一種水下滑翔器的方向調(diào)節(jié)裝置及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和資源開發(fā)領(lǐng)域，具體涉及一種水下滑翔器的方向調(diào)節(jié)裝置及其控制方法。通過螺釘將耐壓尾艙與水下滑翔器的前端艙體連接；通過舵機(jī)帶動(dòng)錐齒輪，錐齒輪嚙合產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，從而將舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為舵軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，舵軸又將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給舵，通過控制兩個(gè)對(duì)稱舵的同步偏轉(zhuǎn)，來控制整個(gè)水下滑翔器在水平面的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)；耐壓艙體與舵充分考慮水動(dòng)力的影響，采用流線形外形設(shè)計(jì)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，拆裝方便，能耗低，工作可靠等特點(diǎn)，高效快速的方向調(diào)節(jié)能力，提高了水下滑翔器的機(jī)動(dòng)性。
【專利說明】一種水下滑翔器的方向調(diào)節(jié)裝置及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明屬于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和資源開發(fā)領(lǐng)域，具體涉及一種水下滑翔器的方向調(diào)節(jié)裝置及其控制方法。
【背景技術(shù)】:
[0002]隨著海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和資源開發(fā)的大力開展，各種水下機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。水下滑翔機(jī)是為了滿足大尺度、長時(shí)間、大范圍的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)需要，將浮標(biāo)、潛標(biāo)技術(shù)與水下機(jī)器人技術(shù)結(jié)合起來，研制出的一種新型水下機(jī)器人。它靠凈浮力驅(qū)動(dòng)，大大節(jié)省了能耗，而且還具有低噪聲低成本，可重復(fù)利用，投放回收方便的優(yōu)點(diǎn)。
[0003]水下滑翔機(jī)不配備推進(jìn)裝置，靠浮力與重力產(chǎn)生的浮力差產(chǎn)生上浮下潛的動(dòng)力。在上浮下潛的過程中，通過改變重心的位置調(diào)整俯仰的姿態(tài)，具體地是通過電池包重塊在軸線方向上的移動(dòng)，使重心相對(duì)浮心位置發(fā)生改變，產(chǎn)生一個(gè)俯仰力矩，該力矩改變了水下滑翔機(jī)的俯仰姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)上浮下潛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，形成一條垂直面內(nèi)的鋸齒狀航行軌跡；然而要實(shí)現(xiàn)空間范圍六自由度的自由運(yùn)動(dòng)還需要繞自身軸線的橫傾轉(zhuǎn)動(dòng)和水平面的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，滑翔器自轉(zhuǎn)，具體地是通過旋轉(zhuǎn)偏心電池，使重心偏離對(duì)稱軸線，產(chǎn)生一個(gè)橫傾力矩，使整個(gè)機(jī)身繞軸線產(chǎn)生一定傾角，由于機(jī)身的傾斜，使作用在兩水平翼和垂直尾翼上的力左右不平衡，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。
[0004]目前大多數(shù)的水下滑翔機(jī)都能實(shí)現(xiàn)大范圍的滑翔和一定深度的上升下潛。通過控制排水體積可以較精確控制凈浮力大小，決定下潛深度；通過控制重塊沿軸線方向的位移和偏心電池的偏轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)對(duì)俯仰角和橫傾角的精確掌握；對(duì)于滑翔器水平面的轉(zhuǎn)向，由于滑翔機(jī)的體積小重量輕，僅靠浮力驅(qū)動(dòng)，在海洋的洋流運(yùn)動(dòng)較大時(shí)，滑翔器難以保證方向調(diào)節(jié)的穩(wěn)定，容易出現(xiàn)隨波逐流的情況。因此在滑翔器狹小的內(nèi)部空間設(shè)計(jì)出一個(gè)機(jī)構(gòu)來控制水平面轉(zhuǎn)向，對(duì)于實(shí)現(xiàn)對(duì)水下滑翔器航行軌跡的更精確的掌握十分關(guān)鍵。
