一种高机动低阻力水下航行器

未命名 07-09 阅读:130 评论:0


1.本发明属于新型水下航行器领域,特别是涉及一种高机动低阻力水下航行器。


背景技术:

2.海洋的探索与开发成为了人类发展共同的时代主题,自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,简称auv)作为目前普遍使用的海洋探测作业装备,在民用和军用两大领域的相关海洋活动中,发挥着不可或缺的关键作用。
3.当前国内外海洋探测领域,auv技术已经发展的十分成熟,但是其空间中姿态和位置的调节主要分为两种:第一种是将单一螺旋桨的推动力作为前进动力,结合数个可旋转的尾舵实现航向、俯仰姿态的调整;另一种是将数个螺旋桨的推动力作为前进动力或转向力,实现auv的高精度航行参数控制。一般情况下,综合考虑能耗、水动力、航程等因素,上述两种auv的驱动力数量均小于6,使得auv依然属于欠驱动方式,如何在欠驱动状态下提升auv的航行轨迹的精准性或航行机动性能依然有重要研究价值。侧向螺旋桨和首部倒推螺旋桨的加入可分别提升auv的转向机动性和航位控制能力,但水动力外形的破坏会大幅提升水阻力,进而降低了续航能力。
4.侧向螺旋桨只能提升auv在单一平面内的转向能力,专利cn202220379164.x提出了一种auv用360度回转合成推进机构,虽然可提高auv的转向能力,但是水动力外形的破坏,严重制约了其续航性能。如何在不破坏auv的水动力外形工况下,同时提升其转向机动性和航位控制能力,现有技术中未见提及。


技术实现要素:

