CN108423145A - 一种矢量推进的四旋翼水下航行器 - Google Patents

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尹文涛
刘弼恒
岳前进
王振宇
刘健
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    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/14—Control of attitude or depth
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Abstract

本发明属于水下航行器技术领域，公开了一种矢量推进的四旋翼水下航行器，包括：耐压主体、螺旋桨推进器、转动机构、控制模块、动力模块；控制模块和动力模块位于耐压主体内部中心以下位置，动力模块用于为控制模块和螺旋桨推进器提供能量，促使其动作；四个螺旋桨推进器固定于转动机构上，对称分布于耐压主体两侧，四个螺旋桨推进器相对于耐压主体的中心对称；转动机构与耐压主体的连接能够实现转动机构整体绕耐压主体外壁自由圆周运动。相较于传统水下航行器结构方案，在实现水下航行器基本运动的同时，丰富了水下航行器的运动形式，提高了水下航行器的运动稳定性、可控性和推进器利用效率。

Description

一种矢量推进的四旋翼水下航行器
技术领域
本发明属于水下航行器技术领域，尤其是涉及一种矢量推进的四旋翼水下航行器。
背景技术
水下航行器是进行水下观测，水下作业的无人智能移动平台，其结构多采用框架式结构或鱼雷型结构。尤其是海底地形、海流因素复杂的情况，对水下航行器的可操控性、稳定性和推进器利用率等提出了很高的要求。水下航行器低速可控性和机动性的好坏决定了其能否顺利完成特定的水下工作任务，如海洋参数测量，定点悬停作业等。
然而目前的框架式结构方案和鱼雷式结构方案，在低速可控性和机动性上均存在回转半径较大，推进器利用效率低的情况。公开号CN 105346695A的专利文献公开了一种四旋翼水下航行器，虽然该专利文献中所述结构在运动机动性等性能上较之传统水下航行器结构有所提高，但在垂直方向上的上浮下潜运动中，因为推进器的布局方式，仍然存在运动可控性，推进器利用效率不高的问题。
发明内容
本发明提出了一种在各种水下工况下运动具有高可操控性、高稳定性和高推进器利用效率的矢量推进的四旋翼水下航行器。该水下航行器推进器布局简单，转向灵活，可实现无转弯半径的前后、左右、上浮、下潜的全自由度运动。
本发明提供的技术方案如下：一种矢量推进的四旋翼水下航行器，包括：耐压主体、螺旋桨推进器、转动机构、控制模块、动力模块；控制模块和动力模块位于耐压主体内部中心以下位置，动力模块用于为控制模块和螺旋桨推进器提供能量，促使其动作；四个螺旋桨推进器固定于转动机构上，对称分布于耐压主体两侧，四个螺旋桨推进器相对于耐压主体的中心对称；转动机构与耐压主体的连接能够实现转动机构整体绕耐压主体外壁自由圆周运动。
进一步地，上述螺旋桨推进器包括防水电机、调速器、螺旋桨、整流涵道；所述调速器密封于防水电机内部，螺旋桨固定在防水电机的转轴上，防水电机、螺旋桨、调速器组成的机构固定在整流涵道内，整流涵道固定在转动机构上。
进一步地，上述控制模块包括主控板、传感器；所述动力模块包括动力电源和主控板供电电源分别为螺旋桨推进器和主控板供电，主控板控制防水电机转速从而实现运动控制。
进一步地，上述动力模块为高性能锂电池组。
进一步地，上述转动机构包括对称设置的两部分，每部分包括条形连接板、防水滑环；其中，防水滑环一端为具有外螺纹的固定端，另一端为光滑的转动端，防水滑环通过具有外螺纹的一端与耐压主体一侧壁面螺纹连接，另一端的光滑部分与连接板中心的通孔A配合固定；转动机构两部分之间通过各自连接板间的连接杆连接。
进一步地，上述的耐压主体包括具有O型垫圈密封结构的圆筒和与圆筒两端相配合的密封圆板；圆筒两端有装配O型密封垫圈的沟槽和用以紧固的螺孔；密封圆板中间开有与防水滑环的螺纹端相配合的螺孔。
进一步地，上述O型垫圈为O型氟胶垫圈，圆筒采用耐压透明材料。
进一步地，转动机构优选地采用上述方式但不局限于上述方式。例如，转动机构包括圆盘形连接板、一端具有外螺纹的转轴、防水轴承；其中，转轴与耐压主体一侧壁面螺纹连接，另一端光滑部分与防水轴承配合，圆盘形连接板中心的通孔B与轴承配合固定；转动机构两部分之间通过各自连接板间的接杆连接。
本发明提供了矢量推进的四旋翼水下航行器，有以下至少一种有益效果：
1、由于采用电气模块组件和配重放于距离转轴最远处的结构方案，水下航行器的稳定性得到提高，系统抗外界干扰能力增强。
2、由于采用螺旋桨推进器绕转轴旋转进而改变推进方向的结构方案，水下航行器运动灵活性提高，系统响应控制信号的速度提高。
3、由于采用螺旋桨推进器绕转轴旋转进而改变推进方向的结构方案，水下航行器的推进器利用效率得到提高。
附图说明
图1是本发明的主体结构示意图；
图2是本发明的内部结构示意图；
图3是本发明的运动方式示意图；
图中：1耐压筒式主体；2a螺旋桨推进器a；2b螺旋桨推进b器；2c螺旋桨推进器c；2d螺旋桨推进器d；3密封圆板；4转动机构；5控制模块；6电池组。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，本发明的实施例一为结构方案的具体实施例，实施例二是运动方式的具体实施例。
为简化图例，各图仅示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表产品的实际结构。
实施例一
如图1和图2所示，耐压筒式主体1两端通过O型垫圈密封结构，与密封圆片3相连接，构成圆筒密封空腔。控制模块5和电池组6固定在上述空腔内。螺旋桨推进器2固定在转动机构4的接板上，转动机构4固定在密封圆板上，两侧转动机构4通过杆连接固定。进一步地，螺旋桨推进器的导线通过防水滑环连接至上述密封空腔中。四个推进器2与转动机构4所构成的构件可以绕筒式主体任意转动。进一步，通过调节配重使水下航行器在水中呈零浮力状态。
实施例二
如图3所示，推进器2a、2b、2c、2d始终位于同一平面上。当水下航行器下潜时，推进器所在平面保持水平，此时推进器的水平姿态为姿态I。四个推进器同速向下推进，实现下潜动作。
下潜至一定深度后，推进器通过差速调节，调整推进器所在平面相对筒式主体的位置，所在平面绕筒式主体相对转动，筒式主体始终保持初始姿态不变，这个过程中推进器的姿态为姿态II。在推进器所在平面旋转到竖直方向时，推进器姿态为姿态III。此时，四个推进器同速推进，实现水平直线运动。当左右两对推进器做差速转动时，便可实现在水平方向上的无回转半径转向。
当航行器要进行上浮动作时，推进器由姿态III经由姿态IV，恢复到水平姿态I，四个推进器同时同速向上推进实现上浮运动。进一步的，航行器可以通过推进器2a、2b、2c、2d在不同姿态下的差速配合，实现更为复杂的运动，运动可控性提高。此外，由于筒式主体中，电池组6作为重物位于主体底部，水下航行器具有固定的较大稳心高，运动稳定性提高。进一步地，水下航行器在推进器位于姿态I,、III的运动状态时，推进器推进方向均平行于航行器运动方向，推进器利用效率提高。
当航行器要进行任意方向的空间运动时，依据前进方向，推进器保持介于姿态I和姿态III之间的姿态，如姿态II或姿态IV。此时，推进器2a、2b、2c、2d同速推进，从而实现朝向任意方向的空间运动。

