双推进器矢量控制且天线可折叠的自主水下航行器的制作方法

本发明属于水下航行器技术领域，具体涉及一种双推进器矢量控制且天线可折叠的自主水下航行器。

背景技术：

近年来，随着海洋工程技术的发展，自主水下航行器得到了越来越广泛的应用。常规的自主水下航行器采用尾部推进器来推进，外加尾舵实现俯仰和转向的操控。这种尾舵操控的方式，转弯半径比较大，而且其操控性跟航行速度耦合，在低航速下尾舵转向效果不好甚至可能失效。另外还出现了一种单推进器矢量控制的自主水下航行器，采用常平架或者别的机构实现尾部推进器的矢量摆动。因为其操控性不再跟航行速度耦合，所以在低航速下依然可以实现较好的操控性。这种矢量推进的自主水下航行器虽然提升了操控灵活性，但是其结构通常比较复杂，而且依然很难实现转弯半径为零的转向。而在某些应用场合，比如海底管道探测，在水平面上的灵活性至关重要，这样可以更好地实现目标跟踪。在此背景下，对自主水下航行器的航向控制机构进行改进显得尤为重要。

此外，在船上或者通过冰孔布放回收自主水下航行器时，自主水下航行器主体外部突出的零部件容易因为碰撞而损坏，比如尾舵、突出的天线，因此，很有必要解决该问题。

技术实现要素：

为解决现在技术存在的上述问题，本发明提供了一种双推进器矢量控制且天线可折叠的自主水下航行器，舵机通过连杆机构的驱动，带动自主水下航行器尾部对称分布的两个推进器实现上下摆动，从而以矢量推进的方式实现自主水下航行器上浮下潜的控制，并通过控制两个推进器的差速转动实现自主水下航行器的转向。此外，两个推进器安装在整个自主水下航行器的外轮廓之内，天线采用了可以收到导流外壳内部的可折叠结构，这些设计使得自主水下航行器在布放回收时没有突出主体以外的零部件，不容易因为碰撞而损坏。

本发明采用的技术方案是：

双推进器矢量控制且天线可折叠的自主水下航行器，包括上导流罩、下导流罩，上导流罩和下导流罩连接形成舱体，所述舱体内安装有主舱及设置在主舱两侧的电源舱，所述主舱的头部设置有多个摄像头结构，所述主舱的尾部连接有尾部推进机构，所述主舱的尾端上设置有天线结构，其特征在于：所述尾部推进机构包括对称设置在舱体尾部两侧的推进器，两个所述推进器均与带动其在垂直空间面上同步转动后调整俯仰状态的第一水下舵机连接，并且通过两个所述推进器差额转速控制转向，所述第一水下舵机安装于舱体内并连接于主舱的后端盖上。本发明水下航行器采用双推进器矢量控制推进机构，在水平面内采用双推进器差分转向，结构更为简单，而且可以实现转弯半径接近为0的转向；第一水下舵机采用外置的方式来驱动双推进器在纵垂面上的旋转，而不是将电机装在主舱内通过动密封来驱动，避免了主密封舱因为动密封失效而漏水的风险。

进一步，所述第一水下舵机通过传动机构分别与两侧的推进器连接，所述传动机构包括舵机摆臂、拉杆、摇臂、驱动内杆、第一驱动杆、第二驱动杆，所述舵机摆臂固定在第一水下舵机的输出轴上，所述拉杆的两端分别通过拉杆夹头与舵机摆臂、摇臂铰接连接形成连杆机构，所述摇臂的另一端与驱动内杆固定连接，所述驱动内杆的两端分别与第一驱动杆、第二驱动杆固定连接，所述第一驱动杆和第二驱动杆分别与对应侧的推进器固定连接。

进一步，所述推进器固定在推进器固定座上，所述推进器固定座固定在第一驱动杆或第二驱动杆上。

进一步，所述第一驱动杆和第二驱动杆均通过轴承穿设于相应的轴承固定座，所述轴承固定座固定在转接板上，所述转接板与水下舵机固定板固定连接。轴承固定座用以抵消推进器通过驱动外杆施加给摇臂的力矩，起稳定机构的作用。

进一步，所述第一水下舵机固定在水下舵机固定板上，所述水下舵机固定板通过角码固定于主舱的后端盖上，所述角码与水下舵机固定板连接的一侧开设有固定连接用的圆形孔，所述角码与主舱的后端盖连接的一侧开设有用于调整尾部推进机构安装位置的槽口。水下舵机固定板可沿槽口方向上下移动，进而控制整个尾部推进机构可沿槽口方向上下移动，从而可以通过调整推进器上下位置实现水平航行时推进器提供的推进力与自主水下航行器的浮心位于同一水平面，避免产生额外的俯仰转矩。

