本发明涉及运动学与动力学领域，涉及一种爬行和滑翔按周期进行变化前进的水下行走装置。
背景技术
传统的遥控水下机器人(rov)在水中航行，是目前进行近海平台基座巡检的主要工具，但海底地形崎岖不平且环境复杂多变，存在着大量的淤泥、岩石，传统的rov无法近距离多方位对海底设施进行巡检，由于近海海水能见度低，rov巡检的准确性不足；在近海浪和流作用剧烈，其运动性能易受影响；近海海底有大量的海洋沉积物和海洋生物，rov在运动过程中螺旋桨和脐带缆容易被水草等海洋植物缠绕，影响其巡检效果。相比于传统rov，以多足爬行为主要运动模式的仿生机器蟹具备紧贴地面运动的能力，可以近距离多方位观察海底平台基座裂纹与腐蚀状态，巡检的准确性有很大提高，且仿生机器蟹机体形状扁平，不受浪和流的影响。
然而近海平台往往比较分散，间距可达十几甚至几十公里，导致仿生机器蟹作业地点离散，而其自身携带的能量有限，无法支撑仿生机器蟹在作业地点切换过程中爬行所消耗的能量，在切换作业地点时必须借助于母船，增加了作业成本，制约了其在近海平台基座巡检中的应用。
目前，水下滑翔机的技术已日趋完善，其驱动系统巧妙地利用了航行时浮力的变化，将航行器的浮力变换转换为前进驱动力，从而降低能耗，实现了水下航行器的长时间水下航行。水下滑翔机的低功耗运动模式为仿生机器蟹转换作业地点困难提供了解决方案。水下滑翔机的滑行运动离不开大翼展滑翔翼，仿生机器蟹可以通过同一套机械结构变形实现步行足与水下滑翔机滑翔翼之间的转换，使仿生机器蟹与水下滑翔机的结合成为可能。将水下滑翔机浮力调节与重心调节技术应用于仿生机器蟹，通过变形实现爬行和滑翔运动模式的切换。
本发明融合足式行走技术与浮力姿态调节技术，设计一型兼具仿生蟹灵活稳定和水下滑翔机能耗低、作业时间长特点的两栖机器人。该仿生蟹搭载液压油浮力调节装置和重心调节装置，通过机械足驱动电机旋转使机械足合并组成完整的滑翔翼，在浮力和重心周期变化下实现水下滑翔，不仅具备作业范围广，环境适应能力强，运动模式多样的优点，在近海平台基座巡检的过程中既可以通过爬行近距离多方位观测，又可以通过滑翔模式方便的切换作业地点该项目的探索研究对于近海平台巡检具有重要意义
技术实现要素：
有鉴于此，为了达到上述技术方案的效果，本发明提供一种解决或部分解决上述问题的一种全向回转水下航行器：
一种全向回转水下航行器，其特征在于：
全向回转水下航行器包括主体、整流罩、首部螺旋桨推进器，尾部螺旋桨推进器，防水电机、步进电机、电池、控制系统；
主体包括前部的电机舱、中部的密封舱和尾部的推进舱，前部电机舱后端和推进舱前端都有轴套，主要是利用轴承的连接原理进行传动连接，协同运动，轴套平行于航行器的轴线；前部电机舱利用横滚原理通过后端的轴承带动中轴实现动力协同运动，推进舱后端通过力的运动传动原理带动轴承传输到前端；
整流罩位于主体的最前端，整流罩为半椭球形，采用流线型的回转体结构，利用鱼鳍原理，使航行器旋转更加灵活；整流罩中有涵道，整流罩后端有一个轴线方向与航行器轴线平行的轴承，轴承与中部密封舱相连；
主体中部的密封舱有电池和控制系统，电池和控制系统放置位置平行于航行器轴线且位于下方，电池和控制系统重心位置位于轴线以下；控制系统是航行器的核心操作系统，控制系统内部中央处理机对信号进行处理与决策，主要通过对由传感器系统采集的测量信号进行处理，并与预先设定的参数推力f,偏角θ进行比较、分析判断，发出相应的控制指令给电机执行直线行驶或者旋转行驶的推力，使航行器具体执行直行还是偏转，航行器直行与偏转轨迹由下述公式进行分析；航行器按预定的轨迹航行，并给控制系统提供何时上浮何时下潜航行、动力系统何时关机等指令，管理和控制整个航行器航行、测量与回收；
首部螺旋桨推进器位于整流罩上的涵道中，采用螺旋桨主要是以其吸收给定功率获得最大推力目标提高航行器效率，另一方面以其使用安全和最大限度地实现减振降噪为目标解决空泡和激振问题；首部螺旋桨推进器转轴方向与涵道轴线方向平行；首部螺旋桨推进器中有步进电机，步进电机在主体前部的电机舱内，转轴方向与航行器轴线平行；利用步进电机将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件原理，首部的螺旋桨推进器可以在360°范围内转向，对航行器施加侧向力，与尾部螺旋桨推进器配合，使航向器能够灵活运动；整流罩通过轴承与步进电机转轴外的轴套串联，使整流罩可以在主体上绕航行器轴线旋转，步进电机转轴穿过轴套和轴承，与整流罩固定；
尾部螺旋桨推进器位于主体尾部，螺旋桨推进器的转轴方向与航行器轴线方向平行，尾部螺旋桨推进器主要产生推力作用，不产生偏转运动，尾部可动部分需要存在舵效应，但首部螺旋桨需要进行全向偏转；基于一种空间连杆-万向节的矢量推进装置，该矢量推进器由一个步进电机和防水电机驱动，其中，防水电机主要用来驱动螺旋桨旋转以产生推进力，而步进电机则用来确定螺旋桨的方位，影响着推力的方向，从而有效控制水下航行器的运动；防水电机安装在尾部，螺旋桨通过万向节与尾座连接，防水电机和尾座的连接只传递推力，没有旋转，而步进电机安装在首部，以调整航行器的空间姿态，实现航行器的全向回转；尾部螺旋桨推进器包括防水电机和桨叶，防水电机的转轴和桨叶串联；
