CN111055988B - 一种波浪能自主滑翔器用舵机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波浪能自主滑翔器用舵机，其中滑翔器的水下驱动单元龙骨上安装有舵机，舵机包括舵机主体、舵轴、舵板以及传动机构。舵机主体内具备电机，电机轴通过传动机构连接舵轴；舵轴连接舵板。传动机构包括连接体、齿条、齿轮以及键。传动机构与电机轴之间实现卡入式自适应连接，用于将电机输出轴的直线伸缩运动转换为圆周运动，并带动舵轴驱动舵板。卡入式自适应连接方式中连接体与电机输出轴固定后卡入齿条的卡接部，电机轴自动找位，连接体和齿条保留极小的传动间隙，这种结构和安装不会形成装配应力和出现卡滞，避免电机额外负载和能源额外消耗，保证了舵机的高可靠性、高输出扭矩，能够适应连续长期远距离服役。

Description

一种波浪能自主滑翔器用舵机
技术领域
本发明涉及舵机技术领域，具体涉及一种波浪能自主滑翔器用舵机。
背景技术
波浪能自主滑翔器以波浪能为驱动力，以太阳能为辅助能源为机载负载提供电能。波浪能自主滑翔器能够按给定的航路自主航行，可实现海气多界面、大范围、远距离的海洋水文参数及气象参数的实时测量，可为国防、海洋研究和海产养殖等提供可移动、持久的传感器搭载平台。
舵机属于波浪能自主滑翔器水下驱动装置的主要组件，主要承担操舵功能。除了电机、电机驱动器、角度传感器、传动机构等舵机功能部件，波浪能自主滑翔器舵机还需要容纳磁罗盘、数据转接卡、控制器、通信电缆等其他安装组件，而滑翔器由于重量、航行阻力等因素，限制了舵机尺寸和重量，另外，波浪能自主滑翔器在水中航行时间长、所处的海面环境恶劣，可能遇到高海流、大海浪，故而同时对舵机提出了长服役期、高可靠性、高输出扭矩、耐腐蚀性、密封性以及低能耗等一系列要求。
目前传统的舵机无法满足波浪能自主滑翔器相关要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种波浪能自主滑翔器用舵机，能够保证舵机的高可靠性、高输出扭矩，能够适应连续长期远距离服役。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种波浪能自主滑翔器用舵机，滑翔器的水下驱动单元龙骨上安装有舵机，舵机包括舵机主体、舵轴、舵板以及传动机构。
舵机主体内具备电机，电机轴通过传动机构连接舵轴；舵轴连接舵板。
传动机构包括连接体、齿条、齿轮以及键。
齿条端部垂直凸起形成卡接部，卡接部由前面板、后面板以及两面板之间的卡槽组成，端部一侧为前面板，前面板上开设卡口。
连接体为一个一端带有凸台的圆柱体，圆柱体上带有外螺纹。
舵机主体内具备电机，电机输出轴端部内凹且开设内螺纹孔，内螺纹孔与圆柱体上外螺纹相配合。
齿轮中央开设有舵轴通孔，齿轮的内侧面开设轴向键缺口；齿条与齿轮匹配连接。
连接体的凸台卡入到卡接部的卡槽内，连接体的圆柱体从前面板上的卡口伸出，并伸入到电机输出轴端部内凹处，与电机输出轴螺纹连接。
舵轴两端分别为传动机构连接端和舵板连接端，传动机构连接端上嵌入键；传动机构连接端和舵板连接端之间套接双O型密封圈。
舵轴的传动机构连接端位于舵机主体内部，双O型密封圈在舵机主图和舵轴间形成径向动密封；舵轴的传动机构连接端穿过舵轴通孔，其上嵌入键同时卡入齿轮内侧面的轴向键缺口内；舵轴的舵板连接端与舵板固连。
进一步地，舵机主体内还具备磁罗盘、海洋环境传感器、传感器控制模块、导航控制单元以及舵机控制模块。
磁罗盘，用于获取滑翔器的航向与姿态信息，通过水密通信电缆送至导航控制单元。
海洋环境传感器安装在滑翔器的水下驱动单元上，用于获取海洋环境数据。
传感器控制模块，一方面获取导航控制单元发来的传感器控制指令包括传感器开关控制指令以及传感器数据获取指令，当接收到传感器开关控制指令时，传感器控制模块对海洋环境传感器进行开关控制；接收到传感器数据获取指令时，传感器控制模块根据传感器数据获取指令中给出的数据获取周期获取海洋环境传感器敏感到的海洋环境数据，并将海洋环境数据进行数据格式转换，转换为导航控制单元定制的数据格式。
舵轴的传动机构连接端的端面上还安装有角度传感器，用于感知获取舵机的实际舵角送入舵机控制模块。
导航控制单元，用于根据期望航向生成期望舵角，并通过通信电缆发送期望舵角至舵机控制模块。
