CN208665514U - 一种无人潜航器的动力系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种无人潜航器的动力系统，包括：悬翼推进组件、垂直推进组件、动力控制终端和电源；其中悬翼推进组件包括水平推进器和用于调整水平推进器位置和角度的活动机构；垂直推进组件包括垂直推进器和用于驱使垂直推进器旋转的转动机构；动力控制终端设置在艇体内部，包括航行控制器和若干电子调速器，动力控制终端用于控制本动力系统的工作方式；电源设置在艇体内部，用于为本系统内各工作组件提供能源支持。本实用新型所述的一种无人潜航器的动力系统能够实现无人潜航器的灵活运动和多水域适变。

Description

一种无人潜航器的动力系统

技术领域

本实用新型属于无人潜航器设备领域，尤其是涉及一种无人潜航器的动力系统。

背景技术

随着船舶运输行业的快速发展，人们对船舶水尺计重的精确程度逐渐增高，现有技术中观测水尺主要采用拖轮观测、软梯观测或无人机观测等方法，上述方法普遍存在观测范围小、施工人员危险性高，图像不清晰和设备造价过高等缺点。因此采用无人潜航器观测水尺更加顺应市场趋势。

无人潜航器是一种没有驾驶人员，仅依靠遥控或自动控制在水中航行的器具。现阶段的无人潜航器大多依靠尾部螺旋桨提供前进动力，依靠方向舵和尾部稳定翼(航行翼)实现偏航和纵摇运动。但是船舶水尺观测的工作环境较为狭窄，船舶近港一侧的通行宽度仅为1.2米，行进时需灵活躲避水中障碍，避免发生碰撞，在观测水尺时，更需要潜航器进行水中悬停，以便获取清晰准确的图像。与此同时，作为观测设备需要应对复杂的天气情况，能够在风浪环境下实施作业。因此，现有潜航器的动力系统并不能支持潜航器进行观测水尺工作。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种无人潜航器的动力系统，以实现无人潜航器的灵活运动和多水域适变。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种无人潜航器的动力系统，包括：

悬翼推进组件，包括设置在艇体内部的活动机构和设置在艇体两侧的水平推进器，所述活动机构与水平推进器相连，活动机构用于调整水平推进器的角度及位置；

垂直推进组件，包括嵌入在艇体底面的转动机构和垂直推进器，所述转动机构用于实现垂直推进器的转动；

动力控制终端，设置在艇体内部，用于控制悬翼推进组件和垂直推进组件；

电源，设置在艇体内部，通过导线分别连接动力控制终端、垂直推进组件和旋翼推进组件，用于为动力系统提供能源。

进一步的，所述活动机构共有四个，四个活动机构对称设置在艇体内部的左右两侧，且活动机构所在平面位于艇体由下至上1/4高度处。

进一步的，所述活动机构包括液压机构、固定轴、第一连接杆、防水电机和第二连接杆；所述液压机构包括液压缸和弧形伸缩杆，所述弧形伸缩杆的静止段与液压缸相连，液压缸用于控制弧形伸缩杆的伸缩；所述固定轴的轴线与弧形伸缩杆的轴线重合，且固定轴的两端均与艇体固接；所述第一连接杆的一端与固定轴转动连接，另一端与防水电机固接，所述弧形伸缩杆的活动段端面与第一连接杆相固接；所述防水电机的输出轴与第二连接杆的一端相固接，第二连接杆的另一端连接水平推进器的侧壁，防水电机用于实现水平推进器的角度调节。

进一步的，所述水平推进器共有四个或八个，且每个活动机构上的水平推进器数目相同。

进一步的，所述水平推进器为无轴泵喷推进器，水平推进器的角度调节范围为-90°至90°。

进一步的，所述垂直推进组件共有两个，且分别设置在艇体前后两端1/3处。

进一步的，所述垂直推进器包括防水基座和导管桨式推进器，所述导管桨式推进器嵌入防水基座底部，防水基座嵌入艇体底面；所述防水基座顶面设有导电滑环，所述导电滑环用于实现导管桨式推进器的电力传输。

