一种水下无人航行器艉部操纵装置及操作方法与流程

1.本发明涉及无人航行器技术领域，尤其是一种水下无人航行器艉部操纵装置及操作方法。


背景技术：

2.海洋是人类社会可持续发展的宝贵财富和可拓展空间，海洋中蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源，世界各国都在加快进入海洋、探索海洋、开发海洋的步伐。在无人与智能化的热潮下，水下无人航行器(autonomous underwater vehicle,auv)受到了广泛关注，得到了快速发展，在海洋资源可持续利用方面发挥着越来越重要的作用。随着auv作业任务的多样化和复杂化，对auv的航行能力和操纵能力提出了新的要求，不仅能够以相对较高的巡航速度长距离航行，还能够在低速时实现水下机动。目前，常见的auv艉部操纵方式包括：
3.1)矢量推力器：如“bluefin”号auv，在auv的艉部设置矢量推力器，该矢量推力器在提供推力的同时可在一定范围内改变推力的方向，为auv的航行和操纵同时提供推力和力矩，实现对auv的操纵控制，该种操纵装置集成度高，auv附体少，阻力性能相对较好，但在提供力矩的同时，由于推力方向的改变，使得主航向的推力减小，进而影响auv的航行速度；
4.2)多推力器组合：如“mesobot”号auv，在auv的艉部设置主推力器，为auv的纵向提供推力，保证auv的航行速度，在auv的主体的艏部和艉部分别设置垂向推力器和侧向推力器，为auv的垂向和横向提供推力，同时，可提供水平面和垂直面内的力矩，不论在高速还是低速情况下均可有效实现对auv的操纵控制，完成水下机动，但该种组合需要auv提供更多的设备布置空间，同时，大幅增加了auv的能源消耗，需要搭载更多的能源，不利于auv的小型化和轻量化；
5.3)舵翼—推力器组合：如“探索1000”号auv、“remus”系列auv，在auv的艉部设置主推力器，为auv提供推力，同时，设置水平舵翼和垂直舵翼，舵翼可转动，为auv提供操纵所需的力矩，由于舵翼的舵效与auv的航行速度息息相关，在低速时，舵翼的舵效很低，导致auv在低速航行时的水下机动能力较差。


技术实现要素：

6.本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种水下无人航行器艉部操纵装置及操作方法，从而可以为auv的操纵控制提供稳定的推力和力矩。
7.本发明所采用的技术方案如下：
8.一种水下无人航行器艉部操纵装置，包括auv，所述auv的端部设置有艉部安装板，所述艉部安装板中心位置安装有固定基轴，所述固定基轴上配合安装有转动基座，所述转动基座为圆环形结构，所述转动基座的圆环内设置有向心安装支架，所述转动基座的圆环外设置有v型槽，所述向心安装支架处与固定基轴配合固定，向心安装支架上固定有驱动电机安装支架，所述驱动电机安装支架内部固定驱动电机，所述驱动电机的输出端通过轴承安装主动锥形齿轮；所述固定基轴的一端套有一号转动环，所述固定基轴的另一端套有二
号转动环，一号转动环和二号转动环中部均设置有被动锥形齿轮，被动锥形齿轮与主动锥形齿轮啮合，所述一号转动环上安装一号推力器，二号转动环上安装二号推力器。
9.其进一步技术方案在于：
10.所述固定基轴的结构为：包括基础轴、轴承凹槽和安装凸台，所述基础轴的端面与艉部安装板固定连接，所述安装凸台设置在基础轴的中间位置，所述安装凸台的顶部设置有安装轴承的轴承凹槽。
11.所述安装凸台的左右两端设置有安装面，安装面与转动基座固定。
12.所述驱动电机安装支架的截面呈“几”字型结构。
13.所述一号转动环和二号转动环的结构相同。
14.所述一号转动环和二号转动环相对安装。
15.所述一号转动环的结构为：包括一号基础圆环、一号被动锥形齿轮、一号支撑杆、一号重块凹槽和一号推力器安装支架，所述一号基础圆环外表面为弧形，与auv的艉部型线保持一致，同时，在一号基础圆环的外表面向外延伸有一号推力器安装支架，用于一号推力器的安装固定，并提供推力力臂；一号基础圆环的内表面设有v型槽，v形槽与转动基座的v形槽、一号轴承滚珠共同构成滚动轴承，使一号转动环沿转动基座绕auv的纵轴转动；一号转动环的中心位置设有一号被动锥形齿轮，一号被动锥形齿轮通过一号支撑杆与一号基础圆环连接为一个整体，一号被动锥形齿轮与主动锥形齿轮啮合，通过驱动电机以及齿轮间的啮合实现一号转动环的可控转动。