[0005]針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出一種水下滑翔器的方向調(diào)節(jié)裝置及其控制方法，便于調(diào)節(jié)水下滑翔器的水平面運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)水下滑翔器的運(yùn)動(dòng)方向的可控性；同時(shí)兼顧滑翔器體積小的特征，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊精巧；加上該裝置的外形流線型好，使水下滑翔器的整體水動(dòng)力性能良好。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006]為了解決上述存在的問題，本發(fā)明目的在于:提出一種水下滑翔器的方向調(diào)節(jié)裝置及其控制方法，便于調(diào)節(jié)水下滑翔器在水平面運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)水下滑翔器的運(yùn)動(dòng)方向的可控性。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明之目的，擬采用以下技術(shù)方案:
[0008]本發(fā)明包括上下舵片、上舵軸、下舵軸、聯(lián)軸器、耐壓尾艙、軸承、軸承端蓋、舵機(jī)以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中舵機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接安裝在耐壓尾艙艙體后壁上；所述上舵軸和下舵軸均一端與舵片連接，另一端通過聯(lián)軸器相連接，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與一舵軸相連，舵軸中段通過軸承和軸承端蓋固定在耐壓尾艙上；耐壓尾艙與前部艙體相連，組成一個(gè)完整的水下滑翔器。
[0009]其中:在所述耐壓尾艙左右兩側(cè)對(duì)稱分布兩孔，通過螺釘用于連接水下滑翔器的其它艙體；所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)錐齒輪和從動(dòng)錐齒輪，主動(dòng)錐齒輪與舵機(jī)輸出軸相連，從動(dòng)錐齒輪安裝在下舵軸上、與主動(dòng)錐齒輪相嚙合；所述耐壓尾艙艙體后壁開有矩形槽，舵機(jī)鑲嵌在矩形槽內(nèi)，通過螺釘固定在耐壓艙體壁上；所述下舵軸的一端通過鍵與從動(dòng)錐齒輪相連接，另一端通過螺釘與舵相連，中段軸肩處通過一對(duì)止推軸承固定在耐壓尾艙的加強(qiáng)肋上，軸承用一壓蓋固定，最外面用螺釘將軸承端蓋固定，在壓蓋與軸承端蓋間留有一個(gè)T型槽，槽內(nèi)設(shè)置有旋轉(zhuǎn)壓力密封塞；所述舵與耐壓尾艙均為流體線型。所述耐壓尾艙與水下滑翔器的其它艙體端蓋連接部位設(shè)有O形密封圈。
[0010]本發(fā)明的控制方法如下:
[0011]將本發(fā)明的方向調(diào)節(jié)裝置安裝在水下滑翔器的尾部，耐壓尾艙通過O形密封圈和螺釘與水下滑翔器的其它模塊水密封連接。當(dāng)水下滑翔器需要在水平方向上轉(zhuǎn)向時(shí)，耐壓尾艙后部的舵機(jī)將收到一個(gè)控制信號(hào)，發(fā)生相應(yīng)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)主動(dòng)錐齒輪旋轉(zhuǎn)，通過主動(dòng)錐齒輪和從動(dòng)錐齒輪的嚙合帶動(dòng)從動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)；從動(dòng)錐齒輪通過緊定螺釘連接于舵軸，因此帶動(dòng)舵軸共同旋轉(zhuǎn)，上舵軸和下舵軸通過聯(lián)軸器相連，可保持同步調(diào)旋轉(zhuǎn)。由于舵軸與舵片之間有螺釘連接，進(jìn)而帶動(dòng)上下的舵片同步旋轉(zhuǎn)；上下舵片旋轉(zhuǎn)偏離中性位置后，與水流的方向形成了一個(gè)夾角，產(chǎn)生了一對(duì)大小相同的偏轉(zhuǎn)力矩，該對(duì)力矩將推動(dòng)整個(gè)載體在水平面上轉(zhuǎn)向，從而使水下滑翔器完成向左或向右轉(zhuǎn)彎的動(dòng)作。同時(shí)協(xié)調(diào)俯仰姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和橫滾姿態(tài)機(jī)構(gòu)，根據(jù)航跡要求設(shè)定好俯仰姿態(tài)變化、橫滾姿態(tài)變化和左右轉(zhuǎn)向各段運(yùn)動(dòng)的時(shí)序，設(shè)計(jì)好控制器的信號(hào)，便可實(shí)現(xiàn)水下滑翔器在空間范圍內(nèi)的六自由度運(yùn)動(dòng)，理論上可達(dá)到指定深度內(nèi)的任何地方，提高了水下滑翔器的可控性和機(jī)動(dòng)性。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與積極效果為:
