CN112650258A - 一种矢量控制装置、水下矢量推进器以及遥控无人潜水器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种矢量控制装置、水下矢量推进器以及遥控无人潜水器，解决现有水下矢量推进器对空间尺寸要求较高，结构较为复杂，控制难度大，对ROV长期运行的可靠性存在影响的问题。矢量控制装置包括用于对两个推进器进行矢量控制的密封舱、以及位于密封舱内的供电单元、控制单元以及两套旋转驱动单元；密封舱相对的两个侧壁上设置有两个同轴孔；所述两套旋转驱动单元对称设置在密封舱两端，且两套旋转驱动单元的输出轴分别穿过两个同轴孔带动两个推进器旋转；所述供电单元向控制单元和两套旋转驱动单元提供电源；所述控制单元控制旋转驱动单元输出轴的旋转角度以及两个推进器的转速。
Description
技术领域
本发明属于遥控无人潜水器技术领域，具体涉及一种矢量控制装置、水下矢量推进器以及遥控无人潜水器。
背景技术
海洋属于国家非常重要的战略资源，在生存资源日益枯竭的当下，海洋资源显得尤为重要。由于水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，各类潜水器已成为开发海洋的重要工具。ROV(遥控无人潜水器)是海洋观测开发的重要设备，不仅在海洋资源探索方面意义重大，在军事、科考等方面同样具有非常重要的现实意义。由于ROV具有安全、经济、高效和作业深度大等突出特点，在世界上得到了越来越广泛的应用。
传统的ROV一般采用六个固定螺旋桨组合实现潜水器的六自由度运动，该种方式结构简单，可靠性高，但由于ROV需要布置多个螺旋桨，使得整个ROV外形结构复杂，流体性能较差，进而导致ROV机动性能下降。对于ROV而言，机动性是非常重要的指标。
因此，为了解决上述问题，通常使用水下矢量推进器(即具有矢量推进功能的水下推进器)提高ROV的机动性和操纵性；但是目前所应用的水下矢量推进器多为三元矢量的全方位螺旋桨式，该类型水下矢量推进器对空间尺寸要求较高，结构较为复杂，控制难度大，对ROV长期运行的可靠性有一定影响。
发明内容
本发明的目的在于解决现有水下矢量推进器对空间尺寸要求较高，结构较为复杂，控制难度大，对ROV长期运行的可靠性存在影响的问题，而提供一种矢量控制装置、水下矢量推进器以及遥控无人潜水器。
为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：
一种矢量控制装置，其特殊之处在于，包括用于对两个推进器进行矢量控制的密封舱、以及位于密封舱内的供电单元、控制单元以及两套旋转驱动单元；
所述密封舱相对的两个侧壁上设置有两个同轴孔；
所述两套旋转驱动单元对称设置在密封舱两端，且两套旋转驱动单元的输出轴分别穿过两个同轴孔带动两个推进器旋转一定角度,从而改变推进器的推力方向，推进器的推力方向始终与旋转驱动单元输出轴的轴向垂直；
所述供电单元向控制单元和两套旋转驱动单元提供电源；
所述控制单元控制旋转驱动单元输出轴的旋转角度以及两个推进器的转速。
进一步地，所述密封舱包括壳体、以及密封安装在壳体上端的密封舱盖；
所述壳体的底部开设有多个通孔，均用于安装水下密封接插件；
所述壳体左右两侧的侧壁上分别开设所述同轴孔；
所述同轴孔为台阶孔，由壳体外向壳体内，依次为第一台阶孔和、第二台阶孔和第三台阶孔，且三个孔的孔径依次减小。
进一步地，每个旋转驱动单元包括支架、舵机和输出轴；
所述舵机通过支架安装在壳体底面，其输出通过压块与输出轴同轴连接；
所述输出轴靠近舵机的一端通过第一轴承和第二轴承分别安装在同轴孔中和支架上，输出轴通过第一轴承和第二轴承进行径向固定；位于第二台阶孔的输出轴处设置有弹性挡圈；且伸出壳体外的输出轴轴径大于位于安装孔内的输出轴轴径，形成轴肩；位于安装孔内的输出轴轴径大于位于壳体内的输出轴轴径；
所述第一轴承位于第一台阶孔处，同轴孔外安装有轴承盖板；第一轴承与输出轴及第一台阶孔均过盈配合，并通过轴肩与弹性挡圈进行轴向固定；
输出轴与第三台阶孔的孔壁采用动密封配合，即第三台阶孔的孔壁设置有密封沟槽，动密封圈安装在密封沟槽内；
