一种全自由度的水下潜航器及其控制方法与流程

本发明涉及rov技术领域，具体涉及一种全自由度的水下潜航器及其控制方法。

背景技术：

潜航器是通过水下推进器提供动力来实现水下航行，推进器的数量及布局决定了潜航器可实现的航行方向、可达到的姿态稳定程度。

专利cn201710547507.2中公开了一种搭载4个推进器的水下潜航器，其中2个水平推进器位于机壳尾部，推进方向平行于水平面，通过改变电机的正转反转为潜航器提供前进、后退、转弯的推进力；另外2个垂直推进器位于机身前中部，推进方向垂直于水平面，通过改变电机的正转反转为潜航器提供上浮、下潜、横滚的推进力，使得潜航器可实现前进、后退、上浮、下潜、左/右转弯、左/右倾翻转、定深拍摄的运动，但无法实现左右平移、俯仰、前后翻转等姿态动作。

为进一步满足用户使用需求，专利cn201810564943.5中在现有4个推进器的基础上，在潜航器纵轴线后端增加了一个竖直方向的推进器，通过三个垂直推进器的转速和转向的条件，可使潜航器在原四推进器的基础上增加俯仰、前后翻转、悬停(以一定角度保持在目标深度)的姿态动作，无法实现左右平移。在实际使用过程中，潜航器需要通过软件不断调整推进器的转速，来补偿因推进器布置产生的力矩不平衡的问题，程序的响应会有一定的滞后性，这就使得潜航器的稳定性较差，导致设备在水下作业时拍摄效果不佳，水下作业开展困难。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种全自由度的水下潜航器及其控制方法，解决现有潜航器无法实现全自由度姿态航行的问题，同时解决因推进器布置产生的力矩不平衡导致现有潜航器稳定性差的问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：一种全自由度的水下潜航器，其特征在于：包括舱体部件、整机支架部件和推进器部件，舱体部件和推进器部件均固定在整机支架部件上，舱体部件与推进器部件通过缆线连接；所述推进器部件由八个推进器组成，推进器部件具有对称面ⅰ、对称面ⅱ、对称面ⅲ，且对称面ⅰ、对称面ⅱ、对称面ⅲ两两正交，相邻推进器桨叶旋向相反。

更进一步的技术方案是所述推进器中轴线与对称面ⅰ所成的锐角大小为15°～75°，与对称面ⅱ所成的锐角大小为15°～75°，与对称面ⅲ所成的锐角大小为15°～75°。

更进一步的技术方案是所述推进器部件由第一推进器、第二推进器、第三推进器、第四推进器、第五推进器、第六推进器、第七推进器、第八推进器构成，其中第一推进器、第二推进器、第三推进器、第四推进器位于整机支架部件前端，第五推进器、第六推进器、第七推进器、第八推进器位于整机支架部件后端；第一推进器、第四推进器、第五推进器、第八推进器位于整机支架部件右侧，第二推进器、第三推进器、第六推进器、第七推进器位于整机支架部件左侧；第一推进器、第二推进器、第五推进器、第六推进器位于舱体部件上方，第三推进器、第四推进器、第七推进器、第八推进器位于舱体部件下方；

第一推进器、第二推进器与第五推进器、第六推进器关于对称面ⅰ对称，第三推进器、第四推进器与第七推进器、第八推进器关于对称面ⅰ对称；

第一推进器、第二推进器与第三推进器、第四推进器关于对称面ⅱ对称，第五推进器、第六推进器与第七推进器、第八推进器关于对称面ⅱ对称；

第一推进器、第四推进器与第二推进器、第三推进器关于对称面ⅲ对称，第五推进器、第八推进器与第六推进器、第七推进器关于对称面ⅲ对称。

更进一步的技术方案是所述舱体部件包括控制舱部件和电池舱部件，所述控制舱部件的控制舱体内设置有镜头、控制主板，所述电池舱部件的电池舱体内设置有电池组，控制舱体与电池舱体可拆卸地插接，控制舱体侧壁上设置有水密插接件，水密插接件与推进器部件通过缆线连接。