[0013]1.本發(fā)明采用錐齒輪傳動(dòng)，通過舵機(jī)帶動(dòng)舵的旋轉(zhuǎn)，從而改變水下滑翔器的運(yùn)動(dòng)方向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，充分利用尾艙的狹小空間，且傳動(dòng)精確可靠。
[0014]2.本發(fā)明通過舵機(jī)經(jīng)錐齒輪驅(qū)動(dòng)舵軸，雙舵同步旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，無差動(dòng)舵角，操作簡(jiǎn)單，控制方便，轉(zhuǎn)向靈敏快速穩(wěn)定。通過實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸能快速調(diào)整舵的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，使運(yùn)動(dòng)方向的調(diào)節(jié)可控性增強(qiáng)。
[0015]3.本發(fā)明的外形流線型好，充分考慮到水動(dòng)力特性，極大減小了水阻力，同時(shí)，作為一個(gè)獨(dú)立的模塊，可以靈活的與水下滑翔器的其他模塊水密連接，拆裝方便，零件易于更換。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0016]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)主剖視圖；
[0017]圖2為圖1的左視圖；
[0018]圖3為圖1的俯視圖。
[0019]其中:1為上舵片，2為下舵片，3為上舵軸，4為聯(lián)軸器，5為下舵軸，6為舵機(jī)，7為主動(dòng)錐齒輪，8為從動(dòng)錐齒輪,9為軸承端蓋,10為壓蓋,11為止推軸承，12為耐壓尾艙,13為孔，14為O型圈溝槽?！揪唧w實(shí)施方式】:
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。
[0021]如圖1?3所示，本發(fā)明包括包括上舵片1、下舵片2、上舵軸3、聯(lián)軸器4、下舵軸
5、舵機(jī)6、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、軸承端蓋9、壓蓋10、止推軸承11和耐壓尾艙12。
[0022]舵機(jī)6鑲嵌在耐壓尾艙12的矩形孔內(nèi)，用螺釘固定在艙壁上，舵機(jī)6通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與舵軸5相連，本發(fā)明的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)錐齒輪7和從動(dòng)錐齒輪8，主動(dòng)錐齒輪7通過緊定螺釘與舵機(jī)6的輸出軸相連，從動(dòng)錐齒輪8通過緊定螺釘與下舵軸5相連，主動(dòng)錐齒輪7與從動(dòng)錐齒輪8相嚙合，使舵軸可以在水平面轉(zhuǎn)動(dòng)。上下舵軸一端通過聯(lián)軸器4相連，另一端通過螺釘與舵片1、2連接，中段軸肩部位通過一對(duì)止推軸承11連接在尾艙壁上，通過壓蓋10將舵軸和止推軸承9固定，防止軸向運(yùn)動(dòng)，舵軸外套有旋轉(zhuǎn)密封塞，再將軸承端蓋用螺釘固定在尾艙艙體上，軸承端蓋與尾艙艙壁間設(shè)有O型圈，起到密封作用。
[0023]耐壓尾艙左右兩側(cè)對(duì)稱開有兩孔，用于通過螺釘將尾艙連接到前部艙體，形成一個(gè)滑翔器整體。連接處設(shè)有雙O型圈槽14，內(nèi)部置有O型圈，起到密封艙體作用。尾舵和耐壓艙體均為流線形的外形設(shè)計(jì)，具有良好的水動(dòng)力特點(diǎn)。