由于位于安装孔内的输出轴与壳体第三台阶孔为高精度配合关系，形成动密封环节，所以位于安装孔内的输出轴轴径大于位于壳体内的输出轴轴径，可以减少安装时配合面的长度，便于输出轴的加工和安装。
进一步地，压块通过螺钉压在舵机输出轴和输出轴上的两个平面上，将舵机输出轴与输出轴固连；所述舵机与压块的配合面(即接触平面)高于输出轴与压块的配合面(即接触平面)；在压块压紧时，舵机与压块的配合面高于输出轴与压块的配合面，可以保证压块与舵机输出轴形成紧密连接，压块通过螺钉压紧与输出轴紧密连接，从而保证舵机与输出轴形成紧密连接，保证舵机输出至输出轴间的结构无间隙，可保证控制精度。
所述舵机与支架之间留有调整间隙，保证舵机和输出轴安装完成后保持同轴。
进一步地，所述第一轴承采用大深沟球轴承；第二轴承采用小深沟球轴承；
为了提升密封性能，所述输出轴与第三台阶孔的孔壁采用两道动密封配合；所述密封舱盖与壳体之间设置有静密封圈。
进一步地，所述输出轴与推进器连接的一端设置有两个满足铰制孔螺栓使用的精度的通孔，即输出轴与推进器连接端采用铰制孔螺栓方式固定。与普通螺栓相比，铰制孔螺栓具有定位功能，且可以承受很大横向载荷，所以采用铰制孔螺栓可以保证推进器与矢量装置输出轴紧密连接，可以保证控制精度，且能够承受推进器工作时产生的横向推力。
进一步地，所述壳体上侧壁上开设有一个用于矢量控制装置安装完成后对其进行密封性检查的螺纹孔，该螺纹孔利用个螺钉和组合垫圈进行密封。
进一步地，所述供电单元固定安装在所述壳体的侧壁上，将通过水下密封接插件输入的高电压转换为控制单元和舵机使用的低电压；
所述控制单元采用控制板，固定安装在所述壳体的侧壁上，接收遥控无人潜水器内部中央集线器的指令，通过CAN通信分别控制两个舵机的转速和旋转角度(及输出轴旋转的幅度)以及两个推进器的转速。
基于此，本发明还提供了一种水下矢量推进器，其特殊之处在于：采用上述矢量控制装置进行控制。
一种遥控无人潜水器，其特殊之处在于：采用上述矢量控制装置控制的推进器，推进器安装在遥控无人潜水器尾端，其推力方向始终与矢量控制装置输出轴的轴向垂直。
本发明的优点是：
1.本发明矢量控制装置结构紧凑，可靠性高，能够在较小的空间内控制两个推进器推力方向的矢量控制(即驱动两个推进器绕同一轴旋转，并能控制其旋转角度)。该装置可以使普通推进器变为二元矢量推进器，仅需控制一个旋转自由度，结构简单，可靠性高，在保证ROV操控性的同时，能够减少ROV推进器数量，改善ROV的流体性能，提高了ROV的机动性。
2.本发明与使用普通推进器的ROV对比，矢量控制装置通过控制板能够精确稳定的控制推进器的旋转角度和推进器的转速，所以只需要较少数量的推进器，ROV便可具有较好的操纵性能，为减小ROV外形流体阻力提供条件；与三元矢量全方位螺旋桨式的水下推进器相比，该矢量控制装置只改变推进器一个旋转自由度的方向，达到了矢量推进器体积小，结构简单，可靠性高的目的。
3.本发明矢量控制装置为全密封结构，可以满足ROV水下的使用要求，可直接与推进器连接使用，无需增加额外结构，保证装置的最小化；适用于遥控无人潜水器要求减小流体外形阻力，减少推进器数量的场合。
附图说明
图1为本发明高性能推进器矢量装置主视图；
图2为本发明高性能推进器矢量装置俯视图；
图3为本发明高性能推进器矢量装置左视图；
附图标记如下：
1-输出轴，2-轴承盖板，3-密封舱盖，4-壳体，5-支架，6-舵机，7-静密封圈，8-控制单元，9-水下密封接插件，10-供电单元，11-压块，12-小深沟球轴承，13-动密封圈，14-弹性挡圈，15-大深沟球轴承，16-组合垫圈。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：
如图1-图3所示，用于对遥控无人潜水器水下矢量推进器进行控制的矢量控制装置包括密封舱、以及位于密封舱内的供电单元10、控制单元8以及两套旋转驱动单元；
