CN110077563A - 一种基于自稳调节装置的矢量推进水下航行器 - Google Patents

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陈捷
赵焕绮
王亦晨
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Abstract

本发明公开了一种基于自稳调节装置的矢量推进水下航行器，包括左舱部分、右舱部分、第一密封舱部分、第二密封舱部分、底盘部分；其特征在于：外形采用滑翔机的翼身融合设计减少航行器的水阻，采用两个矢量推进器进行推进使得航行更加灵活、机动性更大，创新采用两个相互垂直的丝杠结构，通过两个丝杆结构上滑块的移动实现对于航行器重心的调节从而对航行器的姿态实现自稳调整；该航行器根据不用任务和工作要求采用低功耗的滑翔式的航行模式以及机动性强的矢量推进模式；其丝杠的自稳使得其航行更加稳定，可以搭载相关任务模块；该水下航行器实现滑翔机和矢量推进有优点的结合，具有机动性强、稳定性强、声学隐蔽性高、能耗低的优点。

Description

一种基于自稳调节装置的矢量推进水下航行器
技术领域
本发明涉及水下航行器领域。具体地说,涉及一种基于自稳调节装置的矢量推进水下航行器。
背景技术
水下滑翔机是一种新型无人水下航行器，它由海洋动物低能耗、长航时的水动力原理和鸟类滑翔的气动力学原理结合而设计出以无动力滑翔为主的水下航行方式，达到了低耗能，续航时间长，结构简单的目的。
水下滑翔机近年来以一种依靠净浮力和水动力驱动的新型水下航行器被广泛应用于海洋探测、海洋环境调查、检测和数据采集领域。其功耗低、成本低和作业范围广备受青睐。
传统的水下滑翔机一般采用翼身融合设计，其翼展宽大，与水体的接触面大航行稳定且迎水面面积小从而水阻小，能源效率续航能力强、航程远。但由于其本身宽大翼展的设计使得航行器整体宽大，不能在狭小的空间里航行与执行任务，同时由于其本身利用水流的波以及本身的惯性实现航行，因此其受水流水速和水向的影响大，在复杂水域尤其是在海中受到湍流等影响时往往会随水流随波逐流，偏离目标航向。同时其宽大的翼展会增大水流的作用面产生旋转力矩，对滑翔器的姿态产生强烈的影响。
螺旋桨式的水下航行器UUV在市场上占据主导地位，其采用立方体式的设计，如经典的BlueROV，其采用六至八个螺旋桨能产生各个方向的推力通过矢量合成从而实现航行器的向空间各个方向的运动，拥有良好的机动性。但缺点在于其过多的推进装置导致其体积庞大、过于笨重、多个螺旋桨产生大量的机械以及空化噪声造成航行器的隐蔽性差，同时由于其外形的立方式设计使得其水阻远远大于滑翔机，导致能源利用率低、续航能力差，只适应于小范围或定点的水下作业。
发明内容
为解决上述现有航行器所存在的不足，本发明结合水下滑翔机以及螺旋桨式航行器的优点，同时采用矢量推进的方式并创新采用两个相互垂直的丝杠滑块构成T型自稳装置并通过自己编写的改进版增量型控制算法实现自稳装置的控制从而实现航行器航行的姿态自控控制以及转向机动时的辅助转向，增加了航行器的机动性、灵活性，由于其将螺旋桨数量减少到两个从而大大减少了航行器的螺旋桨以及空化噪声从而增加了航行器的声学隐蔽性，同时其滑翔机式的流体外形设计使得其水阻降低从而提高了能源利用率和航行器的续航时间、增加了水下滑翔机的工作范围，对于提高海洋勘探和监测工作能力具有十分重要的意义。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于自稳调节装置的矢量推进水下航行器其特点是包括10左舱部分、20右舱部分、30第一密封舱部分、40第二密封舱部分、50底盘部分。所述10左舱部分、所述20右舱部分、所述30第一密封舱部分、所述40第二密封舱部分分别于所述50底盘部分通过螺丝相固连。
所述10左舱部分包括11第一外壳、12第一舵机台架、13第一舵机、14第一连接轴、15第一连接轴承、16第一螺旋桨连接件、17第一螺旋桨、18第一合页、19第一限位盖、110第一浮块。
