CN112093016A - 一种可调整姿态以及位置反馈的水下运载装置 - Google Patents

一种可调整姿态以及位置反馈的水下运载装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可调整姿态以及位置反馈的水下运载装置，包括分别安装在浮体底部和顶部的重心调整组件和航控制组件；控制组件与重心调整组件和偏航控制组件电连接；当本装置处于初始姿态时，重心和浮心位于同一铅垂线上；控制组件通过所述重心调整组件控制重心移动，使得装置的俯仰角和翻滚角发生变化；通过所述偏航控制组件控制桨的转动，使得装置的偏航角发生变化；所述移动平台底部安装含有可脱离部件或可消耗部件的运载部，当可脱离部件脱离运载部或可消耗部件消耗殆尽时，本装置的浮力大于重力，装置浮出水面，此时无线通信模块与外部进行通信。本发明以浮力作为主要的动力来源，大大减少能量的消耗，从而实现较长的续航时间。

Description

一种可调整姿态以及位置反馈的水下运载装置
技术领域
本发明涉及水下发射平台设计技术领域，具体涉及一种可调整姿态以及位置反馈的水下运载装置。
背景技术
海洋是能源、生物资源、和金属资源的战略性开发基地，针对领海防护问题，需要将一些攻击武器预置在国家的领海边境，以保护国家的主权不受侵犯。水下火箭弹可以作为有效的水下攻击武器可以用来防止敌人入侵国家的领海，将水下火箭弹预置在海水中，当敌舰、水雷、或者蛙人等出现在攻击范围内时进行攻击，这一作战模式逐渐成为研究热点。
预置在水下的火箭弹，无法在水中调整自身姿态，在发现目标时无法调整弹体对目标进行攻击；且在设备完成工作后无法在水中与地面工作站进行通讯，存在设备及数据无法回收的问题；目前大部分水下武器搭载在水下航行器上，水下航行器大多是为了实现某种特定的目标定向开发出来的，通用性较差且续航能力不足。
除了水下火箭弹，还有一些试验场景也需要可调整姿态以及位置反馈的水下运载装置，而且需要该装置有较长的续航时间。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种可调整姿态以及位置反馈的水下运载装置，能够以浮力作为主要的动力来源，大大减少能量的消耗，从而实现较长的续航时间。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种可调整姿态以及位置反馈的水下运载装置，包括：
一浮体；
一重心调整组件，由移动平台和移动驱动导向机构组成；移动平台通过所述移动驱动导向机构安装于所述浮体底部，利用移动驱动导向机构实现移动平台在浮体底面的平移，使得本装置重心移动；
一偏航控制组件，安装在所述浮体的顶部；
一无线通信模块，用于在本装置浮出水面时，与外部进行通信；
一控制组件，与重心调整组件和偏航控制组件电连接；
本装置悬浮于水中时，重心在下、浮心在上；当本装置处于初始姿态时，重心和浮心位于同一铅垂线上；控制组件通过所述重心调整组件控制重心移动，使得装置的俯仰角和翻滚角发生变化；通过所述偏航控制组件控制桨的转动，使得装置的偏航角发生变化；
本装置浮力和重力的关系设置为：所述移动平台底部安装含有可脱离部件或可消耗部件的运载部，当可脱离部件脱离运载部或可消耗部件消耗殆尽时，本装置的浮力大于重力，装置浮出水面。
其中，所述运载部承载探测设备，当探测完成后，通过脱离额外负载的方式，令浮力大于重力；
或者，所述运载部承载待放置设备，通过释放待放置设备，令浮力大于重力；
或者，所述运载部承载水下预置武器，当武器发射后，所述浮力大于重力。
优选地，所述浮体采用中空、对称式设计，保证浮心的位置居中。
优选地，所述浮体为一体化结构。
优选地，所述移动驱动导向机构由相互垂直的第一导轨组件和第二导轨组件组成，每组导轨组件均包括丝杠螺母机构(14)、平行设置在丝杠螺母机构(14)侧面的导轨和丝杠螺母机构的驱动电机；
所述第一导轨组件中的丝杠螺母机构和导轨固定在所述浮体底面；所述第二导轨组件丝杠螺母机构和导轨固定在安装板上，安装板与所述第一导轨组件的丝杠螺母机构和导轨相连，使得第二导轨组件能够沿第一导轨组件提供的路径平移；
所述移动平台与所述第二导轨组件的丝杠螺母机构和导轨相连，使得移动平台能够沿第二导轨组件提供的路径平移。
优选地，所述偏航控制组件包括桨和z轴电机；桨垂直安装在所述浮体顶面上，桨的转轴与装置中轴线重合；z轴电机位于所述浮体空腔内，z轴电机输出轴连接桨，控制桨转动。
