一种定位用智能水上移动平台及其定位方法与流程

本发明涉及水上移动平台技术领域，特别涉及一种定位用智能水上移动平台及其定位方法。

背景技术：

目前，关于水上移动平台的现有技术为：已经公开的文献“基于光视觉无人艇水上目标检测与跟踪研究”主要研究了基于可见光视觉传感器的水面目标检测跟踪技术，通过水面图像处理，得出有效信息如水界线以及水面目标或障碍物的位置等；文献“固定双桨驱动的无人水面艇自主直线路径跟踪系统”介绍了一种自主直线路径跟踪系统；文献“一种无舵自动走航的无人船”提供一种无舵自动走航的无人船，包括船体、两侧浮筒、通讯单元、导航与定位单元等；文献“智能钓鱼无人船”提出一种智能型无人船，具有船体、电源、动力装置、无线遥控装置等；文献“无人船测绘系统”提供一种水下地形测绘系统；文献“一种水域多功能监测无人船”提出一种水环境检测船，包括船体、船体动力部分、检测系统、侧翼防干扰措施等功能；文献“用于河道水质监测和原位修复的无人船”提供一种用于河道水质监测和原位修复的无人船，包括船体、控制器、推进的等功能。

现有技术主要专注于无人船在某个特定领域的应用，由于船体在水中会受到水流和自然风力的影响特别是对于小型无人船会影响其高精度定位；虽然文献一种水域多功能监测无人船”提到在其侧翼安装电动机对船体位置进行补偿，但其并未提及如何进行补偿。同时以上文献都提到动力系统，但是由于船的动力主要就是螺旋桨，螺旋桨在船体中的安装必然会带来密封问题，现有文献中皆未提及。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种位用智能水上移动平台及其定位方法，能够使船体在水中会受到水流影响的情况下高精度定位；

进一步的，本发明能够使船体在使用螺旋桨的过程中避免水渗入船体。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种定位用智能水上移动平台，包括船体，所述的船体的尾部设有向船体前方产生推力的第一主驱动机构、第二主驱动机构，所述的船体上内设有第一辅助驱动机构、第二辅助驱动机构，所述的第一辅助驱动机构产生推力的方向朝向船体尾部并与第一主驱动机构产生推力的方向形成夹角，所述的第二辅助驱动机构产生推力的方向朝向船体尾部并与第二主驱动机构产生推力的方向形成夹角，所述的水上移动平台还包括压力防渗水机构。

所述的第一主驱动机构、第二主驱动机构、第一辅助驱动机构、第二辅助驱动机构均为驱动机构，所述的驱动机构包括电机、联轴器、转轴、螺旋桨，所述的电机通过联轴器带动转轴转动，转轴带动螺旋桨转动产生推力；

所述的驱动机构还包括轴承支撑体、轴承、轴承端盖，所述的轴承支撑体内设有油腔，轴承支撑体两端分别设有定位槽；

所述的轴承为两个，分别设置在轴承支撑体两端的定位槽内，所述的轴承设置在转轴上，轴承两侧分别设有轴承挡圈；

所述的轴承端盖为两个，分别对两个轴承限位；

所述的轴承端盖套接在转轴上，轴承端盖包括端盖本体，端盖本体上伸出有伸入定位槽顶住轴承的限位凸体，所述的端盖本体与轴承支撑体之间设有环形密封圈；

所述的轴承端盖与转轴之间设有油毡。

所述的轴承支撑体设置在船体壁上，轴承支撑体上伸出有贴合在船体上的限位壁，所述的限位壁与船体之间设有密封圈；

所述的转轴一端置于船体内，转轴另一端伸出船体与所述的螺旋桨连接。

所述的压力防渗水机构包括供油机构、增压机构。

所述的轴承支撑体沿径向设有油孔，所述的油腔通过油孔与供油机构连接，所述的增压机构包括增压杆、法兰、增压弹簧、增压缸体、联接油管、活塞，所述的增压缸体的内壁上部设有内螺纹，所述的增压杆的下端设有旋紧块，所述的旋紧块的侧壁上设有与所述内螺纹相配合的外螺纹，所述的旋紧块的下端通过增压弹簧与活塞连接，所述的活塞下端面与增压缸体的内底壁、内侧壁之间形成增压腔，所述的增压腔通过联接油管与油腔相连通，所述的油腔、增压腔、油孔、联接油管内均设有油脂。

