CN208915401U - 一种基于矢量推进的水下直升机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于矢量推进的水下直升机。上壳体和下壳体固定在中间壳体的上下两端形成主体外壳，主体外壳为扁平状的圆盘结构，主体外壳的周围安装有四组矢量推进组件，四组矢量推进组件沿主体外壳周向间隔均布，每个矢量推进组件中，舵机机体固定于中间壳体外周面，舵机的转动轴沿中间壳体径向朝外并固定连接电机机体侧部，电机输出轴和螺旋桨固定连接；四个舵机均水平布置且转动轴的轴心线水平共面驱动转向。本实用新型机体采用了碟形外壳，特别适合水下直升机零回转半径的全周转向等相应工作模式；通过四组矢量推进组件提供了5个水下自由度，有效提高了水下直升机的机动性并降低了推进器数量。

Description

一种基于矢量推进的水下直升机

技术领域

本实用新型涉及机动性强、往返于海底工作站点间作业的新概念潜水器，具体是涉及了一种基于矢量推进的水下直升机。

背景技术

从20年代至今，人类从来没有停止过对现代潜水器的研制。1934年，人类第一次到达深海914m深度对生物进行观察；1960年，人类下潜到海洋最深处的太平洋马里亚纳海沟，深度可达10913m。60年代，以美国“阿尔文”号为代表的第二代潜水器在原有的观测功能上，还具备了执行一些简单作业和海洋资源调查任务等功能。到20世纪中后期，受两次石油危机的影响，近海石油开采技术得到大力推进，具有作业能力的新一代无人遥控潜水器ROV使潜水器发展到达了又一高峰。进入21世纪，各类新型潜水器得到了进一步发展，水下滑翔机(Glider)以及各类无缆自治潜水器(AUV)逐步在海洋探测与调查中得到了广泛应用。

直到目前，国际上出现的众多潜水器虽然种类繁多，但在日常应用过程中仍然缺乏高机动性与高效性。例如有缆潜水器(ROV)、无缆自治潜水器(AUV)、载人潜器(HOV)以及水下滑翔机(Glider)等等，不管对于哪种类型的潜水器而言，其在水下运动的高机动性始终是该潜水器高效运作的保障，而源于自身结构设计或是外界环境变化的影响，如何提高潜水器运行中的机动性仍是目前亟待思考与解决的问题之一。

此外，就现阶段的水下潜水器技术而言，还很难具备较高的全方位抗流能力。在目前的潜器结构设计中，为提高其航行速度与提供其左右转向的动力，前进方向一般需配置两个桨，而侧向一般配置一个，这样潜水器侧向抗流能力较小。而在实际应用环境中，海流是多向的，这就要求潜水器具有良好的全方位抗流能力，以应对来自于各个方向的来流冲击。

基于以上问题与挑战，现提出的一种新型自主水下机器人，要求其具有高机动性、高自主性运行能力，以实现水下的高效工作，从而为未来水下直升机设计优化提供宝贵思路。

水下直升机适用于海底观测网、深海空间站等海底作业或观测系统的各种工作站点之间的能源与信息中转工作，同时也可完成浅水环境下的探测工作。

而针对提高潜水器的机动性能这一关键问题，现有技术中缺少了需反应灵敏、速度快的水下直升机，能同时在水下实现竖直浮沉、直线前进(定深)、全周转向、定角度俯冲(爬升)、水平俯冲(爬升)等众多功能的水下直升机，前进速度以及转向速度在不影响精准性的同时无法做到快速、高效、稳定。

实用新型内容

为弥补现有无缆自治潜水器(AUV)在机动性上的缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提出了一种基于矢量推进的水下直升机，该直升机样机反应灵敏、速度快，可在水下实现高机动性、高自主性运行，机动性强，能往返于海底工作站点间作业。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型包括上壳体、下壳体、舵机、电机、螺旋桨和中间壳体，所述上壳体和下壳体固定在中间壳体的上下两端形成主体外壳，主体外壳为扁平状的圆盘结构，主体外壳的周围安装有四组矢量推进组件，四组矢量推进组件沿主体外壳周向间隔均布，每个矢量推进组件包括舵机、电机、螺旋桨，舵机机体固定于中间壳体外周面，舵机的转动轴沿中间壳体径向朝外并固定连接电机机体侧部，电机输出轴和螺旋桨固定连接；所述的四组矢量推进组件的四个舵机均水平布置且转动轴的轴心线水平共面，驱动各自的电机输出轴实现0～180°的转向。

