用上更小，有利于紧凑结构设计和降低成本。同时，尾部集成结构采用了纵向的平行嵌套的推进传动装置和舵传动装置，有效解决了微型无人潜航器的传动装置的紧凑设计难题。本发明还公开了适用于微型无人潜航器的尾部集成结构尾部集成结构的操舵方法，三舵呈120度间隔分布，任何一个舵都能在水平或者垂直方向上单独产生舵效，通过本发明所公布的操作方法能够使两个或三个舵片在某一个方向上的舵效叠加，缓解无人潜航器微型化设计带来的操控性减弱和稳定性减弱问题。

Description

适用于微型无人潜航器的尾部集成结构及其操舵方法

技术领域

本发明涉及无人潜航器技术领域，具体涉及一种适用于微型无人潜航器的尾部集成结构及其操舵方法。

背景技术

微型无人潜航器是一种超小型无人潜航器，它具备和常规大型无人潜航器完全一样的自主作业功能，但体积甚至只有常规小型无人潜航器的1/3到1/4左右。和大体积的同类产品比，微型无人潜航器具有成本低廉、操控灵活、易于大规模部署的优点。

微型化是无人潜航器发展的新趋势，超小型的体积可以带来一些新型应用。比如，它们可通过水面自主航行的舰艇进行自动部署，用于监控公共设施例如管道的腐蚀状况或者有没有潜在的泄漏，极大地减少作业成本。更进一步的说，一群微型无人潜航器协同工作，比单个常规无人潜航器的效果要好很多。它们可以非常快速地调查大范围区域，覆盖数百公里。同时，如果搭配一些互补技术，例如水面自主航行的舰艇以及卫星，可构建比以往更加精准的海洋环境图。

无人潜航器的尾部通常起到推进和运动控制的作用，一般的小型无人潜航器通常在尾部上配备单螺旋桨推进和十字型的舵片。其中上、下两舵联动，操控无人潜航器的左、右转向，左、右两舵联动操控，控制无人潜航器的潜、浮操作。上述结构在下述两个方面难以满足微型化需求：

(1)相对于微型无人潜航器，一般小型无人潜航器的尾部空间相对较大，四个舵轴通常由布置在同一个横截面的四个舵机直接驱动，推进电机也尽可能贴近尾部螺旋桨。当进行微型化时，由于横向截面减小，这样的结构四套舵机、舵轴会发生干涉。

(2)体积微型化后，无人潜航器的巡航速度和舵片面积不可避免的减小，其舵效将会大幅减弱引起操控性减弱，操纵稳定性变弱，在存在水流干扰时容易发生滚翻。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于微型无人潜航器的尾部集成结构及其操舵方法，有效解决了微型无人潜航器的传动装置的紧凑设计难题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种适用于微型无人潜航器的尾部集成结构，包括：

集成推进机构，所述集成推进机构包括依次相连的推进电机，推进传动装置和螺旋桨；

三套舵操纵机构，每套所述舵操纵机构包括一舵机，一舵传动装置和一舵片；所述三套舵操纵机构围绕所述推进传动装置呈120度间隔分布。

在上述技术方案的基础上，所述推进传动装置包括依次相连的电机端狗骨杯，传动狗骨，螺旋桨端狗骨杯和推进轴动密封组件。

在上述技术方案的基础上，所述推进轴动密封组件包括推进轴、套设于推进轴外的推进轴轴套、位于轴套前后两端的推进轴轴承以及位于推进轴轴承内侧的推进轴动密封O型圈。

在上述技术方案的基础上，所述舵传动装置包括舵推杆和舵轴动密封组件。

在上述技术方案的基础上，所述舵轴动密封组件包括依次连接的舵轴、舵轴动密封O型圈和舵轴曲柄，以及套设于舵轴和舵轴动密封O型圈外的舵轴套，所述舵轴曲柄和所述舵推杆铰接，所述舵轴和所述舵片固定连接。