所述的油脂由供油机构输送。

所述的增压缸体上端设有法兰，所述的增压杆穿过法兰设置。

所述的船体的前部两侧分别设有力传感器，船体的中部两侧分别设有另外的力传感器，船体的尾端设有力传感器；

所述的船体的前端设有陀螺仪；

所述的船体的尾端两侧分别设有位移传感器；

所述的力传感器、陀螺仪、位移传感器分别与控制器连接；

所述的控制器与各驱动机构的电机连接。

一种定位用智能水上移动平台的定位方法，方法包括以下步骤：

a)船体置于水中，第一主驱动机构、第二主驱动机构向船体前方产生推力，分别为第一前进力、第二前进力，第一辅助驱动机构产生推力的方向朝向船体尾部并与第一主驱动机构产生推力的方向形成夹角，该推力分解为与第一前进力方向相反的第一后推力、垂直于第一后推力方向的第一侧向力；

所述的第二辅助驱动机构产生推力的方向朝向船体尾部并与第二主驱动机构产生推力的方向形成夹角，该推力分解为与第二前进力方向相反的第二后推力、垂直于第二后推力方向的第二侧向力；

所述的第二侧向力与第一侧向力方向相反；

b)系统通过力传感器、位移传感器、陀螺仪采集的信息判断船体位置状态，同时判断水流的方向、速度；通过控制电机从而控制螺旋桨转速，进而控制第一前进力、第二前进力、第一后推力、第二后推力、第一侧向力、第二侧向力的大小；

当第一前进力与水流合力、第二前进力与水流合力分别大于第一后推力与水流合力、第二后推力与水流合力时，船体前进；当第一前进力与水流合力、第二前进力与水流合力分别小于第一后推力与水流合力、第二后推力与水流合力时，船体后退；当第一前进力与水流合力、第二前进力与水流合力分别等于第一后推力与水流合力、第二后推力与水流合力时，船体在前后方向上没有位移；

当第一侧向力与水流合力大于第二侧向力与水流合力时，船体左移；当第一侧向力与水流合力小于第二侧向力与水流合力时，船体右移；当第一侧向力与水流合力等于第二侧向力与水流合力时，船体在左右方向上没有位移；

当船体在前后方向、左右方向上均没有位移时，船体静止定位。

一种定位用智能水上移动平台的密封方法，方法包括以下步骤：

将两个轴承分别设置在轴承支撑体两端的定位槽内，将两个轴承挡圈分别设置在轴承两侧，将轴承端盖上的限位凸体顶住轴承限位，将轴承端盖与轴承支撑体之间设置环形密封圈，再在轴承端盖与转轴之间设置油毡，油腔内设有油脂，油脂压力与船体外的水压力形成平衡，配合环形密封圈、油毡，防止船体外的水渗透进入船体内部，实现密封。

本发明采用上述结构和方法，具有以下优点：1、能够使船体在水中会受到水流影响的情况下高精度定位；2、本发明能够使船体在使用螺旋桨的过程中避免水渗入船体。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明；

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中驱动机构的分解结构示意图；

图3为本发明中驱动机构的剖面结构示意图；

图4为本发明中驱动机构的截面结构示意图；

图5为本发明中增压机构的剖面结构示意图；

在图1～图5中，1、船体；2、第一主驱动机构；3、第二主驱动机构；4、第一辅助驱动机构；5、第二辅助驱动机构；6、压力防渗水机构；7、转轴；8、轴承支撑体；9、轴承；10、轴承端盖；11、轴承挡圈；12、环形密封圈；13、油毡；15、密封圈；16、油孔；17、油腔；18、增压杆；19、法兰；20、增压弹簧；21、增压缸体；22、联接油管；23、活塞；25、旋紧块；26、增压腔。

