CN113002741A - 一种水下航行器姿态调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下航行器姿态调节装置,包括俯仰调节机构和横滚调节机构，还包括前支撑板和后支撑板，所述俯仰调节机构包括电池模块和俯仰电机，所述电池模块设于前支撑板和后支撑板之间，所述俯仰电机固定在电池模块上，其推杆与所述后支撑板固定，所述电池模块随所述推杆伸缩而在前支撑板和后支撑板之间移动；本申请通过将俯仰电机固定在电池模块上，通过俯仰电机推杆的伸缩调整电池模块的位置，从而改变水下航行器的俯仰姿态角，电池模块既为整个装置供电，又作为俯仰调节机构的配重，整体结构紧凑简单。

Description

一种水下航行器姿态调节装置

技术领域

本发明涉及水下观测与探测装备技术领域，具体涉及一种水下航行器姿态调节装置。

背景技术

水下滑翔机是利用自身重力和浮力进行交替变换实现锯齿形运动的一种新型水下机器人，由于其具有低成本，大范围和长时序对海洋进行观测，被广泛关注。姿态调节装置作用是可以使水下滑翔机具有一定的位置控制能力和一定抗流能力，姿态调节装置通过改变水下滑翔机重心的轴向位置来实现水下滑翔机的俯仰角控制，姿态调节装置通过改变水下滑翔机重心的横向位置使滑翔机产生横滚角，来实现滑翔机的航向控制。

随着水下滑翔机在海洋观测与探测领域的不断探索应用，水下滑翔机的小型化需求不断扩大，微型低成本水下滑翔机可以实现远大洋抛弃便携式观测、重点和特定海域侦测、快速部署空投侦测、大规模声学集群观测与探测等需求，而设计一种水下航行器用的低噪姿态调节装置尤为重要。

目前已有的水下滑翔机姿态调节装置一般都是将俯仰调节和横滚调节耦合在一起结构比较复杂庞大，成本比较高，噪声比较大不适合在水下航行器上使用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种紧凑型和小型化的水下航行器姿态调节装置。

本发明所采用的技术方案是：

一种水下航行器姿态调节装置,包括俯仰调节机构和横滚调节机构，还包括前支撑板和后支撑板，所述俯仰调节机构包括电池模块和俯仰电机，所述电池模块设于前支撑板和后支撑板之间，所述俯仰电机固定在电池模块上，其推杆与所述后支撑板固定，所述电池模块随所述推杆伸缩而在前支撑板和后支撑板之间移动。

进一步，所述俯仰调节机构还包括光轴，所述光轴的两端分别固定在前支撑板和后支撑板上，所述电池模块活动套设在所述光轴上、且可沿光轴轴向移动。

进一步，所述横滚调节机构固定在后支撑板上，其包括横滚电机、齿轮组件和配重块，所述横滚电机的输出轴与齿轮组件输入端连接，所述配重块偏心固定在齿轮组件上、并随齿轮组件转动。

进一步，所述横滚调节机构还包括角度传感器，该角度传感器的检测轴与所述齿轮组件连接，并随齿轮组件转动。

进一步，沿所述电池模块周向间隔开设有四个光孔，所述光轴为四根，四根光轴分别穿过电池模块上的光孔、其两端分别与前支撑板和后支撑板固定。

进一步，所述俯仰电机采用微型直线伺服驱动器。

进一步，所述电池模块包括前固定板、后固定板、电池组和拉杆，所述电池组夹持在前固定板和后固定板之间；拉杆为多根，多根拉杆沿电池组周向间隔设置，多根拉杆的两端分别与对应的前固定板和后固定板连接拉紧，将电池组夹紧在前固定板、后固定板以及多根拉杆中间。

进一步，所述齿轮组件包括大齿轮和小齿轮，所述横滚电机固定安装在后支撑板上，其输出轴与小齿轮连接，所述大齿轮安装在后支撑板上、且与小齿轮啮合，所述配重块偏心固定在大齿轮上。

进一步，所述齿轮组件还包括旋变齿轮，该旋变齿轮对应于配重块设置、且与大齿轮啮合，所述角度传感器的检测轴与旋变齿轮连接。

进一步，所述大齿轮通过轴承装配在轴承座上，轴承座与后支撑板固定连接。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本申请实施例所提供的水下航行器姿态调节装置结构示意图；