更进一步的技术方案是所述整机支架部件由前端支架、尾部支架、第一连接杆和第二连接杆构成，第一连接杆和第二连接杆两端分别与前端支架、尾部支架固定；所述控制舱体、推进器部件中的四个推进器均固定在前端支架上，前端支架上开设有镜头的让位孔、照明灯的固定孔，照明灯固定于固定孔内且分布在控制舱体两侧；所述推进器部件中剩余的四个推进器均固定在尾部支架上，尾部支架上开设有电池舱体让位孔，电池舱部件活动固定在尾部支架上。

更进一步的技术方案是所述第一连接杆设置有多根且环绕潜航器纵轴线均匀布置，第一连接杆上设置有电池舱体固定架、控制舱体固定架，电池舱体固定架、控制舱体固定架为环状且其上开设有固定孔，电池舱体固定架、控制舱体固定架通过固定孔插接在第一连接杆上。

更进一步的技术方案是所述第二连接杆分布在舱体部件两侧，第二连接杆中部固定有提手，提手外侧壁向外延伸弯制成走线槽，缆线卡接在走线槽内。

更进一步的技术方案是所述前端支架顶部设置有gps模块，gps模块所在位置为潜航器最高位置，gps模块与控制主板信号连接。

本发明还可以是一种全自由度的水下潜航器的控制方法，其特征在于：所述水下潜航器的八个推进器完全对称布置，相邻推进器的桨叶旋向不同，潜航器能完成前进、后退、上浮、下潜、左/右平移、左/右转弯、左/右倾翻转、低/抬头旋转以及定深悬停姿态动作，实现其前后左右上下的移动和翻转全自由度的运动，具体地：

前进：第一、二、三、四推进器产生正向推力，第五、六、七、八推进器产生反向推力，推进器转速相同，潜航器前进；

后退，第一、二、三、四推进器产生反向推力，第五、六、七、八推进器产生正向推力，推进器转速相同，潜航器后退；

右移：第二、三、六、七推进器产生正向推力，第一、四、五、八推进器产生反向推力，推进器转速相同，潜航器向右平移；

左移：第二、三、六、七推进器产生反向推力，第一、四、五、八推进器产生正向推力，推进器转速相同，潜航器向左平移；

上浮：第一、二、五、六推进器产生正向推力，第三、四、七、八推进器产生反向推力，推进器转速相同，潜航器向上运动；

下潜：第一、二、五、六推进器产生反向推力，第三、四、七、八推进器产生正向推力，推进器转速相同，潜航器向下运动；

左转：第一、四、六、七推进器产生正向推力，第二、三、五、八推进器产生反向推力，推进器转速相同，潜航器向左转弯；

右转：第一、四、六、七推进器产生反向推力，第二、三、五、八推进器产生正向推力，推进器转速相同，潜航器向右转弯；

低头旋转：第三、四、五、六推进器产生正向推力，第一、二、七、八推进器产生反向推力，推进器转速相同，潜航器镜头朝下旋转；

抬头旋转：第三、四、五、六推进器产生反向推力，第一、二、七、八推进器产生正向推力，推进器转速相同，潜航器镜头朝上旋转；

左倾翻转：第一、三、五、七推进器产生正向推力，第二、四、六、八推进器产生反向推力，推进器转速相同，潜航器朝左侧旋转；

右倾翻转：第一、三、五、七推进器产生正向推力，第二、四、六、八推进器产生反向推力，推进器转速相同，潜航器朝右侧旋转。

更进一步的技术方案是所述水下潜航器具备一键返航功能，具体地：

1)潜航器入水时通过gps模块解析其具体位置并反馈给控制主板，控制主板记录潜航器初始位置；

2)操作人员发出一键返航指令，控制主板接收命令后，潜航器以最大速度上浮至gps模块露出水面，通过gps模块的位置信号，潜航器自动返回初始位置或者操作人员指定位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.八个推进器完全对称布置，相邻推进器的桨叶旋向不同，且推进器轴线与对称面成一定角度，使潜航器能完成前进、后退、上浮、下潜、左/右平移、左/右转弯、左/右倾翻转、低/抬头旋转以及定深悬停姿态动作，实现其前后左右上下的移动和翻转全自由度的运动。推进器布局在实现过程中，平移与旋转相互独立，平移时合力仅为与平移方向重合的力矢量，旋转时合力仅为与旋转方向重合的力偶，控制效果稳定。且由于推进器件相互对称平衡，推进器本身的正反推力差异将不会对潜航器姿态造成不利影响，控制信号输出一致即可，大幅度降低了控制算法复杂程度，避免了算法误差，提高了控制稳定性及姿态控制响应速度。