优选地，所述控制组件包括姿态采集模块和控制器；
所述姿态采集模块，用于采集本装置x,y,z三个方向的旋转角度和角速度；
所述控制器，用于对姿态采集模块的采集数据进行解析，得到俯仰角、翻滚角和偏航角的测量值，与期望值做差获得俯仰角、翻滚角和偏航角的偏差量；根据本装置的运动学模型，将俯仰角、翻滚角和偏航角的偏差量转化为第一导轨组件和第二导轨组件的位移量，以及所述桨的偏移角，输入控制模型中得到第一导轨组件、第二导轨组件和桨的驱动电机转角，从而带动承载部在浮体的下表面做平移运动，实现俯仰角和翻滚角的调整，通过桨的旋转实现偏航角的调整。
优选地，所述承载部通过螺钉与所述移动平台连接。
优选地，该装置进一步包括可配置的配重块组；通过增减配重块实现浮力与重力相等，使得本装置悬停于水中。
优选地，所述无线通信模块与外部通信内容包括采集数据、定位数据和/或状态数据。
有益效果：
(1)本发明以浮体+重心调整机构为主要结构组成，通过重心与浮心相对位置的变化实现装置姿态的调整；利用重力和浮力的匹配和相对变化，实现水下运载装置在水中的悬停，以及完成工作后的上浮，从而可以通过无线通讯设备与陆地工作站进行通信，例如发送位置、采集数据、状态数据等，满足底面的定位和数据获取需求。本发明可以很好的解决水下运载平台在水中的姿态调节问题，相较于一般的水下航行器，通过浮力作为整个设备的主要动力来源可以极大地增加系统的续航时间。而且水面通讯可以增加通讯距离。
(2)本发明所提供的姿态调整机构，结构简单，便于实现。
附图说明
图1为本发明水下火箭弹姿态调整以及位置反馈装置示意图。
图2为水下火箭弹姿态调整以及位置反馈装置剖视图。
图3为水下火箭弹姿态调整以及位置反馈装置的初始姿态。
图4为水下火箭弹姿态调整以及位置反馈装置的姿态调整示意图。
图5为水下火箭弹姿态调整以及位置反馈装置的期望姿态示意图。
图6为姿态调整流程图。
其中，1—浮体、2—移动平台、3—第一导轨组件(x轴导轨组件)、4—第二导轨组件(y轴导轨组件)、5—火箭弹发射架、6—水下火箭弹、7—x轴电机、8—y轴电机、9—桨、10—z轴电机、11—控制器、12—导轨、13—滑块、14—丝杠螺母机构。
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。
本发明提供了一种可调整姿态以及位置反馈的水下运载装置，其基本思想在于，以浮体+重心调整机构为主要结构组成，通过重心与浮心相对位置的变化实现装置姿态的调整；利用重力和浮力的匹配和相对变化，实现水下运载装置在水中的悬停，以及完成工作后的上浮。其中，重心调整机构由移动平台和移动驱动导向机构组成，在移动驱动导向机构的引导下，移动平台可在平面内二维运动。运载部设置在移动平台上，作为重心调整的主要部件，运载部随移动平台在二维平面中移动后，装置重心发生变化，浮力和重力将形成一个扭矩从而带动整个装置旋转直到浮心和重心再次在一条铅垂线上，从而实现姿态中俯仰角和翻滚角的调整。同时通过桨的设置实现偏航的调整。
本发明的可调整姿态以及位置反馈的水下运载装置可以用于如下场景：
1)运载部承载探测设备，当探测完成后，通过脱离额外负载(作为可脱离部件)的方式，令浮力大于重力，装置上浮水面。
2)运载部承载待放置设备(作为可脱离部件)，例如需要放置到水下的探测器，释放待放置设备后，浮力大于重力，装置上浮水面；
3)运载部承载水下预置武器，例如水下火箭弹(作为可脱离部件)，当水下火箭弹发射后，浮力大于重力，装置上浮水面。
4)运载部承载可消耗部件，当可消耗部件消耗完后，浮力大于重力，装置上浮水面。
在实际中，需要设计可脱离部件/可消耗部件的质量与装置本身质量的关系，使得装置携带可脱离部件或可消耗部件时，保持悬浮于水中，或者在额外负载/配重块的帮助下保持悬浮于水中；而可脱离部件或可消耗部件不存在时，装置的浮力大于重力，装置上浮进行通信。
下面参见图1、图2，以携带水下火箭弹及其发射器为例，对本发明的实施方式进行详细描述。本实施例的整体结构采用对称式结构设计，分为机械结构、姿态采集及姿态控制、无线通讯三个部分进行描述。
(一)机械结构
本发明水下运载装置的机械结构部分可以分为浮体1、重心调整组件和偏航控制组件。
