[發明專利]一種基于集成式矢量推進器的模塊化水下機器人

在審

• 申請號: 201811340303.2
• 申請日: 2018-11-12
• 公開（公告）號: CN109515651A
• 公開（公告）日: 2019-03-26
• 發明（設計）人: 胡橋;丁明杰;蘇文斌;王朝暉;魏昶;孫帥帥;張陽坤
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B63C11/52
• 分類號: B63C11/52;B63G8/08;B63G8/14
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 高博

本發明公開了一種基于集成式矢量推進器的模塊化水下機器人，集成式矢量推進器分布在水下機器人艙體的左右兩側，能夠產生多維度方向推力實現航姿、航深測量和自身姿態控制，水下機器人艙體的尾部兩側與背部分別固定有尾鰭與背鰭，供電模塊、載荷模塊以及通訊模塊設置在水下機器人艙體內，供電模塊用于為水下機器人供電，通訊模塊分別與載荷模塊和集成式矢量推進器連接，用于載荷模塊與地面上位機的采集數據傳輸，以及集成式矢量推進器與地面上位機的控制信號傳輸。本發明在確保水下機器人穩定性的同時具備更強機動性、功能性和智能性，提高復雜海況下的勘探能力，具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于水下機器人技術領域，具體涉及一種基于集成式矢量推進器的模塊化水下機器人。

背景技術

水下機器人在水下目標搜尋、海洋資源探測、海洋軍事任務等軍民兩用方面得到了廣泛應用。在實際應用中，如何在水下復雜環境下提高水下機器人的機動性、操縱性，以及模塊化任務載荷換裝的靈活性是關鍵問題。

傳統推進器存在以下缺陷與不足：

①要實現不同方向運動需要安裝多個推進器來產生多維方向推進力，占用空間較大，布置形式復雜，同時需要攜帶更大容量的電池，增加了成本；

②在上下垂推和左右側推的共同作用下來改變航行器的姿態。雖然這種方法目前能滿足要求，但推力存在抵消，效率不高；

③多推進器會降低低速航行時的水下定位能力，機動性不好，增加機器人的航行阻力。傳統推進器難以滿足較為復雜行動的需求。

因此，研發一種基于集成式矢量推進器的模塊化水下機器人勢在必行。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種基于集成式矢量推進器的模塊化水下機器人,采用矢量推進技術，可以根據工作任務需要靈活配置不同功能的載荷模塊，支持有纜控制和自主巡航兩種工作模式，滿足較為復雜行動的需求。

本發明采用以下技術方案：

一種基于集成式矢量推進器的模塊化水下機器人，包括集成式矢量推進器、水下機器人艙體、供電模塊、載荷模塊以及通訊模塊，集成式矢量推進器分布在水下機器人艙體的左右兩側，能夠產生多維度方向推力實現航姿、航深測量和自身姿態控制，水下機器人艙體的尾部兩側與背部分別固定有尾鰭與背鰭，供電模塊、載荷模塊以及通訊模塊設置在水下機器人艙體內，供電模塊用于為水下機器人供電，通訊模塊分別與載荷模塊和集成式矢量推進器連接，用于載荷模塊與地面上位機的采集數據傳輸，以及集成式矢量推進器與地面上位機的控制信號傳輸。

具體的，集成式矢量推進器包括螺旋槳推進器、矢量偏轉機構和運動控制單元，運動控制單元通過矢量偏轉機構與螺旋槳推進器連接，通過電調驅動螺旋槳推進器。

進一步的，運動控制單元包括慣性傳感器、深度傳感器和STM32控制板， STM32控制板用于接收地面上位機的動作指令，并根據慣性傳感器和深度傳感器的信息確定水下機器人當前的姿態和深度，輸出PWM信號控制矢量偏轉機構的第一舵機和第二舵機轉動。

進一步的，運動控制單元的PWM信號控制第一舵機和第二舵機分別轉過相應的角度α和β，舵機驅動矢量偏轉機構進行滾轉和側擺運動，推力在空間的方向由矢量偏轉機構滾轉和側擺的角度θ和決定，具體為：

其中，z₁為第一直齒輪的齒數，z₂為第二直齒輪的齒數，z₃為第一錐齒輪的齒數，z₄為第二齒輪的齒數，z₅為第三錐齒輪的齒數，z₆為第四錐齒輪的齒數，z₇為第五錐齒輪的齒數。

更進一步的，滾轉角度為-90°≤θ≤90°，側擺角度為