2.电池舱体与控制舱体通过插接形式可拆卸地连接，当潜航器电量不足或者电池损坏时，可快速切换备用电源，便于使用和检修。

3.通过艏部支架、尾部支架结合固定两者地连接杆，将舱体部件和推进器部件进行组装后使用，结构简单安装方便，同时第二连接杆可以作为提手使用也可以在其上安装对应提手，使潜航器更加便携。

4.gps模块可以在潜航器回到水面后迅速定位潜航器位置，为潜航器的回收提供便利。

5.潜航器具备一键返航功能，便于操作人员快速回收设备。

附图说明

图1为本发明中潜航器的结构示意图。

图2为本发明中推进器部件的结构示意图。

图3为潜航器前进时的受力分析图。

图4为潜航器左转时的受力分析图。

图5为本发明中舱体部件的结构示意图。

图6为本发明中整机支架部件的结构示意图。

图中：1-舱体部件，2-整机支架部件，3-第一推进器，4-第二推进器，5-第三推进器，6-第四推进器，7-第五推进器，8-第六推进器，9-第七推进器，10-第八推进器，11-控制舱体，12-电池舱体，13-水密插接件，21-前端支架，22-尾部支架，23-第一连接杆，24-第二连接杆，25-电池舱体固定架，26-控制舱体固定架，27-提手，28-走线槽，29-gps模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为便于理解，本发明中的前后左右方向如图2所示，将潜航器的八个推进器的几何对称中心定义为机身坐标原点，x轴正方向指向潜航器的左侧，x轴反方向指向潜航器的右侧，y轴正方向指向潜航器的正前方，y轴反方向指向潜航器的后方，z轴正方向指向潜航器的正上方，z轴反方向指向潜航器的下方，对称面ⅰ为xz平面，对称面ⅱ为xy平面，对称面ⅲ为yz平面，纵轴线指的是y轴所在的直线。

实施例1

图1示出了一种全自由度的潜航器，其特征在于：包括舱体部件1、整机支架部件2和推进器部件，舱体部件1和推进器部件均固定在整机支架部件2上，舱体部件1与推进器部件通过缆线连接；所述推进器部件由八个推进器组成，推进器部件具有对称面ⅰ、对称面ⅱ、对称面ⅲ，且对称面ⅰ、对称面ⅱ、对称面ⅲ两两正交，相邻推进器桨叶旋向相反。所述推进器中轴线与对称面ⅰ所成的锐角大小为15°～75°，优选地夹角为45°；推进器中轴线与对称面ⅱ所成的锐角大小为15°～75°，优选地夹角为45°；推进器中轴线与对称面ⅲ所成的锐角大小为15°～75°，优选地夹角为45°。推进器中轴线与对称面夹角过小或者过大，其推力正交分解后其中一个方向上的分力就会过小，导致该方向的运动速度变慢。

所述推进器部件由第一推进器3、第二推进器4、第三推进器5、第四推进器6、第五推进器7、第六推进器8、第七推进器9、第八推进器10构成，其中第一推进器3、第二推进器4、第三推进器5、第四推进器6位于整机支架部件2前端，第五推进器7、第六推进器8、第七推进器9、第八推进器10位于整机支架部件2后端；第一推进器3、第四推进器6、第五推进器7、第八推进器10位于整机支架部件2右侧，第二推进器4、第三推进器5、第六推进器8、第七推进器9位于整机支架部件2左侧；第一推进器3、第二推进器4、第五推进器7、第六推进器8位于舱体部件1上方，第三推进器5、第四推进器6、第七推进器9、第八推进器10位于舱体部件1下方。

第一推进器3、第二推进器4与第五推进器7、第六推进器8关于对称面ⅰ对称，第三推进器5、第四推进器6与第七推进器9、第八推进器10关于对称面ⅰ对称。

第一推进器3、第二推进器4与第三推进器5、第四推进器6关于对称面ⅱ对称，第五推进器7、第六推进器8与第七推进器9、第八推进器10关于对称面ⅱ对称；

第一推进器3、第四推进器6与第二推进器4、第三推进器5关于对称面ⅲ对称，第五推进器7、第八推进器10与第六推进器8、第七推进器9关于对称面ⅲ对称。

推进器桨叶有左旋桨与右旋桨之分，以左旋桨为例，桨叶逆时针旋转，推进器产生正向推力，桨叶顺时针旋转，推进器产生反向推力，右旋桨则刚好相反，一般情况下正向推力大于反向推力。

