CN109591984A - 水下无人机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水下无人机，涉及机器人技术领域。其包括主壳体，还包括控制系统，主壳体内安装有四个水平推进器及三个竖直推进器，四个水平推进器和三个竖直推进器分别与控制系统信号连接；四个水平推进器两两为一组，每一组中的两个水平推进器关于主壳体的对称线对称设置，用于提供平行于主壳体平面的水平推力；其中两个竖直推进器关于主壳体的对称线对称设置，用于提供垂直于主壳体平面的垂直推力，另外一个竖直推进器位于主壳体的对称线上。本发明提供的水下无人机在前进、后退、左移和右移时，不用改变自身俯仰角和横滚角；在运动过程中，各推进器与通过控制系统的协调，可降低能耗，提高控制效率，降低各控制通道之间耦合度，自主性高。

Description

水下无人机

技术领域

本发明实施例涉及机器人技术领域，尤其涉及一种水下无人机。

背景技术

随着高新技术的发展，海洋经济与海洋资源越来越受世界各国的重视，水下运载器就这样应运而生，并发展出了很多种类，包括载人深潜器、有缆水下无人机及无缆水下无人机。水下运载器主要包括整体、动力推进、综合控制、通讯和导航等关键技术。其中，因为深海环境比较恶劣，载人深潜器受到很大限制；有缆水下无人机通过线缆与船只连接，很好的解决了通信和供电问题；无缆水下无人机因为供电和通信问题，其应用范围也很受限制，并且对突发情况很难应对。目前常见的水下无人机竖直方向的推进器不能独立控制水下无人机六个自由度，因此在作业时水下无人机会出现不稳定而无法调整的状况。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种水下无人机，用以解决现有的水下无人机稳定性和控制自主度低的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种水下无人机，包括主壳体，还包括控制系统，所述主壳体内安装有四个水平推进器及三个竖直推进器，四个所述水平推进器和三个所述竖直推进器分别与所述控制系统信号连接；四个所述水平推进器两两为一组，每一组中的两个所述水平推进器关于所述主壳体的对称线对称设置，用于提供平行于所述主壳体平面的水平推力；其中两个所述竖直推进器关于所述主壳体的对称线对称设置，用于提供垂直于所述主壳体平面的垂直推力，另外一个竖直推进器位于所述主壳体的对称线上。

其中，两组所述水平推进器中一组位于所述水下无人机的前端，另一组位于所述水下无人机的后端，两组所述水平推进器之间分别由所述控制系统独立控制。

其中，所述水平推进器与所述竖直推进器结构相同，均包括螺旋桨、传动轴及电动机；所述螺旋桨固定安装在所述传动轴上，所述传动轴由所述电动机驱动。

其中，每个所述水平推进器的螺旋桨竖直设置，其中位于所述水下无人机前端的两个所述水平推进器中的所述螺旋桨旋转方向相反，位于所述水下无人机后端的两个所述水平推进器中的所述螺旋桨旋转方向相反。

其中，每个所述竖直推进器上的螺旋桨水平设置，其中位于所述主壳体对称线上的所述竖直推进器螺旋面向下设置，位于所述主壳体对称线两侧的两个所述竖直推进器的螺旋桨旋转方向相反。

其中，所述水平推进器相对所述主壳体的对称线倾斜设置，两者之间形成的内夹角为锐角。

其中，所述控制系统包括自动驾驶仪、电力线载波设备及控制终端，在所述主壳体内设有密封舱，所述自动驾驶仪安装在所述密封舱的内部，所述控制终端通过所述电力线载波设备与所述自动驾驶仪信号连接。

