[發明專利]一種全向回轉水下航行器

在審

• 申請號: 201810754600.5
• 申請日: 2018-07-11
• 公開（公告）號: CN108860532A
• 公開（公告）日: 2018-11-23
• 發明（設計）人: 秦洪德;劉傳奇;朱仲本;王剛;邢森林;余相
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: B63G8/00
• 分類號: B63G8/00;B63G8/08;B63G8/14
• 代理公司: 合肥國和專利代理事務所(普通合伙) 34131
• 代理人: 崔雅麗

1.一種全向回轉水下航行器，其特征在于，

所述全向回轉水下航行器包括主體、整流罩、首部螺旋槳推進器，尾部螺旋槳推進器，防水電機、步進電機、電池、控制系統；

所述主體包括前部的電機艙、中部的密封艙和尾部的推進艙，所述前部電機艙后端和所述推進艙前端都有軸套，主要是利用軸承的連接原理進行傳動連接，協同運動，所述軸套平行于航行器的軸線；所述前部電機艙利用橫滾原理通過后端的軸承帶動中軸實現動力協同運動，所述推進艙后端通過力的運動傳動原理帶動軸承傳輸到前端；

所述整流罩位于所述主體的最前端，所述整流罩為半橢球形，采用流線型的回轉體結構，利用魚鰭原理，使所述航行器旋轉更加靈活；所述整流罩中有涵道，所述整流罩后端有一個軸線方向與航行器軸線平行的軸承，所述軸承與所述中部密封艙相連；

所述主體中部的密封艙有所述電池和所述控制系統，所述電池和所述控制系統放置位置平行于所述航行器軸線且位于下方，所述電池和所述控制系統重心位置位于軸線以下；所述控制系統是航行器的核心操作系統，所述控制系統內部中央處理機對信號進行處理與決策，主要通過對由傳感器系統采集的測量信號進行處理，并與預先設定的參數推力F,偏角θ進行比較、分析判斷，發出相應的控制指令給所述電機執行直線行駛或者旋轉行駛的推力，使所述航行器具體執行直行還是偏轉，所述航行器直行與偏轉軌跡由下述公式進行分析；所述航行器按預定的軌跡航行，并給控制系統提供何時上浮何時下潛航行、動力系統何時關機等指令，管理和控制整個所述航行器航行、測量與回收；

所述首部螺旋槳推進器位于所述整流罩上的涵道中，采用螺旋槳主要是以其吸收給定功率獲得最大推力目標提高航行器效率，另一方面以其使用安全和最大限度地實現減振降噪為目標解決空泡和激振問題；所述首部螺旋槳推進器轉軸方向與所述涵道軸線方向平行；所述首部螺旋槳推進器中有所述步進電機，所述步進電機在所述主體前部的電機艙內，轉軸方向與所述航行器軸線平行；利用所述步進電機將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件原理，所述首部的螺旋槳推進器可以在360°范圍內轉向，對所述航行器施加側向力，與所述尾部螺旋槳推進器配合，使航向器能夠靈活運動；所述整流罩通過所述軸承與所述步進電機轉軸外的軸套串聯，使所述整流罩可以在所述主體上繞所述航行器軸線旋轉，所述步進電機轉軸穿過軸套和軸承，與所述整流罩固定；

所述尾部螺旋槳推進器位于所述主體尾部，所述螺旋槳推進器的轉軸方向與所述航行器軸線方向平行，所述尾部螺旋槳推進器主要產生推力作用，不產生偏轉運動，尾部可動部分需要存在舵效應，但所述首部螺旋槳需要進行全向偏轉；基于一種空間連桿-萬向節的矢量推進裝置，該矢量推進器由一個步進電機和防水電機驅動，其中，防水電機主要用來驅動螺旋槳旋轉以產生推進力，而步進電機則用來確定螺旋槳的方位，影響著推力的方向，從而有效控制水下航行器的運動；防水電機安裝在尾部，螺旋槳通過萬向節與尾座連接，防水電機和尾座的連接只傳遞推力，沒有旋轉，而步進電機安裝在首部，以調整航行器的空間姿態，實現航行器的全向回轉；所述尾部螺旋槳推進器包括所述防水電機和槳葉，所述防水電機的轉軸和槳葉串聯；