进一步的，所述转动机构包括转动电机、驱动齿轮和环形齿条；所述转动电机置于艇体内部，所述驱动齿轮安装在转动电机的输出轴上，所述环形齿条套装在防水基座外部，环形齿条与驱动齿轮相啮合。

进一步的，所述防水基座与艇体外壳之间设有机械密封件，所述弧形伸缩杆的静止段与艇体外壳之间设有防水密封圈。

进一步的，所述动力控制终端包括航行控制器和若干电子调速器，所述航行控制器通过数据线分别连接各电子调速器、转动电机和防水电机，电子调速器通过数据线连接水平推进器或导管桨式推进器。

相对于现有技术，本实用新型所述的一种无人潜航器的动力系统具有以下优势：

(1)本实用新型所述的一种无人潜航器的动力系统通过水平推进器和垂直推进器协同工作为无人潜航器提供动力，使无人潜航器的动作更加灵活，能够适应复杂的行进路线；本实用新型所述的水平推进器能够实现以固定轴为轴心的翻转动作，在通过狭窄水道时将水平推进器翻转至艇体底部，能有效减少潜航器的碰撞体积，在通过风浪水域时将水平推进器翻转艇体侧面，能提升潜航器风浪环境作业的横稳性。

(2)本实用新型所述的水平推进器能够依靠防水电机进行角度调节，使潜航器斜向运动更为灵活。

(3)本实用新型所述的垂直推进器能够依靠转动机构进行旋转，提升了潜航器竖直方向运动的动力。

(4)本实用新型通过多个电子调速器对各个推进器进行单独调节，无需设置方向舵；通过区别设置各推进器的转向与转速，能够使潜航器实现水下悬停和灵活转向等多种动作，提升潜航器的灵活度。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例中水平推进器翻转至艇侧的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中水平推进器翻转至艇底的结构示意图；

图3为本实用新型实施例所述的悬翼推进组件与艇体局部的结构示意图；

图4为本实用新型实施例所述的悬翼推进组件结构示意图；

图5为本实用新型实施例所述的垂直推进组件的结构示意图；

图6为本实用新型实施例所述的垂直推进组件的剖切示意图；

图7为本实用新型实施例所述的推进器分布示意图；

图8为本实用新型实施例的动力控制终端的流程图。

附图标记说明：

1-艇体；21-水平推进器；22-液压缸；23-弧形伸缩杆；231-静止段；232-活动段；24-固定轴；25-第一连接杆；26-防水电机；27-第二连接杆；28-防水密封圈；31-垂直推进器；311-防水基座；312-导管桨式推进器；313-导电滑环；32-转动电机；33-驱动齿轮；34-环形齿条；35-机械密封件；21a-第一水平推进器；21b-第二水平推进器；21c-第三水平推进器；21d-第四水平推进器；31a-头部垂直推进器；31b-尾部垂直推进器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

一种无人潜航器的动力系统，包括悬翼推进组件、垂直推进组件、动力控制终端和电源。

悬翼推进组件包括设置在艇体1内部的活动机构和设置在艇体1两侧的水平推进器21，活动机构与水平推进器21相连；

垂直推进组件，包括嵌入在艇体1底面的转动机构和垂直推进器31；

动力控制终端，通过数据线分别连接悬翼推进组件和垂直推进组件，用于控制整个动力系统；

电源，通过导线分别连接动力控制终端、垂直推进组件和旋翼推进组件，用于为动力系统提供能源，该电源可选用独立设置的锂电池，也可直接使用与潜航器的内部电源。

悬翼推进组件能够为潜航器的运动提供动力，驱使潜航器在工作水域内沿预设路线进行移动，进而观测船舶的六面水尺。在进行观测任务时，潜航器将通过狭长的水道，因此需要避免设置在艇体1侧面的悬翼推进装置发生碰撞。在执行观测任务时，还可能出现风浪天气，此时需要提升潜航器的航稳性，保证风浪环境下能够获取准确的水尺图像。