Claims (7)

1.一种矢量推进的四旋翼水下航行器，其特征在于，包括：耐压主体、螺旋桨推进器、转动机构、控制模块、动力模块；控制模块和动力模块位于耐压主体内部中心以下位置，动力模块用于为控制模块和螺旋桨推进器提供能量，促使其动作；四个螺旋桨推进器固定于转动机构上，对称分布于耐压主体两侧，四个螺旋桨推进器相对于耐压主体的中心对称；转动机构与耐压主体的连接能够实现转动机构整体绕耐压主体外壁自由圆周运动。
2.根据权利要求1所述的矢量推进的四旋翼水下航行器，其特征在于，所述螺旋桨推进器包括防水电机、整流罩、电机外壳、调速器、螺旋桨；所述调速器密封于防水电机内部，螺旋桨固定在防水电机的转轴上，防水电机、螺旋桨、调速器组成的机构固定在整流涵道内，整流涵道固定在转动机构上。
3.根据权利要求2所述的矢量推进的四旋翼水下航行器，其特征在于，所述控制模块包括主控板、传感器；所述动力模块包括动力电源和主控板供电电源分别为螺旋桨推进器和主控板供电，主控板控制防水电机转速从而实现运动控制。
4.根据权利要求3所述的矢量推进的四旋翼水下航行器，其特征在于，所述动力模块为高性能锂电池组。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的矢量推进的四旋翼水下航行器，其特征在于，所述转动机构包括对称设置的两部分，每部分包括条形连接板、防水滑环；其中，防水滑环一端为具有外螺纹的固定端，另一端为光滑的转动端，防水滑环通过具有外螺纹的一端与耐压主体一侧壁面螺纹连接，另一端的光滑部分与连接板中心的通孔A配合固定；转动机构两部分之间通过各自连接板间的连接杆连接。
6.根据权利要求5所述的矢量推进的四旋翼水下航行器，其特征在于，所述的耐压主体包括具有O型垫圈密封结构的圆筒和与圆筒两端相配合的密封圆板；圆筒两端有装配O型密封垫圈的沟槽和用以紧固的螺孔；密封圆板中间开有与防水滑环的螺纹端相配合的螺孔。
7.根据权利要求6所述的矢量推进的四旋翼水下航行器，其特征在于，所述O型垫圈为O型氟胶垫圈，圆筒采用耐压透明材料。
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