进一步，所述天线结构通过旋转折叠结构连接于水下舵机固定板上，所述上导流罩上开设有天线结构折叠穿过的槽口，所述旋转折叠机构包括第二水下舵机转接板、第二水下舵机及其舵盘，所述第二水下舵机固定在第二水下舵机转接板上，所述第二水下舵机转接板与水下舵机固定板固定连接，所述天线结构包括天线外罩，所述天线外罩通过天线转接件连接于第二水下舵机的舵盘上。

进一步，所述上导流罩的尾端上安装有可拆卸的垂直稳定翼，垂直稳定翼通过螺栓连接固定在上导流罩上，可以方便拆卸，在需要通过冰孔布放或者容易被碰撞的场合可以拆掉不安装，以保护垂直稳定翼免于磕碰变形或损坏。

进一步，所述电源舱的端盖上设有用于外挂配重块的螺纹盲孔，可利用螺纹盲孔外挂重块对自主水下航行器进行配重，以保证自主水下航行器航行时的平衡状态。

进一步，所述舱体为扁平状的鱼身形状，其截面为扁椭圆形或环形跑道形状，一方面确保良好的水动力性能，另一方面兼顾内部空间的最大化利用以及便于安装载荷。

进一步，所述舱体的尾部两侧设有内凹结构，所述推进器安装于内凹结构处。即两个推进器安装位置在整个自主水下航行器的外轮廓之内，在地面调试自主水下航行器时，可以直接把自主水下航行器侧着放在地面上，推进器不会碰到地面，方便放置和调试；在轮船上布放回收自主水下航行器时，推进器不容易被碰到，起到保护推进器的作用；在冰孔上布放自主水下航行器时，因为推进器在自主水下航行器的外轮廓之内，冰孔只会与自主水下航行器的导流外壳接触而不会碰到推进器，对推进器起到了保护作用。

本发明的有益效果是：

1、水下航行器采用双推进器矢量控制推进机构，跟单推进器矢量控制自主水下航行器相比，在水平面内采用双推进器差分转向，结构更为简单，而且提高了水平面上的操控灵活性，可以实现转弯半径接近为零的转向，这是单推进器矢量控制自主水下航行器实现不了的。

2、在内部密封舱的基础上，外部罩上扁平导流罩，整体形状尽量往扁平状的鱼身形状靠拢。自主水下航行器主体截面接近扁椭圆形，或者类似环形跑道，扁平的面可以安装一些扁平状的载荷，而不用为此过大的增加自主水下航行器的体积，从而减轻自主水下航行器的重量；类似扁平鱼身的外形兼具了良好的水动力性能和美观的外观；此外，密封舱外空的地方都可以用于安装科学载荷，空间利用率高。

3、采用外置的第一水下舵机来驱动双推进器在纵垂面上的旋转，而不是将电机装在主密封舱内通过动密封来驱动，避免了主密封舱因为动密封失效而漏水的风险。

4、整个尾部推进机构可以在一定范围内上下调整，从而实现水平航行时推进器提供的推进力与自主水下航行器的浮心位于同一水平面，避免产生额外的俯仰转矩。

5、推进器的电机如果采用有刷电机，则不可避免需要动密封，或者需要通过磁耦合传动来代替动密封，这两种方案都会增大推进器的体积，而本发明中，推进器采用的是无需动密封的无刷电机，提高了可靠性，而且推进器体积小、重量轻、转动惯量小，可以减少驱动推进器在纵垂面摆动的转矩。

6、两个推进器安装位置在整个自主水下航行器的外轮廓之内，在地面调试自主水下航行器时，可以直接把自主水下航行器侧着放在地面上，推进器不会碰到地面，方便放置和调试；在轮船上布放回收自主水下航行器时，推进器不容易被碰到，起到保护推进器的作用；在冰孔上布放自主水下航行器时，因为推进器在自主水下航行器的外轮廓之内，冰孔只会与自主水下航行器的导流外壳接触而不会碰到推进器，对推进器起到了保护作用。

7、水下自主航行器采用了一个主舱+两个电源舱的整体布局，两个外置电源舱规格相同，这样更容易保持自主水下航行器在横滚方向的平衡，而且电源舱外设有螺纹孔，在自主水下航行器不平衡时可以很方便外挂重块进行配平。此外，外置电源舱增加了水下自主航行器携带能源的能力。更进一步的，如果自主水下航行器需要连续作业，在自主水下航行器没电时可以直接更换电源舱，而不需要额外花时间等待电池的充电，提高了作业效率。

8、天线采用了可以旋转折叠的结构，在轮船上布放回收自主水下航行器时，或者在冰孔上布放回收自主水下航行器时，可以通过旋转天线将天线罩子收到导流外壳内部，这样天线不会被撞坏；当自主水下航行器在水下航行时，将天线收到导流外壳内部还可以减少自主水下航行器的水阻力；当自主水下航行器浮到水面时，可以通过旋转天线将天线升起来，用于定位和数据通信。