5.本发明的目的是为了克服现有技术中的不足,提供一种阻力小、可后退、头部可高机动转向,适用于复杂水下探测任务的自主水下航行器(auv)。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
7.一种高机动低阻力水下航行器,包括从前向后依次相连的头部总成、中部总成和尾部总成,其特征在于,所述的头部总成包括端盖、前导流罩、变构外壳、头部外壳、后支架、齿轮轴、转向电机齿轮、角度传感器齿轮、侧向推进器、转向电机、圆柱导轨、前支架;
8.所述前支架与前导流罩的尾部相连,前导流罩顶部设有出水口,出水口上设有与所述导流罩转动连接的端盖,所述后支架与头部外壳的前部相连;
9.所述前支架和后支架通过圆柱导轨固定连接,所述侧向推进器与齿轮轴固定连接,所述齿轮轴与后支架转动连接,并通过所述转向电机驱动;所述变构外壳与后支架滑动连接,通过所述变构外壳的移动,能够改变水下auv喷水方向;所述齿轮轴与转向电机齿轮和角度传感器齿轮分别啮合;所述变构外壳能够将侧向推进器的喷水方向转化为沿着auv艇体轴线方向,通过反作用力实现auv的后退;
10.所述中部总成包括俯仰调节装置和浮力调节装置,俯仰调节装置通过一能够沿着auv轴向方向移动的电池包来调节auv重心的位置,实现改变auv俯仰角的目的;浮力调节装
置通过液压系统改变外皮囊的体积,以改变auv的浮力,实现对auv上浮和下潜的控制。
11.所述尾部总成包括十字尾舵和尾部螺旋桨,其中十字尾舵能够改变auv的航行姿态;尾部螺旋桨布置在auv尾部的最末端,为auv提供推进力。
12.进一步的,所述的头部总成还包括丝杠螺母、丝杠、丝杠电机、导轨法兰盘、波纹管;所述前支架和后支架之间设置有三根圆柱导轨并均使用螺母与圆柱导轨的两端螺纹连接;所述变构外壳端面上固定连接有三个导轨法兰盘,导轨法兰盘与圆柱导轨滑动连接,所述变构外壳能够沿着圆柱导轨前后滑动;所述丝杠电机与后支架固定连接,丝杠的一端与丝杠电机的输出轴连接,丝杠另一端与前支架转动连接,所述丝杠螺母固定连接在变构外壳的端面上,丝杠电机通过丝杠与丝杠螺母的配合,推动变构外壳的开合;所述波纹管的两端分别与导流罩上的出水口和变构外壳上的导流管相连,用于将水流向前喷出;所述导流罩上通过合页与端盖转动连接,通过水流喷出时的推力自动打开。
13.进一步的,所述的头部总成还包括电机驱动盒、角度传感器和角度传感器支架,角度传感器与角度传感器支架固连,所述电机驱动盒、转向电机、角度传感器支架均与后支架固连,所述角度传感器的轴穿过后支架与角度传感器齿轮固接;转向电机的输出轴穿过后支架与转向电机齿轮相连;齿轮轴的齿轮端面上开有四个螺纹孔,用于将侧向推进器固定在齿轮轴上;齿轮轴与后支架转动连接,齿轮轴为空心轴,侧向推进器的驱动电源线从空心的齿轮轴穿过,侧向推进器能够绕着auv的轴线转动,齿轮轴的齿轮端面上设有与齿轮轴中部的空心相连通的开槽;电机驱动盒内部装有侧向推进器的电机驱动器,用于驱动侧向推进器转动。
14.进一步的,齿轮轴与后支架通过深沟球轴承转动连接,深沟球轴承的内圈分别由齿轮轴的轴肩和轴承锁紧螺母固定,外圈分别由后支架和孔用挡圈固定,限制侧向推进器只能够绕着auv的轴线转动。
15.进一步的,通过头部变构外壳的开合,改变侧向推进器喷水的方向,进而分别实现控制auv的后退以及头部转向两种功能。
16.进一步的,变构外壳为顶部全开口、尾部部分开口的圆桶形状,变构外壳的顶部设有环形斜面用以减小阻力,变构外壳的内部固接有用于改变水流方向的导流管,变构外壳的底部端面上均布有若干孔洞,用于安装导轨法兰盘和丝杠螺母,变构外壳的底部端面中间位置设有一个矩形孔洞。
17.与现有技术相比,本发明的技术方案所带来的有益效果是:
18.1、本发明水下航行器可以向前喷水,推动auv实现后退,增加了auv运动的多样性,与传统的使auv尾部螺旋桨反转来达到auv后退效果相比,有着更高的推进效率,大大增加了auv的续航时间。
19.2、本发明水下航行器采用高机动头部转向,与传统的auv相比,本发明的auv具有零转弯半径,可以实现快速机动的姿态和位置调节,而且通过空间直接驱动的方式,系统控制简单可靠。
20.3、本发明水下航行器头部的侧向推进器可以被圆桶形的变构外壳遮挡住,在auv需要大幅度转向时,打开变构外壳,露出侧向推进器并调整到合适的角度,实现auv姿态调整,因此不会改变水动力外形,对auv正常航行不会产生不良效果。