16.所述一号转动环与一号推力器安装支架关于中纵剖面对称的位置设有一号重块凹槽，一号重块凹槽内固定一号重心补偿重块。
17.一种水下无人航行器艉部操纵装置的操作方法，
18.包括如下操作步骤：
19.第一步：驱动一号推力器和二号推力器以相同的转速同向运行，一号推力器和二号推力器产生大小和方向相同的推力，此时，仅为auv提供推力，可实现auv的前进和后退；
20.第二步：驱动一号推力器和二号推力器差速转动，一号推力器和二号推力器产生大小不同但方向相同的推力，此时，在为auv提供推力的同时提供了转艏力矩，实现auv在航行过程中的转向；
21.第三步：驱动一号推力器和二号推力器反向转动，一号推力器和二号推力器产生大小相同但方向相反的推力，此时，仅为auv提供转艏力矩，实现auv的原地转向；
22.第四步：驱动一号推力器和二号推力器以相同的转速同向运行，并控制驱动电机运行，驱动电机的输出轴带动主动锥形齿轮转动，主动锥形齿轮分别通过一号被动锥形齿轮和二号被动锥形齿轮带动一号转动环和二号转动环绕auv纵轴向相反的方向转动，进而使一号推力器和二号推力器同时向上或向下移动，形成垂直面内的推力力臂，此时，在为auv提供推力的同时提供纵摇力矩，实现auv的抬艏和埋艏；
23.第五步：上述第一步至第三步是对auv水平面运动的操纵控制，第四步是对auv垂直面运动的操纵控制，将第一步至第四步进行组合，即实现对auv的耦合操纵控制。
24.本发明的有益效果如下：
25.本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过控制系统对两个推进器进行分别的驱动操作形式，可以方便给auv提供稳定的推力和力矩，操作方便，工作可靠性好。
26.同时，本发明具备如下优点：
27.1)本发明不受auv航行速度限制，无论在auv高速航行的情况下还是低速航行的情况下，均可为auv的操纵控制提供稳定的推力和力矩，稳定性高；
28.2)本发明集成度高，占用布置空间小，便于auv的小型化和轻量化；
29.3)本发明设置重心补偿机构，设计巧妙，装置的运行对auv的重心位置无影响。
附图说明
30.图1为本发明水下无人航行器艉部操纵装置的结构示意图。
31.图2为本发明水下无人航行器艉部操纵装置的局部视图。
32.图3为本发明水下无人航行器艉部操纵装置的爆炸图。
33.图4为本发明水下无人航行器艉部操纵装置的主视图(局部视图)。
34.图5为图4中沿a-a截面的全剖视图。
35.图6为本发明转动基座的安装示意图。
36.图7为本发明一号转动环的结构示意图。
37.图8为本发明二号转动环的结构示意图。
38.图9为本发明固定基轴的结构示意图。
39.图10为本发明水下无人航行器艉部操纵装置在初始状态的结构示意图。
40.图11为本发明水下无人航行器艉部操纵装置在上移状态的结构示意图。
41.图12为本发明水下无人航行器艉部操纵装置在下移状态的结构示意图。
42.其中：1、艉部安装板；2、一号重心补偿重块；3、轴承；4、转动基座；5、驱动电机安装支架；6、二号重心补偿重块；7、二号推力器；8、一号推力器；9、一号转动环；10、固定基轴；11、驱动电机；12、二号转动环；13、主动锥形齿轮；14、一号轴承滚珠；15、二号轴承滚珠；
43.901、一号基础圆环；902、一号被动锥形齿轮；903、一号支撑杆；904、一号重块凹槽；905、一号推力器安装支架；
44.1001、基础轴；1002、轴承凹槽；1003、安装凸台；
45.1201、二号基础圆环；1202、二号被动锥形齿轮；1203、二号支撑杆；1204、二号重块凹槽；1205、二号推力器安装支架。
具体实施方式
46.下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
