CN110963012B - 水下潜航器和水下潜航设备的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下潜航器和水下潜航设备的控制方法，所述水下潜航器包括：壳体、主推进器、方向舵和辅助推进器；所述主推进器设置于所述壳体一端；所述方向舵设于所述壳体，并靠近所述主推进器设置；所述辅助推进器设置于所述壳体背离所述方向舵的一侧，所述辅助推进器设置有喷口，所述喷口方向可围绕所述壳体转动一周。本发明的技术方案能够有效提高调整自身位置和姿态的灵活性。

Description

水下潜航器和水下潜航设备的控制方法

技术领域

本发明涉及水下航行技术领域，尤其涉及一种水下潜航器和水下潜航设备的控制方法。

背景技术

AUV(Autonomous Underwater Vehicle，自主式水下潜器)，是一种水下潜航设备，通常用于海底考察、海图绘制、数据搜集、目标搜索等，对海洋经济发展，如海上风电核电、海上石油产业等有着重要的作用。

在自主式水下潜器进行水下航行时，经常需要调整位置和姿态，而目前的自主式水下潜器调整自身位置和姿态时不够灵活。

上述内容仅用于辅助理解本申请的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

基于此，针对现有自主式水下潜器调整自身位置和姿态时不够灵活的问题，有必要提供一种水下潜航器和水下潜航设备的控制方法，能够有效提高调整自身位置和姿态的灵活性。

为实现上述目的，本发明提出的一种水下潜航器，包括：

壳体；

主推进器，所述主推进器设置于所述壳体一端；

方向舵，所述方向舵设于所述壳体，并靠近所述主推进器设置；以及

辅助推进器，所述辅助推进器设置于所述壳体背离所述方向舵的一侧，所述辅助推进器设置有喷口，所述喷口方向可围绕所述壳体转动一周。

可选地，所述辅助推进器包括环形固定件和转动件，所述环形固定件设于所述壳体，所述转动件转动设置于所述环形固定件内，所述喷口设置于所述转动件上。

可选地，所述壳体包括前壳和后壳，所述环形固定件还包括第一环形部和第二环形部，所述第一环形部和所述前壳连接，所述第二环形部和所述后壳连接，所述第一环形部和所述第二环形部之间连接若干连接件，所述连接件之间间隔设置以形成喷水空间。

可选地，所述水下潜航器包括驱动所述辅助推进器运转的马达，所述马达设置于所述第一环形部和第二环形部之间。

可选地，所述转动件包括具有贯通腔的筒体，所述贯通腔的贯通方向沿所述环形固定件的径向方向，所述贯通腔的一端为进水口，另一端为所述喷口。

可选地，所述转动件包括推进部，所述推进部设置于所述贯通腔内，所述推进部带动水流由所述进水口进入，经所述喷口喷出。

可选地，所述环形固定件包括环形设置的外齿轮，所述转动件包括沿所述贯通腔贯通方向设置的第一固定件、以及与所述第一固定件连接设置的第二固定件，所述第二固定件远离所述第一固定件一端设置有内齿轮，所述内齿轮和所述外齿轮相互啮合。

可选地，所述外齿轮设置于所述环形固定件，所述外齿轮的齿轮凸起方向朝向所述环形固定件的轴心，所述内齿轮驱动连接有马达。

此外，为了实现上述目的，本发明还提供一种水下潜航设备的控制方法，所述水下潜航设备包括如上文所述水下潜航器，所述方法包括：

控制比例积分微分控制信号的输出值大小；

依据所述输出值，调整辅助推进器的喷口转动角度。

可选地，所述输出值包括控制所述辅助推进器深度的第一输出值和控制所述辅助推进器方向的第二输出值，所述依据所述输出值，调整辅助推进器的喷口转动角度的步骤包括：

对比所述第一输出值和所述第二输出值大小，生成所述辅助推进器的喷口转动角度。

本发明提出的技术方案中，主推进器设置于壳体一端，主推进器用于带动水下潜航器移动，方向舵设置于靠近主推进器的壳体上，方向舵用于在水下潜航器移动时调整水下潜航器的移动方向，辅助推进器设置于方向舵背离主推进器一侧的壳体上，辅助推进器设置有喷口，通过喷口喷出的水流或者气流，根据力的相互作用原理，辅助推进器带动水下潜航器反向移动，由于喷口能够围绕壳体转动一周，可以理解的是，辅助推进器能够带动水下潜航器向360°方向的任意方向移动。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明水下潜航器一实施例的结构示意图；