21.4、本发明水下航行器可以在静止或者速度较小的情况下,直接通过侧向推进器使
auv产生一个改变姿态的转矩,弥补了舵调节在低速下的缺点,大大增加了auv的机动能力。
22.5、本发明水下航行器实现了一个侧向推进器两种用途,既可以实现auv姿态的调整,也可以通过变构外壳的调节,实现auv的后退,在增加auv运动能力的基础上,并没有增加过多的推进装置。
23.6、本发明水下航行器在auv正常水平巡航过程中,较小的姿态改变需求仍然可以通过尾部的十字尾舵进行调节,这种实现方式可以避免直接通过头部侧向推进器调节带来的大量电量消耗和水动力外形改变造成的阻力增加。
24.7、本发明水下航行器采用角度传感器实时测量侧向推进器的旋转角度,确定侧向推进器推力方向,保证auv运动姿态的准确性。
25.8、本发明水下航行器具有多种auv姿态调节方式,包括了头部侧向推进器、中部俯仰调节装置和浮力调节装置、尾部的十字尾舵调节,实现了三种姿态调节的耦合,在实际航行过程中,可以根据实际需要综合性和有选择性的使用不同的姿态调节方式,不但可以增加了auv的机动性,还保证了稳定性,增加了auv的运动精度和续航时间。
26.9、本发明水下航行器通过头部侧向推进器可以快速将auv调节到竖直姿态,通过尾部螺旋桨的推进,再配合浮力调节系统改变浮力,可以实现auv的快速垂直上浮和下潜。
附图说明
27.图1为本发明auv的总体结构示意图。
28.图2为本发明头部总成中变构外壳打开状态下的结构示意图。
29.图3为本发明头部总成的侧向推进器的结构示意图。
30.图4为本发明头部总成全剖示意图。
31.图5为本发明头部总成的后退状态下的放大结构示意图。
32.附图标记:1-头部总成;2-中部总成;3-尾部总成;4-端盖;5-前导流罩;6-变构外壳;7-头部外壳;8-俯仰调节装置;9-浮力调节装置;10-十字尾舵;11-尾部螺旋桨;12-后支架;13-齿轮轴;14-转向电机齿轮;15-角度传感器齿轮;16-侧向推进器;17-丝杠螺母;18-丝杠;19-丝杠电机;20-电机驱动盒;21-孔用挡圈;22-轴承锁紧螺母;23-转向电机;24-角度传感器;25-角度传感器支架;26-圆柱导轨;27-导轨法兰盘;28-波纹管;29-导流管;30-深沟球轴承;31-前支架;32-合页
具体实施方式
33.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
34.本实施例提供的一种高机动低阻力水下航行器,其整体外观如图1所示,包括头部总成1、中部总成2和尾部总成3;头部总成主要包括多用途的侧向推进器;中部总成2包括俯仰调节装置8和浮力调节装置9,移动电池包可以调节舱体内电池包的位置,从而改变auv重心的位置,实现auv俯仰姿态的调节;尾部总成3包括十字尾舵10和尾部螺旋桨11。
35.见图2-图5,前支架31为开有多个孔洞的圆板,通过圆周方向的末端均布的四个环向凸起与前导流罩5尾部固定连接;前支架31和后支架12通过的圆柱导轨26固定,圆柱导轨26的两端有螺纹,使用两组螺母和垫片分别把前支架31(后支架12)夹在中间,从而实现前
支架31(后支架12)与圆柱导轨26的固定;
36.见图2-图5,变构外壳6为一端全开口另一端部分开口的圆桶形状,内部固接有用于改变水流方向的导流管29,变构外壳6的端面上圆柱方向均布四个孔洞,分别用于安装三个导轨法兰盘27和一个丝杠螺母17,端面中间位置有一个矩形孔洞,在变构外壳6闭合过程中,圆柱形状的侧向推进器16可以穿过变构外壳6的端面,变构外壳6端面上通过螺钉固定有三个导轨法兰盘27,导轨法兰盘27与圆柱导轨26滑动配合,由于变构外壳6与导流罩间隙配合,故变构外壳6可以在丝杠电机19的驱动下,沿着圆柱导轨26前后滑动;丝杠电机19与后支架12通过螺钉固定连接,丝杠18另一端与前支架31转动连接,丝杠螺母17固定连接在变构外壳6的端面上,丝杠电机19通过丝杠18与丝杠螺母17的螺旋配合,推动变构外壳6的开合,切换侧向推进器16喷水的作用是改变姿态或者后退。导流罩为圆筒型和半球面的结合,在半球面有出水口通道,波纹管28的两端分别与前导流罩5上的出水口和变构外壳6上的导流管29相连通,用于引导水流向前喷出,前导流罩5上通过合页32转动连接有端盖4,用于在水流喷出时自动打开。
