CN109693775A - 一种基于阀门开关与涵道电机结合的动力系统的碟形水下航行器 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及水下作业器具技术领域，具体涉及一种基于阀门开关与涵道电机结合动力系统的碟形水下航行器。发明了一种涵道电机与伺服电机控制管道的开关相结合实现航行器矢量合成的全新推进方式，并基于此推进方式结合碟形外形设计出一款新型水下航行器。其特点是包括1上层外壳部分、2下层外壳部分、3中骨机构部分、4伺服电机驱动的开关阀门部分和5涵道电机部分，通过两个涵道电机以及四个伺服电机驱动的阀门开关动作相结合实现航行器的向特定方向的矢量推进动作。较现有UUV以及仿生航行器有机动性强、航行速度快、稳定性强、能进行零半径转向的优点。能根据需要搭配不同的任务设备，用于执行水下工程检测、应急搜索及施工作业等任务。

Description

一种基于阀门开关与涵道电机结合的动力系统的碟形水下航 行器

技术领域

本发明专利涉及水下作业器具技术领域，具体涉及一种基于阀门开关与涵道电机结合动力系统的碟形水下航行器。

背景技术

目前国内外常见的无人水下航行器的推进方式可以分为以下两种：

一种是仿生水下推进，包括扑翼式推进、滑翔式推进、摆动式推进等。由于其定位于仿生，其外形会更加合理、省能、续航能力强，但是由于其仿生条件的限制，其推进力相对较弱，从而会导致其运动性能差而且由于其体积一般较小，因而可搭载的装置较少，功能比较单一，实用价值不大。

另一种是螺旋桨式推进，其中为代表的航行器共有两类一类是鱼雷外观设计并通过螺旋桨进行推进的航行器，其技术在实际应用中有着较大的优势,其理论研究和实际应用也比较成熟，但由于其外形细长，因转向灵活性较差尤其在狭小复杂的空间里转向十分困难，使得其作业空间和应用场合受到限制；另一类是立方型水下航行器，其中为代表的是美国的BlueROV，此类航行器特点是外观轮廓为立方式，同时由于要满足航行灵活性以及动力需要，一般装配六个甚至更多的螺旋桨实现矢量的合成从而使航行器能向各个方向运动，但缺点在于其立方形的外形设计牺牲了水动力外形使得航行时的水阻大同时因为矢量合成而配置的多个螺旋桨使得航行器的能耗大大增加，单位电量的续航时间大大减小，需要持续的动力补充而不能实现长周期的巡航。

文献1“授权公告号是CN 206243417 U”公开了一种基于涡旋运动的碟形水下航行器，其通过流线型的碟形外形设计减少了航行时的水阻，解决了传统立方式水下航行器航行时对于水阻做得无用功，但是这款碟形航行器的缺点是与传统立方式水下航行器一样采用六个螺旋桨推进器导致能耗大、单位电量航行短、续航能力差，同时航行器的上下对称，使得航行器的重心位于航行器中间的几何中心处，在受到扰流的力矩冲击时易发生翻滚从而失去正常航行能力。

发明内容

为了解决上述现有航行器所存在的不足、突破现有水下航行器的动力推进方式，本发明提出了一种基于阀门开关实现矢量推的碟形无人水下航行器，发明了一种涵道电机与伺服电机控制管道的开与关相结合实现航行器矢量合成的全新推进方式，并基于此推进方式结合碟形外形设计出一款新型水下航行器。