图2为本申请实施例所提供的电池模块爆炸图；

图3为本申请实施例所提供的俯仰电机安装结构示意图；

图4为本申请实施例所提供的横滚调节机构结构示意图；

图5为本申请实施例所提供的横滚调节机构一侧面结构示意图；

图6为本申请实施例所提供的横滚调节机构另一侧面结构示意图。

其中，前支撑板1、后支撑板2、俯仰电机3、俯仰电机卡扣4、俯仰电机固定座5、拉杆6、电池组7、光轴8、前固定板9、后固定板10、横滚电机11、角度传感器12、配重块13、配重固定架14、大齿轮15、小齿轮16、旋变齿轮17、轴承座18、锁紧螺母19、轴承20、轴承挡圈21。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

参见图1～图6，本申请一种水下航行器姿态调节装置,包括俯仰调节机构和横滚调节机构，还包括前支撑板1和后支撑板2，所述俯仰调节机构包括电池模块和俯仰电机3，所述电池模块设于前支撑板1和后支撑板2之间，所述俯仰电机3固定在电池模块上，其推杆与所述后支撑板2固定，所述电池模块随所述推杆伸缩而在前支撑板1和后支撑板2之间移动。

本申请姿态调节装置可用于水下航行器的姿态调节，其中俯仰调节机构用于调节水下航行器的俯仰姿态角，前支撑板1和后支撑板2可以与水下航行器的相关部件固定，作为整个装置的支撑机构，调节时，控制俯仰电机3的推杆伸出，电池模块向耐压舱的前端移动，反之，控制俯仰电机3的推杆缩回，电池模块向耐压舱的后端移动；通过俯仰电机3的推杆伸缩，可改变电池模块在耐压舱轴向的位置，从而改变水下航行器的重心在轴向上的位置，从而实现俯仰姿态角的调节；当把重心调整到浮心前面时，水下航行器的产生低头姿态，当把重心调整到浮心后面时，水下航行器的产生抬头姿态。

本申请通过将俯仰电机3固定在电池模块上，通过俯仰电机3推杆的伸缩调整电池模块的位置，从而改变水下航行器的俯仰姿态角，电池模块既为整个装置供电，又作为俯仰调节机构的配重，整体结构紧凑简单。

俯仰调节机构还包括光轴8，光轴8的两端分别固定在前支撑板1和后支撑板2上，电池模块活动套设在所述光轴8上、且可沿光轴8轴向移动。光轴8为电池模块的轴向移动提供导向作用。

具体的，沿电池模块周向间隔开设有四个供光轴8穿过的光孔，光轴8为四根，四根光轴8对应于电池模块的四个光孔布置，四根光轴8分别穿过电池模块上的光孔、其两端分别通过螺栓与前支撑板1和后支撑板2固定，电池模块作为俯仰调节机构的配重可在光轴8上轴向滑动。

俯仰电机3采用微型直线伺服驱动器，微型直线伺服驱动器是一种微小型一体化直线伺服系统，内部集成了空心杯电机、行星减速器、丝杆机构、传感器以及驱动控制器，具有前馈补偿的位置闭环控制功能，没有角度累计误差，可实现精确定位。

俯仰电机3可通过任意方式固定在电池模块上。在一种实施例中，俯仰电机3通过俯仰电机固定座5和俯仰电机卡扣4固定在电池模块上。

电池模块包括前固定板9、后固定板10、电池组7和拉杆6，电池组7夹持在前固定板9和后固定板10之间；拉杆6为多根，多根拉杆6沿电池组7周向间隔设置，多根拉杆6的两端分别与对应的前固定板9和后固定板10连接拉紧，将电池组7夹紧在前固定板9、后固定板10以及多根拉杆6中间，实现电池组7的固定。电池模块为整个装置供电，同时也作用俯仰调节机构的配重，调节水下航行器的俯仰姿态角。

具体的，拉杆6可以为四根或四根以上。光孔分别设置在前固定板9和后固定板10上，前固定板9和后固定板10对应设置四个光孔。

在后固定板10上开设有用于容纳俯仰电机3的缺口，俯仰电机固定座5通过螺栓固定在后固定板10上，俯仰电机卡扣4为U型结构，俯仰电机卡扣4将俯仰电机3固定在俯仰电机固定座5上、且位于缺口内，俯仰电机3的推杆与后支撑板2固定。