为满足潜航器的工作需求，本实施例提供一种可以自艇体1底部向艇体1侧面翻转的悬翼推进组件，该结构可由图3和图4进行示意。水平推进器21的翻转功能是通过活动机构实现的，活动机构共有四个，四个活动机构对称设置在艇体1内部的左右两侧，且活动机构所在平面位于艇体1由下至上1/4高度处，活动机构包括：液压缸22、弧形伸缩杆23、固定轴24、第一连接杆25、防水电机26和第二连接杆27，其中液压缸72可以采用任何一种可以对弧形伸缩杆23实现液压驱动的型号，比如RO圆形缸、CX油缸等。

弧形伸缩杆23的静止段231与液压缸22相连，活动段232与第一连接杆25的侧壁相连。固定轴24的轴线与弧形伸缩杆23的轴线重合，且固定轴24的两端均与艇体1固接。第一连接杆25的一端设有挂环，该挂环套装在固定轴24上，实现第一连接杆25与固定轴24的可转动连接，第一连接杆25的另一端与防水电机26底部相固接，防水电机26的输出轴与第二连接杆27的一端相连，第二连接杆27的另一端连接水平推进器21的侧壁。

具体的，在艇体1的侧壁上开有四个扇形切槽，每个切槽的圆心角均为90°，且四个切槽在艇体1两侧对称布置。由图3可知，固定轴24设置在艇体1的外部，其两端与切槽的前后侧壁相固接，弧形伸缩杆23的静止段231贯穿切槽的内侧侧壁，进而插入艇体1内部与液压缸22相连。受液压缸22的驱动，弧形伸缩杆23的活动段232将进行伸缩式的往复运动，因此第一连接杆25会带动防水电机26及第二连接杆27在切槽内部进行以固定轴24为轴的翻转，而水平推进器21即可在艇体1外部实现90°的翻转动作。

如图2所示，当通过船舶近港水域时，为降低潜航器的横向宽度，可将水平推进器21翻转置艇底，避免外悬的水平推进器21与障碍物发生碰撞。如图1所示，当行进水域较为宽阔或风浪较大时，为提升潜航器的航稳性，可将水平推进器21翻转至艇侧，增大潜航器的整体吃水体积，提升水尺观测的图像质量，同时防止潜航器发生侧翻。

活动机构内部的防水电机26可选用MOONS鸣志公司的NEMA17防水步进电机，该电机通过防水导线连接艇体1内部的电源以获取能源。防水电机26可以通过第二连接杆27将扭矩传递到水平推进器21上，进而使水平推进器21进行以第二连接杆27为轴的旋转动作。

示例性的，防水电机26向第二连接杆27输出一个扭矩，该扭矩作用在水平推进器21上使得水平推进器21产生逆时针转动，转动幅度为45°。此时置于艇体1侧面的水平推进器21均与水平面存在45°的夹角，启动水平推进器21后，潜航器会向斜上方运动。

优选的，在弧形伸缩杆23和艇体1之间设有水密结构，该水密结构依靠防水密封圈28实现。

由于艇体1与弧形伸缩杆23的交汇位置位于固定段231上，因此当前位置的密封属于静密封范畴。设置防水密封圈28能提供优秀的水密效果，避免潜航器内部进水。

垂直推进组件用于实现潜航器在水下的升降过程，本实施例中垂直推进组件共有两个，且分别设置在艇体1的前后1/3处。

具体的，艇体1底部距离前后端1、3距离处开有推进槽，垂直推进组件嵌入推进槽内部，在艇体1内部设有还浮力调节舱，在需要潜航器实现下潜动作时打开浮力调节舱的通海阀，海水即可进入舱内。当潜航器的浮力略大于重力时，潜航器几乎完全浸入水中，接下来利用垂直推进组件实现潜航器在水中的上升和下降过程。