37.参见图2-5,后支架12为开有各种零件孔洞的圆板,通过圆周方向的末端均布的四个环向凸起,用来与头部外壳7使用螺栓固定连接,后支架12的圆周平面在轴线方向上开有多个孔洞,用于安装齿轮轴13、转向电机23、角度传感器24、丝杠18和圆柱导轨26等零部件;角度传感器24与角度传感器支架25固连,角度传感器支架25与后支架12固连。角度传感器24的轴穿过后支架12与角度传感器齿轮15固定连接,角度传感器24与角度传感器齿轮15通过紧定螺钉固定连接,角度传感器齿轮15与齿轮轴13啮合,从而将齿轮轴13的旋转角度实时的反馈给角度传感器24,获得侧向推进器16的精确的角度信息;转向电机23与后支架12固定连接,转向电机23的输出轴穿过后支架12与转向电机齿轮14通过紧定螺钉固定连接,转向电机齿轮14与齿轮轴13啮合,因而可以将转向电机23的转动传递到齿轮轴13;齿轮轴13与后支架12通过深沟球轴承30转动连接,深沟球轴承30的内圈分别由齿轮轴13的轴肩和轴承锁紧螺母22固定,外圈分别由后支架12和孔用挡圈21固定,因此头部的侧向推进器16只可以绕着auv的轴线转动,不能轴线方向移动,因为深沟球轴承30可以承受一定的弯矩,所以侧向推进器16的推力可以得到很好的承载;电机驱动盒20内部装有侧向推进器16的电机驱动器,用于驱动侧向推进器转动。
38.参见图1,在auv正常巡航过程中,使用十字尾舵10、尾部螺旋桨11、浮力调节装置9和俯仰调节装置8,可以实现正常的下潜、定深航行、上浮和悬停等功能,这种控制方式技术成熟,运动过程稳定;当auv需要快速改变位置和姿态时,可以通过头部的侧向推进器16迅速做出调整,具有很高的机动性;因此具有稳定性和机动性的统一。
39.具体的,本实施例的高机动低阻力水下航行器在运行过程中的主要过程及原理如下:
40.当auv需要后退时:头部的侧向推进器16工作,通过头部外壳7底部的筛状小孔,把水吸入侧向推进器16并向上喷水,水流通过变构外壳6中的导流管29,方向从相对于auv向上改变为向前,水流依次经过相连的波纹管28和前导流罩5的出水口,由于水流的推力,把前导流罩5上转动配合的端盖4推动,从而向上转动打开,因此水流可以顺利相对于auv向前喷出,auv实现后退;当auv正常前进时,由于水流对端盖4的推力,端盖4被压在前导流罩5上而不会自己打开,当auv通过通道向前喷水时,水流的压力可以推开端盖4。
41.当auv需要改变姿态时:丝杠电机19转动,丝杠18与丝杠螺母17的螺旋配合,由于丝杠螺母17固定在变构外壳6上,所以推动变构外壳6相对于auv向前滑动,直至头部的侧向推进器16全部露出;此时侧向推进器16出水口的方向是竖直向上的,此时根据目标姿态的需求,主控发出指令,驱动转向电机23转动,转向电机23通过相互啮合的转向电机齿轮14和齿轮轴13将旋转角度传递到侧向推进器16上,因此侧向推进器16可以绕auv轴线整周转动;由于角度传感器齿轮15和齿轮轴13相互啮合,侧向推进器16的转动角度可以实时的传递给角度传感器24,从而得到目前侧向推进器16喷水口的朝向,因此可以更加精确实时的控制auv头部的转动方向;当auv头部的侧向推进器16的出水口转动到需要的位置时,侧向推进器16开始工作,因为侧向推进器16处于auv的头部,所以侧向推进器16工作时产生推力会对auv产生一个转矩,从而使auv绕中心转动,达到auv姿态改变的目的,此时打开尾部螺旋桨11推进,auv朝着头部指向的方向前进;当完成整个姿态和位置调节过程后,侧向推进器16旋转到初始位置,丝杠电机推动变构外壳16向后运动直到闭合,恢复auv初始的外形。
42.当auv正常航行时:通过十字尾舵10、尾部螺旋桨11、浮力调节装置9和俯仰调节装置8,可以实现正常的下潜、定深航行、上浮和悬停等功能。
43.最后需要指出的是:以上实例仅用以说明本发明的计算过程,而非对其限制。尽管参照前述实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,其依然可以对前述实例所记载的计算过程进行修改,或者对其中部分参数进行等同替换,而这些修改或者替换,并不使相应计算方法的本质脱离本发明计算方法的精神和范围。