舵机控制模块获取实际舵角与期望舵角之间的差值，根据差值生成电机驱动指令，用于控制直线电机的输出轴做直线伸缩运动。
电机启动后，其输出轴进行直线伸缩运动，通过传动机构的齿条带动齿轮转动将直线伸缩运动转换为圆周运动，齿轮通过舵轴带动舵板转动，使得实际舵角向期望舵角逼近，从而改变滑翔器的水下驱动单元的航向，使得滑翔器实际航向逼近期望航向。
有益效果：
1、本发明提供的一种波浪能自主滑翔器用舵机，能够通过控制波浪能自主滑翔器的舵板舵角从而控制波浪能自主滑翔器航行方向，本发明采用连接体实现了齿条与电机输出轴的卡入式自适应连接，以该方式代替传统螺纹刚性连接方式。传统螺纹连接对电机轴和齿条上安装孔同轴度要求极高，由于加工形成的公差积累和安装时位置误差不可避免地导致电机轴线与连接螺纹轴线不一致从而形成装配应力，给电机增加额外负载，严重时甚至导致卡滞。卡入式自适应连接方式中连接体与电机输出轴固定后卡入齿条的卡接部，电机轴自动找位，连接体和齿条保留极小的传动间隙，这种结构和安装不会形成装配应力和出现卡滞，避免电机额外负载和能源额外消耗，保证传动可靠，同时安装简单方便，保证了舵机的高可靠性、高输出扭矩，能够适应连续长期远距离服役。
2、本发明提供的舵机具有操舵功能，提供磁罗盘、数据转接卡等安装空间和水密通信电缆安装接口，具有长服役期、高可靠性、高输出扭矩、耐腐蚀性、密封性以及低能耗等特点，该舵机最大操舵舵角不小于±30°范围。该舵机操舵可靠、精确，能使波浪能自主滑翔器保持一定航路自主航行，或保持一定位置虚拟锚泊，可在水下连续长期远距离工作。
附图说明
图1为本发明实施例中舵机主体拆除盖板后内部结构示意图；图中1-主体；2-磁罗盘安装组件；3-数据转接卡安装组件；4-角度传感器座；5-角度传感器；6-齿轮；7-齿条；8-连接体；9-电机；10-控制单元安装组件；11-水密通信电缆；12-O形密封圈；13-舵轴支撑板；14-舵轴组件；15-舵板；16-舵板连接体；17-盖板；
图2为本发明实施例中舵机外型示意图；
图3为本发明实施例中舵轴结构示意图；
图4为本发明实施例中电机轴、传动结构以及舵轴连接关系示意图；
图5为本发明实施例中传感器、舵轴、齿轮连接方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种波浪能自主滑翔器用舵机，滑翔器的水下驱动单元龙骨上安装有舵机，舵机包括舵机主体、舵轴、舵板以及传动机构。图1示出了舵机主体拆除盖板后内部结构，图2示出了舵机外型。
舵机主体内具备电机，电机轴通过传动机构连接舵轴；舵轴连接舵板。
传动机构包括连接体、齿条、齿轮以及键。
齿条端部垂直凸起形成卡接部，卡接部由前面板、后面板以及两面板之间的卡槽组成，端部一侧为前面板，前面板上开设卡口。
连接体为一个一端带有凸台的圆柱体，圆柱体上带有外螺纹。
舵机主体内具备电机，电机输出轴端部内凹且开设内螺纹孔，内螺纹孔与圆柱体上外螺纹相配合。
齿轮中央开设有舵轴通孔，齿轮的内侧面开设轴向键缺口；齿条与齿轮匹配连接。
连接体的凸台卡入到卡接部的卡槽内，连接体的圆柱体从前面板上的卡口伸出，并伸入到电机输出轴端部内凹处，与电机输出轴螺纹连接。此处通过连接体实现了齿条与电机输出轴的卡入式自适应连接，以该方式代替传统螺纹刚性连接方式。传统螺纹连接对电机轴和齿条上安装孔同轴度要求极高，由于加工形成的公差积累和安装时位置误差不可避免地导致电机轴线与连接螺纹轴线不一致从而形成装配应力，给电机增加额外负载，严重时甚至导致卡滞。卡入式自适应连接方式中连接体与电机轴固定后卡入齿条，电机轴自动找位，连接体和齿条保留极小的传动间隙，这种结构和安装不会形成装配应力和出现卡滞，避免电机额外负载和能源额外消耗，保证传动可靠，同时安装简单方便。
舵轴两端分别为传动机构连接端和舵板连接端，传动机构连接端上嵌入键；传动机构连接端和舵板连接端之间套接双O型密封圈。舵轴结构如图3所示。
舵轴的传动机构连接端位于舵机主体内部，双O型密封圈在舵机主图和舵轴间形成径向动密封；舵轴的传动机构连接端穿过舵轴通孔，其上嵌入键同时卡入齿轮内侧面的轴向键缺口内；舵轴的舵板连接端与舵板固连。
舵板连接端通过一个舵板连接体连接舵板，舵板连接体为一个平面板，其通过六个螺钉连接舵板。
本发明实施例中电机轴、传动结构以及舵轴连接关系如图4所示。
舵机主体内还具备磁罗盘、海洋环境传感器、传感器控制模块、导航控制单元以及舵机控制模块。