47.如图1-图12所示，本实施例的水下无人航行器艉部操纵装置，包括auv，auv的端部设置有艉部安装板1，艉部安装板1中心位置安装有固定基轴10，固定基轴10上配合安装有转动基座4，转动基座4为圆环形结构，转动基座4的圆环内设置有向心安装支架，转动基座4的圆环外设置有v型槽，向心安装支架处与固定基轴10配合固定，向心安装支架上固定有驱动电机安装支架5，驱动电机安装支架5内部固定驱动电机11，驱动电机11的输出端通过轴承3安装主动锥形齿轮13；固定基轴10的一端套有一号转动环9，固定基轴10的另一端套有二号转动环12，一号转动环9和二号转动环12中部均设置有被动锥形齿轮，被动锥形齿轮与主动锥形齿轮13啮合，一号转动环9上安装一号推力器8，二号转动环12上安装二号推力器7。
48.固定基轴10的结构为：包括基础轴1001、轴承凹槽1002和安装凸台1003，基础轴1001的端面与艉部安装板1固定连接，安装凸台1003设置在基础轴1001的中间位置，安装凸台1003的顶部设置有安装轴承3的轴承凹槽1002。
49.安装凸台1003的左右两端设置有安装面，安装面与转动基座4固定。
50.驱动电机安装支架5的截面呈“几”字型结构。
51.一号转动环9和二号转动环12的结构相同。
52.一号转动环9和二号转动环12相对安装。
53.一号转动环9的结构为：包括一号基础圆环901、一号被动锥形齿轮902、一号支撑杆903、一号重块凹槽904和一号推力器安装支架905，一号基础圆环901外表面为弧形，与auv的艉部型线保持一致，同时，在一号基础圆环901的外表面向外延伸有一号推力器安装支架905，用于一号推力器8的安装固定，并提供推力力臂；一号基础圆环901的内表面设有v型槽，v形槽与转动基座4的v形槽、一号轴承滚珠14共同构成滚动轴承，使一号转动环9沿转动基座4绕auv的纵轴转动；一号转动环9的中心位置设有一号被动锥形齿轮902，一号被动锥形齿轮902通过一号支撑杆903与一号基础圆环901连接为一个整体，一号被动锥形齿轮902与主动锥形齿轮13啮合，通过驱动电机11以及齿轮间的啮合实现一号转动环9的可控转动。
54.一号转动环9与一号推力器安装支架905关于中纵剖面对称的位置设有一号重块凹槽904，一号重块凹槽904内固定一号重心补偿重块2。
55.本实施例的水下无人航行器艉部操纵装置的操作方法，
56.包括如下操作步骤：
57.第一步：驱动一号推力器8和二号推力器7以相同的转速同向运行，一号推力器8和二号推力器7产生大小和方向相同的推力，此时，仅为auv提供推力，可实现auv的前进和后退；
58.第二步：驱动一号推力器8和二号推力器7差速转动，一号推力器8和二号推力器7产生大小不同但方向相同的推力，此时，在为auv提供推力的同时提供了转艏力矩，实现auv在航行过程中的转向；
59.第三步：驱动一号推力器8和二号推力器7反向转动，一号推力器8和二号推力器7产生大小相同但方向相反的推力，此时，仅为auv提供转艏力矩，实现auv的原地转向；
60.第四步：驱动一号推力器8和二号推力器7以相同的转速同向运行，并控制驱动电机11运行，驱动电机11的输出轴带动主动锥形齿轮13转动，主动锥形齿轮13分别通过一号被动锥形齿轮902和二号被动锥形齿轮1202带动一号转动环9和二号转动环12绕auv纵轴向相反的方向转动，进而使一号推力器8和二号推力器7同时向上或向下移动，形成垂直面内的推力力臂，此时，在为auv提供推力的同时提供纵摇力矩，实现auv的抬艏和埋艏；
61.第五步：上述第一步至第三步是对auv水平面运动的操纵控制，第四步是对auv垂直面运动的操纵控制，将第一步至第四步进行组合，即实现对auv的耦合操纵控制。
62.本发明的具体结构和功能如下：
63.包括固定基轴10、转动机构、推力器和重心补偿重块等。
64.固定基轴10包括基础轴1001、轴承凹槽1002和安装凸台1003，其中，固定基轴10通过基础轴1001端面与auv艉部安装板1固定连接，安装凸台1003设置在固定基轴10的中间，
安装凸台1003左右两侧设安装面，用于转动基座4的安装固定，安装凸台1003顶部设有轴承凹槽1002，轴承凹槽1002用于轴承3的安装固定。
65.转动机构包括转动基座4、一号转动环9、二号转动环12、一号轴承滚珠14、二号轴承滚珠15、驱动电机11和主动锥形齿轮13。