此推进方式将螺旋桨的数量减至两个，在降低了推进系统的功耗同时在指定方向上实现双倍推力，增加了航行器的机动性、增加了航行器的续航时间和作业时间；其无主方向的动力设计使得航行器可以通过矢量合成实现任意方向的运动并能实现零半径转向，增加了航行器的灵活性；针对涵道水道进行了雷诺数方程的优化，减小了水流在航行器内部的阻力、增强了涵道电机的推进效率；由于采用涵道电机吸水，伺服电机驱动的开关阀门出水，减小了水下水流场的扰动，降低了被侦测的概率；其碟形流体外形设计以及内部布局降低了航行器的水阻、降低航行器的重心、增强了航行器的航行稳定性，具有广大的任务作业设备搭载空间，可以搭载具体的传感器和任务模块，从而实现相应特定的任务功能，海洋的开发与应用上具有很好的应用前景。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于阀门开关与涵道电机相结合实现矢量推进的全新动力系统的碟形水下航行器。其特点是包括1上层外壳部分、2下层外壳部分、3中骨机构部分、4伺服电机驱动的开关阀门部分和5涵道电机部分。所述1上层外壳部分与所述4中骨机构部分中间环状圆形带上的锁扣固连；所述2下层外壳部分通过螺丝与所述3中骨机构部分环状圆形带上的螺丝孔固连；所述的两个5涵道电机部分通过螺丝与4中骨机构部分的上下两个基座上的螺丝孔固连；四个42伺服电机驱动的开关阀门部分与4中骨机构部分水平面上的四个方向出水管道上的基座相固连。

进一步地，所述1上层外壳部分包括11第一上层外壳与12第二上层外壳。

进一步地，所示11第一上层外壳由一个开孔的半圆形壳面为主体，其内侧均匀分布111八条纵向加强筋与112三条环状加强筋，11第一上层外壳的顶部有一个113开孔的圆形中空部分，该部分均匀环绕有114四个对穿的螺丝孔。11第一上层外壳有115一个环状结构部分，该部分通过116八个柱体与第一上层外壳固连，同时115环状部分开有117八个螺丝孔，以使用螺丝与12第二上层外壳的125螺丝孔相连接。

进一步地，所述12第二上层外壳由一个环状的外壳为主体，其内侧有121 一个环状带，该环状带有126八个锁扣，126八个锁扣与中骨机构部分相连接。该121环状带通过122八个柱体与123八个类长方体的连接片相固连，该123 八个类长方体的连接片与第二上层外壳的壳体相固连，123八个类长方体的连接片上部分与124上层环状带相固连，且在123八个类长方体的连接片上与124 上层环状带连接的部分开有125螺丝孔，125八个螺丝孔与116的八个螺丝孔通过螺丝连接固定。

进一步地，所述2下层外壳部分包括21第一下层外壳与22第二下层外壳。

进一步地，所述21第一下层外壳由一个开孔的半圆形壳面为主体，其内侧均匀分布211八条纵向加强筋与212两条环状加强筋，21第一下层外壳的底部中间有一个213开孔的圆形中空部分，该部分均匀环绕有214四个对穿螺丝孔。 21第一下层外壳四周均匀分布有215八个柱状体，这215八个柱状体与21第一下层外壳固连，且215八个柱状体中间分别开有216八个螺丝孔，可使用八个螺丝将21第一下层外壳与22第二下层外壳相连接起来。21第一下层外壳最上部分有217一个扁平状的圆环与壳体固连，以与22第二下层外壳的最下部分紧密配合

进一步地，所述22第二下层外壳由一个环状的外壳为主体，其下侧开有一个与21第一下层外壳217上沿尺寸大小相配合的229中空圆环其内侧有221八个纵向加强筋与222两个环状加强筋。223八个柱状体与第二下层外壳固连，224 八个类长方体连接板与223八个柱状体固连，225一个环状带与224八个类长方体连接板的末端固连，在224八个类长方体连接板与215环状带连接处的位置分别垂直开有226八个螺丝孔，使用螺丝将21第一下层外壳与22第二下层外壳连接起来。在22第二下层外壳的水平四个方向分别开有227四个贯穿的椭圆孔，228四个沿椭圆孔边缘的柱体薄壁与22第二下层外壳的壳体相固连。22第二层外壳内部均匀分布有2211四个弧形柱状体，这四个弧形柱状体通过2210 连接板与第二下层外壳相固连，在这2211四个弧形柱状体上均匀开有共计2212 八个螺丝孔。

进一步地，所述3中骨机构部分包括31中骨机构主体、32控制器部分、33 中骨机构分部一、34中骨机构分部二、35中骨机构分部三、36中骨机构分部四和37电池舱部分。