磁罗盘，用于获取滑翔器的航向与姿态信息，通过水密通信电缆送至导航控制单元。
海洋环境传感器安装在滑翔器的水下驱动单元上，用于获取海洋环境数据；例如可以采用温盐深传感器CTD。
传感器控制模块，一方面获取导航控制单元发来的传感器控制指令包括传感器开关控制指令以及传感器数据获取指令，当接收到传感器开关控制指令时，传感器控制模块对海洋环境传感器进行开关控制；接收到传感器数据获取指令时，传感器控制模块根据传感器数据获取指令中给出的数据获取周期获取海洋环境传感器敏感到的海洋环境数据，并将海洋环境数据进行数据格式转换，转换为导航控制单元定制的数据格式。
舵轴的传动机构连接端的端面上还安装有角度传感器，用于感知获取舵机的实际舵角送入舵机控制模块。本发明实施例中传感器、舵轴、齿轮连接方式如图5所示。
导航控制单元，用于根据期望航向生成期望舵角，并通过通信电缆发送期望舵角至舵机控制模块。
舵机控制模块获取实际舵角与期望舵角之间的差值，根据差值生成电机驱动指令，用于控制直线电机的输出轴做直线伸缩运动。
电机启动后，其输出轴进行直线伸缩运动，通过传动机构的齿条带动齿轮转动将直线伸缩运动转换为圆周运动，齿轮通过舵轴带动舵板转动，使得实际舵角向期望舵角逼近，从而改变滑翔器的水下驱动单元的航向，使得滑翔器实际航向逼近期望航向。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (2)

1.一种波浪能自主滑翔器用舵机，所述滑翔器的水下驱动单元龙骨上安装有舵机，其特征在于，所述舵机包括舵机主体、舵轴、舵板以及传动机构；
所述舵机主体内具备电机，电机输出轴通过所述传动机构连接所述舵轴；所述舵轴连接所述舵板；
所述传动机构包括连接体、齿条、齿轮以及键；
所述齿条端部垂直凸起形成卡接部，所述卡接部由前面板、后面板以及两面板之间的卡槽组成，端部一侧为前面板，所述前面板上开设卡口；
所述连接体为一个一端带有凸台的圆柱体，所述圆柱体上带有外螺纹；
所述舵机主体内具备电机，电机输出轴端部内凹且开设内螺纹孔，所述内螺纹孔与所述圆柱体上外螺纹相配合；
所述齿轮中央开设有舵轴通孔，齿轮的内侧面开设轴向键缺口；所述齿条与所述齿轮匹配连接；
所述连接体的凸台卡入到所述卡接部的卡槽内，所述连接体的圆柱体从所述前面板上的卡口伸出，并伸入到所述电机输出轴端部内凹处，与所述电机输出轴螺纹连接；
所述舵轴两端分别为传动机构连接端和舵板连接端，传动机构连接端上嵌入键；传动机构连接端和舵板连接端之间套接双O型密封圈；
舵轴的传动机构连接端位于所述舵机主体内部，所述双O型密封圈在所述舵机主体和所述舵轴间形成径向动密封；舵轴的传动机构连接端穿过所述舵轴通孔，其上嵌入键同时卡入所述齿轮内侧面的轴向键缺口内；舵轴的舵板连接端与所述舵板固连。
2.如权利要求1所述的舵机，其特征在于，所述舵机主体内还具备磁罗盘、海洋环境传感器、传感器控制模块、导航控制单元以及舵机控制模块；
所述磁罗盘，用于获取滑翔器的航向与姿态信息，通过水密通信电缆送至导航控制单元；
所述海洋环境传感器安装在滑翔器的水下驱动单元上，用于获取海洋环境数据；
所述传感器控制模块，一方面获取导航控制单元发来的传感器控制指令包括传感器开关控制指令以及传感器数据获取指令，当接收到传感器开关控制指令时，所述传感器控制模块对所述海洋环境传感器进行开关控制；接收到传感器数据获取指令时，所述传感器数据获取指令中给出数据获取周期，所述传感器控制模块根据所述数据获取周期获取所述海洋环境传感器敏感到的海洋环境数据，并将所述海洋环境数据进行数据格式转换，转换为导航控制单元定制的数据格式；
所述舵轴的传动机构连接端的端面上还安装有角度传感器，用于感知获取舵机的实际舵角送入所述舵机控制模块；
所述导航控制单元，用于根据期望航向生成期望舵角，并通过通信电缆发送所述期望舵角至所述舵机控制模块；
所述舵机控制模块获取所述实际舵角与所述期望舵角之间的差值，根据所述差值生成电机驱动指令，用于控制直线电机的输出轴做直线伸缩运动；
所述电机启动后，其输出轴进行直线伸缩运动，通过所述传动机构的齿条带动齿轮转动将直线伸缩运动转换为圆周运动，齿轮通过舵轴带动舵板转动，使得实际舵角向期望舵角逼近，从而改变所述滑翔器的水下驱动单元的航向，使得所述滑翔器实际航向逼近期望航向。
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