图2为图1中辅助推进器的结构示意图；

图3为图2中辅助推进器的分解结构示意图；

图4为水下潜航设备的控制方法第一实施例的流程示意图；

图5为图4中比例积分微分控制输出值示意图；

图6为水下潜航设备的控制方法第二实施例的流程示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参阅图1所示，本发明提出的一种水下潜航器，包括：壳体10，设置于壳体10上的主推进器20、方向舵30和辅助推进器40。

壳体10通常的材质为金属，壳体10的形状可以依据工作需要而设定。例如，在潜水潜行领域中，为了使水下潜航器受到很小的水体阻力，壳体10的形状可以设计为水滴形。壳体10还用于支撑水下潜航器的整体结构，并保护水下潜航器内部器件。

主推进器20设置于壳体10一端，通常壳体10设置为水滴形，主推进器20设置于壳体10尾部。通过主推进器20的推力作用于水体，根据力的相互作用原理，水下潜航器被推进潜行。其中，主推进器20包括螺旋桨转动产生推力前进。

方向舵30设于壳体10，并靠近主推进器20设置；其中方向舵30包括十字舵和X型舵，通常方向舵30能够在上下方向或者左右方向进行摆动，以此来实现上升、下沉或者转向等动作。

辅助推进器40设置于壳体10背离方向舵30的一侧，辅助推进器40设置有喷口41，喷口41方向可围绕壳体10转动一周。具体地，辅助推进器40用于精细调整水下潜航器的位置和姿态。其中，喷口41的方向可围绕壳体10转动一周，喷口41可以喷射水流或者气流，喷射出的水流或者气流作用于水体，产生反作用力。喷口41的方向可调整，由此喷口41调整至移动方向的反向时，通过喷口41，喷射出的水流或者气流作用于水体，产生反作用力实现移动。

本发明提出的技术方案中，主推进器20设置于壳体10一端，主推进器20用于带动水下潜航器移动，方向舵30设置于靠近主推进器20的壳体10上，方向舵30用于在水下潜航器移动时调整水下潜航器的移动方向，辅助推进器40设置于方向舵30背离主推进器20一侧的壳体10上，辅助推进器40设置有喷口41，通过喷口41喷出的水流或者气流，根据力的相互作用原理，辅助推进器40带动水下潜航器反向移动，由于喷口41能够围绕壳体10转动一周，可以理解的是，辅助推进器40能够带动水下潜航器向360°方向的任意方向移动。

进一步地，辅助推进器40包括环形固定件42和转动件43，环形固定件42设于壳体10，转动件43转动设置于环形固定件42内，喷口41设置于转动件43上。

具体地，壳体10通常具有圆形截面，通过环形固定件42能够将辅助推进器40依据壳体10的形状安装设置，且转动件43于环形固定件42内转动设置，通过环形固定件42的环形设置，使转动件43更易沿环形结构进行转动，且转动的方式更节省动力，易实现喷口41调整方向。

进一步地，壳体10包括前壳11和后壳12，环形固定件42还包括第一环形部421和第二环形部422，第一环形部421和前壳11连接，第二环形部422和后壳12连接，第一环形部421和第二环形部422之间连接若干连接件423，连接件423之间间隔设置以形成喷水空间426。

通常主推进器20和方向舵30设置于壳体10的尾部，便于控制水下潜航器前行和调整方向。也就是说，主推进器20和方向舵30设置于后壳12，辅助推进器40设置于壳体10背离方向舵30的一侧，也能够及时依据需要快速调整水下潜航器的方向。通过第一环形部421和前壳11连接，第二环形部422和后壳12连接实现辅助推进器40固定在壳体10上。例如第一环形部421和前壳11焊接连接，第二环形部422和后壳12焊接连接，焊接能够起到防止水进入到壳体10内部。当然，也可螺钉连接或者是铆接。第一环形部421和第二环形部422之间通过连接件423实现连接，同时在第一环形部件421和第二环形部422之间产生一定安装空间，所述安装空间用于带有喷口41的装置。