上述潜航器姿态控制方法如下：

基本平移运动：

前进：第一、二、三、四推进器产生正向推力，第五、六、七、八推进器产生反向推力，推进器转速相同，潜航器前进；

后退，第一、二、三、四推进器产生反向推力，第五、六、七、八推进器产生正向推力，推进器转速相同，潜航器后退；

右移：第二、三、六、七推进器产生正向推力，第一、四、五、八推进器产生反向推力，推进器转速相同，潜航器向右平移；

左移：第二、三、六、七推进器产生反向推力，第一、四、五、八推进器产生正向推力，推进器转速相同，潜航器向左平移；

上浮：第一、二、五、六推进器产生正向推力，第三、四、七、八推进器产生反向推力，推进器转速相同，潜航器向上运动；

下潜：第一、二、五、六推进器产生反向推力，第三、四、七、八推进器产生正向推力，推进器转速相同，潜航器向下运动。

基本旋转运动：

左转：第一、四、六、七推进器产生正向推力，第二、三、五、八推进器产生反向推力，推进器转速相同，潜航器向左转弯，绕z轴逆时针旋转；

右转：第一、四、六、七推进器产生反向推力，第二、三、五、八推进器产生正向推力，推进器转速相同，潜航器向右转弯，绕z轴顺时针旋转；

低头旋转：第三、四、五、六推进器产生正向推力，第一、二、七、八推进器产生反向推力，推进器转速相同，潜航器镜头朝下旋转，绕x轴逆时针旋转；

抬头旋转：第三、四、五、六推进器产生反向推力，第一、二、七、八推进器产生正向推力，推进器转速相同，潜航器镜头朝上旋转，绕x轴顺时针旋转；

左倾翻转：第一、三、五、七推进器产生正向推力，第二、四、六、八推进器产生反向推力，推进器转速相同，潜航器朝左侧旋转，绕y轴顺时针旋转；

右倾翻转：第一、三、五、七推进器产生正向推力，第二、四、六、八推进器产生反向推力，推进器转速相同，潜航器朝右侧旋转，绕y轴逆时针旋转。

如上，潜航器既可沿x、y、z方向做直线运动，又可以绕x、y、z轴转动，完成6个自由度的全自由度运动，且平移运动时仅会产生一个平移方向上的合力，旋转时也仅会产生一个旋转方向上的转矩，相互组合即可实现任意的运动姿态，实现全自由度航行。

潜航器受力情况如下：

前进时潜航器受力情况如图3所示，箭头指向推进器推力方向。其中图3a中潜航器前端四个推进器推力在xz平面内的分布如图所示，经分解后，其x、z轴方向合力大小相等、方向相反，同理，潜航器尾部四个推进器推力在x、z轴上合力为零。

图3b中潜航器左侧四个推进器推力在yz平面内的分布如图所示，经分解后，其z轴方向合力大小相等、方向相反，y轴推力方向相同，推力叠加，同理，潜航器右侧四个推进器推力z轴上合力为零，y轴推力叠加，潜航器往y轴方向运动。

图3c中潜航器上方四个推进器推力在xy平面内的分布如图所示，经分解后，其x轴方向合力大小相等、方向相反，y轴推力方向相同，推力叠加，同理，潜航器下方四个推进器推力在x轴上合力为零，y轴推力叠加，潜航器往y轴方向运动。

综上由于推进器完全对称布置，前进时，其它方向分力相互平衡抵消，只在前进方向上存在合力，且没有额外转矩产生。

左转时潜航器受力情况如图4所示，箭头指向推进器推力方向。其中图4a中潜航器前端四个推进器推力在xz平面内的分布如图所示，经分解后，其z轴方向合力大小相等、方向相反，x轴的推力叠加，指向x轴正方向，对应的，潜航器尾部四个推进器推力在z轴上合力为零，x轴的推力叠加，指向x轴反方向，潜航器有绕z轴逆时针旋转的趋势。

图4b中潜航器左侧四个推进器推力在yz平面内的分布如图所示，经分解后，其z轴方向合力大小相等、方向相反，y轴推力方向相同，推力叠加，指向y轴反方向，对应的，潜航器右侧四个推进器推力z轴上合力为零，y轴推力叠加，指向y轴正方向，潜航器有绕z轴逆时针旋转的趋势。