横滚调节机构固定在后支撑板2上，其包括横滚电机11、齿轮组件和配重块13，横滚电机11的输出轴与齿轮组件输入端连接，所述配重块13偏心固定在齿轮组件上、并随齿轮组件转动。配重块13偏心设计时，考虑配重块13对整个水下航行器偏心占比与水下航行器除去配重块13以外重心偏心占比相同。

横滚调节机构用于调节水下航行器的航向，通过横滚电机11的转动驱动齿轮组件转动，从而驱动固定在齿轮组件上的配重块13随之转动，改变水下航行器重心的横向位置，使水下航行器产生横滚角，可在水下航行器尾翼的作用下实现航向调节，并且横滚调节机构还可以实现360度旋转，使得滑翔机重心的横向调节范围更大，可以将水下航行器重心从横向偏心位置调整到轴线位置，与水下航行器浮心共线，水下航行器在重浮心的作用下实现垂直姿态，可以从滑翔模式进入剖面浮标模式，实现水下航行器的滑翔模式和剖面浮标模式的双模式工作。

本申请将横滚调节机构和俯仰调节机构的配重分开设置，横滚调节机构采用配重块13设计，俯仰调节机构的配重采用电池模块，不需要在装置中穿轴，使得电池模块的结构设计更加简单紧凑，可实现小型化设计，同时成本更低，可靠性更高。

齿轮组件包括大齿轮15和小齿轮16，横滚电机11固定安装在后支撑板2的一侧，其输出轴穿过后支撑板2，并与位于后支撑板2另一侧的小齿轮16连接，驱动小齿轮16转动。大齿轮15通过轴承20装配在轴承座18上，轴承座18与后支撑板2固定连接，从而将大齿轮15安装在后支撑板2上；大齿轮15与小齿轮16啮合，由小齿轮16带动转动。具体的，在后支撑板2上开设有安装孔，轴承座18安装在该安装孔内，大齿轮15的一侧设有安装轴，该安装轴通过锁紧螺母19与轴承20锁紧连接，轴承20装配在轴承座18上，并通过轴承挡圈21固定。配重块13采用铅块，配重块13通过配重固定架14安装在大齿轮15上，由大齿轮15带动绕轴心转动，改变配重块13在横向的位置，从而调整滑翔机的横滚姿态角。

利用铅块作为横滚调节机构配重块13，可以实现利用更小的重量实现更大的偏心，结构更加紧凑简单，实现小型化设计，同时通过齿轮组件啮合可以实现360度旋转，可以实现水下航行器的重心和浮心在同轴和偏心位置之间变换，当水下航行器重心和浮心同轴时，可以使水下航行器垂直于水面，进入剖面浮标模式工作，所以该结构可以使水下航行器具有滑翔模式和剖面浮标模式双模式工作。

所述横滚调节机构还包括角度传感器12，该角度传感器12的检测轴与所述齿轮组件连接，并随齿轮组件转动。

具体的，齿轮组件还包括旋变齿轮17，该旋变齿轮17对应于配重块13设置、且与大齿轮15啮合，由大齿轮15带动转动；角度传感器12固定安装在后支撑板2上，其检测轴穿过后支撑板2、并与旋变齿轮17连接，旋变齿轮17随大齿轮15转动，并由检测轴将转动角度传递给角度传感器12，从而可实时检测到配重块13的旋转角度。

横滚电机11可采用超声电机，具有自锁，低噪的特点；大齿轮15、小齿轮16和旋变齿轮17均可采用塑料材质，可使整个横滚机构噪声更低，从而使水下航行器具有优良的声学观测能力。

本申请姿态调节装置的俯仰电机3、横滚电机11和角度传感器12可以与水下航行器的主控连接，由主控控制俯仰电机3的推杆伸缩，俯仰电机3实时将移动距离反馈给主控，形成闭环控制，可以实现电池模块在光轴8上滑动，电池模块在水下航行器的轴线方向的位置发生改变，从而改变微型滑翔机的重心位置，浮心位置不变，重心和浮心垂直方向不重合，使水下航行器产生姿态角，当俯仰电机3收到主控低头命令时，俯仰电机3带动电池模块前移，重心前移，水下航行器产生低头姿态角，当俯仰电机3收到主控抬头命令时，俯仰电机3带动电池模块后移，重心后移，水下航行器产生抬头姿态角。