技术特征:
1.一种高机动低阻力水下航行器,包括从前向后依次相连的头部总成(1)、中部总成(2)和尾部总成(3),其特征在于,所述的头部总成包括端盖(4)、前导流罩(5)、变构外壳(6)、头部外壳(7)、后支架(12)、齿轮轴(13)、转向电机齿轮(14)、角度传感器齿轮(15)、侧向推进器(16)、转向电机(23)、圆柱导轨(26)、前支架(31);所述前支架(31)与前导流罩(5)的尾部相连,前导流罩(5)顶部设有出水口,出水口上设有与所述导流罩(5)转动连接的端盖(4),所述后支架(12)与头部外壳(7)的前部相连;所述前支架(31)和后支架(12)通过圆柱导轨(26)固定连接,所述侧向推进器(16)与齿轮轴(13)固定连接,所述齿轮轴(13)与后支架(12)转动连接,并通过所述转向电机(23)驱动;所述变构外壳(6)与后支架(12)滑动连接,通过所述变构外壳(6)的移动,能够改变水下auv喷水方向;所述齿轮轴(13)与转向电机齿轮(14)和角度传感器齿轮(15)分别啮合;所述变构外壳能够将侧向推进器(16)的喷水方向转化为沿着auv艇体轴线方向,通过反作用力实现auv的后退;所述中部总成(2)包括俯仰调节装置(8)和浮力调节装置(9),俯仰调节装置(8)通过一能够沿着auv轴向方向移动的电池包来调节auv重心的位置,达到改变auv俯仰角的目的;浮力调节装置(9)通过液压系统改变外皮囊的体积,以改变auv的浮力,实现对auv上浮和下潜的控制;所述尾部总成(3)包括十字尾舵(10)和尾部螺旋桨(11),其中十字尾舵(10)能够改变auv的航行姿态;尾部螺旋桨(11)布置在auv尾部的最末端,为auv提供推进力。2.根据权利要求1所述的一种高机动低阻力水下航行器,其特征在于,所述的头部总成还包括丝杠螺母(17)、丝杠(18)、丝杠电机(19)、导轨法兰盘(27)、波纹管(28);所述前支架(31)和后支架(12)之间设置有三根圆柱导轨(26)并均使用螺母与圆柱导轨的两端螺纹连接;所述变构外壳(6)端面上固定连接有三个导轨法兰盘(27),导轨法兰盘(27)与圆柱导轨(26)滑动连接,所述变构外壳(6)能够沿着圆柱导轨前后滑动;所述丝杠电机(19)与后支架(12)固定连接,丝杠(18)的一端与丝杠电机(19)的输出轴连接,丝杠(18)另一端与前支架(31)转动连接,所述丝杠螺母(17)固定连接在变构外壳(6)的端面上,丝杠电机(19)通过丝杠(18)与丝杠螺母(17)转动配合,推动变构外壳(6)的开合;所述波纹管(28)的两端分别与导流罩上的出水口和变构外壳(6)上的导流管(29)相连,用于将水流向前喷出;所述导流罩(5)上通过合页(32)与端盖(4)转动连接,通过水流喷出时的推力自动打开。3.根据权利要求1或2所述的一种高机动低阻力水下航行器,其特征在于,所述的头部总成还包括电机驱动盒(20)、角度传感器(24)和角度传感器支架(25),角度传感器(24)与角度传感器支架(25)固连,所述电机驱动盒(20)、转向电机(23)、角度传感器支架(25)均与后支架(12)固连,所述角度传感器(24)的轴穿过后支架(12)与角度传感器齿轮(15)固接;转向电机(23)的输出轴穿过后支架(12)与转向电机齿轮(14)相连;齿轮轴(13)的齿轮端面上开有四个螺纹孔,用于将侧向推进器(16)固定在齿轮轴(13)上;齿轮轴(13)与后支架(12)转动连接,齿轮轴(13)为空心轴,侧向推进器(16)的驱动电源线从空心的齿轮轴穿过,侧向推进器能够绕着auv的轴线转动,齿轮轴(13)的齿轮端面上设有与齿轮轴中部的空心相连通的开槽;电机驱动盒(20)内部装有侧向推进器(16)的电机驱动器,用于驱动侧向推进器转动。4.根据权利要求3所述的一种高机动低阻力水下航行器,其特征在于,齿轮轴(13)与后
支架(12)通过深沟球轴承(30)转动连接,深沟球轴承(30)的内圈分别由齿轮轴(13)的轴肩和轴承锁紧螺母(22)固定,外圈分别由后支架(12)和孔用挡圈(21)固定,限制侧向推进器(16)只能够绕着auv的轴线转动。5.根据权利要求1所述的一种高机动低阻力水下航行器,其特征在于,通过头部变构外壳(6)的开合,改变侧向推进器(16)喷水的方向,进而分别实现控制auv的后退以及头部转向两种功能。6.根据权利要求1或2或5所述的一种高机动低阻力水下航行器,其特征在于,变构外壳(6)为顶部全开口、尾部部分开口的圆桶形状,变构外壳(6)的顶部设有环形斜面用以减小阻力,变构外壳(6)的内部固接有用于改变水流方向的导流管(29),变构外壳(6)的底部端面上均布有若干孔洞,用于安装导轨法兰盘和丝杠螺母,变构外壳(6)的底部端面中间位置设有一个矩形孔洞。

技术总结
本发明公开一种高机动低阻力水下航行器,包括头部总成、中部总成和尾部总成,所述的头部总成主要包括多用途的侧向推进器;中部总成包括俯仰调节装置和浮力调节装置;尾部总成包括十字尾舵和尾部螺旋桨。通过变构外壳的调节,可以使侧向推进器向前喷水实现AUV的后退,通过侧向推进器绕AUV轴线旋转改变姿态。本发明可以通过头部侧向推进器实现AUV高效率后退以及AUV空间任意姿态的调节,安装在变构外壳内部,结构紧凑,不会对AUV水动力外形产生影响,极大的增加了AUV的快速性和机动性。极大的增加了AUV的快速性和机动性。极大的增加了AUV的快速性和机动性。


技术研发人员:王延辉 孙通帅 牛文栋 杨绍琼 杨明 马伟 张智燃
受保护的技术使用者:天津大学
技术研发日:2023.02.27
技术公布日:2023/5/12
版权声明

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