所述20右舱部分包括21第二外壳、22第二舵机台架、23第二舵机、24第二连接轴、25第二连接轴承、26第二螺旋桨连接件、27第二螺旋桨、28第二合页、29第二限位盖、210第二浮块。
所述30第一密封舱部分包括31半球罩、32第一法兰盘、33第一亚克力舱、34第一舱盖、35第一组穿线螺丝、36摄像头、37第一挡板、38第一轨道、39第一电机、310第一滑块、311姿态传感器、。
所述40第二密封舱部分包括41第二舱盖、42第二亚克力舱、43第三舱盖、44第二组穿线螺丝、45第二电机、46第二轨道、47第二滑块、48控制装置。
所述50底盘部分包括51底盘、第一52电池舱、第二52电池舱、53第一整流壳、54第二整流壳、55锂电池。
所述12第一舵机台架底部通过螺丝与51底盘相固连，12第一舵机台架上与所述13第一舵机相固连，13第一舵机的舵盘与14第一连接轴相固连；所述第一轴承镶嵌在11第一外壳上与11第一外壳相固连，所述14第一连接轴通过所述15第一连接轴承与所述16第一螺旋桨连接件相固连，16第一螺旋桨连接件与所述17第一螺旋桨相固连；所述11第一外壳通过螺丝与51底盘相固连；所述11第一外壳通过18第一合页与19第一限位盖相固连；所述19第一限位盖另一端与51底盘通过螺丝相固连；所述110第一浮块在51底盘上与11第一外壳下的空舱里。
所述22第二舵机台架底部通过螺丝与51底盘相固连，22第二舵机台架上与所述23第二舵机相固连，23第二舵机的舵盘与24第二连接轴相固连；所述第二轴承镶嵌在21第二外壳上与21第二外壳相固连，所述24第二连接轴通过所述25第二连接轴承与所述26第二螺旋桨连接件相固连，26第二螺旋桨连接件与所述27第二螺旋桨相固连；所述21第二外壳通过螺丝与51底盘相固连；所述21第二外壳通过28第二合页与29第二限位盖相固连；所述29第二限位盖另一端与51底盘通过螺丝相固连；所述210第二浮块在51底盘上与21第二外壳下的空舱里。
所述31半球罩通过32第一法兰盘与33第一亚克力舱相连接，32第一法兰盘与51底盘通过螺丝相固连；所述33第一亚克力舱后部与34第一舱盖相固连，34第一舱盖两侧通过螺丝分别于所述11第一外壳和21第二外壳相固连；所述35第一组穿线螺丝穿过34第一舱盖并与34第一舱盖相固连；所述31半球罩里是36摄像头，所述36摄像头与所述37第一挡板相固连，37第一挡板通过所述38第一轨道与所述39第一电机相固连；所述310第一滑块由39第一电机的驱动在38第一轨道上运动；所述311姿态传感器在所述39第一电机后部。
所述42第二亚克力舱一端连接41第二舱盖，另一端连接43第三舱盖；所述41第二舱盖通过螺丝与19第一限位盖相固连，所述43第三舱盖通过螺丝与29第二限位盖相固连；所述44第二组穿线螺丝穿过41第二舱盖并与41第二舱盖相固连；所述49第二挡板通过46第二轨道与45第二电机相固连，所述47第二滑块由45第二电机的驱动在46第二轨道上运动；所述48控制装置放置于49第二挡板旁。
所述52电池舱、53第一整流壳、54第二整流壳在51底盘下部通过螺丝与51底盘相固连；所述55锂电池放置在52电池舱；所述36摄像头采用广角鱼眼36摄像头，所述36摄像头还设置有红外灯与补光灯电路。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
(1)本发明创新采用翼身融合的滑翔机式与矢量推进相结合的动力外形设计，融合二者优势，由于航行器低水阻大翼展面的流体设计，使得在采用滑翔模式时，其能充分利用流体的特性，在水流中进行波动式的滑行前进，从而减少能耗。外形设计所产生的伯努利效应使得在前进时会产生近三分之一重力的升力，加上浮力使得航行器重浮力基本相等，在滑行时不需要螺旋桨提供额外的浮力功率输出，从而将能源全部用于航行器的推进，提高了能源利用率。
(2)本发明采用的两个舵机驱动转向的矢量推进螺旋桨使得在航行器进入狭小区域或需要进行高机动的航行时，主要由电机驱动的两个螺旋桨实施动力输出，实现航行器的前进后退、上浮下潜的矢量推进以及灵活转向动作。
