一种新型水下航行器并联矢量推进器结构及姿态确定方法
【专利摘要】本发明公开了一种新型水下航行器并联矢量推进器结构，包括静平台和动平台，静平台上设有螺旋桨主推电机，动平台上设有螺旋桨传动轴系，其特征在于，静平台与动平台之间设有四组支链，四组支链包括三组RPS主动支链和一组SPS传动支链，静平台、动平台和三组RPS主动支链组成了三自由度并联机构，通过运动分析得到螺旋桨摆动姿态与三组RPS主动支链长度的关系。通过控制三组RPS主动支链的长度，能够使螺旋桨轴线快速达到所需要摆动的角度，并且三组RPS主动支链的驱动力由三个电机共同提供，相对于采用两个电机的推进机构每个电机所提供的功率会相对少一些。当有一个电机失效时，此时为两自由度并联机构，可靠性高。
【专利说明】一种新型水下航行器并联矢量推进器结构及姿态确定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种海洋探测工具，更具体地说，是涉及一种水下航行器的推进结构。【背景技术】
[0002]AUV是水下机器人中的一种，它是无缆式水下机器人，习惯上把它称为自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)。随着AUV应用范围的不断扩大，设计者对AUV水下作业任务能力和复杂环境的适应能力提出了更高要求，尤其对AUV操纵性和机动性提出了更高的要求。在此背景下，传统的鳍舵式控制方法在一定程度上已经不能满足AUV在水下运动的复杂程度和灵活性要求，尤其在低速运动时舵的操纵性明显减弱，因此研制新型矢量推进器装置是有效的解决方案之一。矢量推进器也被称为推力转向技术，是指空间运动物体的推进系统除了提供前进推力外，还能同时或单独的在航行体的俯仰、偏航、横滚和反推力等方向上提供推力和力矩，用以部分或全部取代舵面产生的动力来经行控制。为了使矢量推进机构更加顺利的保证AUV能够在水下按照指定航迹作业，需要在现有的基础上提高矢量推进机构的刚度，运动精度及相应的速度。因此，相对于传统的串联机构，并联机构就更加适合作为AUV的矢量推进机构。
【发明内容】
[0003]针对上述现有技术，本发明提供一种新型水下航行器并联矢量推进器结构，该推进器具备结构紧凑、重量轻、可控性好、可靠性高、工作空间大以及能够使AUV具有低速转向性能等优点，可以满足水下机器人推进需求。
[0004]为了解决上述技术问题，本发明一种新型水下航行器并联矢量推进器结构，包括静平台和动平台，所述静平台上设有螺旋桨主推电机，所述动平台上设有螺旋桨传动轴系，所述静平台与动平台之间设有四组支链，所述四组支链包括三组RES主动支链和一组SPS传动支链，所述静平台、动平台和三组RES主动支链组成了三自由度并联机构，通过运动分析得到螺旋桨摆动姿态与三组RES主动支链长度的关系。
[0005]本发明一种确定新型水下航行器并联矢量推进器中三组RES主动支链状态的方法，对于上述新型水下航行器并联矢量推进器，采用牛顿欧拉法进行坐标变换，根据三自由度并联机构的特性，推导出螺旋桨摆动姿态与三组RES主动支链长度的关系，具体步骤如下:
[0006]三组R￡S主动支链与静平台之间的连接形成三个转动副Ap A2, A3，所述三个转动副Ap A2, A3相对螺旋桨主推电机的主轴径向均布，三组RES主动支链与所述动平台之间的连接形成三个球铰链B2、B3,所述三个球铰链B2、B3相对所述螺旋桨传动轴系径向均布，Λ A1A2A3和Λ B1B2B3均为正三角形，Λ A1A2A3的顶点与中心之间的距离为向量B1的长度，Δ B1B2B3的顶点与中心之间的距离为向量h的长度；Λ A1A2A3的几何中心为点Α，Δ B1B2B3的几何中心为点B ;于点A和点B处分别建立坐标系A-xyz和B_uvw，其中，坐标系A - xyz的z轴和坐标系B - uvw的w轴分别垂直于平面A1A2A3和平面B1B2B3,定义螺旋桨轴线的方向向量为e,坐标系B - uvw的u轴和坐标系A - xyz的x轴分别平行于B2B3和A2A3,坐标系A - xyz的y轴和坐标系B - uvw的ν轴的方向由右手定则确定,在ApA2、A3点分别建立三组RPS主动支链的定坐标系A1-Xj1Zp A2-x2y2z2> A3-X3Y3Z3和三组R￡S主动支链的连体坐标系A1-U1V1WpA2-u2v2w2、A3-u3v3w3,其中，定坐标系 ArXj1Z1 的 X1 轴、定坐标系 A2_x2y2z2 的 X2 轴、定坐标系A3-x3y3z3的X3轴、连体坐标系A1-U1V1W1的U1轴、连体坐标系A2-U2V2W2的U2轴、连体坐标系A3-U3V3W3的U3轴与所述三个转动副ApAyA3的轴线重合，同时，所述Z1轴、Z2轴、Z3轴与Z轴平行；所述W1轴、W2轴、W3轴与R￡S主动支链的轴线重合轴、轴、y3轴、V1轴、V2轴和V3轴的方向由右手定则确定；
[0007]通过α、β两个参数确定螺旋桨摆动姿态，设螺旋桨轴线依次绕X轴旋转α角、绕I轴旋转β角，则螺旋桨轴线的姿态矢量e表示为:
【权利要求】
1.一种新型水下航行器并联矢量推进器结构，包括静平台和动平台，所述静平台上设有螺旋桨主推电机，所述动平台上设有螺旋桨传动轴系，其特征在于，所述静平台与动平台之间设有四组支链，所述四组支链包括三组R￡S主动支链和一组SPS传动支链，所述静平台、动平台和三组RES主动支链组成了三自由度并联机构，通过运动分析得到螺旋桨摆动姿态与三组RES主动支链长度的关系。
2.一种确定新型水下航行器并联矢量推进器中三组RfS主动支链状态的方法，其特征在于，如权利要求1所述新型水下航行器并联矢量推进器，采用牛顿欧拉法进行坐标变换，根据三自由度并联机构的特性，推导出螺旋桨摆动姿态与三组RES主动支链长度的关系，具体步骤如下: 三组RES主动支链与静平台之间的连接形成三个转动副ApA2、A3，所述三个转动副ApA2> A3相对螺旋桨主推电机的主轴径向均布，三组RES主动支链与所述动平台之间的连接形成三个球铰链B2, B3，所述三个球铰链B2, B3相对所述螺旋桨传动轴系径向均布，Δ A1A2A3和Λ B1B2B3均为正三角形，Δ A1A2A3的顶点与中心之间的距离为向量B1的长度，Δ B1B2B3的顶点与中心之间的距离为向量h的长度；Λ A1A2A3的几何中心为点Α，Δ B1B2B3的几何中心为点B ;于点A和点B处分别建立坐标系A-xyz和B_uvw，其中，坐标系A - xyz的z轴和坐标系B - Uvw的w轴分别垂直于平面A1A2A3和平面B1B2B3,定义螺旋桨轴线的方向向量为e,坐标系B - uvw的u轴和坐标系A - xyz的x轴分别平行于B2B3和A2A3,坐标系A - xyz的y轴和坐标系B - uvw的v轴的方向由右手定则确定,在ApA2、A3点分别建立三组RPS主动支链的定坐标系A1-Xj1Zp A2-x2y2z2> A3-X3Y3Z3和三组R￡S主动支链的连体坐标系A1-U1V1WpA2-u2v2w2、A3-u3v3w3,其中，定坐标系 ArXj1Z1 的 X1 轴、定坐标系 A2_x2y2z2 的 X2 轴、定坐标系A3-x3y3z3的X3轴、连体坐标系A1-U1V1W1的U1轴、连体坐标系A2-U2V2W2的U2轴、连体坐标系A3-U3V3W3的U3轴与所述三个转动副ApAyA3的轴线重合，同时，所述Z1轴、Z2轴、Z3轴与Z轴平行；所述W1轴、W2轴、W3轴与R￡S主动支链的轴线重合轴、轴、y3轴、V1轴、V2轴和V3轴的方向由右手定则确定； 通过α、β两个参数确定螺旋桨摆动姿态，设螺旋桨轴线依次绕X轴旋转α角、绕y轴旋转β角，则螺旋桨轴线 的姿态矢量e表示为:
【文档编号】B63H5/07GK103754344SQ201410014284
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月13日 优先权日:2014年1月13日
【发明者】张宏伟, 王树新 申请人:天津大学