密封舱包括壳体4、以及固定安装在壳体4上端的密封舱盖3，便于安装和检修位于密封舱内的各组件，密封舱盖3与壳体4之间设置有静密封圈7。壳体4左右两侧的侧壁上分别开设同轴孔；所述同轴孔为台阶孔，由壳体外向壳体内，依次为第一台阶孔、第二台阶孔和第三台阶孔，且三个孔的孔径依次减小。壳体4的底部开设有6个通孔，分别用于安装6路水下密封接插件9；6路水下密封连接器，一路水下密封接插件9将控制单元与遥控无人潜水器中央集线器连接，用于接收中央集线器的控制指令，一路水下密封接插件9将供电单元与动力电池的电源输出连接，用于矢量控制装置电源输入，两路水下密封接插件9分别将两个推进器与动力电池CAN节点连接，用于控制两个动力电池电压输出至两个推进器，两路水下密封接插件9将供电单元和控制单元均与两个推进器控制模块连接，用于推进器控制模块电源输入和控制推进器转速；控制单元将从中央集线器接收的指令发送给推进器控制模块，推进器控制模块控制推进器电机按照指令转动。
两个旋转驱动单元左右对称布置在密封舱的两端，每个旋转驱动单元包括支架5、舵机6、输出轴1、小深沟球轴承12和大深沟球轴承15。
舵机6通过支架5安装在壳体4底面，其输出通过压块11与输出轴1同轴连接，压块11通过螺钉压在舵机输出轴和输出轴1上的两个平面上，将舵机输出轴与输出轴1固连；舵机6与压块11的配合面(即接触平面高于)输出轴1与压块11的配合面(即接触平面)，确保舵机6输出至输出轴1间的结构无间隙，保证控制精度；为了保证舵机6和输出轴1安装完成后保持同轴，舵机6与支架5之间留有调整间隙。
输出轴1靠近舵机6的一端通过大深沟球轴承15和小深沟球轴承12分别安装在同轴孔中和支架5上，输出轴1通过大深沟球轴承15和小深沟球轴承12进行径向固定；位于第二台阶孔的输出轴处设置有弹性挡圈14；且伸出壳体外的输出轴轴径大于位于安装孔内的输出轴轴径，形成轴肩；位于安装孔内的输出轴轴径大于位于壳体内的输出轴轴径；大深沟球轴承15位于第一台阶孔处，同轴孔外安装有轴承盖板2；大深沟球轴承15与输出轴1及第一台阶孔均过盈配合，并通过轴肩与弹性挡圈14进行轴向固定；输出轴1与第三台阶孔的孔壁采用两道动密封配合，即第三台阶孔的孔壁设置有密封沟槽，动密封圈13安装在密封沟槽内。输出轴1与推进器采用铰制孔螺栓方式固定，其连接的一端设置有两个满足铰制孔螺栓使用的精度的通孔，可以保证推进器与矢量装置输出轴1紧密连接，可以保证控制精度；且能够承受推进器工作时产生的横向推力。
旋转驱动单元的安装过程如下：
1)舵机6通过4个M4X20的内六方螺钉与支架5固定连接，小深沟球轴承12过盈配合安装在支架5上；
2)在支架5上完成安装舵机6和小深沟球轴承12后，将支架5通过4个M5X12的内六角螺钉固定连接在密封舱壳体4的底面上；
3)将大深沟球轴承15过盈配合安装在输出轴1上，并利用输出轴1的轴肩和弹性挡圈14轴向固定；
4)动密封圈13安装在第三台阶孔的密封沟槽内，将安装好大深沟球轴承15的输出轴1插入同轴孔内，其中，大深沟球轴承15过盈配合安装在第一台阶孔内；
5)安装轴承盖板2将大深沟球轴承15固定在密封舱壳体4上；
6)调整支架5与舵机6的安装间隙，使输出轴1与舵机的输出轴同轴，并在调整输出轴1与舵机6连接端的平面与舵机输出轴平面平行后，安装压块11将输出轴1和舵机的输出轴固定连接。
供电单元10(本实施中采用电源模块)通过4个M3X6螺钉与壳体4前侧侧壁上固定连接，将动力电池输出的高电压转换为控制板和舵机6使用的低电压。
控制单元8为一控制板，通过4个M3X12螺钉与密封舱前侧侧壁上固定连接，控制板接收中央集线器指令，通过CAN通信分别控制两个舵机6的转速、两个输出轴的旋转角度和两个推进器的转速。
壳体4后侧侧壁上开有一个螺纹孔，该螺纹孔用于矢量控制装置安装完成后的密封性检查，该螺纹孔利用螺钉和组合垫圈16进行密封。
采用上述矢量控制装置控制两个输出轴的旋转角度，从而改变推进器的推力方向；当同时控制两个输出轴旋转相同的角度时，两个推进器的推力方向相应地发生相同的改变，可以进行ROV的俯仰控制；当同时控制两个输出轴旋转不同的角度时，两个推进器的推力方向发生不同的改变，如此可以进行ROV的滚动控制；当同时控制两个推进器不同的转速时，可以进行ROV的航向控制。综上，矢量控制装置通过控制输出轴的旋转角度和推进器的转速，达到了普通推进器矢量化的目的。