在上述技术方案的基础上，所述尾部集成结构还包括舵机支架，三套所述舵操纵机构围绕所述推进传动装置呈120度间隔分布，且固定于所述舵机支架上。

在上述技术方案的基础上，所述尾部集成结构还包括锥型外壳，所述集成推进机构，三套舵操纵机构均设于所述锥型外壳内。

本发明实施例还公开了一种适用于微型无人潜航器的尾部集成结构的操舵方法：

以三所述舵片之舵轴共同所在平面建立坐标系，以三所述舵片之舵轴延长线交点为坐标原点，水平方向为X轴，垂直方向为Y轴；

执行下潜操作时，分别调整三所述舵片的舵角使三所述舵片在Y轴方向产生的合力矩抵消，产生X轴负方向的合力矩；

执行上浮操作时，分别调整三所述舵片的舵角使三所述舵片在Y轴方向产生的合力矩抵消，产生X轴正方向的合力矩；

执行右转操作时，分别调整三所述舵片的舵角使三所述舵片在X轴方向产生的合力矩抵消，产生Y轴负方向的合力矩；

执行左转操作时，分别调整三所述舵片的舵角使三所述舵片在X轴方向产生的合力矩抵消，产生Y轴正方向的合力矩。

在上述技术方案的基础上，所述舵片包括第一舵片，第二舵片和第三舵片，其中所述第一舵片之舵轴位于X轴负方向，所述第二舵片之舵轴位于X轴正方向，且所述第一舵片至舵轴与所述第二舵片之舵轴均与所述X轴呈30度夹角，所述第三舵片之舵轴位于Y轴正方向且与Y轴重叠；

设所述第一舵片转角为α，所述第二舵片转角为β，所述第三舵片转角为γ，让大拇指方向沿三所述舵片之舵轴指向坐标原点，四指卷曲所指的方向为α，β，γ的正方向，其反方向为负方向；

执行下潜操作时，使γ＝0、α>0、β＝-α<0，产生X轴负方向的合力矩；

执行上浮操作时，使γ＝0、α<0、β＝-α>0，产生X轴正方向的合力矩；

执行右转操作时，使γ<0、α>0、β＝α>0，产生Y轴负方向的合力矩；

执行左转操作时，γ>0、α<0、β＝α<0，产生Y轴正方向的合力矩。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明相比传统的十字型四舵结构，采用三舵设计在内部空间占用上更小，有利于微型无人潜航器的紧凑结构设计和降低成本，同时尾部集成结构采用了纵向的平行嵌套的推进传动装置和舵传动装置，有效解决了微型无人潜航器的传动装置的紧凑设计难题。

本发明还公开了适用于微型无人潜航器的尾部集成结构尾部集成结构的操舵方法，由于采用了完全独立的三舵设计，任何一个舵都能在水平或者垂直方向上单独产生舵效，通过操作舵机带动舵片能够实现三舵片在某一个方向上的舵效叠加，缓解微型无人潜航器的舵片操控性减弱和稳定性减弱问题。