另外，由于连接件423是间隔设置的，在每个连接件423之间形成间隔的喷水空间426，喷口41通过喷水空间426向外部喷水或者喷气。

进一步地，水下潜航器包括驱动辅助推进器40运转的马达50，马达50设置于第一环形部421和第二环形部422之间。

辅助推进器40上的喷口41需要调整喷口方向，调整的动力来源是马达50。通过将马达50设置在第一环形部421和第二环形部422之间，可以避免马达50设置在前壳11或者后壳12上，由此能够节约前壳11或者后壳12的安装空间，使水下潜航器的整体结构更加紧凑。

进一步地，转动件43包括具有贯通腔的筒体431，贯通腔(未标示)的贯通方向沿环形固定件42的径向方向，贯通腔的一端为进水口(未标示)，另一端为喷口41。

也即是说，喷口41用于喷射水流，转动件43通过进水口一端进水，喷口41一端用于将水流喷水，由此形成调整方向的反作用力。通过喷射水流的方式只需要利用水下潜航器身处其中的水体，不需要额外生产气体或者是水流，由此能够更加高效利用周边水体，更易实现产生反向推动力。

另外筒体431能够有效隔绝外部水体和内部设备，避免水流渗入到壳体10内部，影响水下潜航器的正常运行。

进一步地，转动件43包括推进部44，推进部44设置于贯通腔内，推进部44带动水流由进水口进入，经喷口41喷出。

其中，推进部44可以为螺旋桨式。通过推进部44的旋转，引导水流进水口进入，经喷口41喷出。推进部44旋转的速率越高，产生的水流越大，经喷口41产生的动力越大。

进一步地，环形固定件42包括环形设置的外齿轮420，转动件43包括沿贯通腔贯通方向设置的第一固定件424、以及与第一固定件424连接设置的第二固定件425，第二固定件425远离第一固定件424一端设置有内齿轮430，内齿轮430和外齿轮420相互啮合。

在需要调整喷口41的方向时，通过内齿轮430转动，则内齿轮430沿外齿轮420的设置形状开始移动，内齿轮430通过第一固定件424和第二固定件425的固定连接，在内齿轮430开始移动时转动件43同样开始转动。由于喷口41开设于转动件43上，在转动件43转动时，喷口41的方向同样实现转动，由此实现喷口方向的调整。

进一步地，外齿轮420设置于环形固定件42，外齿轮420的齿轮凸起方向朝向环形固定件42的轴心，内齿轮430驱动连接有马达50。

可以理解的是，外齿轮420设置于环形固定件42内侧，内齿轮430沿环形固定件42内侧转动，能够减少转动的距离，更易实现喷口41方向的调整。

参阅图4所示，本发明还提供一种水下潜航设备的控制方法的第一实施例，所述水下潜航设备包括如上文所述水下潜航器，所述方法包括：

步骤S10，控制比例积分微分控制信号的输出值大小。

其中，比例积分微分控制，简称PID(Proportional Integral Derivative)控制，PID控制是一种根据定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按照比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制。

水下潜航设备的深度和航向采用分呈PID控制，其中深度控制采用串级PID控制，航向采用PID控制。其中所述串级控制是指两个调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。

具体地，对深度串级PID输出值和航向PID输出值进行归一化处理，将输出值的范围限定在-1～1之间。PID输出值的微分方程为

其中k_perr(k)为比例项，

为积分项，

为微分项。

航向误差：err_y＝yaw_{set_int}-yaw_measurement

其中yaw_{set_}为给定值，yaw_measurement为实际输出值。

深度误差：err_d＝depth_{set_int}-depth_measurement

其中depth_{set_oint}为给定值，depth_measurement为实际输出值

航向PID输出：cmd_y＝PID(err_y)

深度串级PID输出：cmd_h＝PID(PID(err_h)-pitch_measurement)

其中pitch_measurement为深度测量值。

步骤S20，依据输出值，调整辅助推进器的喷口转动角度。参阅图5所示，横坐标为PID控制信号输出值，纵坐标为执行器工作的数值，例如方向舵摆动的角度，以及，辅助推进器的转动数值。PID输出为0时，方向舵在中间位置，辅助推进器转速为0；当PID从0增加到0.5的过程中，方向舵从中间位置逐渐调整到最大位置，既是说，方向舵的摆动角度调整到最大位置，辅助推进器处于关闭状态；当PID继续增大从0.5～1.0过程中，辅助推进器逐渐开大到最大转速，方向舵处于摆动角度最大位置。