具体实施方式

如图1～图5所示一种定位用智能水上移动平台，包括船体1，船体1的尾部设有向船体前方产生推力的第一主驱动机构2、第二主驱动机构3，船体1上内设有第一辅助驱动机构4、第二辅助驱动机构5，第一辅助驱动机构4产生推力的方向朝向船体1尾部并与第一主驱动机构2产生推力的方向形成夹角，第二辅助驱动机构5产生推力的方向朝向船体1尾部并与第二主驱动机构3产生推力的方向形成夹角，水上移动平台还包括压力防渗水机构6。

第一主驱动机构2、第二主驱动机构3、第一辅助驱动机构4、第二辅助驱动机构5均为驱动机构，驱动机构包括电机、联轴器、转轴7、螺旋桨，电机通过联轴器带动转轴7转动，转轴7带动螺旋桨转动产生推力；

驱动机构还包括轴承支撑体8、轴承9、轴承端盖10，轴承支撑体8内设有油腔17，轴承支撑体8两端分别设有定位槽；轴承9为两个，分别设置在轴承支撑体8两端的定位槽内，轴承9设置在转轴7上，轴承9两侧分别设有轴承挡圈11；轴承端盖10为两个，分别对两个轴承9限位；轴承端盖10套接在转轴7上，轴承端盖10包括端盖本体，端盖本体上伸出有伸入定位槽顶住轴承9的限位凸体，端盖本体与轴承支撑体8之间设有环形密封圈12；轴承端盖10与转轴7之间设有油毡13。轴承支撑体8设置在船体1壁上，轴承支撑体8上伸出有贴合在船体1上的限位壁，所述的限位壁与船体1之间设有密封圈15；转轴7一端置于船体1内，转轴7另一端伸出船体1与螺旋桨连接。压力防渗水机构6包括供油机构、增压机构。

轴承支撑体8沿径向设有油孔16，油腔17通过油孔16与供油机构连接，增压机构包括增压杆18、法兰19、增压弹簧20、增压缸体21、联接油管22、活塞23，增压缸体21的内壁上部设有内螺纹，增压杆18的下端设有旋紧块25，旋紧块25的侧壁上设有与内螺纹相配合的外螺纹，旋紧块25的下端通过增压弹簧20与活塞23连接，活塞23下端面与增压缸体21的内底壁、内侧壁之间形成增压腔26，增压腔26通过联接油管22与油腔17相连通，油腔17、增压腔26、油孔16、联接油管22内均设有油脂。油脂由供油机构输送。增压缸体21上端设有法兰19，增压杆18穿过法兰19设置。用内六角旋转增压杆18，改变增压弹簧20的伸缩量从而达到对增压缸体21内部压力的调整，也就是调整密封机构的密封压力。

传统的驱动部件连接船体的结构，必然存在运动部件静止部件之间相对运动，使得船体内外有间隙。由于船体外部是水，内部为空气，外部压力高于内部压力，外部的水就会渗透进入船体内部。而本发明在密封部件中开有密封用的密封油槽，从注油口往此中注入润滑脂，且在注油口外端接有增压机构，可以保证此处时刻充满油脂，保证密封，不会渗水。密封方法如下：将两个轴承9分别设置在轴承支撑体8两端的定位槽内，将两个轴承挡圈11分别设置在轴承9两侧，将轴承端盖10上的限位凸体顶住轴承9限位，将轴承端盖10与轴承支撑体8之间设置环形密封圈12，再在轴承端盖10与转轴7之间设置油毡13，油腔17内设有油脂，油脂压力与船体外的水压力形成平衡，配合环形密封圈12、油毡13，防止船体外的水渗透进入船体内部，实现密封。