图4c中潜航器上方四个推进器推力在xy平面内的分布如图所示，四个推进器均产生逆时针力矩，使潜航器有绕z轴逆时针旋转的趋势。

综上所述，潜航器绕z轴逆时针旋转即左转时，不在旋转平面上的分力相互抵消，旋转平面上的力均为力偶，因而合力为一个驱动潜航器左转的力偶。

综合上述描述可知，本方案布局在实现过程中，平移与旋转相互独立，平移时合力仅为与平移方向重合的力矢量，旋转时合力仅为与旋转方向重合的力偶，相互叠加合成即可实现全自由度控制，且控制效果稳定。且由于推进器件相互对称平衡，推进器本身的正反推力差异将不会对潜航器姿态造成不利影响，控制信号输出一致即可，大幅度降低了控制算法复杂程度，避免了算法误差，提高了控制稳定性及姿态控制响应速度。同时由于全自由度的控制均由全部推进器共同参与，潜航器可根据实际工作需要合理调配推进器推力输出，故单自由度的动力总量对比现有方案有很大优势，因而潜航器在整体带载能力，控制稳定性，推进器寿命等方面均有很大优势。

由于水下环境复杂、暗流涌动，为了进一步保证水下潜航器的姿态稳定性，需要通过微控制器及传感器(加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计)实时解算潜航器姿态，利用控制算法及混控矩阵，计算出八个推进器的输出推力，经伺服驱动器控制推进器的无刷电机，对水下潜航器位置进行实时纠偏，从而实现姿态稳定控制。

为进一步快速回收水下潜航器，所述水下潜航器具备一键返航功能，具体地：

1)潜航器入水时通过gps模块29解析其具体位置并反馈给控制主板，控制主板记录潜航器初始位置；

2)操作人员发出一键返航指令，控制主板接收命令后，潜航器以最大速度上浮至gps模块29露出水面，通过gps模块29的位置信号，潜航器自动返回初始位置或者操作人员指定位置。

实施例2

为进一步优化实施例1中的技术方案，本实施例中所述舱体部件1包括控制舱部件和电池舱部件，所述控制舱部件的控制舱体11内设置有镜头、控制主板，所述电池舱部件的电池舱体12内设置有电池组，控制舱体11与电池舱体12可拆卸地插接，控制舱体11侧壁上设置有水密插接件13，水密插接件13与推进器部件通过缆线连接。如图5所示，控制舱体11端部设置有水密插座，电池舱体12对应端部设置有水密插头，通过插头插座实现电源与控制舱的插接，以实现对控制舱部件的供电。当潜航器电量不足或者电池损坏时，可快速切换备用电源，便于使用和检修。

为方便潜航器的装配，如图6所示，所述整机支架部件2由前端支架21、尾部支架22、第一连接杆23和第二连接杆24构成，第一连接杆23和第二连接杆24两端分别与前端支架21、尾部支架22固定；所述控制舱体11、推进器部件中的四个推进器均固定在前端支架21上，前端支架21上开设有镜头的让位孔、照明灯的定位孔，照明灯固定于固定孔内且分布在控制舱体11两侧。所述推进器部件中剩余的四个推进器均固定在尾部支架22上，尾部支架22上开设有电池舱体12让位孔，电池舱部件活动固定在尾部支架22上。

所述第一连接杆23设置有多根且环绕潜航器纵轴线y轴均匀布置，第一连接杆23上设置有电池舱体固定架25、控制舱体固定架26，电池舱体固定架25、控制舱体固定架26为环状且其上开设有固定孔，电池舱体固定架25、控制舱体固定架26通过固定孔插接在第一连接杆23上。通过电池舱体固定架25、控制舱体固定架26进一步提高整体支架部件2的强度。

所述第二连接杆24分布在舱体部件1两侧，第二连接杆24中部固定有提手27，提手27外侧壁向外延伸弯制成走线槽28，缆线卡接在走线槽28内。提手27进一步提高潜航器的便携性。

所述前端支架21顶部设置有gps模块29，gps模块29所在位置为潜航器最高位置，gps模块29与控制主板信号连接。可以在潜航器回到水面后迅速定位潜航器位置，为潜航器的回收提供便利。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。