(3)本发明创新采用丝杠结合控制算法来调整重心实现航行器姿态的自稳以及辅助航行器的机动转向。在航行器平稳航行时，通过传感器检测到的姿态以及自稳算法控制相互垂直的两个丝杠对重心的纵向位置与横向位置实现修正，使航行更加平稳；在需要转向时丝杠可辅助螺旋桨实现转向功能，降低转向时的功耗；同时丝杠周期性往复运动可实现航行器的波动滑翔。
(4)相比于传统的UUV依靠固定的六至八个螺旋桨通过矢量合成实现全空间方向航行，本发明通过可变方向的螺旋桨矢量推进就能实现全空间方向航行；通过减少了螺旋桨数量并结合外形的流体低阻设计降低了航行时的机械噪声和空化噪声，使得其声学隐蔽性更强。
(5)集成的模块化设计：水下机器人的机械主体分为：10左舱部分、20右舱部分、30第一密封舱部分、40第二密封舱部分、50底盘部分。各部分之间结构紧凑、互不干扰，任何模块可单独拆卸、维修及开发更为简易方便。
(6)本发明的高稳定性结合其上搭载的定位、惯性制导、水温水压传感器等装置可以完成水下的图像传输识别以及水下水面的环境监测。
附图说明
图1为本发明的主视图
图2为本发明的左视图
图3为本发明的俯视图
图4为本发明的内部轴测图
图5为本发明的底部轴测图
图中,11第一外壳；12第一舵机台架；13第一舵机；14第一连接轴；15第一连接轴承；16第一螺旋桨连接件；17第一螺旋桨；18第一合页；19第一限位盖；110第一浮块；21第二外壳；22第二舵机台架；23第二舵机；24第二连接轴；25第二连接轴承；26第二螺旋桨连接件；27第二螺旋桨；28第二合页；29第二限位盖；210第二浮块；31半球罩；32第一法兰盘；33第一亚克力舱；34第一舱盖；35第一组穿线螺丝；36摄像头；37第一挡板；38第一轨道；39第一电机；310第一滑块；311姿态传感器；41第二舱盖；42第二亚克力舱；43第三舱盖；44第二组穿线螺丝；45第二电机；46第二轨道；47第二滑块；48控制装置；49第二挡板；51底盘；52电池舱；53第一整流壳；54第二整流壳；55锂电池。
具体实施方式
本发明一种基于自稳调节装置的矢量推进水下航行器包括10左舱部分、20右舱部分、30第一密封舱部分、40第二密封舱部分、50底盘部分。
所述的10左舱部分包括11第一外壳、12第一舵机台架、13第一舵机、14第一连接轴、15第一连接轴承、16第一螺旋桨连接件、17第一螺旋桨、18第一合页、19第一限位盖、110第一浮块；所述12第一舵机台架底部通过螺丝与51底盘相固连，12第一舵机台架上与所述13第一舵机相固连，13第一舵机的舵盘与14第一连接轴相固连；所述第一轴承镶嵌在11第一外壳上与11第一外壳相固连，所述14第一连接轴通过所述15第一连接轴承与所述16第一螺旋桨连接件相固连，16第一螺旋桨连接件与所述17第一螺旋桨相固连；所述11第一外壳通过螺丝与51底盘相固连；所述11第一外壳通过18第一合页与19第一限位盖相固连；所述19第一限位盖另一端与51底盘通过螺丝相固连；所述110第一浮块在51底盘上与11第一外壳下的空舱里。
所述的20右舱部分包括21第二外壳、22第二舵机台架、23第二舵机、24第二连接轴、25第二连接轴承、26第二螺旋桨连接件、27第二螺旋桨、28第二合页、29第二限位盖、210第二浮块；所述22第二舵机台架底部通过螺丝与51底盘相固连，22第二舵机台架上与所述23第二舵机相固连，23第二舵机的舵盘与24第二连接轴相固连；所述第二轴承镶嵌在21第二外壳上与21第二外壳相固连，所述24第二连接轴通过所述25第二连接轴承与所述26第二螺旋桨连接件相固连，26第二螺旋桨连接件与所述27第二螺旋桨相固连；所述21第二外壳通过螺丝与51底盘相固连；所述21第二外壳通过28第二合页与29第二限位盖相固连；所述29第二限位盖另一端与51底盘通过螺丝相固连；所述210第二浮块在51底盘上与21第二外壳下的空舱里。