船体1的前部两侧分别设有力传感器，船体1的中部两侧分别设有另外的力传感器，船体1的尾端设有力传感器；船体1的前端设有陀螺仪；船体1的尾端两侧分别设有位移传感器；力传感器、陀螺仪、位移传感器分别与控制器连接；控制器可采用smt32单片机，控制器与各驱动机构的电机连接。

一种定位用智能水上移动平台的定位方法，方法包括以下步骤：

a)船体置于水中，第一主驱动机构、第二主驱动机构向船体前方产生推力，分别为第一前进力、第二前进力，第一辅助驱动机构产生推力的方向朝向船体尾部并与第一主驱动机构产生推力的方向形成夹角，该推力分解为与第一前进力方向相反的第一后推力、垂直于第一后推力方向的第一侧向力；

所述的第二辅助驱动机构产生推力的方向朝向船体尾部并与第二主驱动机构产生推力的方向形成夹角，该推力分解为与第二前进力方向相反的第二后推力、垂直于第二后推力方向的第二侧向力；

所述的第二侧向力与第一侧向力方向相反；

b)系统通过力传感器、位移传感器、陀螺仪采集的信息判断船体位置状态，同时判断水流的方向、速度；通过控制电机从而控制螺旋桨转速，进而控制第一前进力、第二前进力、第一后推力、第二后推力、第一侧向力、第二侧向力的大小；

当第一前进力与水流合力、第二前进力与水流合力分别大于第一后推力与水流合力、第二后推力与水流合力时，船体前进；当第一前进力与水流合力、第二前进力与水流合力分别小于第一后推力与水流合力、第二后推力与水流合力时，船体后退；当第一前进力与水流合力、第二前进力与水流合力分别等于第一后推力与水流合力、第二后推力与水流合力时，船体在前后方向上没有位移；

当第一侧向力与水流合力大于第二侧向力与水流合力时，船体左移；当第一侧向力与水流合力小于第二侧向力与水流合力时，船体右移；当第一侧向力与水流合力等于第二侧向力与水流合力时，船体在左右方向上没有位移；

当船体在前后方向、左右方向上均没有位移时，船体静止定位。

本发明能够使船体在水中会受到水流影响的情况下高精度定位，能够使船体在使用螺旋桨的过程中避免水渗入船体。

通过控制电机从而控制螺旋桨转速，进而控制第一前进力、第二前进力、第一后推力、第二后推力、第一侧向力、第二侧向力的大小；其原理:

受力分析可知：

∑fx＝(f3-f4)sinα+(f4-f3)l2

∑fy＝(f1+f2)+(f1-f3)l4-(f4+f3)cosα

其中：

1、∑fx为x方向所受合力

2、∑fy为y方向所受合力

3、∑m为合力矩，方向以顺时针为正方向

4、f1，f2，f3，f4分别为四个螺旋浆的推力

5、f1，f2，f3，f4分别为四个方向上的均布载荷；

6、l4为船体受力部分的最大宽度；

7、l2为船体受力部分最大长度；

8、o船的重心所在轴线；

9、其余标记按图所示。

螺旋桨的推力f为：

f＝ktpn²d⁴

其中：

kt为推力系数；

p为螺旋桨螺距；

n为螺旋桨转速；

d为螺旋桨直径；

把螺旋桨的推力公式带入：∑fx，∑fy，∑m中可得：

∑fx＝(kt3p3n3²d3⁴-kt4p4n4²d4⁴)sinα+(f4-f3)l2

∑fy＝(kt1p1n1²d1⁴+kt2p2n2²d2⁴)+(f1-f3)l4-(kt4p4n4²d4⁴+kt3p3n3²d3⁴)cosα

由以上结论：通过控制螺旋桨的转速n1、n2、n3就可以得到控制螺旋桨的推力f和扭矩m,进一步可以获得船体运动的状态。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。