其中，在所述自动驾驶仪前端安装有摄像头，所述摄像头外罩设有防水罩，所述摄像头采集的视频信息通过所述电力线载波设备发送给所述控制终端。

其中，还包括照明灯，所述照明灯安装在所述摄像头旁，设置在所述防水罩内。

其中，在所述主壳体的尾部设有通信接口，用于通信和供电的线缆插接在所述通信接口上。

(三)有益效果

本发明提供的水下无人机，四个水平推进器中两两为一组，每组两个水平推进器关于主壳体的对称线对称设置，从而在四个水平推进器之间形成对称的四边形结构，三个竖直推进器中一个位于主壳体对称线上，另外两个位于主壳体对称线两侧，三者之间形成一个对称的等腰三角形，从而实现水下无人机的结构平衡，通过对称的结构设计可以将每组水平推进器产生的关于主壳体对称线的扭矩平衡抵消掉，避免水下无人机在前进、后退、左移和右移时，俯仰角和横滚角发生变化；在运动过程中，各推进器与控制系统分别信号连接，通过控制系统的协调，可以有效降低能耗，提高控制效率和降低控制通道的耦合度，具体地，四个水平推进器中每一组都可以单独产生平行于主壳体平面的水平推力，四个水平推进器所实现的水平面内的运动同竖直推进器，同样可以仅由其中一组水平推进器实现，也可由四个协同工作实现，配合方式多样，自主性高；同理，实现上升或下沉的垂直推力可以来自单独的一个竖直推进器，也可来自协同工作的两个竖直推进器，还可以来自三个竖直推进器的共同工作，控制方式多样。

附图说明

图1为本发明实施例水下无人机的结构示意图；

图2为图1中所示的水下无人机的内部结构图。

图中：10、主壳体；20、水平推进器；21、螺旋桨；22、电动机；30、竖直推进器；40、密封舱；50、防水罩；60、通信接口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例中的一种水下无人机，如图1-2所示，包括主壳体10及控制系统，主壳体10内安装有四个水平推进器20及三个竖直推进器30；四个水平推进器20两两为一组，每一组中的两个水平推进器20关于主壳体10的对称线对称设置，用于提供平行于主壳体10平面的水平推力；即同一组中的两个水平推行器20可以产生平行于主壳体10平面的水平推力；其中两个竖直推进器30关于主壳体10的对称线对称设置，用于提供垂直于主壳体10平面的垂直推力，另外一个竖直推进器30位于主壳体10的对称线上。四个水平推进器20和三个竖直推进器30分别与控制系统信号连接。需要说明的是，主壳体10的对称线指的是从主壳体10的前端延伸至主壳体10后端的纵向对称线，与此相对的是沿主壳体10宽度方向延伸的横向对称线。

本发明实施例中的水下无人机，三个竖直推进器30分别通过螺丝固定安装在主壳体10内，在控制系统的作用下，三个竖直推进器30产生垂直于主壳体10平面的垂直推力，可以实现水下无人机的上升和下沉；四个水平推进器20分别通过螺丝固定安装在主壳体10内，在控制系统的作用下，四个水平推进器20产生平行于主壳体10平面的水平推力，可以实现水下无人机的前进、后退、左移、右移、左转及右转运动。其中，在四个水平推进器20和三个竖直推进器30的外部沿轴向均匀分布有两个或三个呈支耳状的连接支耳，螺丝穿过连接支耳将水平推进器20或竖直推进器30与主壳体10固定连接。

四个水平推进器20中，两两为一组，其中一组位于水下无人机的前端，关于主壳体10的对称线对称设置，另外一组位于水下无人机的后端，也关于主壳体10的对称线对称设置，从而在四个水平推进器20之间形成对称的四边形结构，以保持水下无人机的结构平衡。需要说明的是，四个水平推进器20形成的四边形结构可以为对称的梯形也可以为长方形。三个竖直推进器30中一个位于主壳体10对称线上，另外两个位于主壳体10对称线两侧，三者之间形成一个等腰三角形，为对称结构，使整个水下无人机的结构处于平衡状态。

在运动过程中，四个水平推进器20中每一组都可以单独产生平行于主壳体10平面的水平推力，通过对称的结构设计可以将每组水平推进器20产生的关于主壳体10对称线的扭矩平衡抵消掉，避免前进、后退、左移和右移时水下无人机俯仰角和横滚角发生变化。同理，对称设置在主壳体10对称线两侧的两个竖直推进器30产生的扭矩同样也会被平衡抵消掉。当设置俯仰角和横滚角为零时，位于主壳体10对称线上的竖直推行器30单独产生竖直方向的垂直推力，对称设置在主壳体10对称线两侧的两个竖直推进器30也可产生竖直的垂直推力以推动水下无人机上升或下沉，在上升和下沉过程中，俯仰角和横滚角保持不变。其中实现上升或下沉的垂直推力可以来自单独的一个竖直推进器30，也可来自协同工作的两个竖直推进器30，还可以来自三个竖直推进器30的共同工作，控制方式多样。四个水平推进器20所实现的水平面内的运动同竖直推进器30，同样可以仅由其中一组水平推进器20实现，也可由四个协同工作实现，配合方式多样，自主性高。