所述航行器前進時，所述尾部螺旋槳推進器轉動向前推進，使所述航行器產生向前直線運動；

所述航行器向前的直線運動計算的第一公式為：

第一公式：

其中，S代表所述航行器的直線運動，t代表時間，t>0，t為正實數，F表示對所述航行器施加的力F>0；以所述航行器重心為坐標原點建立坐標系，x代表所述航行器的橫坐標，y代表所述航行器的縱坐標，z代表所述航行器的高坐標,dx表示所述航行器橫坐標變化元素，dy表示所述航行器縱坐標變化元素,dz表示所述航行器高坐標變化元素；S₁為所述航行器在t時的線運動；m為所述航行器重量，F₁為t時所述尾部螺旋槳推進器對所述航行器的推力，v₀為所述航行器初始時的速度，x₀為所述航行器初始時在空間中的橫坐標位置，y₀為所述航行器初始時在空間中的縱坐標位置，z₀為所述航行器初始時在空間中的高坐標位置；x_t為所述航行器t時在空間中的橫坐標位置，y_t,為所述航行器t時在空間中的縱坐標位置，z_t為所述航行器t時在空間中的高坐標位置；

通過第一公式可以得出所述航行器在受到所述尾部螺旋槳推進器的推力時的沿著直線運動的軌跡；t時所述航行器所處的位置即由得出的S₁表示，進而確定所述航行器直線運動軌跡，所述航行器的直線運動決定了航行器在近海距離進行爬行巡視的路線；

所述尾部螺旋槳推進器在所述航行器向前時，通過對所述航行器施加平行于前進方向的力使所述航行器向前進行移動；

所述航行器需要向某個方向偏轉時，所述步進電機旋轉帶動所述整流罩所述涵道內的所述首部螺旋槳推進器，所述首部螺旋槳推進器產生推力，且推力方向轉動到與所述航行器需要偏轉方向相反的角度，所述首部螺旋槳推進器轉動，產生推力使所述航行器往需要偏轉的方向偏轉；

所述航行器旋轉運動計算的第二公式為：

第二公式：

其中，S代表所述航行器的直線運動，t代表時間，t>0，t為正實數，F表示對所述航行器施加的力F>0；以所述航行器重心為坐標原點建立坐標系，x代表所述航行器的橫坐標，y代表所述航行器的縱坐標，z代表所述航行器的高坐標,dx表示所述航行器橫坐標變化元素，dy表示所述航行器縱坐標變化元素,dz表示所述航行器高坐標變化元素，cos表示余弦函數，θ表示角度，cosθ表示θ角的余弦值，0<cosθ<1；S₂為所述航行器在t時的旋轉運動；m為所述航行器重量，F₂為t時所述首部螺旋槳推進器對所述航行器的推力，θ為在時間t時，所述首部螺旋槳推進器對航行器施加的F₂與所述航行器的夾角，v₀為所述航行器初始時的速度，x₀為所述航行器初始時在空間中的橫坐標位置，y₀為所述航行器初始時在空間中的縱坐標位置，z₀為所述航行器初始時在空間中的高坐標位置；x_t為所述航行器在時間t時在空間中的橫坐標位置，y_t,為所述航行器在時間t時在空間中的縱坐標位置，z_t為所述航行器在時間t時在空間中的高坐標位置；由第二公式通過所述航行器施加一定角度的力產生相應的力矩帶動所述航行器進行旋轉，實現近海平臺巡檢的滑翔切換；

所述航行器通過所述首部螺旋槳推進器與所述尾部螺旋槳推進器的互相配合以及周期性的進行交替，使所述航行器實現直線運動與旋轉運動的交替變換，且所述首部螺旋槳推進器的360°范圍內轉向實現所述航行器在水下的全向回轉。