通过分程PID计算，方向舵深度用cmd_h1和方向命令cmd_y1，可以控制方向舵的舵角；辅助推进器深度cmd_h2和方向命令cmd_y2，通过对比辅助推进器深度cmd_h2和方向命令cmd_y2能够确定辅助推进器的喷口转动角度。

参阅图6所示，在本发明水下潜航设备的控制方法第一实施例的基础上，提出本发明的第二实施例，输出值包括控制辅助推进器深度的第一输出值和控制辅助推进器方向的第二输出值，依据输出值，调整辅助推进器的喷口转动角度的步骤S20包括：

步骤S21，对比第一输出值和第二输出值大小，生成辅助推进器的喷口转动角度。

具体地，辅助推进器角度：θ＝tan^-1(cmd_y2/cmd_h2)

第一输出值为cmd_h2，第二输出值为cmd_y2，通过对比第一输出值和第二输出值大小，生成辅助推进器的喷口转动角度。当cmd_y2远小于cmd_h2时，辅助推进器处于竖直状态，喷口角度为0度。例如cmd_y2＝0，cmd_h2＝1辅助推进器处于竖直状态，喷口角度为0度。当cmd_h2远小于cmd_y2时，辅助推进器处于水平状态，角度为90度；cmd_y2＝1，cmd_h2＝0，辅助推进器处于水平状态，角度为90度。当cmd_h2和cmd_y2同号时，θ为正角度；当cmd_h2和cmd_y2异号时，θ为负角度。

辅助推进器转动速度：

其中，α为PID命令与转速的常量参数

辅助推进器转速正负与cmd_h2符号相同，当cmd_h2为0时，转速方向保持之前时刻的方向不变。当速度超过最大或者最小转速时，限制在允许范围内，避免辅助推进器超速或者失速。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种水下潜航器，其特征在于，包括：

壳体；

主推进器，所述主推进器设置于所述壳体一端；

方向舵，所述方向舵设于所述壳体，并靠近所述主推进器设置；以及

辅助推进器，所述辅助推进器设置于所述壳体背离所述方向舵的一侧，所述辅助推进器设置有喷口，所述喷口方向可围绕所述壳体的纵轴线转动一周；

所述辅助推进器包括环形固定件和转动件，所述环形固定件设于所述壳体，所述转动件转动设置于所述环形固定件内，所述喷口设置于所述转动件上；

所述壳体包括前壳和后壳，所述环形固定件还包括第一环形部和第二环形部，所述第一环形部和所述前壳连接，所述第二环形部和所述后壳连接，所述第一环形部和所述第二环形部之间连接若干连接件，所述连接件之间间隔设置以形成喷水空间。

2.如权利要求1所述的水下潜航器，其特征在于，所述水下潜航器包括驱动所述辅助推进器运转的马达，所述马达设置于所述第一环形部和第二环形部之间。

3.如权利要求1所述的水下潜航器，其特征在于，所述转动件包括具有贯通腔的筒体，所述贯通腔的贯通方向沿所述环形固定件的径向方向，所述贯通腔的一端为进水口，另一端为所述喷口。

4.如权利要求3所述的水下潜航器，其特征在于，所述转动件包括推进部，所述推进部设置于所述贯通腔内，所述推进部带动水流由所述进水口进入，经所述喷口喷出。

5.如权利要求4所述的水下潜航器，其特征在于，所述环形固定件包括环形设置的外齿轮，所述转动件包括沿所述贯通腔贯通方向设置的第一固定件、以及与所述第一固定件连接设置的第二固定件，所述第二固定件远离所述第一固定件一端设置有内齿轮，所述内齿轮和所述外齿轮相互啮合。

6.如权利要求5所述的水下潜航器，其特征在于，所述外齿轮设置于所述环形固定件，所述外齿轮的齿轮凸起方向朝向所述环形固定件的轴心，所述内齿轮驱动连接有马达。

7.一种水下潜航设备的控制方法，其特征在于，所述水下潜航设备包括如权利要求1至6任一项所述水下潜航器，所述方法包括：

控制比例积分微分控制信号的输出值大小；

依据所述输出值，调整辅助推进器的喷口转动角度。

8.如权利要求7所述的水下潜航设备的控制方法，其特征在于，所述输出值包括控制所述辅助推进器深度的第一输出值和控制所述辅助推进器方向的第二输出值，所述依据所述输出值，调整辅助推进器的喷口转动角度的步骤包括：

对比所述第一输出值和所述第二输出值大小，生成所述辅助推进器的喷口转动角度。

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