进一步地，所述31中骨机构主体由311垂直管道和四周环绕的317四个喇叭状的管道构成。在31中骨机构主体上下311喇叭状的管道的一侧分别有312 一个带有四个螺丝通孔的平台，312平台和涵道电机基座通过螺丝连接。在31 中骨机构主体的上沿分别环绕有313四个螺丝孔，下沿也分别环绕有3110四个螺丝孔，通过螺丝分别连接11第一上层外壳的114螺丝孔和21第一下层外壳的214螺丝孔。在中骨机构主体中部四周纵向有314四个加强筋连接柱，在314 四个加强筋连接柱纵向分别分布有315两个螺丝通孔。在中骨机构中部分布的 317四个喇叭状管道末端各自有316一个平台，在316平台上分别开有318一个半圆形凹槽，用以放置橡胶密封圈，在316平台四个角分别开有319四个螺丝通孔。在31中骨机构主体下部分分布有3111三个电池舱连接平台。

进一步地，所述32控制器部分由一个长方体构成，其内部放置相应的控制电路和通讯模块。

进一步地，所述33中骨机构分部一主要由331四分之一带状环、335一个喇叭状出水口、3310一个圆形管道构成。在331四分之一带状环上分布有332两个螺丝孔和333两个弧状插销，332螺丝孔和2212的螺丝孔通过螺丝相连接， 126锁扣旋转到333弧状插销里以达到连接上层外壳的作用。在3310圆形管道末端分布有338一个平台，该平台四个角分别开有339四个螺丝通孔，在该平台上开有3311一个半圆形的凹槽，用以放置橡胶密封圈。在3310圆形管道上部分有一个336平台，336平台用以连接32控制器部分，使之相连接，在336 平台的四个角有337四个螺丝通孔，在其和加强筋重合的中间部位开有3312开有两个纵向的螺丝通孔。

进一步地，所述34中骨机构分部二主要由341四分之一带状环、345一个喇叭状出水口、3410一个圆形管道和346加强筋构成。在341四分之一带状环上分布有342两个螺丝孔和343两个弧状插销，342螺丝孔和2212的螺丝孔通过螺丝相连接，126锁扣旋转到343弧状插销里以达到连接上层外壳的作用。在 3410圆形管道末端分布有348一个平台，该平台四个角分别开有349四个螺丝通孔，在该平台上开有3411一个半圆形的凹槽，用以放置橡胶密封圈。在3410 圆形管道上部分固连着346一个加强筋，在该346加强筋纵向末端分布有3412两个螺丝孔，通过螺丝将3412螺丝孔和315螺丝孔相连接。在3140圆形管道的中部还有一个347圆形通孔，347圆形通孔通过安放带有闭合片的伺服电机驱动的开关阀门的转动轴，以实现开闭该出水通道的功能。

进一步地，所述35中骨机构分部三与34中骨机构分部二相同。36中骨机构分部四与34中骨机构分部二相同。37电池舱由一个长方体构成，内置电源，三个37电池舱与3111电池舱连接平台分别相连。在33中骨机构分部一、34中骨机构分部二、35中骨机构分部三与36中骨机构分部四的圆形管道的中部分别安放有伺服电机驱动的开关阀门。

进一步地，所述4伺服电机驱动的开关阀门部分包括四个42伺服电机和相应的传动连接机构部分。包括有43螺丝孔，通过螺丝连42伺服电机和33中骨机构分部一、34中骨机构分部二、35中骨机构分部三、36中骨机构分部四，分别相连接。

进一步地，所述41金属薄片连接在44传动轴上，44传动轴连接在42伺服电机的输出轴上，在末端加装有45滚动轴承以消除44传动轴的旋转摩擦。

进一步地，所述5涵道电机部分是由两个独立工作的带有涵道的电机所组成，包括51上涵道电机和52下涵道电机，两个电机都通过螺丝与31中骨机构主体的312螺丝孔相连接。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1.本发明没有采用传统的螺旋桨式的推进方式，而是采用了两组涵道电机进水和伺服电机驱动的开关阀门，兼顾了涵道电机的高效进水方式，也实现了低雷诺数的流体黏性，提高了喷水的推进效率，解决了航行器的运动方向，使之可以实现空间六自由度的移动，增强了航行器的机动性。