所述的水下直升机整体的重力小于自身在水下的浮力。

所述的矢量推进组件中，利用舵机带动电机的朝向进而改变产生推力的方向，利用电机、螺旋桨产生推力而改变推力大小，四组矢量推进组件组合工作实现所述水下直升机的推进运动。

所述上壳体和所述下壳体边缘均匀环布12个凹槽，凹槽底部开有螺纹通孔，分别通过螺母和螺栓固定于中间壳体上，成为整体组成水下直升机的主体外壳。

所述上壳体上表面和下壳体下表面均为波浪形曲面。

采用AB环氧树脂与704硅橡胶密封处理主体外壳表面。

所述舵机通过连接件和自攻螺钉固定安装于中间壳体外周面。

所述的中间壳体中间设有支架，支架安装有驱动电路，驱动电路分别与四组矢量推进组件的舵机和电机连接。

所述主体外壳中心位置设有深度传感器和姿态传感器，深度传感器和姿态传感器安装于中间壳体的支架。

按照本实用新型技术方案，水下直升机整体呈碟形，水平运动时为低阻尼运动，竖直运动时为高阻尼运动，绕轴旋转时为近似零阻尼运动。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型所述机体四周的四个舵机配合四个电机方位的调控采用4*180°的矢量推进以提高直升机的机动性，其4个矢量推进组件组成的适量推进系统可以提供5个自由度，对于6自由度的水下直升机而言，能够提供足够高的机动性。

本实用新型所述机体的上下壳体采用碟形外壳，碟形外壳提供了水平运动方向的低阻尼，旋转方向的近似零阻尼以及竖直方向的高阻尼，可以实现水平高速运动、零回转半径全周转向以及定深前进，同时竖直方向高阻尼避免了振荡的发生。

本实用新型降低了成本，仅用4个推进器实现了5个水下自由度，在降低开发成本的同时，尽可能少的暴露元件也在复杂恶劣(复杂恶劣包括悬浮物多、腐蚀性强)的水下工作环境中有效提高了水下直升机系统的工作可靠性。

附图说明

图1为本实用新型机械结构的立体爆炸示意图。

图2为本实用新型全周转向运动模式的俯视图。

图3为本实用新型全周转向运动模式的俯视图。

图4为本实用新型水下定深平面运动模式的俯视图。

图5为本实用新型水下定深平面运动模式的立体图。

图6为本实用新型竖直浮沉运动模式的立体图。

图7为本实用新型竖直浮沉运动模式的俯视图。

图8为本发明在全周转向运动模式的同时实现定深的俯视图。

图中：上壳体13、下壳体15、舵机3、6、7、12，电机1、4、9、10，螺旋桨2、5、8、11，支架14、中间壳体、连接件。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型具体实施中，机体包括上壳体13、下壳体15、舵机3、6、7、12、电机1、4、9、10、螺旋桨2、5、8、11和中间壳体，上壳体13和下壳体15固定在中间壳体的上下两端形成主体外壳，主体外壳为扁平状的圆盘结构，上壳体13和下壳体15之间通过中间壳体固定连接形成水下直升机的主体外壳，中间加以密封圈防水密封，且采用AB环氧树脂与704硅橡胶密封处理主体外壳表面。

主体外壳的周围安装有四组矢量推进组件，四组矢量推进组件沿主体外壳周向间隔均布，每个矢量推进组件包括舵机3、6、7、12、电机1、4、9、10、螺旋桨2、5、8、11，舵机3、6、7、12机体固定于中间壳体外周面，舵机3、6、7、12的转动轴沿中间壳体径向朝外并固定连接电机1、4、9、10机体侧部，电机1、4、9、10输出轴和螺旋桨2、5、8、11固定连接；四组矢量推进组件的四个舵机3、6、7、12均水平布置且转动轴的轴心线水平共面，驱动各自的电机1、4、9、10输出轴实现0～180°的转向，提供4×180°的四个矢量推进。

如图1所示，具体来说是：第一组矢量推进组件包括舵机3、电机1、螺旋桨2，舵机3机体固定于中间壳体外周面，舵机3的转动轴沿中间壳体径向朝外并固定连接电机1机体侧部，电机1输出轴和螺旋桨2固定连接。第二组矢量推进组件包括舵机6、电机4、螺旋桨5，舵机6机体固定于中间壳体外周面，舵机6的转动轴沿中间壳体径向朝外并固定连接电机4机体侧部，电机4输出轴和螺旋桨5固定连接。第三组矢量推进组件包括舵机7、电机9、螺旋桨8，舵机7机体固定于中间壳体外周面，舵机7的转动轴沿中间壳体径向朝外并固定连接电机9机体侧部，电机9输出轴和螺旋桨8固定连接。第四组矢量推进组件包括舵机12、电机10、螺旋桨11，舵机12机体固定于中间壳体外周面，舵机12的转动轴沿中间壳体径向朝外并固定连接电机10机体侧部，电机10输出轴和螺旋桨11固定连接。