附图说明

图1为本发明的整体结构立体图一。

图2为本发明的整体结构立体图二。

图3为本发明的内部结构立体图。

图4为本发明的尾部推进器的结构示意图。

图5为本发明的摇臂处的结构示意图。

图6为图5中c-c处的截面示意图。

图7为本发明的角码的结构示意图。

图8为本发明下潜状态图即俯态时推进器的角度示意图。

图9为本发明上浮状态图即仰态时推进器的角度示意图。

图中，1、上导流罩，2、下导流罩，3、垂直稳定翼，4、主舱，4-1、主舱后端盖，4-2、穿线螺栓，5、电源舱，6、天线结构，6-1、天线转接件，6-2、天线外罩、6-3第二水下舵机、6-4第二水下舵机转接件，7、尾部推进机构，7-1、角码，7-2、第一水下舵机，7-3、水下舵机固定板，7-4、舵机摆臂，7-5、拉杆夹头，7-6、拉杆，7-7、摇臂，7-8、驱动内杆，7-9、第一驱动外杆，7-10、第二驱动外杆，7-11、转接板，7-12、轴承固定座，7-13、轴承，7-14、推进器固定座，7-15、推进器，8、舱体固定环，9、摄像头结构。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1、图2、图3所示，本实施例提供了一种双推进器矢量控制且天线可折叠的自主水下航行器，其由上导流罩1、下导流罩2、垂直稳定翼3、主舱4、电源舱5、天线机构6、尾部推进机构7等组成。所述主舱的头部设置有多个摄像头结构9，主要包括前摄像头、下视摄像头、上视摄像头，前视摄像头用于避障，下视摄像头用于对海底进行观测和分析，上视摄像头用于在冰下作业时对上方的冰层进行探测分析。主舱4包括主舱舱体、端盖、电池、电子元件、固定板、穿线螺母等。电源舱5包括电源舱舱体、端盖、堵头、水密头等，且端盖上打有螺纹盲孔，可利用螺纹盲孔外挂重块对自主水下航行器进行配重，以保证自主水下航行器航行时的平衡状态。主舱4与两个电源舱5之间通过舱体固定环8和若干螺钉来固定连接，两个外置电源舱5的规格相同，这样更容易保持自主水下航行器在横滚方向的平衡。外置的电源舱增加了水下自主航行器携带能源的能力。另外，如果自主水下航行器需要连续作业，在自主水下航行器没电时可以直接更换电源舱，而不需要额外花时间等待电池的充电，提高了作业效率。尾部推进机构7与主舱4连接。上导流罩1与下导流罩2固定连接在主舱4上，形成舱体，上下导流罩的外观设计尽量接近扁平状的鱼身形状，上下导流罩组成的舱体截面接近扁椭圆形，或者类似环形跑道，一方面确保良好的水动力性能和美观的外观，另一方面兼顾内部空间的最大化利用以及便于安装载荷，上下导流罩之间通过螺栓连接实现夹紧。上导流罩1上开有槽口，使得天线结构6旋转后可以折叠在导流罩内部。垂直稳定翼3通过螺栓连接固定在上导流罩1上，可以方便拆卸，在需要通过冰孔布放或者容易被碰撞的场合可以拆掉不安装，以保护垂直稳定翼3免于磕碰变形或损坏。天线结构6包括天线转接件6-1、天线外罩6-2、第二水下舵机6-3、第二水下舵机转接件6-4，以及置于天线外罩内部的gps天线、卫星通信天线、无线通信天线等，天线折叠装置的具体连接方式为：第二水下舵机6-3通过螺钉连接固定在第二水下舵机转接件6-4上，第二水下舵机转接件6-4通过螺栓连接固定在水下舵机固定板7-3上，第二水下舵机的舵盘与天线转接件6-1通过螺钉固定连接，天线转接件6-1与天线外罩6-2套接，内有密封圈实现防水密封，并通过紧定螺钉相对固定，gps天线、卫星通信天线、无线通信天线等安装在天线外罩6-2的内部，内部天线的馈线通过水密缆连接到主舱内部对应的收发信机。这种结构可实现天线的旋转折叠，当第二水下舵机的舵盘旋转时，可带动天线转接件6-1随之转动，进而带动天线结构6整体随着舵盘旋转，实现天线的折叠状态的改变。图1所示为天线展开的状态，此时天线正常工作，当自主水下航行器浮到水面时，可以通过旋转天线将天线展开，用于定位和数据通信；舵机旋转90度后，到达图2所示的天线折叠的状态，此时整个天线折叠在上导流罩1的内部，在轮船上或者冰孔上布放回收自主水下航行器时，可以通过旋转天线将天线罩子收到导流外壳内部，这样天线不会被撞坏；当自主水下航行器在水下航行时，将天线收到导流外壳内部还可以减少自主水下航行器的水阻力。