2.本发明创新采用了伺服电机驱动的开关阀门，解决了传统电磁阀做管路开关使用时存在的压力损失和阻碍问题，无传统电磁阀的弯曲管路，采用直喷式的开闭方式，工作时大大提高了喷水的效率并降低了功率损失，达到了良好的喷水效果。同时由于伺服电机驱动使得阀门可以实现控制水流喷出的流量流速以及方向，实现矢量推进，当传感器检测到姿态异常时可通过改变阀门处金属薄片的方向改变水流喷射的方向实现航行器的姿态修正。

3.本发明解决了传统航行器由于螺旋桨的外置，导致存在负责地形下的水域及海域无法到达和工作的问题。该发明则可以良好的适应各种复杂地形的海域和水域。

4.本发明采用的两组涵道电机同轴线反转对喷进水的创新方式。由于涵道电机在高速旋转时会产生一定的扭矩，而同轴线上安置两组转向相反的涵道电机由于产生相反的扭矩，可以良好的消除涵道电机高速旋转时产生的扭矩。

5.本发明的中骨机构部分的水流管道，通过CFD流体仿真设计对水流管道进行了数字优化，进一步降低了流经管道水流的黏性系数，大大提高了喷水的效率，提高了功效比。

6.本发明外形采用碟形设计，减少了航行时的水阻，同时通过低重心的设计，使得其即使在动力全部关闭后也能够在水中竖直漂浮，不会因水中的暗流产生姿态的颠倒和设备的倾覆。

7.本发明采用了模块化设计，可以提供标准的连接接口，在搭配具体不同的任务载荷时可以根据各任务载荷的不同执行不同的任务。

附图说明：

图1为本发明的外部立体图

图2为本发明的上层外壳部分示意图

图3为本发明的下层外壳部分示意图

图4为本发明的中间架构示意图

图5为本发明的细节放大示意图一

图6为本发明的细节放大示意图二

图7为本发明的细节放大示意图三

1上层外壳部分；11第一上层外壳；111八条纵向加强筋；112三条环状加强筋；113开孔的圆形中空部分；114四个对穿的螺丝孔；115一个环状结构部分；116八个柱体；117八个螺丝孔；12第二上层外壳；121一个环状带；122 八个柱体；123八个类长方体的连接片；124上层环状带；125八个螺丝孔；126 八个锁扣；2下层外壳部分；21第一下层外壳；211八条纵向加强筋；212两条环状加强筋；213开孔的圆形中空部分；214四个对穿螺丝孔；215八个柱状体； 216螺丝孔；217一个扁平状的圆环；22第二下层外壳；221八个纵向加强筋； 222两个环状加强筋；223八个柱状体；224八个类长方体连接板；225一个环状带；226八个螺丝孔；227四个贯穿的椭圆孔；228四个沿椭圆孔边缘的柱体薄壁；229中空圆环；2210连接板；2211四个弧形柱状体；2212八个螺丝孔； 3中骨机构部分；31中骨机构主体；311垂直管道；312一个带有四个螺丝通孔的平台；313四个螺丝孔；314四个加强筋连接柱；315两个螺丝通孔；316 平台；317四个喇叭状管道；318一个半圆形凹槽；319四个螺丝通孔；3110四个螺丝孔；3111三个电池舱连接平台；32控制器部分；33中骨机构分部一；34 中骨机构分部二；341四分之一带状环；342螺丝孔；343两个弧状插销；345 一个喇叭状出水口；346加强筋；347圆形通孔；348一个平台；349四个螺丝通孔；3410一个圆形管道；3411一个半圆形的凹槽；3412两个螺丝孔；35中骨机构分部三；36中骨机构分部四；37电池舱；4伺服电机驱动的开关阀门部分；41金属薄片；42伺服电机；43螺丝孔；44传动轴；45滚动轴承；5涵道电机部分；51上涵道电机；52下涵道电机；