图5和图6位垂直推进组件的结构示意图，如图所示：

垂直推进器31包括防水基座311和导管桨式推进器312，导管桨式推进器312嵌入防水基座311底部，防水基座311嵌入艇体1底面。防水基座311顶面设有导电滑环313。

转动机构包括转动电机32、驱动齿轮33和环形齿条34，转动电机32置于艇体1内部，该电机可选用金胜丰公司的SF302-2型防水电机，驱动齿轮33安装在转动电机32的输出轴上，环形齿条34套装在防水基座311外部，环形齿条34与驱动齿轮33相啮合。

其中，导电滑环313可选用嘉驰机电公司的JSR-WR050系列防水导电滑环。所谓导电滑环，属于电接触滑动连接的范畴，是一种利用导电部件的滑动或滚动接触、静电耦合或电磁耦合，在转动部件与静止部件之间传递电信号和电能的装置。具体的，在防水基座311的顶部设有导电滑环313的转动部件，在转动部件内部设有与电源通过导线相连的导电滑环313静止部件。在转动电机32开始工作后，防水基座311会受转动电机32的驱动而发生转动，此时导电滑环313可以将电源内的电能传递到防水基座311内部的导管桨式推进器312上，从而供给导管桨式推进器312工作。

由于转动机构能使垂直推进器31进行轴向旋转，因此嵌入在防水基座上的导管桨式推进器312可以呈环状布置。在需要垂直推进器31工作时，各导管桨式推进器312开始工作，与此同时防水基座311也开始旋转，这样一来就对艇体1形成了纵向的螺旋推动水流，可以使本实施例中的潜航器在升降过程中具有更强劲的动力，因此其升降过程更为迅速。

优选的，在防水基座311和艇体1的底面之间设有水密结构，该水密结构可以由机械密封件35实现。

由于垂直推进组件嵌入在艇体1底部的推进槽内部，构成独立的工作空间，因此采用机械密封件35足以实现垂直推进组件与艇体1之间的密封，并且垂直推进组件内部的导管桨式推进器312、导电滑环313以及转动电机32均具备防水功能，轻微的海水泄露并不会影响本实施例中垂直推进组件的正常运行。

动力控制终端包括一个航行控制器和若干个电子调速器，其控制流程如图8所示。

动力控制终端包括航行控制器和若干电子调速器，其中航行控制器通过数据线分别连接转动电机32、防水电机26和各电子调速器，电子调速器通过数据线连接水平推进器21或导管桨式推进器312。

作为示例而非限定，在本实施例中，航行控制器可选用西门子公司的S7-200型PLC，该PLC通过通讯芯片接收上位机传来的控制信号，并根据控制信号对储存在其内部的操作指令进行调用，再通过数字式或模拟式的输出信号来控制电子调速器、转动电机32和防水电机26。

本实施例中，电子调速器可选用CONTROL PACK公司的SS62型电子调速器，该电子调速器的主线与水平推进器21(导管桨式推进器312)中电动机的工作绕组相连，用于建立电子调速器与电动机的关联；电子调速器的COM线连接中继转换器后连接电动机，用于实现电动机的正反转；电子调速器的控制线分别连接电动机的启动绕组和中间绕组，用于实现电子调速器对电动机转速的控制；电子调速器的电源线连接艇体1的内置电源。

电子调速器还设有转速感应器、控制器、转速调整电位器、执行器和保险电路等工作附件，转速调整电位器用于设定需要的转速，转速感应器通过推进器的桨叶测量出电动机转速的实际值，随后送至控制器并在控制器中进行实际值与设定值的比较，其比较的差值经控制线路的整理和放大，再驱动执行器的输出轴，执行器通过调节电动机的输入电流，实现电动机的转速调节，从而达到保持设定转速的效果。