所述的30第一密封舱部分包括31半球罩、32第一法兰盘、33第一亚克力舱、34第一舱盖、35第一组穿线螺丝、36摄像头、37第一挡板、38第一轨道、39第一电机、310第一滑块、311姿态传感器；所述31半球罩通过32第一法兰盘与33第一亚克力舱相连接，32第一法兰盘与51底盘通过螺丝相固连；所述33第一亚克力舱后部与34第一舱盖相固连，34第一舱盖两侧通过螺丝分别于所述11第一外壳和21第二外壳相固连；所述35第一组穿线螺丝穿过34第一舱盖并与34第一舱盖相固连；所述31半球罩里是36摄像头，所述36摄像头与所述37第一挡板相固连，37第一挡板通过所述38第一轨道与所述39第一电机相固连；所述310第一滑块由39第一电机的驱动在38第一轨道上运动；所述311姿态传感器在所述39第一电机后部。
所述的40第二密封舱部分包括41第二舱盖、42第二亚克力舱、43第三舱盖、44第二组穿线螺丝、45第二电机、46第二轨道、47第二滑块、48控制装置、49第二挡板；所述42第二亚克力舱一端连接41第二舱盖，另一端连接43第三舱盖；所述41第二舱盖通过螺丝与19第一限位盖相固连，所述43第三舱盖通过螺丝与29第二限位盖相固连；所述44第二组穿线螺丝穿过41第二舱盖并与41第二舱盖相固连；所述49第二挡板通过46第二轨道与45第二电机相固连，所述47第二滑块由45第二电机的驱动在46第二轨道上运动；所述48控制装置放置于49第二挡板旁。
所述的50底盘部分包括51底盘、52电池舱、53第一整流壳、54第二整流壳、55锂电池；所述52电池舱、53第一整流壳、54第二整流壳在51底盘下部通过螺丝与51底盘相固连；所述55锂电池放置在52电池舱；所述36摄像头采用广角鱼眼36摄像头，所述36摄像头还设置有红外灯与补光灯电路。
在前进动作时，13第一舵机、23第二舵机分别通过14第一连接轴、26第二螺旋桨连接件和24第二连接轴、26第二螺旋桨连接件驱动17第一螺旋桨、27第二螺旋桨旋转至水平位置，17第一螺旋桨、27第二螺旋桨向后喷水实现航行器的前进动作。在向前航行的过程中位于33第一亚克力舱里的311姿态传感器实时检测航行器的横滚角、偏航角、俯仰角，通过编写的增量型自稳算法自动对39第一电机与45第二电机控制，从而使得310第一滑块47第二滑块在相互垂直得38第一轨道与46第二轨道上的运动实现对航行器重心的调节，实现对航行器水平姿态与竖直姿态的自稳修正，保证航行器平稳的航行。
在后退动作时，17第一螺旋桨、27第二螺旋桨同时反转实现向前喷水，从而实现航行器的后退动作。同时310第一滑块、47第二滑块在38第一轨道、46第二轨道上运动实现航行器的航行姿态自稳修正。
在航行器进行转向动作时，通过17第一螺旋桨、27第二螺旋桨的转速差实现航行器的转向，差速越大航行器的转向角度越大，极限情况下，航行器将实现零半径转向。310第一滑块、47第二滑块通过滑动实现对航行器横向姿态正反馈机动实现航行器本身重力分出转向分量，辅助航行器转向，降低转弯功耗。
当航行器实现上浮下潜时，13第一舵机、23第二舵机分别驱动17第一螺旋桨、27第二螺旋桨旋转至竖直，通过17第一螺旋桨、27第二螺旋桨的同时正转或反转实现航行器的上浮或下潜动作。
当航行器需要波动滑翔模式航行时，控制算法通过控制310第一滑块在第一导轨上的前后周期运动实现航行器重心前后的周期性往复变动，从而实现航行器航行深度呈波动式变化实现滑翔航行，降低航行功耗。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种基于自稳调节装置的矢量推进水下航行器，其特征在于：包括左舱部分(10)、右舱部分(20)、第一密封舱部分(30)、第二密封舱部分(40)、底盘部分(50)；左舱部分(10)、右舱部分(20)、第一密封舱部分(30)、第二密封舱部分(40)放置在底盘部分(50)上方并分别与底盘部分(50)相固连；左舱部分(10)、右舱部分(20)放置在左右两侧，第一密封舱部分(30)纵向放置在左舱部分(10)、右舱部分(20)正中间；第二密封舱部分(40)与第一密封舱部分(30)垂相直，横向放置在第一密封舱部分(30)后部。
2.根据权利要求1所述的一种基于自稳调节装置的矢量推进水下航行器，其特征在于：所述左舱部分(10)包括第一外壳(11)、第一舵机台架(12)、第一舵机(13)、第一连接轴(14)、第一连接轴承(15)、第一螺旋桨连接件(16)、第一螺旋桨(17)、第一合页(18)、第一限位盖(19)、第一浮块(110)；所述第一外壳(11)与底盘部分(50)相固连。
3.根据权利要求2所述的一种基于自稳调节装置的矢量推进水下航行器，其特征在于：所述第一舵机台架(12)固定在底盘部分(50)上并与第一舵机台架(12)相固连；所述第一舵机(13)通过第一连接轴(14)穿过第一连接轴承(15)与第一螺旋桨连接件(16)相配合；所述第一螺旋桨连接件(16)与第一螺旋桨(17)相配合；所述第一浮块(110)放置在第一外壳(11)下面；所述第一连接轴承(15)镶嵌在第一外壳(11)里。
4.根据权利要求1所述的一种基于自稳调节装置的矢量推进水下航行器，其特征在于：所述右舱部分(20)包括第二外壳(21)、第二舵机台架(22)、第二舵机(23)、第二连接轴(24)、第二连接轴承(25)、第二螺旋桨连接件(26)、第二螺旋桨(27)、第二合页(28)、第二限位盖(29)、第二浮块(210)。
5.根据权利要求4所述的一种基于自稳调节装置的矢量推进水下航行器，其特征在于：所述第二舵机台架(22)固定在底盘部分(50)上并与第二舵机台架(22)相固连；所述第二舵机(23)通过第二连接轴(24)穿过第二连接轴承(25)与第二螺旋桨连接件(26)相配合；所述第二螺旋桨连接件(26)与第二螺旋桨(27)相配合；所述第二浮块(210)放置在第二外壳(21)下面；所述第二连接轴承(25)镶嵌在第二外壳(21)里。
6.根据权利要求1所述的一种基于自稳调节装置的矢量推进水下航行器，其特征在于：所述第一密封舱部分(30)包括半球罩(31)、第一法兰盘(32)、第一亚克力舱(33)、第一舱盖(34)、第一组穿线螺丝(35)、摄像头(36)、第一挡板(37)、第一轨道(38)、第一电机(39)、第一滑块(310)、姿态传感器(311)
7.根据权利要求6所述的一种基于自稳调节装置的矢量推进水下航行器，其特征在于：所述第一亚克力舱(33)放置在横向放在底盘部分(50)中部；所述摄像头(36)放置在半球罩(31)中与第一挡板(37)想固连；所述第一滑块(310)通过第一电机(39)的驱动在第一轨道(38)上进行运动实现对于重心的纵向调节；所述姿态传感器(311)放置在第一亚克力舱(33)中实时检测航行器姿态；所述第一法兰盘(32)与底盘部分(50)相固连；所述第一舱盖(34)与第一外壳(11)、第二外壳(21)相固连。
8.根据权利要求1所述的一种基于自稳调节装置的矢量推进水下航行器，其特征在于：所述第二密封舱部分(40)包括第二舱盖(41)、第二亚克力舱(42)、第三舱盖(43)、第二组穿线螺丝(44)、第二电机(45)、第二轨道(46)、第二滑块(47)、控制装置(48)。
9.根据权利要求8所述的一种基于自稳调节装置的矢量推进水下航行器，其特征在于：所述第二亚克力舱(42)放置在横向放在底盘部分(50)后部与第二舱盖(41)、第三舱盖(43)相固连；所述第二舱盖(34)与第一外壳(11)相固连,所述第三舱盖(43)与第二外壳(21)相固连；所述第二滑块(47)在第二电机(45)的驱动下在第二轨道(46)上运动实现对重心的横向调节。
10.根据权利要求1所述的一种基于自稳调节装置的矢量推进水下航行器，其特征在于：所述底盘部分(50)包括底盘(51)、电池舱(52)、第一整流壳(53)、第二整流壳(54)、锂电池(55)。所述的锂电池(55)放置于流体外形的电池舱(52)中；所述的电池舱(52)、第一整流壳(53)、第二整流壳(54)分别放置于底盘(51)的下方与底盘(51)相固连。
CN201910396622.3A 2019-05-13 2019-05-13 一种基于自稳调节装置的矢量推进水下航行器 Pending CN110077563A (zh)

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