具体实施中，上壳体13和下壳体15边缘均匀环布12个凹槽，凹槽底部开有螺纹通孔，分别通过螺母和螺栓固定于中间壳体上，成为整体组成水下直升机的主体外壳。上壳体13上表面和下壳体15下表面均为波浪形曲面，能够减小水下阻力。

舵机3、6、7、12通过连接件和自攻螺钉固定安装于中间壳体外周面，充分保证连接的稳固。具体实施中，还采用小钢珠对系统进行配重的调节，尽可能降低系统重心，提高系统竖直方向自稳能力。

中间壳体中间设有支架14，支架14的四端通过焊接固定在中间壳体上，支架14安装有驱动电路，驱动电路分别与四组矢量推进组件的舵机和电机连接。四组矢量推进组件等高均匀安装于主体外壳的周围四处，形成水下直升机能够定向运动的控制系统。具体来说，每个电机与螺旋桨组合形成一个推进器，推进器再与各自对应的舵机利用连接件连接形成0～180°矢量推进组件，由此能在舵机作用下可实现0～180°的转向，提供4*180°的矢量推进。四个矢量推进组件协同工作可以提供4*180°的矢量推进系统，其矢量推进系统可以提供一共5个自由度，分别是X轴的直线和旋转(横摇)、Y轴的旋转(纵倾)、Z轴的直线和旋转。

具体实施中，主体外壳中心位置设有深度传感器和姿态传感器，深度传感器和姿态传感器安装于中间壳体的支架14。深度传感器用于检测水下直升机位于水下的深度，姿态传感器用于检测水下直升机的姿态。深度传感器和姿态传感器等电子元件均密封于主体外壳内或做部分密封处理。

如图2所示，四个矢量推进组件可以在保持直升机主体稳定的情况下，改变推进器的推进方向，从而实现工作模式的切换和机动性能的提升。四个推进器呈不同推进方向即可实现不同的工作模式，如水下定深前进、竖直浮沉、俯冲与爬升、零回转半径的全周转向、零俯仰角爬升或俯冲。

以电机4为前进方向，4个推进器均可以起到动力推进作用，电机4和电机10可实现直升机俯仰角的调节，电机1和电机9可以实现横摇角的调节以及前进方向的调节。特别的，当部分推进器执行某一动作时，其余推进器可以同时执行其他动作，比如当四个推进器同时向前推进时，电机10的俯仰角调节直接作用体现在直升机整体的俯仰角上。

如图2所示，直升机主体的碟形外壳提供了水平运动方向的低阻尼，Z轴旋转方向的近似零阻尼以及竖直方向的高阻尼，可以实现水平运动方向优异的水动力特性，可以完全实现零回转半径的全周转向，可以十分便捷地实现定深前进(竖直方向的高阻尼有效避免振荡的发生)。

本实用新型的工作原理过程包括零回转半径的全周转向、水下定深平面运动、定角度俯冲(爬升)、竖直浮沉运动的不同主要工作模式，以下对各个主要工作模式展开说明：

1、零回转半径的全周转向：全周转向时，所有四组矢量推进组件的舵机均控制各自电机的输出轴水平布置。具体实施如图2和图3所示。

在定点全周转向时，当位于对称两侧的电机4和电机10静止不动，位于对称两侧的电机1和电机9以相反方向旋转提供同一方向的扭矩时，由于碟形外壳的设计在Z轴旋转方向的阻尼近似为零，水下直升机将在定点能容易实现零回转半径的全周转向，由此就可以实现定点全周观测或作业。当需要同时实现定深时，可将电机4和电机10调至竖直提供定深所需动力，如图8所示。

2、水下定深平面运动：所有四组矢量推进组件的舵机均控制各自电机的输出轴水平布置。例如，4个电机推进方向均为水平向后，所有推进器协同提供前进的动力，由此可以达到最大的前进动力配置。

具体实施如图4和图5所示，其中一个电机10输出轴可以倾斜布置，控制机体维持水平运动，其余三个电机10输出轴水平布置。如图中，电机10负责深度控制的执行，电机10的俯仰角通过舵机12不断调节即可实现直升机俯仰角的改变，从而控制直升机的运动平面在某一固定深度。