本实施例中舵机6选用型号为SM150的舵机6，电源模块选用型号为TRACO POWERTEP 150WI的电源模块，矢量控制装置两个输出轴1分别以6N·m的额定转矩和90°/s的舵速控制推进器的旋转，且输出轴1可实现360°全方位的角度输出。同时，为了验证控制效果，本发明在试验室环境和实际水下环境中均进行测试，取得了良好的效果；通过实航验证，遥控无人潜水器在不小于8kn航速航行时，矢量控制装置输出轴转速不小于45°/s。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种矢量控制装置，其特征在于：包括用于对两个推进器进行矢量控制的密封舱、以及位于密封舱内的供电单元(10)、控制单元(8)以及两套旋转驱动单元；
所述密封舱相对的两个侧壁上设置有两个同轴孔；
所述两套旋转驱动单元对称设置在密封舱两端，且两套旋转驱动单元的输出轴(1)分别穿过两个同轴孔带动两个推进器旋转，改变推进器的推力方向；
所述供电单元(10)向控制单元(8)和两套旋转驱动单元提供电源；
所述控制单元(8)控制旋转驱动单元输出轴(1)的旋转角度以及两个推进器的转速。
2.根据权利要求1所述矢量控制装置，其特征在于：
所述密封舱包括壳体(4)、以及密封安装在壳体上端的密封舱盖(3)；
所述壳体(4)的底部开设有多个通孔，均用于安装水下密封接插件(9)；
所述壳体(4)左右两侧的侧壁上分别开设所述同轴孔；
所述同轴孔为台阶孔，由壳体外向壳体内，依次为第一台阶孔和、第二台阶孔和第三台阶孔，且三个孔的孔径依次减小。
3.根据权利要求2所述矢量控制装置，其特征在于：
每个旋转驱动单元包括支架(5)、舵机(6)和输出轴(1)；
所述舵机(6)通过支架(5)安装在壳体(4)底面，其输出通过压块(11)与输出轴(1)同轴连接；
所述输出轴(1)靠近舵机(6)的一端通过第一轴承和第二轴承分别安装在同轴孔中和支架(5)上，位于第二台阶孔的输出轴处设置有弹性挡圈(14)；且伸出壳体外的输出轴轴径大于位于安装孔内的输出轴轴径，形成轴肩；位于安装孔内的输出轴轴径大于位于壳体内的输出轴轴径；
所述第一轴承位于第一台阶孔处，同轴孔外安装有轴承盖板(2)；第一轴承与输出轴(1)及第一台阶孔均过盈配合，并通过轴肩与弹性挡圈(14)进行轴向固定；
输出轴(1)与第三台阶孔的孔壁采用动密封配合。
4.根据权利要求3所述矢量控制装置，其特征在于：
所述舵机(6)与压块(11)的配合面高于输出轴(1)与压块(11)的配合面；
所述舵机(6)与支架(5)之间留有调整间隙。
5.根据权利要求4所述矢量控制装置，其特征在于：
所述第一轴承采用大深沟球轴承(15)；
所述第二轴承采用小深沟球轴承(12)；
所述输出轴(1)与第三台阶孔的孔壁采用两道动密封配合。
6.根据权利要求5所述矢量控制装置，其特征在于：
所述输出轴(1)与推进器连接的一端设置有两个满足铰制孔螺栓使用的精度的通孔。
7.根据权利要求6所述矢量控制装置，其特征在于：
所述壳体(4)上侧壁上开设有一个用于进行密封性检查的螺纹孔，该螺纹孔利用个螺钉和组合垫圈(16)进行密封。
8.根据权利要求7所述矢量控制装置，其特征在于：
所述供电单元(10)固定安装在所述壳体(4)的侧壁上，将通过水下密封接插件(9)输入的高电压转换为控制单元(8)和舵机(6)使用的低电压；
所述控制单元(8)采用控制板，固定安装在所述壳体(4)的侧壁上，接收指令，通过CAN通信分别控制两个舵机(6)的转速和旋转角度以及两个推进器的转速。
9.一种水下矢量推进器，其特征在于：采用权利要求1-8任一所述矢量控制装置进行控制。
10.一种遥控无人潜水器，其特征在于：采用权利要求1-8任一所述矢量控制装置控制的推进器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210413 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |