专利名称：一种水下自航行器的方向调节装置及其控制方法
技术领域：
:本发明属于海洋环境监测和海底资源勘探领域，具体涉及一种水下自航行器的方向调节装置及其控制方法。
背景技术：
:由于海洋资源开发的需要以及海洋环境监测的迫切需要，世界上很多发达国家不断更新本国管辖海域的海洋环境监测系统，强化世界共有海域的海洋环境和资源调查监测手段。水下自航行器作为海洋环境和资源调查监测的重要手段越来越受到各国的重视。水下自航行器(AUV)，又称自治水下机器人，它不配备主缆和系缆，自己带有推进装置、能源和摄像系统，一般没有机械手，动力为电池。由于受自带能源的限制，水下自航行器需要在限定的时间内闻效的完成任务，这时水下航行器的闻机动性显得尤为关键。为确保其具有闻机动性，水下自航行器不仅需要一个强大的推进装置，更需要具备灵活的方向调节能力。目前常用的方向调节装置设计有以下几种方案:1)舵机和舵直接连接的方案，为了保证水下自航行器的水动力性能，舵机舱一般设计为锥体结构，舵机和舵直接连接时，由于径向空间有限，舵与螺旋桨的距离较远，降低了水下自航行器的变向能力。2)采用杆传动的方案，杆传动往往受自身限制，导致舵转角精度不高，可控性下降。3)采用安装垂直推进器和侧面推进器的方案，两个推进器协调运动比较复杂，准确性不高，同时消耗能源较高。针对上述问题，本发明提出一种水下自航行器的方向调节装置及其控制方法，便于调节水下自航行器的水平面和垂直面的运动方向，实现水下自航行器的运动方向的可控性，提高水下自航行器的机动性
发明内容
:本发明之目的是:提出一种水下自航行器的方向调节装置及其控制方法，便于调节水下自航行器的水平面和垂直面的运动方向，实现水下自航行器的运动方向的可控性。为了实现本发明之目的，拟采用以下技术方案:本发明包括耐压舱体、密封件、舵轴、舵机固定架、舵机、舵轴固定架、舵、固定板、导流套圈及传动机构，其中舵机固定架连接在耐压舱体的内部加强肋上，舵机与传动机构连接并安装在舵机固定架上；所述舵轴的一端固定在传动机构上，另一端与舵的一端相连，舵轴中段固定在舵轴固定架上；舵轴固定架安装在舵机固定架上；密封件固定在耐压舱体尾部；耐压舱体上的固定板与水下自航行器的其它舱体端盖相连；导流套圈套在耐压舱体外壁。其中，所述传动机构包括第一直齿轮和第二直齿轮，第一直齿轮与舵机输出轴相连，第二直齿轮安装在舵轴上、与第一直齿轮相啮合；所述舵机固定架的纵向截面为“L”形，长边上开有矩形孔，舵机镶嵌于矩形孔内；所述舵轴的轴向截面为“T”形，“T”形的竖边设有外螺纹，“T”形的横边与耐压舱体相接触位置开有O形圈槽，O形圈槽内设置有O形密封圈，舵轴一端通过螺钉与第二直齿轮相连，另一端通过螺钉与舵相连，中段轴肩处通过一对止推轴承固定在舵轴固定架上；所述舵为流线形，耐压舱体套上导流套圈后为完整锥体线形；所述固定板与水下自航行器的其它舱体端盖之间及密封件与耐压舱体尾部之间分别设有O形密封圈。本发明采用十字形全动舵，四个舵的操纵系统设计均相同，通过上述内容同理可知其余三个舵的操纵系统的设计。本发明的控制方法如下:将本发明的方向调节装置安装在水下自航行器的尾部，耐压舱体通过O形密封圈和紧定螺钉与水下自航行器的其它模块水密封连接。当水下自航行器需要上升或下潜时，耐压舱体内左右两侧的两个舵机将收到一个同步控制信号，发生相应方向的转动，驱动第一直齿轮旋转，通过第一直齿轮和第二直齿轮的啮合带动第二直齿轮转动；第二直齿轮通过紧定螺钉连接于舵轴，因此带动舵轴共同旋转，舵轴与舵之间有螺钉连接，进而带动左右两侧的舵同步旋转；左右两侧的舵偏离中性位置之后，与水流的相对方向形成了一个夹角，产生了一对相同的偏转力矩，该对力矩将推动整个载体在竖直面方向上转向，从而使水下自航行器完成上升或下潜运动。当水下自航行器需要左右转弯时，同理，利用耐压舱体内上下两侧的舵机和舵可完成左右转弯运动。同时协调上下左右两对舵机时，可以使水下自航行器在上升或下潜过程中实现左右转弯动作，增强了水下自航行器的机动性。 本发明的优点与积极效果为:1.本发明采用直齿轮传动，通过舵机带动舵的旋转，从而改变水下自航行器的运动方向，成本低，结构简单，工作可靠。2.本发明通过舵机经直齿轮驱动舵的旋转，操作简单，可快速控制转向。通过控制信号能调节舵的转动角度，使运动方向的调节可控性增强。3.本发明的外形结构充分考虑到水动力特性，减小了水阻力，同时，本发明作为一个独立的模块，可以灵活的与水下自航行器的其他模块水密连接，拆装方便，磨损零件易于更换。
:图1为本发明的结构主剖视图；图2为图1的左视图；图3为图1的前视图。其中:1为耐压舱体,2为密封件,3为舵轴,4为舵机固定架,5为舵机,6为舵轴固定架，7为舵，8为导流套圈，9为止推轴承，10为第一直齿轮，11为第二直齿轮，1-1为固定板，1-2为孔。
具体实施方式
:下面结合附图对本发明作进一步详述。如图1 3所示，本发明包括耐压舱体I，密封件2，舵轴3，舵机固定架4，舵机5，舵轴固定架6，舵7，导流套圈8，第一直齿轮10，第二直齿轮11，固定板1-1及孔1-2。舵机固定架4通过螺钉固定在耐压舱体I的加强肋上。在舵机固定架4的纵向截面为“L”形，长边上开有矩形孔，舵机5通过螺栓和螺母镶嵌于矩形孔内。舵机5通过传动机构与舵轴3相连，本实施例的传动机构为第一直齿轮10机和第二直齿轮11。第一直齿轮10通过紧定螺钉与舵机5的输出轴相连，第二直齿轮11通过紧定螺钉与舵轴3相连，第一直齿轮10与第二直齿轮相啮合，使舵轴3可以在水平面或垂直面转动。舵轴3的轴向截面为“T”形，“T”形的竖边设有外螺纹，“T”形的横边与耐压舱体I相接触位置开有O形圈槽，O形圈槽内设置有O形密封圈，舵轴3 —端通过紧定螺钉与第二直齿轮11相连，另一端通过紧定螺钉与舵7相连，中段轴肩处通过一对止推轴承9连接在舵轴固定架6上，通过固定螺母将舵轴3和止推轴承9固定，防止轴向运动。舵轴3上的O形密封圈可以起到与耐压舱体I之间的密封作用。密封件2与耐压舱体I尾部之间分别设有O形密封圈，可以起到密封作用。通过紧定螺钉将密封件2固定在耐压舱体I尾部，密封件2内壁上开有O形圈槽，O形圈槽内设置有O形密封圈，可以起到与螺旋桨传动轴之间的密封作用。耐压舱体I外形是一个不完整的锥体，充分考虑到水动力的要求，将导流套圈8套在耐压舱体I外壁，形成完整锥体线形，如图3所示。与耐压舱体I 一体的固定板1-1上开有圆周分布的孔1-2，通过螺钉将耐压舱体I与水下自航行器的其它舱体端盖相连，固定板1-1上的O形密封圈可以起到与水下自航行器的其它舱体端盖之间的密封作用。舵7采用流线型的外形设计，具有良好的水动力特点。舵机5的引出线与水下自航行器的相应控制单元相连接。本发明采用十字形全动舵，如图2，3所示，四个舵的操纵系统设计均相同，通过上述内容同理可知其余三个舵的操纵系统的设计。将本发明的方向调节装置安装在水下自航行器的尾部，耐压舱体I通过O形密封圈和紧定螺钉与水下自航行器的其它模块水密封连接。当水下自航行器需要上升或下潜时，耐压舱体I内左右两侧的两个舵机5将收到一个同步控制信号，发生相应方向的转动，驱动第一直齿轮10旋转，通过第一直齿轮10和第二直齿轮11的啮合带动第二直齿轮11转动；第二直齿轮11通过紧定螺钉连接于舵轴3，因此带动舵轴3共同旋转，舵轴3与舵7之间有螺钉连接，进而带动左右两侧的舵7同步旋转；左右两侧的舵7偏离中性位置之后，与水流的相对方向形成了一个夹角，产生了一对相同的偏转力矩，该对力矩将推动整个载体在竖直面方向上转向，从而使水下自航行器完成上升或下潜运动。当水下自航行器需要左右转弯时，同理，利用耐压舱体I内上下两侧的舵机5和舵7可完成左右转弯运动。同时协调上下左右两对舵机5时，可以使水下自航行器在上升或下潜过程中实现左右转弯动作，增强了水下自航行器的机动性。
权利要求