作为本实施例的一个优选实施方式，水平推进器21可选用无轴泵喷推进器，其数目共有四个或八个，并且每个活动机构上安装的水平推进器21数目相同。

无轴泵喷推进器是利用无刷电机的基础原理，将整个泵喷导流管制造成一个轮毂形状的电机，其转子内嵌螺旋桨形状的桨叶，在转子转动时带动桨叶将水流沿导管泵出，通过水流的反作用力获得推进动力的一种新型推进器，该推进器节约了原有电动机所占据的空间，使得整个动力系统更加紧凑。

由于使用无轴泵喷推进器作为本实施例中潜航器的动力机构，推进器内部转子正反转所产生的推进效果一致，因此水平推进器21的角度调节范围仅为-90°至90°即可。

下面结合附图7对本动力系统的工作方式进行说明：

如图7所示，垂直推进器31分为：头部垂直推进器31a和尾部垂直推进器31b；水平推进器21分为：第一水平推进器21a、第二水平推进器21b、第三水平推进器21c和第四水平推进器21d。

当本潜航器进行水尺观测工作，需要水平运动时：

正向前进：

第一水平推进器21a、第二水平推进器21b、第三水平推进器21c和第四水平推进器21d等速正向运转。

反向前进：

第一水平推进器21a、第二水平推进器21b、第三水平推进器21c和第四水平推进器21d等速反向运转。

左转向运动：

第一水平推进器21a和第三水平推进器21c低速反向运转，第二水平推进器21b和第四水平推进器21d高速正向运转。

右转向运动：

第一水平推进器21a和第三水平推进器21c高速正向运转，第二水平推进器21b和第四水平推进器21d低速反向运转。

悬停状态：

第一水平推进器21a、第二水平推进器21b、第三水平推进器21c和第四水平推进器21d等速运转，其中第一水平推进器21a、第二水平推进器21b正向运转，第三水平推进器21c和第四水平推进器21d反向运转。

当本潜航器进行水尺观测工作，需要垂直运动时(需要浮力调节舱进行吸排水动作配合)：

首倾上浮：

头部垂直推进器31a转速大于尾部垂直推进器31b，且两垂直推进器31均正向运转。

尾倾上浮：

头部垂直推进器31a转速小于尾部垂直推进器31b，且两垂直推进器31均正向运转。

垂直上浮：

头部垂直推进器31a和尾部垂直推进器31b转速相同，且两垂直推进器31均正向运转。

首倾下沉：

头部垂直推进器31a转速大于尾部垂直推进器31b，且两垂直推进器31均反向运转。

尾倾下沉：

头部垂直推进器31a转速小于尾部垂直推进器31b，且两垂直推进器31均反向运转。

垂直下沉：

头部垂直推进器31a和尾部垂直推进器31b转速相同，且两垂直推进器31均反向运转。

本动力系统还可使潜航器实现倾斜方向的动作，实现该动作需要将水平推进器21旋转一定角度，再控制各推进器进行相应的动作。

下面对上述实施例进行效果说明：

本实施例提供了一种无人潜航器的动力系统，其水平推进器21能实现自艇底至艇侧的翻转，能够对不同的工作水域进行适变；其水平推进器21可实现角度调节，与设置在艇体1底部的可旋转的垂直推进器31配合可以实现潜航器所处深度的快速调节；本实施例中航行控制器通过多个电子调速器对水平推进器21和垂直推进器31进行独立控制，使潜航器的可操作性大幅提升，进而提升其运动的灵活程度。、

本实施例中所述的航行控制器、电子调速器、导管桨式推进器、无轴泵喷推进器、导电滑环、防水电机和转动电机均属于现有技术，其内部的组成构造与电路连接方式不为本申请的发明点，因此不在文中赘述。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无人潜航器的动力系统，其特征在于包括：