航行器前进时，尾部螺旋桨推进器转动向前推进，使航行器产生向前直线运动；
航行器向前的直线运动计算的第一公式为：
第一公式：
其中，s代表航行器的直线运动，t代表时间，t>0，t为正实数，f表示对航行器施加的力f>0；以航行器重心为坐标原点建立坐标系，x代表航行器的横坐标，y代表航行器的纵坐标，z代表航行器的高坐标,dx表示航行器横坐标变化元素，dy表示航行器纵坐标变化元素,dz表示航行器高坐标变化元素；s1为航行器在t时的线运动；m为航行器重量，f1为t时尾部螺旋桨推进器对航行器的推力，v0为航行器初始时的速度，x0为航行器初始时在空间中的横坐标位置，y0为航行器初始时在空间中的纵坐标位置，z0为航行器初始时在空间中的高坐标位置；xt为航行器t时在空间中的横坐标位置，yt,为航行器t时在空间中的纵坐标位置，zt为航行器t时在空间中的高坐标位置；
通过第一公式可以得出航行器在受到尾部螺旋桨推进器的推力时的沿着直线运动的轨迹；t时航行器所处的位置即由得出的s1表示，进而确定航行器直线运动轨迹，航行器的直线运动决定了航行器在近海距离进行爬行巡视的路线；
尾部螺旋桨推进器在航行器向前时，通过对航行器施加平行于前进方向的力使航行器向前进行移动；
航行器需要向某个方向偏转时，步进电机旋转带动整流罩涵道内的首部螺旋桨推进器，首部螺旋桨推进器产生推力，且推力方向转动到与航行器需要偏转方向相反的角度，首部螺旋桨推进器转动，产生推力使航行器往需要偏转的方向偏转；
航行器旋转运动计算的第二公式为：
第二公式：
其中，s代表航行器的直线运动，t代表时间，t>0，t为正实数，f表示对航行器施加的力f>0；以航行器重心为坐标原点建立坐标系，x代表航行器的横坐标，y代表航行器的纵坐标，z代表航行器的高坐标,dx表示航行器横坐标变化元素，dy表示航行器纵坐标变化元素,dz表示航行器高坐标变化元素，cos表示余弦函数，θ表示角度，cosθ表示θ角的余弦值，0<cosθ<1；s2为航行器在t时的旋转运动；m为航行器重量，f2为t时首部螺旋桨推进器对航行器的推力，θ为在时间t时，首部螺旋桨推进器对航行器施加的f2与航行器的夹角，v0为航行器初始时的速度，x0为航行器初始时在空间中的横坐标位置，y0为航行器初始时在空间中的纵坐标位置，z0为航行器初始时在空间中的高坐标位置；xt为航行器在时间t时在空间中的横坐标位置，yt,为航行器在时间t时在空间中的纵坐标位置，zt为航行器在时间t时在空间中的高坐标位置；由第二公式通过航行器施加一定角度的力产生相应的力矩带动航行器进行旋转，实现近海平台巡检的滑翔切换；
航行器通过首部螺旋桨推进器与尾部螺旋桨推进器的互相配合以及周期性的进行交替，使航行器实现直线运动与旋转运动的交替变换，且首部螺旋桨推进器的360°范围内转向实现航行器在水下的全向回转。
附图说明
图1是全向回转水下航行器结构图
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行详细的说明。应当说明的是，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，能实现同样功能的产品属于等同替换和改进，均包含在本发明的保护范围之内。具体方法如下：
实施例1：螺旋桨推进器设置对运动方式的改变
航行器中安装有首尾两个螺旋桨推进器，通过在不同周期的协同来改变航行器的运动。具体主要是螺旋桨推进系统通过改变整个推进系统的方向来改变推力方向，且此改变方法又分为全部偏转式、部分偏转式和不偏转式。
全部偏转式需要整个推进部分可动，因此前面设置的驱动部分装置较大且复杂、需密封，设置一整流罩。尾部可动部分需要存在舵效应。而部分偏转式和不偏转式因为需要配合全偏转式完成复杂运动，因此，在设计时需要复杂的传动装置。基于一种空间连杆-万向节的矢量推进装置。该矢量推进器由一个步进电机和防水电机驱动。防水电机主要用来驱动螺旋桨旋转以产生推进力，而步进电机则用来确定螺旋桨的方位，影响着推力的方向，从而有效控制水下航行器的运动。防水电机安装在尾部，螺旋桨通过万向节与尾座连接。以产生偏转推进力。防水电机和尾座的连接只传递推力，没有旋转。而步进电机安装在首部，以调整航行器的空间姿态，实现航行器的全向回转。
本发明的有益成果在于：融合足式行走技术与浮力调节技术设计的全向回转水下航行器，通过机械足驱动电机旋转使机械足合并组成完整的滑翔翼，在浮力和重心周期变化下实现水下滑翔，实现了在近海平台基座巡检的过程中既可以通过爬行近距离多方位观测，又可以通过滑翔模式方便的切换作业地点。不仅解决航行器作业范围广、环境适应能力强的要求，又解决了能耗低、作业时间长的要求，为近海平台的巡检提供了方便。