附图说明

图1为本发明实施例中适用于微型无人潜航器的尾部集成结构的结构示意图；

图2为本发明实施例中适用于微型无人潜航器的尾部集成结构的集成推进机构的结构示意图；

图3为本发明实施例中适用于微型无人潜航器的尾部集成结构的舵操纵机构的结构示意图；

图4为本发明实施例中适用于微型无人潜航器的尾部集成结构的舵轴动密封组件的结构示意图；

图5为本发明实施例中适用于微型无人潜航器的尾部集成结构的推进轴动密封组件的结构示意图；

图6为本发明实施例中适用于微型无人潜航器的尾部集成结构的操舵方法中α>0、β>0、γ>0示意图；

图7为本发明实施例中适用于微型无人潜航器的尾部集成结构的操舵方法中α<0、β<0、γ<0示意图；

图8为本发明实施例中适用于微型无人潜航器的尾部集成结构的操舵方法中α＝0、β＝0、γ＝0示意图；

图9为本发明实施例中适用于微型无人潜航器的尾部集成结构的操舵方法中γ>0示意图；

图10为本发明实施例中适用于微型无人潜航器的尾部集成结构的操舵方法中γ<0示意图；

图11为本发明实施例中适用于微型无人潜航器的尾部集成结构的操舵方法中下潜操作时尾视图；

图12为本发明实施例中适用于微型无人潜航器的尾部集成结构的操舵方法中下潜操作时右视图；

图13为本发明实施例中适用于微型无人潜航器的尾部集成结构的操舵方法中上浮操作时尾视图；

图14为本发明实施例中适用于微型无人潜航器的尾部集成结构的操舵方法中上浮操作时右视图；

图15为本发明实施例中适用于微型无人潜航器的尾部集成结构的操舵方法中右转操作时尾视图；

图16为本发明实施例中适用于微型无人潜航器的尾部集成结构的操舵方法中右转操作时顶视图；

图17为本发明实施例中适用于微型无人潜航器的尾部集成结构的操舵方法中左转操作时尾视图；

图18为本发明实施例中适用于微型无人潜航器的尾部集成结构的操舵方法中左转操作时顶视图。

图中：1-集成推进机构，11-推进电机，12-推进传动装置，121-电机端狗骨杯，122-传动狗骨，123-螺旋桨端狗骨杯，124-推进轴动密封组件，124a-推进轴，124b-推进轴轴套，124c-推进轴轴承，124d-推进轴动密封O型圈，13-螺旋桨，2-舵操纵机构，21-舵机，22-舵传动装置，221-舵推杆，222-舵轴动密封组件，222a-舵轴，222b-舵轴动密封O型圈，222c-舵轴曲柄，222d-舵轴套，23-舵片，231-第一舵片，232-第二舵片，233-第三舵片，3-舵机支架，4-锥型外壳。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供一种适用于微型无人潜航器的尾部集成结构，包括：

集成推进机构1，集成推进机构1包括依次相连的推进电机11，推进传动装置12和螺旋桨13；

三套舵操纵机构2，每套舵操纵机构2包括一舵机21，一舵传动装置22和一舵片23；三套舵操纵机构2围绕推进传动装置12呈120度间隔分布，参见图3所示。

参见图2所示，推进传动装置12包括依次相连的电机端狗骨杯121，传动狗骨122，螺旋桨端狗骨杯123和推进轴124a动密封组件124。参见图5所示，推进轴124a动密封组件124包括推进轴124a、套设于推进轴124a外的推进轴轴套124b、位于轴套前后两端的推进轴轴承124c以及位于推进轴轴承124c内侧的推进轴动密封O型圈124d。

参见图3和4所示，舵传动装置22包括舵推杆221和舵轴222a动密封组件222。舵轴222a动密封组件222包括依次连接的舵轴222a、舵轴动密封O型圈222b和舵轴曲柄222c，以及套设于舵轴222a和舵轴动密封O型圈222b外的舵轴套222d，舵轴曲柄222c和舵推杆221铰接，舵轴222a和舵片23固定连接。

尾部集成结构还包括舵机支架3，三套舵操纵机构2围绕推进传动装置12呈120度间隔分布，且固定于舵机支架3上。尾部集成结构还包括锥型外壳4，集成推进机构1和三套舵操纵机构2均设于锥型外壳4内。

本发明实施例还公开了一种适用于微型无人潜航器的尾部集成结构的操舵方法：

以三舵片23之舵轴222a共同所在平面建立坐标系，以三舵片23之舵轴222a延长线交点为坐标原点，水平方向为X轴，垂直方向为Y轴；

执行下潜操作时，分别调整三舵片23的舵角使三舵片23在Y轴方向产生的合力矩抵消，产生X轴负方向的合力矩；

执行上浮操作时，分别调整三舵片23的舵角使三舵片23在Y轴方向产生的合力矩抵消，产生X轴正方向的合力矩；

执行右转操作时，分别调整三舵片23的舵角使三舵片23在X轴方向产生的合力矩抵消，产生Y轴负方向的合力矩；

执行左转操作时，分别调整三舵片23的舵角使三舵片23在X轴方向产生的合力矩抵消，产生Y轴正方向的合力矩。

具体的说，舵片23包括第一舵片231，第二舵片232和第三舵片233，其中第一舵片231之舵轴222a位于X轴负方向，第二舵片232之舵轴222a位于X轴正方向，且第一舵片231至舵轴222a与第二舵片232之舵轴222a均与X轴呈30度夹角，第三舵片233之舵轴222a位于Y轴正方向且与Y轴重叠；