1.一种水下自航行器的方向调节装置，其特征在于:包括耐压舱体(I)、密封件(2)、舵轴(3)、舵机固定架(4)、舵机(5)、舵轴固定架(6)、舵(7)、导流套圈(8)及传动机构，其中舵机固定架(4)连接在耐压舱体(I)的内部加强肋上，舵机(5)与传动机构连接并安装在舵机固定架(4)上；所述舵轴(3)的一端固定在传动机构上，另一端与舵(7)的一端相连，舵轴(3)中段固定在舵轴固定架(6)上；舵轴固定架(6)安装在舵机固定架(4)上；密封件(2)固定在耐压舱体(I)尾部；耐压舱体(I)上的固定板(1-1)与水下自航行器的其它舱体端盖相连；导流套圈(8)套在耐压舱体(I)外壁。
2.按权利要求1所述的一种水下自航行器的方向调节装置，其特征在于:所述固定板(1-1)上开有圆周分布的孔(1-2)用于连接水下自航行器的其它舱体端盖。
3.按权利要求1或2所述的一种水下自航行器的方向调节装置，其特征在于:所述传动机构包括第一直齿轮(10)和第二直齿轮(11)，第一直齿轮(10)与舵机(5)输出轴相连，第二直齿轮(11)安装在舵轴(3)上、与第一直齿轮P(IO)相啮合。
4.按权利要求1或2所述的一种水下自航行器的方向调节装置，其特征在于:所述舵机固定架(4)的纵向截面为“L”形，长边上开有矩形孔，舵机(5)镶嵌于矩形孔内，舵机固定架(4)连接在耐压舱体(I)的内部加强肋上。
5.按权利要求1或2所述的一种水下自航行器的方向调节装置，其特征在于:所述舵轴(3)的轴向截面为“T”形，“T”形的竖边设有外螺纹，“T”形的横边与耐压舱体(I)相接触位置开有O形圈槽，O形圈槽内设置有O形密封圈，舵轴(3) —端通过螺钉与第二直齿轮(11)相连，另一端通过螺钉与舵(7)相连，中段轴肩处通过一对止推轴承(9)固定在舵轴固定架⑶上。
6.按权利要求1或2所述的一种水下自航行器的方向调节装置，其特征在于:所述舵(7)为流线形，耐压舱体(I)套上导流套圈(8)后为完整锥体线形。
7.按权利要求1或2所述的一种水下自航行器的方向调节装置，其特征在于:所述固定板(1-1)与水下自航行器的其它舱体端盖之间及密封件(2)与耐压舱体(I)尾部之间分别设有O形密封圈。
8.按权利要求1或2所述的一种水下自航行器的方向调节装置及其控制方法，其特征在于:将本发明的方向调节装置安装在水下自航行器的尾部，耐压舱体(I)通过O形密封圈和紧定螺钉与水下自航行器的其它模块水密封连接。当水下自航行器需要上升或下潜时，耐压舱体(I)内左右两侧的两个舵机(5)将收到一个同步控制信号，发生相应方向的转动，驱动第一直齿轮(10)旋转，通过第一直齿轮(10)和第二直齿轮(11)的啮合带动第二直齿轮(11)转动；第二直齿轮(11)通过紧定螺钉连接于舵轴(3)，因此带动舵轴(3)共同旋转，舵轴(3)与舵(7)之间有螺钉连接，进而带动左右两侧的舵(7)同步旋转；左右两侧的舵(7)偏离中性位置之后，与水流的相对方向形成了一个夹角，产生了一对相同的偏转力矩，该对力矩将推动整个载体在竖直面方向上转向，从而使水下自航行器完成上升或下潜运动。当水下自航行器需要左右转弯时，同理，利用耐压舱体(I)内上下两侧的舵机(5)和舵(7)可完成左右转弯运动。同时协调上下左右两对舵机(5)时，可以使水下自航行器在上升或下潜过程中实现左右转弯动作，增强了水下自航行器的机动性。
全文摘要
本发明属于海洋环境监测和海底资源勘探领域，具体涉及一种水下自航行器的方向调节装置及其控制方法。通过耐压舱体上的固定板与水下自航行器的舱体相连；通过上下或左右对称的一对舵机同步带动各自的一对直齿轮做啮合运动，从而将舵机的转动转化为舵轴的转动，舵轴又将转动传递给舵，通过控制两个对称舵的同步偏转，来控制整个水下自航行器的运动方向；耐压舱体与舵充分考虑水动力的影响，耐压舱体采用锥体外形设计，舵采用流线形外形设计。本发明具有结构简单，拆装方便，能耗低，工作可靠等特点，高效快速的方向调节能力，提高了水下自航行器的机动性。
文档编号B63G8/14GK103171750SQ20131011103
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月28日 优先权日2013年3月28日
发明者严天宏, 孟凡豪, 何波, 刘仲武, 赵倩, 牛彦杰, 郭亦捷 申请人:中国计量学院