如图4-7所示，水下舵机固定板7-3通过角码7-1固定连接在主舱后端盖4-1上，角码7-1与水下舵机固定板7-3连接的一侧为圆形孔，以保证固定连接，与主舱后端盖4-1连接的一端为槽口，以保证水下舵机固定板7-3可沿槽口方向上下移动，进而控制整个尾部推进机构7可沿槽口方向上下移动，从而可以通过调整推进器7-15上下位置实现水平航行时推进器7-15提供的推进力与自主水下航行器的浮心位于同一水平面，避免产生额外的俯仰转矩。另外，第一水下舵机7-2采用外置的方式来驱动双推进器在纵垂面上的旋转，而不是将电机装在主密封舱内通过动密封来驱动，避免了主密封舱因为动密封失效而漏水的风险。第一水下舵机7-2通过螺栓连接固定在水下舵机固定板7-3上，其舵机输出轴轴线与自主水下航行器的浮心位于同一水平面，舵机摆臂7-4夹紧固定在舵机输出轴上，拉杆夹头7-5一端与舵机摆臂7-4的孔位通过销钉铰接，另一端与拉杆7-6通过螺纹连接，拉杆7-6通过拉杆夹头7-5与摇臂7-7一端的孔位铰接，摇臂7-7另一端的孔位与驱动内杆7-8固定连接。舵机摆臂7-4、拉杆夹头7-5、拉杆7-6、摇臂7-7组成了形状为平行四边形的连杆机构。第一驱动外杆7-9与第二驱动外杆7-10分别固定连接在驱动内杆7-8的两端并穿过轴承固定座7-12与推进器固定座7-14固定连接，推进器7-15固定在推进器固定座7-14上。转接板7-11固定在水下舵机固定板7-3上，轴承固定座7-12固定在转接板7-11上，轴承7-13固定在轴承固定座7-12内部，轴承固定座7-12用以抵消推进器7-15通过驱动外杆施加给摇臂7-7的力矩，起稳定机构的作用。以上部件连接组成了尾部推进机构7，第一水下舵机7-2驱动舵机摆臂7-4带动连杆机构运动，进而带动推进器7-15围绕驱动内杆7-8的轴线旋转。由此实现了水下自主航行器的俯仰控制。所述舱体的尾部两侧设有内凹结构，所述推进器7-15安装于内凹结构处。相对于水下自主航行器整个外轮廓而言，两个推进器7-15的安装位置位于外轮廓的内部，以保证推进器无论处于何种放置状态(下导流罩2朝下、自主水下航行器的侧面朝下、在冰孔中布防回收)，推进器7-15都不会直接接触地面或者冰孔，这样就保护了推进器7-15免于磕碰损坏。另外，推进器7-15使用的电机为无刷电机，跟常规的有刷电机相比，无需动密封或通过磁耦合传动来代替动密封，提高了推进器的工作可靠性，而且减小了推进器的体积。

具体俯仰状态为，如图8所示，当第一水下舵机7-2控制舵机摆臂7-4逆时针旋转一定角度，通过平行四边形连杆机构的传动，摇臂7-7旋转相同的角度，进而带动两推进器7-15逆时针旋转相同的角度，此时由于推进器7-15产生的推力相对自主水下航行器的浮心产生了顺时针的转矩，水下航行器顺时针旋转一定角度，头部朝下倾斜，此时水下航行器在重力、浮力、水动力和推进器推力等多个力的综合作用下，朝着斜下方前进，自主水下航行器处于下潜状态，即俯态；同理，如图9所示，第一水下舵机7-2顺时针旋转一定角度，带动两推进器7-15顺时针旋转相同的角度，此时自主水下航行器在重力、浮力、水动力和推进器推力等多个力的综合作用下，朝着斜上方前进，处于上浮状态，即仰态。

对于水下自主航行器的转向控制，两个推进器7-15之间存在相对差速即可实现自主水下航行器的转向，推进器7-15在任何状态(一个正向推进一个反向推进、一个推进一个停止旋转、一个快速推进还有一个同向慢速推进)均可转向成功，具体表现为旋转差速越大，转弯半径越小，旋转差速越小，转弯半径越大。而且，这种差速方式与常规自主水下航行器使用尾舵转向受制于航速不同，该方式实现转向与自主水下航行器自身航行速度无关，从而可以实现低速下的灵活机动，还可以实现转弯半径接近为零的转向，这是单推进器矢量控制自主水下航行器实现不了的。

通过双推进器矢量控制方式来控制自主水下航行器的航向和俯仰，结构更为简单，提高了操控灵活性，可以实现转弯半径接近为零的转向。另外，该自主水下航行器配有两个可快速更换的外置电源舱，增加了水下自主航行器携带能源的能力。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。