66.其中，转动基座4为圆环形，圆环内设有向心安装支架，圆环外设有v型槽，转动基座4通过向心安装支架与固定基轴10的安装凸台1003连接固定。一号转动环9包括一号基础圆环901、一号被动锥形齿轮902、一号支撑杆903、一号重块凹槽904和一号推力器安装支架905，一号基础圆环901外表面为弧形，与auv的艉部型线保持一致，同时，在一号基础圆环901外表面一号推力器安装支架905，用于一号推力器8的安装固定，并提供推力力臂；一号基础圆环901内表面设有v型槽，该v形槽与转动基座4的v形槽、一号轴承滚珠14共同构成滚动轴承，使一号转动环9可沿转动基座4绕auv的纵轴转动；一号转动环9的中心位置设有一号被动锥形齿轮902，一号被动锥形齿轮902通过一号支撑杆903与一号基础圆环901连接为一个整体，一号被动锥形齿轮902与主动锥形齿轮13啮合，通过驱动电机11以及齿轮间的啮合即可实现一号转动环9的可控转动。一号转动环9与一号推力器安装支架905关于中纵剖面对称的位置设有一号重块凹槽904，用于一号重心补偿重块2的安装固定。二号转动环12的结构形式与一号转动环9相同，包括二号基础圆环1201、二号被动锥形齿轮1202、二号支撑杆1203、二号重块凹槽1204和二号推力器安装支架1205，一号被动锥形齿轮902和二号被动锥形齿轮1202关于主动锥形齿轮13的中横剖面对称布置并形成啮合，驱动电机11通过主动锥形齿轮13同时驱动一号转动环9和二号转动环12向相反的方向转动，实现一号推力器8和二号推力器7关于auv中纵剖面对称移动(同时上移或下移)，为auv的纵摇提供力臂。驱动电机11通过驱动电机安装支架5固定在转动基座4的向心安装支架的上方，在驱动电机11的输出轴上设有主动锥形齿轮13，输出轴的轴端内套在固定基轴10上的轴承3内，保证驱动电机11和主动锥形齿轮13的输出稳定。
67.推力器共包括一号推力器8和二号推力器7，其中，一号推力器8通过一号推力器安装支架905与一号转动环9连接固定，二号推力器7通过二号推力器安装支架1205与二号转动环12连接固定，一号推力器8和二号推力器7在为auv提供推力的同时，通过与转动机构的配合，可同时为auv提供操纵控制所需的力矩。
68.重心补偿重块包括一号重心补偿重块2和二号重心补偿重块6，其中，一号重心补偿重块2安装固定在一号转动环9的一号重块凹槽904内，二号重心补偿重块6安装固定在二号转动环12的二号重块凹槽1204内，一号重心补偿重块2和二号重心补偿重块6的重量根据推力器的重量、推力器至auv纵轴的距离以及重块至纵轴的距离进行配置，保证推力器和重块对纵轴的力矩大小一致。当一号转动环9和二号转动环12转动时，一号重心补偿重块2和二号重心补偿重块6关于auv纵轴分别与一号推力器8和二号推力器7对称转动，保证本发明装置产生的重力矩不变，进而使得本发明装置的运行不会改变auv的重心位置。
69.操作过程如下：
70.一)通过控制系统控制一号推力器8和二号推力器7以相同的转速同向运行，一号推力器8和二号推力器7产生大小和方向相同的推力，此时，仅为auv提供推力，可实现auv的前进和后退；
71.二)通过控制系统控制一号推力器8和二号推力器7差速转动，一号推力器8和二号
推力器7产生大小不同但方向相同的推力，此时，在为auv提供推力的同时为其提供转艏力矩，可实现auv在航行过程中的转向；
72.三)通过控制系统控制一号推力器8和二号推力器7反向转动，一号推力器8和二号推力器7产生大小相同但方向相反的推力，此时，仅为auv提供转艏力矩，可实现auv的原地转向；
73.四)通过控制系统控制一号推力器8和二号推力器7以相同的转速同向运行，并控制驱动电机11运行，驱动电机11输出轴带动主动锥形齿轮13转动，主动锥形齿轮13分别通过一号被动锥形齿轮902和二号被动锥形齿轮1202带动一号转动环9和二号转动环12绕auv纵轴向相反的方向转动，进而使一号推力器8和二号推力器7同时向上或向下移动，形成垂直面内的推力力臂，此时，在为auv提供推力的同时为其提供纵摇力矩，可实现auv的抬艏和埋艏；
74.五)上述一)～三)是对auv水平面运动的操纵控制，四)是对auv垂直面运动的操纵控制，将一)～四)进行组合，即可实现对auv的耦合操纵控制。
75.上述过程由auv的控制系统自动控制完成。