具体实施方式：

下面对本发明的实施例作详细说明：本发明在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的工作原理，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种双涵道电机与伺服电机驱动的开关阀门所构成全新推进方式的碟形水下航行器，其特点是包括1上层外壳部分、2下层外壳部分、3中骨机构部分、 4伺服电机驱动的开关阀门部分和5涵道电机部分。

进一步地，所述1上层壳部分包括11第一上层外壳和12第二上层外壳。

进一步地，所述2下层壳部分包括21第一下层外壳和22第二下层外壳。

进一步地，所述3中骨机构包括31中骨机构主体、32控制器部分、33中骨机构分部一、34中骨机构分部二、35中骨机构分部三、36中骨机构分部四和 37电池舱部分。

进一步地，所述的4伺服电机驱动的开关阀门部分包括四个42伺服电机和相应的传动连接机构部分。

进一步地，所述的5涵道电机部分是包括两个独立工作的51上涵道电机和 52下涵道电机。

进一步地，所述1上层外壳部分与所述4中骨机构部分中间环状圆形带上的锁扣固连；所述2下层外壳部分通过螺丝与所述3中骨机构部分环状圆形带上的螺丝孔固连；所述的两个5涵道电机部分通过螺丝与4中骨机构部分的上下两个基座上的螺丝孔固连；四个42伺服电机驱动的开关阀门部分与4中骨机构部分水平面上的四个方向出水管道上的基座相固连。

实施例1

航行器在进行直向前进航行动作时，由32控制器部分发出指令，由5涵道电机部分的51上涵道电机向下抽水，同时52下涵道电机向上抽水，两股水流在管道中部相遇并形成水压。同时所航行方向反方向管道上的伺服电机受到控制器的命令进行动作带动转动轴从而带动41金属薄片转动使涵道打开，水流从此管道喷射出，而喷射出的反作用力使得航行器向指定方向运动。

实施例2

航行器在进行斜向矢量前进航行动作时，与直向前进一样，由32控制器部分发出指令，由5涵道电机部分的51上涵道电机向下抽水，同时52下涵道电机向上抽水，两股水流在管道中部相遇并形成水压。同时需要控制目标方向反方向附近的两个管道的伺服电机动作从而打开通道，水流从两管道喷射出，两个反作用力进行矢量合成实现航行器的斜向前进。

实施例3

航行器在进行下潜航行动作时，由32控制器部分发出指令，5涵道电机部分的51上涵道电机向上喷水，52下涵道电机向上吸水，而四个管道上的42伺服电机控制四个41金属薄片完全阻挡住四个通道从从而使水流只能从52下涵道吸入并从51上涵道电机喷出，总动力相当于两个涵道的动力的双倍叠加，从而使航行器能更快的实现下潜动作。

实施例4

航行器在进行上浮航行动作时，由32控制器部分发出指令，5涵道电机部分的51上涵道电机向下吸水，52下涵道电机向下喷水，而四个管道上的42伺服电机控制四个41金属薄片完全阻挡住四个通道从从而使水流只能从51上涵道吸入并从52下涵道电机喷出，总动力相当于两个涵道的动力的双倍叠加，从而使航行器能更快的实现下潜动作。

实施例4

航行器在实现转弯或改变航向动作时，由于本航行器没有主方向，所以可以通过矢量合成实现水平任意方向的机动，而没有主方向的特点可以实现航行器的零半径转弯，使航行器能够在狭小空间进行航行作业。

实施例5

当航行器的水平姿态受到水流扰动使得姿态发生变化时，32控制器部分的姿态传感器可以检测到姿态并通过姿态解算算法控制四个通道上的42伺服电机进行小角度转动从而控制41金属薄片进行小角度转动来控制航行器的喷射出的水流的方向，使水流不再平行于通道喷射出而是使水流喷射有一个角度，从而使反作用力有一个上下的分量从而实现航行器姿态的修正，使之保持水平。

Claims (10)

1.一种基于阀门开关与涵道电机结合的动力系统的碟形水下航行器其特征在于：包括上层外壳部分(1)、下层外壳部分(2)、中骨机构部分(3)、伺服电机驱动的开关阀门部分(4)和涵道电机部分(5)。