设第一舵片231转角为α，第二舵片232转角为β，第三舵片233转角为γ，让大拇指方向沿三舵片23之舵轴222a指向坐标原点，四指卷曲所指的方向为α，β，γ的正方向，其反方向为负方向。参考图6，α>0、β>0、γ>0；参考图7，α<0、β<0、γ<0；参考图8，α＝0、β＝0、γ＝0。

参考图9和图10，第一舵片231、第二舵片232和第三舵片233在整个无人潜航器重心G上产生的转船力矩为M(α)、M(β)、M(γ)。依据力矩矢量的右手定则，图9中γ>0，转船力矩M(γ)矢量通过无人潜航器重心G，并指向纸外(平行于舵轴222a由无人潜航器重心G指向外)，用实心点表示；图10中γ<0，转船力矩M(γ)矢量通过无人潜航器重心G，并指向纸面(平行于舵轴222a由外指向无人潜航器重心G)，用叉符号表示。

执行下潜操作时，参考图11和图12，如图11所示，通过对应舵机21操作使γ＝0、α>0、β＝-α<0。此时，第三舵片233不产生舵效，第一舵片231在无人潜航器重心G产生转船力矩M(α)，第二舵片232在无人潜航器重心G产生转船力矩M(β)；由于β＝-α，因此|M(α)|＝|M(β)|，进而M(α)和M(β)在垂直方向分量相互抵消，合力矩ΣM为通过无人潜航器重心G，水平向左。参考图12所示的右视图，合力矩ΣM为通过无人潜航器重心G并垂直于纸面向里的方向，其作用使得无人潜航器头部向下，尾部向上，即实现下潜操作。

执行上浮操作时，参考图13和图14，如图13所示，通过对应舵机21操作使γ＝0、α<0、β＝-α>0。此时，第三舵片233不产生舵效，第一舵片231在无人潜航器重心G产生转船力矩M(α)，第二舵片232在无人潜航器重心G产生转船力矩M(β)；由于β＝-α，因此|M(α)|＝|M(β)|，进而M(α)和M(β)在垂直方向分量相互抵消，合力矩ΣM为通过无人潜航器重心G，水平向右。参考图14所示的右视图，合力矩ΣM为通过无人潜航器重心G并垂直于纸面向外的方向，其作用使得无人潜航器头部向上，尾部向下，即实现上浮操作。

执行右转操作时，参考图15和图16，如图15所示，通过对应舵机21操作使γ<0、α>0、β＝α>0。此时，第一舵片231、第二舵片232和第三舵片233分别在无人潜航器重心G处产生转船力矩M(α)、M(β)和M(γ)；由于β＝α，因而|M(α)|＝|M(β)|，进而M(α)和M(β)在水平方向分量相互抵消，M(α)、M(β)和M(γ)和合力矩ΣM为通过无人潜航器重心G，水平向下。参考16所示的顶视图，合力矩ΣM为通过无人潜航器重心G并垂直于纸面向里的方向，其作用使得无人潜航器头部向右，尾部向左，即实现右转向操作。

执行左转操作时，参考图17和图18，如图17所示，通过对应舵机21操作使γ>0、α<0、β＝α<0。此时，第一舵片231、12-2和12-3分别在无人潜航器重心G处产生转船力矩M(α)、M(β)和M(γ)；由于β＝α，因而|M(α)|＝|M(β)|，进而M(α)和M(β)在水平方向分量相互抵消，M(α)、M(β)和M(γ)和合力矩ΣM为通过无人潜航器重心G，水平向上。参考图18所示的顶视图，合力矩ΣM为通过无人潜航器重心G并垂直于纸面向外的方向，其作用使得无人潜航器头部向左，尾部向右，即实现左转向操作。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种适用于微型无人潜航器的尾部集成结构，其特征在于，包括：

集成推进机构(1)，所述集成推进机构(1)包括依次相连的推进电机(11)，推进传动装置(12)和螺旋桨(13)；

三套舵操纵机构(2)，每套所述舵操纵机构(2)包括一舵机(21)，一舵传动装置(22)和一舵片(23)；所述三套舵操纵机构(2)围绕所述推进传动装置(12)呈120度间隔分布。