而传统的旋翼式无人机在实现上升或下沉时，多个旋翼相互配合，一部分增速，另一部分减速，通过调整俯仰角和横滚角进而实现高度上的调整，该过程中，多个电机需要共同工作，能耗高。相比于传统的旋翼式无人机，本发明中的水下无人机，水平推进器20在产生平行于主壳体10平面的水平推力时，可以仅有位于前端或后端的两个水平推进器20工作，竖直推进器30产生垂直于主壳体10的垂直推力时可以仅位于主壳体10对称线上的竖直推进器30工作，从而减少电机的能量消耗；而且本发明实施例中的水下无人机直接进行推进，不需要调整俯仰角和横滚角即可实现上升、下沉、前进、后退、左转、右转、左移及右移。各推进器与控制系统分别信号连接，通过控制系统的协调，可以有效降低能耗，提高控制效率和降低控制通道的耦合度。

其中，两组水平推进器20中一组位于水下无人机的前端，另一组位于水下无人机的后端，两组水平推进器20之间分别由控制系统独立控制。当其中一组水平推进器20发生故障时，另外一组水平推进器20仍旧可以单独工作，完成水下无人机水平面内各方向的运动。

具体地，本发明实施例中的主壳体10的横向截面呈正方形，每个正方形的边长中央向内凹陷。水平推进器20与竖直推进器30结构相同，均包括螺旋桨21、传动轴及电动机22；螺旋桨21固定安装在传动轴上，传动轴由电动机22驱动。在电动机22的驱动下，螺旋桨21旋转，作用于水体，产生推动水下无人机运动的推力。其中，四个水平推进器20的螺旋桨21既可以正转，也可以反转。

在本发明实施例中，每个水平推进器20的螺旋桨21竖直设置，即螺旋桨21的旋转轴沿水平方向延伸，旋转平面为一个竖直面；螺旋桨21旋转过程中推动水流，产生平行于主壳体10平面的水平推力。为了实现力矩的平衡，产生合力方向水平的作用力，位于水下无人机前端的两个水平推进器20中的螺旋桨21旋转方向相反，位于水下无人机后端的两个水平推进器20中的螺旋桨21旋转方向相反。同理，每个竖直推进器30上的螺旋桨21水平设置，其中位于主壳体10对称线上的竖直推进器30螺旋面向下设置，向下推动水体时，竖直推进器30产生竖直向上的推力，以调整水下无人机的高度；位于主壳体10对称线两侧的两个竖直推进器30的螺旋桨旋转方向相反以确保合力沿竖直方向。

另外，在本发明实施例中，水平推进器20相对主壳体10的对称线倾斜设置，两者之间形成的内夹角为锐角。具体地，位于水下无人机前端的一组水平推进器20，电动机22的输出端位于水下无人机的后端，螺旋桨21的旋转轴从水下无人机的前端中心向后端外部延伸，相对主壳体10的对称线倾斜，在两者之间形成的内夹角为锐角。位于水下无人机后端的一组水平推进器20，电动机22的输出端位于水下无人机的前端，这样四个水平推进器20的螺旋桨21朝向水下无人机的中部设置。需要说明的是，内夹角指的是水平推进器20的旋转轴与主壳体10对称线之间形成的朝向水下无人机内部的角度，于此相对的是两者之间形成的朝向水下无人机外部的夹角。优选的，该夹角为30°～60°。