悬翼推进组件，包括设置在艇体(1)内部的活动机构和设置在艇体(1)两侧的水平推进器(21)，所述活动机构与水平推进器(21)相连，活动机构用于调整水平推进器(21)的角度及位置；

垂直推进组件，包括嵌入在艇体(1)底面的转动机构和垂直推进器(31)，所述转动机构用于实现垂直推进器(31)的转动；

动力控制终端，设置在艇体(1)内部，用于控制悬翼推进组件和垂直推进组件；

电源，设置在艇体(1)内部，通过导线分别连接动力控制终端、垂直推进组件和旋翼推进组件，用于为动力系统提供能源。

2.根据权利要求1所述的一种无人潜航器的动力系统，其特征在于：所述活动机构共有四个，四个活动机构对称设置在艇体(1)内部的左右两侧，且活动机构所在平面位于艇体(1)由下至上1/4高度处。

3.根据权利要求2所述的一种无人潜航器的动力系统，其特征在于：所述活动机构包括液压机构、固定轴(24)、第一连接杆(25)、防水电机(26)和第二连接杆(27)；所述液压机构包括液压缸(22)和弧形伸缩杆(23)，所述弧形伸缩杆(23)的静止段(231)与液压缸(22)相连，液压缸(22)用于控制弧形伸缩杆(23)的伸缩；所述固定轴(24)的轴线与弧形伸缩杆(23)的轴线重合，且固定轴(24)的两端均与艇体(1)固接；所述第一连接杆(25)的一端与固定轴(24)转动连接，另一端与防水电机(26)固接，所述弧形伸缩杆(23)的活动段(232)端面与第一连接杆(25)相固接；所述防水电机(26)的输出轴与第二连接杆(27)的一端相固接，第二连接杆(27)的另一端连接水平推进器(21)的侧壁，防水电机(26)用于实现水平推进器(21)的角度调节。

4.根据权利要求3所述的一种无人潜航器的动力系统，其特征在于：所述水平推进器(21)共有四个或八个，且每个活动机构上的水平推进器(21)数目相同。

5.根据权利要求1或3所述的一种无人潜航器的动力系统，其特征在于：所述水平推进器(21)为无轴泵喷推进器，水平推进器(21)的角度调节范围为-90°至90°。

6.根据权利要求3所述的一种无人潜航器的动力系统，其特征在于：所述垂直推进组件共有两个，且分别设置在艇体(1)前后两端1/3处。

7.根据权利要求6所述的一种无人潜航器的动力系统，其特征在于：所述垂直推进器(31)包括防水基座(311)和导管桨式推进器(312)，所述导管桨式推进器(312)嵌入防水基座(311)底部，防水基座(311)嵌入艇体(1)底面；所述防水基座(311)顶面设有导电滑环(313)，所述导电滑环(313)用于实现导管桨式推进器(312)的电力传输。

8.根据权利要求7所述的一种无人潜航器的动力系统，其特征在于：所述转动机构包括转动电机(32)、驱动齿轮(33)和环形齿条(34)；所述转动电机(32)置于艇体(1)内部，所述驱动齿轮(33)安装在转动电机(32)的输出轴上，所述环形齿条(34)套装在防水基座(311)外部，环形齿条(34)与驱动齿轮(33)相啮合。

9.根据权利要求7所述的一种无人潜航器的动力系统，其特征在于：所述防水基座(311)与艇体(1)外壳之间设有机械密封件(35)，所述弧形伸缩杆(23)的静止段(231)与艇体(1)外壳之间设有防水密封圈(28)。

10.根据权利要求7所述的一种无人潜航器的动力系统，其特征在于：所述动力控制终端包括航行控制器和若干电子调速器，所述航行控制器通过数据线分别连接各电子调速器、转动电机(32)和防水电机(26)，电子调速器通过数据线连接水平推进器(21)或导管桨式推进器(312)。