2.如权利要求1所述的一种适用于微型无人潜航器的尾部集成结构，其特征在于：所述推进传动装置(12)包括依次相连的电机端狗骨杯(121)，传动狗骨(122)，螺旋桨端狗骨杯(123)和推进轴动密封组件(124)。

3.如权利要求1所述的一种适用于微型无人潜航器的尾部集成结构，其特征在于：所述推进轴动密封组件(124)包括推进轴(124a)、套设于推进轴(124a)外的推进轴轴套(124b)、位于轴套前后两端的推进轴轴承(124c)以及位于推进轴轴承(124c)内侧的推进轴动密封O型圈(124d)。

4.如权利要求1所述的一种适用于微型无人潜航器的尾部集成结构，其特征在于：所述舵传动装置(22)包括舵推杆(221)和舵轴动密封组件(222)。

5.如权利要求4所述的一种适用于微型无人潜航器的尾部集成结构，其特征在于：所述舵轴动密封组件(222)包括依次连接的舵轴(222a)、舵轴动密封O型圈(222b)和舵轴曲柄(222c)，以及套设于舵轴(222a)和舵轴动密封O型圈(222b)外的舵轴套(222d)，所述舵轴曲柄(222c)和所述舵推杆(221)铰接，所述舵轴(222a)和所述舵片(23)固定连接。

6.如权利要求1所述的一种适用于微型无人潜航器的尾部集成结构，其特征在于：所述尾部集成结构还包括舵机支架(3)，三套所述舵操纵机构(2)围绕所述推进传动装置(12)呈120度间隔分布，且固定于所述舵机支架(3)上。

7.如权利要求1所述的一种适用于微型无人潜航器的尾部集成结构，其特征在于：所述尾部集成结构还包括锥型外壳(4)，所述集成推进机构(1)，三套舵操纵机构(2)均设于所述锥型外壳(4)内。

8.一种如权利要求5所述的适用于微型无人潜航器的尾部集成结构的操舵方法，其特征在于：

以三所述舵片(23)之舵轴(222a)共同所在平面建立坐标系，以三所述舵片(23)之舵轴(222a)延长线交点为坐标原点，水平方向为X轴，垂直方向为Y轴；

执行下潜操作时，分别调整三所述舵片(23)的舵角使三所述舵片(23)在Y轴方向产生的合力矩抵消，产生X轴负方向的合力矩；

执行上浮操作时，分别调整三所述舵片(23)的舵角使三所述舵片(23)在Y轴方向产生的合力矩抵消，产生X轴正方向的合力矩；

执行右转操作时，分别调整三所述舵片(23)的舵角使三所述舵片(23)在X轴方向产生的合力矩抵消，产生Y轴负方向的合力矩；

执行左转操作时，分别调整三所述舵片(23)的舵角使三所述舵片(23)在X轴方向产生的合力矩抵消，产生Y轴正方向的合力矩。

9.如权利要求8所述的一种适用于微型无人潜航器的尾部集成结构的操舵方法，其特征在于：所述舵片(23)包括第一舵片(231)，第二舵片(232)和第三舵片(233)，其中所述第一舵片(231)之舵轴(222a)位于X轴负方向，所述第二舵片(232)之舵轴(222a)位于X轴正方向，且所述第一舵片(231)至舵轴(222a)与所述第二舵片(232)之舵轴(222a)均与所述X轴呈30度夹角，所述第三舵片(233)之舵轴(222a)位于Y轴正方向且与Y轴重叠；

设所述第一舵片(231)转角为α，所述第二舵片(232)转角为β，所述第三舵片(233)转角为γ，让大拇指方向沿三所述舵片(23)之舵轴(222a)指向坐标原点，四指卷曲所指的方向为α，β，γ的正方向，其反方向为负方向；

执行下潜操作时，使γ＝0、α>0、β＝-α<0，产生X轴负方向的合力矩；

执行上浮操作时，使γ＝0、α<0、β＝-α>0，产生X轴正方向的合力矩；

执行右转操作时，使γ<0、α>0、β＝α>0，产生Y轴负方向的合力矩；

执行左转操作时，γ>0、α<0、β＝α<0，产生Y轴正方向的合力矩。