3、定角度俯冲(爬升)：如图4和图5所示，当电机10的推进方向变为某一固定角度(非水平)时，水下直升机就可以一定的俯仰角实现俯冲和爬升的动作。当俯仰角足够大时，可认为水下直升机以90°的俯仰角进行上浮和下沉。在上述的运动模式(模式2、模式3)里，直升机的迎水方向均是碟形外壳的水平低阻尼方向，有着较好的水动力性能，同时竖直方向的高阻尼也有效避免了上述运动中的振荡情况。

4、竖直浮沉运动：所有四组矢量推进组件的舵机均控制各自电机的输出轴竖直向上或向下。具体实施如图6和图7所示，其中三个四组矢量推进组件的电机的输出轴竖直向上，另一个四组矢量推进组件的电机的输出轴竖直向下。

所有推进器协同提供竖直方向的动力，由此可以达到最大的浮沉动力配置。碟形外壳竖直方向为高阻尼，竖直浮沉时相对而言效率较低，如果竖直方向运动距离长，采用上述90°俯仰角的爬升或俯冲会有更高的竖直运动效率。

本实用新型机体采用了碟形外壳，特别适合水下直升机零回转半径的全周转向等相应工作模式；通过4组矢量推进组件提供了5个水下自由度，有效提高了水下直升机的机动性并降低了推进器数量。

由此，本实用新型解决了无缆自治潜水器(AUV)机动性能这一关键技术问题，反应灵敏、速度快，能在水下同时实现零回转半径的全周转向、水下定深平面运动、定角度俯冲(爬升)、竖直浮沉运动等功能，尤其能实现定点全周转向，前进速度以及转向速度在不影响精准性的同时保持快速、高效、稳定，具有突出显著的技术效果。

Claims (8)

1.一种基于矢量推进的水下直升机，其特征在于：包括上壳体(13)、下壳体(15)、舵机(3、6、7、12)、电机(1、4、9、10)、螺旋桨(2、5、8、11)和中间壳体，所述上壳体(13)和下壳体(15)固定在中间壳体的上下两端形成主体外壳，主体外壳为扁平状的圆盘结构，主体外壳的周围安装有四组矢量推进组件，四组矢量推进组件沿主体外壳周向间隔均布，每个矢量推进组件包括舵机(3、6、7、12)、电机(1、4、9、10)、螺旋桨(2、5、8、11)，舵机(3、6、7、12)机体固定于中间壳体外周面，舵机(3、6、7、12)的转动轴沿中间壳体径向朝外并固定连接电机(1、4、9、10)机体侧部，电机(1、4、9、10)输出轴和螺旋桨(2、5、8、11)固定连接；所述的四组矢量推进组件的四个舵机(3、6、7、12)均水平布置且转动轴的轴心线水平共面，驱动各自的电机(1、4、9、10)输出轴实现0～180°的转向。

2.根据权利要求1所述的一种基于矢量推进的水下直升机，其特征在于：

所述的矢量推进组件中，利用舵机(3、6、7、12)带动电机的朝向进而改变产生推力的方向，利用电机(1、4、9、10)、螺旋桨(2、5、8、11)产生推力而改变推力大小，四组矢量推进组件组合工作实现所述水下直升机的推进运动。

3.根据权利要求1所述的一种基于矢量推进的水下直升机，其特征在于：

所述上壳体(13)和所述下壳体(15)边缘均匀环布12个凹槽，凹槽底部开有螺纹通孔，分别通过螺母和螺栓固定于中间壳体上，成为整体组成水下直升机的主体外壳。

4.根据权利要求1所述的一种基于矢量推进的水下直升机，其特征在于：

所述上壳体(13)上表面和下壳体(15)下表面均为波浪形曲面。

5.根据权利要求1所述的一种基于矢量推进的水下直升机，其特征在于：

采用AB环氧树脂与704硅橡胶密封处理主体外壳表面。

6.根据权利要求1所述的一种基于矢量推进的水下直升机，其特征在于：

所述舵机(3、6、7、12)通过连接件和自攻螺钉固定安装于中间壳体外周面。

7.根据权利要求1所述的一种基于矢量推进的水下直升机，其特征在于：

所述的中间壳体中间设有支架(14)，支架(14)安装有驱动电路，驱动电路分别与四组矢量推进组件的舵机和电机连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于矢量推进的水下直升机，其特征在于：

所述主体外壳中心位置设有深度传感器和姿态传感器，深度传感器和姿态传感器安装于中间壳体的支架(14)。