本发明实施例中的控制系统包括自动驾驶仪、电力线载波设备及控制终端，在主壳体10内设有密封舱40，自动驾驶仪安装在密封舱40的内部，控制终端通过电力线载波设备与自动驾驶仪信号连接。具体地，密封舱40呈圆柱状，其轴线与主壳体10的对称轴重合。在自动驾驶仪前端安装有摄像头，摄像头位于水下无人机的前端，在摄像头外部罩设有透明的防水罩50，摄像头用于实时获取水下图像，摄像头采集的视频图像信息通过电力线载波设备发送给控制终端。为了对水下环境进行光照补偿，在摄像头旁还安装有照明灯，该照明灯同样设置在防水罩50内。

其中，电力线载波设备通过线缆传输实现对主壳体10内部需电结构的供电，同时实现自动驾驶仪和地面上控制终端的信息交互；线缆选用零浮力线缆，减少其自重与排水量对水下无人机姿态的影响。控制终端可以为带有显示器的操作台，在控制终端中安装有上位机控制软件，用于收集、处理与显示主壳体10的位置、姿态和深度信息和摄像头采集的视频信息，处理后的控制信息经由电力线载波设备传递给自动驾驶仪以发出控制指令控制各推进器的工作状态。由此，自动驾驶仪实时采集主壳体10的姿态信息通过电力线载波设备将采集的姿态信息传递给控制终端，并通过电力线载波设备获取控制终端的控制指令，控制三个竖直推进器30和四个水平推进器20的运行，实现主壳体10的姿态控制。在主壳体10的尾部设有通信接口60，用于通信和供电的线缆通过通信接口60与主壳体10内电动机22和自动驾驶仪相连。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下无人机，包括主壳体，其特征在于，还包括控制系统，所述主壳体内安装有四个水平推进器及三个竖直推进器，四个所述水平推进器和三个所述竖直推进器分别与所述控制系统信号连接；四个所述水平推进器两两为一组，每一组中的两个所述水平推进器关于所述主壳体的对称线对称设置，用于提供平行于所述主壳体平面的水平推力；其中两个所述竖直推进器关于所述主壳体的对称线对称设置，用于提供垂直于所述主壳体平面的垂直推力，另外一个竖直推进器位于所述主壳体的对称线上。

2.根据权利要求1所述的水下无人机，其特征在于，两组所述水平推进器中一组位于所述水下无人机的前端，另一组位于所述水下无人机的后端，两组所述水平推进器之间分别由所述控制系统独立控制。

3.根据权利要求1所述的水下无人机，其特征在于，所述水平推进器与所述竖直推进器结构相同，均包括螺旋桨、传动轴及电动机；所述螺旋桨固定安装在所述传动轴上，所述传动轴由所述电动机驱动。

4.根据权利要求3所述的水下无人机，其特征在于，每个所述水平推进器的螺旋桨竖直设置，其中位于所述水下无人机前端的两个所述水平推进器中的所述螺旋桨旋转方向相反，位于所述水下无人机后端的两个所述水平推进器中的所述螺旋桨旋转方向相反。

5.根据权利要求3所述的水下无人机，其特征在于，每个所述竖直推进器上的螺旋桨水平设置，其中位于所述主壳体对称线上的所述竖直推进器螺旋面向下设置，位于所述主壳体对称线两侧的两个所述竖直推进器的螺旋桨旋转方向相反。

6.根据权利要求1所述的水下无人机，其特征在于，所述水平推进器相对所述主壳体的对称线倾斜设置，两者之间形成的内夹角为锐角。

7.根据权利要求1所述的水下无人机，其特征在于，所述控制系统包括自动驾驶仪、电力线载波设备及控制终端，在所述主壳体内设有密封舱，所述自动驾驶仪安装在所述密封舱的内部，所述控制终端通过所述电力线载波设备与所述自动驾驶仪信号连接。

8.根据权利要求7所述的水下无人机，其特征在于，在所述自动驾驶仪前端安装有摄像头，所述摄像头外罩设有防水罩，所述摄像头采集的视频信息通过所述电力线载波设备发送给所述控制终端。

9.根据权利要求8所述的水下无人机，其特征在于，还包括照明灯，所述照明灯安装在所述摄像头旁，设置在所述防水罩内。

10.根据权利要求1所述的水下无人机，其特征在于，在所述主壳体的尾部设有通信接口，用于通信和供电的线缆插接在所述通信接口上。