2.根据权利1所述的一种基于阀门开关与涵道电机结合的动力系统的碟形水下航行器，其特征在于：所述上层外壳部分(1)包括第一上层外壳(11)、第二上层外壳(12)；第一上层外壳(11)通过螺丝与第二上层外壳(12)相连。

3.根据权利2所述的一种基于阀门开关与涵道电机结合的动力系统的碟形水下航行器，其特征在于：所述上层外壳(1)通过第二上层外壳(12)的锁扣(126)与中骨机构部分(3)的中骨机构分部一(33)、中骨机构分部二(34)、中骨机构分部三(35)、中骨机构分部四(36)上的各自的四分之一带状环(341)上的弧状插销(343)相配合；所述的上层外壳部分(1)通过第一上层外壳(11)与中骨机构主体(31)上沿相连接。

4.根据权利1所述的一种基于阀门开关与涵道电机结合的动力系统的碟形水下航行器，其特征在于：所述下层外壳部分(2)包括第一下层外壳(21)、第二下层外壳(22)。

5.根据权利4所述的一种基于阀门开关与涵道电机结合的动力系统的碟形水下航行器，其特征在于：第一下层外壳(21)与第二下层外壳(22)通过螺丝孔相连接；所述下层外壳部分(2)通过第二下层外壳(22)与中骨机构部分(3)的中骨机构分部一(33)、中骨机构分部二(34)、中骨机构分部三(35)、中骨机构分部四(36)上的各自的四分之一带状环(341)上相连接；所述的下层外壳部分(2)通过第一下层外壳(21)底部圆形中空部分四周环绕的四个对穿螺丝孔与中骨机构部分(3)的中骨机构主体(31)的下沿环绕的四个螺丝孔相固连。

6.根据权利1所述的一种基于阀门开关与涵道电机结合的动力系统的碟形水下航行器，其特征在于：所述的中骨机构部分(3)包括中骨机构主体(31)、控制器部分(32)、中骨机构分部一(33)、中骨机构分部二(34)、中骨机构分部三(35)、中骨机构分部四(36)和三个相同的电池仓(37)。

7.根据权利6所述的一种基于阀门开关与涵道电机结合的动力系统的碟形水下航行器，其特征在于：所述的中骨机构主体(31)通过四个纵向上的加强筋和中骨机构主体(31)中部的四个喇叭状管道(317)末端的平台与中骨机构分部一(33)、中骨机构分部二(34)、中骨机构分部三(35)、中骨机构分部四(36)的平台通过螺丝相固连；中骨机构分部一(33)、中骨机构分部二(34)、中骨机构分部三(35)、中骨机构分部四(36)相互之间通过螺丝相固连。

8.根据权利1所述的一种基于阀门开关与涵道电机结合的动力系统的碟形水下航行器，其特征在于：通过第一上层外壳(11)连接中骨机构主体(31)顶部、第一上层外壳(11)连接第二上层外壳(12)、第二上层外壳(12)连接中骨机构分部一(33)、中骨机构分部二(34)、中骨机构分部三(35)、中骨机构分部四(36)；第一下层外壳(21)连接中骨机构主体(31)底部、第二下层外壳(22)；第二下层外壳(22)连接中骨机构分部一(33)、中骨机构分部二(34)、中骨机构分部三(35)、中骨机构分部四(24)；中骨机构主体(31)连接中骨机构分部一(33)、中骨机构分部二(34)、中骨机构分部三(35)、中骨机构分部四(36)。

9.根据权利1所述的一种基于阀门开关与涵道电机结合的动力系统的碟形水下航行器，其特征在于：所述电池放置与电池舱(37)内，三个电池舱(37)放置于中骨机构部分(3)的中骨机构主体(31)的下部的三个电池舱连接平台(3111)。

10.根据权利1所述的一种基于阀门开关与涵道电机结合的动力系统的碟形水下航行器，其特征在于：所述四个伺服电机驱动的开关阀门部分(4)分别与中骨机构部分(3)的中骨机构分部一(33)、中骨机构分部二(34)、中骨机构分部三(35)和中骨机构分部四(36)的中部伺服电机连接台通过螺丝相固连。