主控通过控制横滚电机11转动，大小齿轮16相互啮合转动，带动配重块13绕轴线转动，旋变齿轮17随着大齿轮15的转动，可以实时监测到配重块13的旋转角度，进而实现配重块13的角度控制，当主控收到上位机横滚角度命令，控制横滚电机11转动，当到达一定角度时，停止转动，配重块13达到预设偏心角度，配重块13的角度改变使水下航行器重心的横向位置发生改变，水下航行器产生横滚角，在机翼上的升力作用下进行航向调整。

工作模式切换：本申请水下航行器姿态调节装置可以使水下航行器具有滑翔模式和剖面浮标模式，横滚调节机构的配重块13偏心设计时，考虑配重块13对整个水下航行器偏心占比与水下航行器除去配重块13以外重心偏心占比相同，水下航行器浮心在轴线上，在滑翔模式工作下，横滚调节机构的配重块13只在正负90°间转动，水下航行器重心和浮心不同心，在俯仰机构的调节下可以实现不同俯仰角度的滑翔。当水下航行器切换到剖面浮标模式时，主控控制横滚调节机构，使横滚调节机构配重块13旋转180度，此时配重块13对整个水下航行器偏心占比与水下航行器除去配重块13以外重心偏心占比相同，方向相反，将微型滑翔机重心调整在轴线上，重浮心在横向上共线，在通过调整俯仰调节机构使电池模块调整到前极限，此时水下航行器重心在浮心前，并且重浮心都在轴线上，将微型滑翔机调整为整机垂直水面，头部朝下方，在通过控制水下航行器浮力系统时水下航行器实现剖面浮标工作模式。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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。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。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、系统和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、系统、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、系统、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种水下航行器姿态调节装置,包括俯仰调节机构和横滚调节机构，其特征在于，还包括前支撑板和后支撑板，所述俯仰调节机构包括电池模块和俯仰电机，所述电池模块设于前支撑板和后支撑板之间，所述俯仰电机固定在电池模块上，其推杆与所述后支撑板固定，所述电池模块随所述推杆伸缩而在前支撑板和后支撑板之间移动。

2.根据权利要求1所述的水下航行器姿态调节装置,其特征在于，所述俯仰调节机构还包括光轴，所述光轴的两端分别固定在前支撑板和后支撑板上，所述电池模块活动套设在所述光轴上、且可沿光轴轴向移动。

3.根据权利要求1所述的水下航行器姿态调节装置,其特征在于，所述横滚调节机构固定在后支撑板上，其包括横滚电机、齿轮组件和配重块，所述横滚电机的输出轴与齿轮组件输入端连接，所述配重块偏心固定在齿轮组件上、并随齿轮组件转动。

4.根据权利要求3所述的水下航行器姿态调节装置,其特征在于，所述横滚调节机构还包括角度传感器，该角度传感器的检测轴与所述齿轮组件连接，并随齿轮组件转动。

5.根据权利要求2所述的水下航行器姿态调节装置,其特征在于，沿所述电池模块周向间隔开设有四个光孔，所述光轴为四根，四根光轴分别穿过电池模块上的光孔、其两端分别与前支撑板和后支撑板固定。

6.根据权利要求2所述的水下航行器姿态调节装置,其特征在于，所述俯仰电机采用微型直线伺服驱动器。

7.根据权利要求2所述的水下航行器姿态调节装置,其特征在于，所述电池模块包括前固定板、后固定板、电池组和拉杆，所述电池组夹持在前固定板和后固定板之间；拉杆为多根，多根拉杆沿电池组周向间隔设置，多根拉杆的两端分别与对应的前固定板和后固定板连接拉紧，将电池组夹紧在前固定板、后固定板以及多根拉杆中间。

8.根据权利要求4所述的水下航行器姿态调节装置,其特征在于，所述齿轮组件包括大齿轮和小齿轮，所述横滚电机固定安装在后支撑板上，其输出轴与小齿轮连接，所述大齿轮安装在后支撑板上、且与小齿轮啮合，所述配重块偏心固定在大齿轮上。

9.根据权利要求8所述的水下航行器姿态调节装置,其特征在于，所述齿轮组件还包括旋变齿轮，该旋变齿轮对应于配重块设置、且与大齿轮啮合，所述角度传感器的检测轴与旋变齿轮连接。

10.根据权利要求8所述的水下航行器姿态调节装置,其特征在于，所述大齿轮通过轴承装配在轴承座上，轴承座与后支撑板固定连接。

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