浮体1采用中空设计，用来提供浮力，用以平衡自身以及火箭弹发射架5和水下火箭弹6的重力。浮体1优选对称式设计，保证浮心的位置居中。中空设计可以提供设备安装空间，装置减小体积。采用密度较小的实心材料制成浮体也可以实现本发明。由于需要在浮体1顶面和底面安装设备，因此浮体1最好为扁圆形结构，从而提供较为平坦的安装面。同时为了避免水下压力导致进水，需要选用有一定刚度的材质，并考虑水下密封、耐压设计。
重心调整组件由移动平台2和移动驱动导向机构组成。移动平台2通过移动驱动导向机构安装在浮体1底部，利用移动驱动导向机构实现移动平台2在浮体底面的平移，使得本装置重心移动。移动平台2用于和水下火箭弹发射器连接。
如图1、2所示，本实施例中，移动驱动导向机构采用十字导轨，居中放置在浮体底面。十字导轨由相互垂直的第一导轨组件3和第二导轨组件4组成。每组导轨组件均包括丝杠螺母机构14、平行设置在丝杠螺母机构14两侧的导轨12和丝杠螺母机构的驱动电机(x轴电机7和y轴电机8)。
第一导轨组件3中的丝杠螺母机构和导轨固定在浮体1底面。第二导轨组件4丝杠螺母机构和导轨固定在一安装板上，该安装板与第一导轨组件3的丝杠螺母机构和导轨相连，具体是连接到螺母和导轨滑块上，使得第二导轨组件4能够沿第一导轨组件提供的路径平移。移动平台2与第二导轨组件4的丝杠螺母机构和导轨相连，使得移动平台2能够沿第二导轨组件提供的路径平移。这样就形成了提供二维平动的机构。x轴电机和y轴电机分别安装在相应丝杠螺母机构的端部。
偏航控制组件，安装在所述浮体1的顶部。如图所示，在本实施例中，偏航控制组件包括桨9和z轴电机10；桨9垂直安装在浮体1顶面上，桨9的转轴与装置中轴线重合；z轴电机10位于浮体1空腔内，z轴电机10输出轴连接桨9的转轴，控制桨9的转动。
水下火箭弹发射架与移动平台2固连，可以采用螺钉固连，浮体在上，水下火箭弹在下，通过设计浮心和重心的位置关系，保证本装置悬浮于水中时，重心在下浮心在上，从而保证装置的稳定性。
(二)姿态采集及姿态控制
如图3所示，将整个机械结构按照水下火箭弹发射架5和水下火箭弹6在下，浮体1在上放入水中，从而实现重心在下浮心在上。该装置可以携带配重块，通过增减配重块从而实现浮力与重力相等，使得本装置能够悬浮于水中。配重块可以对称设置在浮体底面。对于需要利用配重块作为额外负载控制装置上浮的情况，配重块还需要连接释放机构，释放机构由控制器进行控制，实现配重块的释放。释放机构可以采用电磁方案、机械切割方案、收纳仓方案等实现。
仍如图3所示，当本装置处于初始姿态时，即本实施例中，本装置在水平放置时，使本装置的浮心初始位置尽可能与重心位置在一条铅垂线上。
如图4所示，当移动平台平移，导致重心变化时，重心和浮心不在一条铅垂线上，此时浮力和重力将形成一个扭矩M从而带动整个装置旋转直到浮心和重心再次在一条铅垂线上，此时系统的俯仰角和翻滚角变化。通过桨9的旋转可以调整装置的偏航角。而移动平台和桨9的动作可以通过控制三个电机实现。
电机控制由控制组件实现。控制组件包括姿态采集模块和控制器。姿态采集模块可以采用陀螺仪实现。如图6所示，陀螺仪采集本装置x,y,z三个方向的旋转角度和角速度。控制器通过解析这些数据得到装置的实际测量俯仰角θ1、翻滚角
Figure BDA0002627575720000082
和偏航角φ1；根据输入的俯仰角θq、翻滚角
Figure BDA0002627575720000081
和偏航角φq的期望值，将三个角的测量值与期望值做差，获得偏差量Δθ、
Figure BDA0002627575720000083
和Δφ，将偏差量代入预先建立的运动学模型，该运动学模型将俯仰角、翻滚角和偏航角的偏差量转化为第一导轨组件和第二导轨组件的位移量Δx和Δy，以及桨9的偏移角，输入控制模型中得到三个驱动电机的转角，通过电机控制，带动移动平台在浮体的下表面做平移运动，实现俯仰角和翻滚角的调整，通过桨的旋转实现偏航角的调整。当陀螺仪测得的角度与期望值一致时(通过二者偏差是否小于设定阈值判定)，完成俯仰角和翻滚角调整。上述控制模型可以用PID模型实现。
(三)无线通信
本装置中设置有无线通信模块，用于在本装置浮出水面时，与外部进行通信。无线通信模块可以采用无线电实现通信。通信内容可以为定位信息、采集数据、状态数据等。定位信息可以通过设置定位模块获取，例如GPS模块或北斗模块。
当水下火箭弹发射完毕后，装置重力减轻，浮力大于重力，使得装置浮出海面，此时无法在水中长距离通信的无线电便可以在空气中传播连接地面工作站，将此时的位置发送给地面工作站，以便完成后续的攻击任务。
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 (10)

1.一种可调整姿态以及位置反馈的水下运载装置，其特征在于，包括：
一浮体(1)；
一重心调整组件，由移动平台(2)和移动驱动导向机构组成；移动平台(2)通过所述移动驱动导向机构安装于所述浮体底部，利用移动驱动导向机构实现移动平台(2)在浮体底面的平移，使得本装置重心移动；
一偏航控制组件，安装在所述浮体(1)的顶部；
一无线通信模块，用于在本装置浮出水面时，与外部进行通信；
一控制组件，与重心调整组件和偏航控制组件电连接；
本装置悬浮于水中时，重心在下、浮心在上；当本装置处于初始姿态时，重心和浮心位于同一铅垂线上；控制组件通过所述重心调整组件控制重心移动，使得装置的俯仰角和翻滚角发生变化；通过所述偏航控制组件控制桨(9)的转动，使得装置的偏航角发生变化；
本装置浮力和重力的关系设置为：所述移动平台(2)底部安装含有可脱离部件或可消耗部件的运载部，当可脱离部件脱离运载部或可消耗部件消耗殆尽时，本装置的浮力大于重力，装置浮出水面。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述运载部承载探测设备，当探测完成后，通过脱离额外负载的方式，令浮力大于重力；
或者，所述运载部承载待放置设备，通过释放待放置设备，令浮力大于重力；
或者，所述运载部承载水下预置武器，当武器发射后，所述浮力大于重力。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述浮体(1)采用中空、对称式设计，保证浮心的位置居中。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述浮体为一体化结构。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述移动驱动导向机构由相互垂直的第一导轨组件和第二导轨组件组成，每组导轨组件均包括丝杠螺母机构(14)、平行设置在丝杠螺母机构(14)侧面的导轨(12)和丝杠螺母机构的驱动电机；
所述第一导轨组件中的丝杠螺母机构和导轨固定在所述浮体底面；所述第二导轨组件丝杠螺母机构和导轨固定在安装板上，安装板与所述第一导轨组件的丝杠螺母机构和导轨相连，使得第二导轨组件能够沿第一导轨组件提供的路径平移；
所述移动平台(2)与所述第二导轨组件的丝杠螺母机构和导轨相连，使得移动平台(2)能够沿第二导轨组件提供的路径平移。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述偏航控制组件包括桨(9)和z轴电机(10)；桨(9)垂直安装在所述浮体(1)顶面上，桨(9)的转轴与装置中轴线重合；z轴电机(10)位于所述浮体(1)空腔内，z轴电机(10)输出轴连接桨(9)，控制桨(9)转动。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制组件包括姿态采集模块和控制器；
所述姿态采集模块，用于采集本装置x,y,z三个方向的旋转角度和角速度；
所述控制器，用于对姿态采集模块的采集数据进行解析，得到俯仰角、翻滚角和偏航角的测量值，与期望值做差获得俯仰角、翻滚角和偏航角的偏差量；根据本装置的运动学模型，将俯仰角、翻滚角和偏航角的偏差量转化为第一导轨组件和第二导轨组件的位移量，以及所述桨(9)的偏移角，输入控制模型中得到第一导轨组件、第二导轨组件和桨(9)的驱动电机转角，从而带动承载部在浮体的下表面做平移运动，实现俯仰角和翻滚角的调整，通过桨的旋转实现偏航角的调整。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述承载部通过螺钉与所述移动平台(2)连接。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括可配置的配重块组；通过增减配重块实现浮力与重力相等，使得本装置悬停于水中。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述无线通信模块与外部通信内容包括采集数据、定位数据和/或状态数据。
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