[发明专利]一种全向回转水下航行器

摘要

本发明公开了一种全向回转水下航行器，实现对海洋平台基座的全向巡检。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，为近海平台巡检具有重要意义。

主权项

1.一种全向回转水下航行器，其特征在于，所述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；所述主体包括前部的电机舱、中部的密封舱和尾部的推进舱，所述前部电机舱后端和所述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，所述轴套平行于航行器的轴线；所述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，所述推进舱后端通过力的运动传动原理带动轴承传输到前端；所述整流罩位于所述主体的最前端，所述整流罩为半椭球形，采用流线型的回转体结构，利用鱼鳍原理，使所述航行器旋转更加灵活；所述整流罩中有涵道，所述整流罩后端有一个轴线方向与航行器轴线平行的轴承，所述轴承与所述中部密封舱相连；所述主体中部的密封舱有所述电池和所述控制系统，所述电池和所述控制系统放置位置平行于所述航行器轴线且位于下方，所述电池和所述控制系统重心位置位于轴线以下；所述控制系统是航行器的核心操作系统，所述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所述电机执行直线行驶或者旋转行驶的推力，使所述航行器具体执行直行还是偏转，所述航行器直行与偏转轨迹由下述公式进行分析；所述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，管理和控制整个所述航行器航行、测量与回收；所述首部螺旋桨推进器位于所述整流罩上的涵道中，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；所述首部螺旋桨推进器转轴方向与所述涵道轴线方向平行；所述首部螺旋桨推进器中有所述步进电机，所述步进电机在所述主体前部的电机舱内，转轴方向与所述航行器轴线平行；利用所述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，所述首部的螺旋桨推进器可以在360°范围内转向，对所述航行器施加侧向力，与所述尾部螺旋桨推进器配合，使航向器能够灵活运动；所述整流罩通过所述轴承与所述步进电机转轴外的轴套串联，使所述整流罩可以在所述主体上绕所述航行器轴线旋转，所述步进电机转轴穿过轴套和轴承，与所述整流罩固定；所述尾部螺旋桨推进器位于所述主体尾部，所述螺旋桨推进器的转轴方向与所述航行器轴线方向平行，所述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，但所述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；所述尾部螺旋桨推进器包括所述防水电机和桨叶，所述防水电机的转轴和桨叶串联；所述航行器前进时，所述尾部螺旋桨推进器转动向前推进，使所述航行器产生向前直线运动；所述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代表所述航行器的直线运动，t代表时间，t>0，t为正实数，F表示对所述航行器施加的力F>0；以所述航行器重心为坐标原点建立坐标系，x代表所述航行器的横坐标，y代表所述航行器的纵坐标，z代表所述航行器的高坐标,dx表示所述航行器横坐标变化元素，dy表示所述航行器纵坐标变化元素,dz表示所述航行器高坐标变化元素；S1为所述航行器在t时的线运动；m为所述航行器重量，F1为t时所述尾部螺旋桨推进器对所述航行器的推力，v0为所述航行器初始时的速度，x0为所述航行器初始时在空间中的横坐标位置，y0为所述航行器初始时在空间中的纵坐标位置，z0为所述航行器初始时在空间中的高坐标位置；xt为所述航行器t时在空间中的横坐标位置，yt,为所述航行器t时在空间中的纵坐标位置，zt为所述航行器t时在空间中的高坐标位置；通过第一公式可以得出所述航行器在受到所述尾部螺旋桨推进器的推力时的沿着直线运动的轨迹；t时所述航行器所处的位置即由得出的S1表示，进而确定所述航行器直线运动轨迹，所述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；所述尾部螺旋桨推进器在所述航行器向前时，通过对所述航行器施加平行于前进方向的力使所述航行器向前进行移动；所述航行器需要向某个方向偏转时，所述步进电机旋转带动所述整流罩所述涵道内的所述首部螺旋桨推进器，所述首部螺旋桨推进器产生推力，且推力方向转动到与所述航行器需要偏转方向相反的角度，所述首部螺旋桨推进器转动，产生推力使所述航行器往需要偏转的方向偏转；所述航行器旋转运动计算的第二公式为：第二公式：其中，S代表所述航行器的直线运动，t代表时间，t>0，t为正实数，F表示对所述航行器施加的力F>0；以所述航行器重心为坐标原点建立坐标系，x代表所述航行器的横坐标，y代表所述航行器的纵坐标，z代表所述航行器的高坐标,dx表示所述航行器横坐标变化元素，dy表示所述航行器纵坐标变化元素,dz表示所述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

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