[0024]將本發(fā)明的方向調(diào)節(jié)裝置安裝在水下滑翔器的尾部，耐壓尾艙12通過O形密封圈和螺釘與水下滑翔器的其它模塊水密封連接。當(dāng)水下滑翔器需要在水平方向上轉(zhuǎn)向時(shí)，舵機(jī)6接收到一個(gè)控制信號(hào)，輸出軸發(fā)生相應(yīng)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)主動(dòng)錐齒輪7旋轉(zhuǎn)，通過主動(dòng)錐齒輪7和從動(dòng)錐齒輪8的嚙合帶動(dòng)從動(dòng)錐齒輪8轉(zhuǎn)動(dòng)；從動(dòng)錐齒輪8通過緊定螺釘連接于舵軸5，因此帶動(dòng)舵軸5共同旋轉(zhuǎn)，上舵軸3和下舵軸5通過聯(lián)軸器相連，可保持同步調(diào)旋轉(zhuǎn)。由于舵軸與舵片之間有螺釘連接，繼而帶動(dòng)上下的舵片1、2同步旋轉(zhuǎn)；上下舵片旋轉(zhuǎn)偏離中性位置后，與水流的方向形成了一個(gè)夾角，產(chǎn)生了一對(duì)大小相同的偏轉(zhuǎn)力矩，該對(duì)力矩將推動(dòng)整個(gè)載體在水平面上轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，從而使水下滑翔器完成向左或向右轉(zhuǎn)彎的動(dòng)作。同時(shí)協(xié)調(diào)俯仰姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和橫滾姿態(tài)機(jī)構(gòu)，根據(jù)航跡要求設(shè)定好俯仰姿態(tài)變化、橫滾姿態(tài)變化和左右轉(zhuǎn)向各段運(yùn)動(dòng)的時(shí)序，設(shè)計(jì)好控制器的信號(hào)，便可實(shí)現(xiàn)水下滑翔器在空間范圍內(nèi)的六自由度運(yùn)動(dòng)，理論上可達(dá)到指定深度內(nèi)的任何地方，提高了水下滑翔器的可控性和機(jī)動(dòng)性。
【權(quán)利要求】
1.一種水下滑翔器的方向調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:包括上舵片(I)、下舵片(2)、上舵軸(3)、聯(lián)軸器(4)、下舵軸(5)、舵機(jī)(6)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、軸承端蓋(9)、壓蓋(10)、止推軸承(11)和耐壓尾艙(12)，其中舵機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接安裝在耐壓尾艙艙體后壁上；所述上舵軸和下舵軸均一端與舵片連接，另一端通過聯(lián)軸器相連接，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與一舵軸相連，舵軸中段通過軸承和軸承端蓋固定在耐壓尾艙上；耐壓尾艙與前部艙體相連，組成一個(gè)完整的水下滑翔器。
2.按權(quán)利要求1所述的一種水下滑翔器的方向調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:在所述耐壓尾艙左右兩側(cè)對(duì)稱分布有兩孔(13)，通過螺釘用于連接水下滑翔器的其它艙體。
3.按權(quán)利要求1或2所述的一種水下滑翔器的方向調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)錐齒輪(7)和從動(dòng)錐齒輪(8)，主動(dòng)錐齒輪與舵機(jī)(6)輸出軸相連，從動(dòng)錐齒輪(8)安裝在下舵軸(5)上、與主動(dòng)錐齒輪(7)相嚙合。
4.按權(quán)利要求1或2所述的一種水下滑翔器的方向調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述耐壓尾艙艙體后壁開有矩形槽，舵機(jī)鑲嵌在矩形槽內(nèi)，通過螺釘固定在耐壓艙體壁上。
5.按權(quán)利要求1或2所述的一種水下滑翔器的方向調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述下舵軸(5)的一端通過鍵與從動(dòng)錐齒輪相連接，另一端通過螺釘與下舵片(2)相連，中段軸肩處通過一對(duì)止推軸承(11)固定在耐壓尾艙的加強(qiáng)肋上，軸承用一壓蓋(10)固定，最外面用螺釘將軸承端蓋固定，在壓蓋與軸承端蓋間留有一個(gè)T型槽，槽內(nèi)設(shè)置有旋轉(zhuǎn)壓力密封塞。
6.按權(quán)利要求1或2所述的一種水下滑翔器的方向調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述上下舵片(I) (2)與耐壓尾艙(12)均為流體線型。
7.按權(quán)利要求1或2所述`的一種水下滑翔器的方向調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述耐壓尾艙(12)與水下滑翔器的其它艙體端蓋連接部位設(shè)有O形密封圈。
8.按權(quán)利要求1或2所述的一種水下滑翔器的方向調(diào)節(jié)裝置及其控制方法，其特征在于:將本發(fā)明的方向調(diào)節(jié)裝置安裝在水下滑翔器的尾部，耐壓尾艙(12)通過O形密封圈和螺釘與水下滑翔器的其它模塊水密封連接，當(dāng)水下滑翔器需要在水平方向上轉(zhuǎn)向時(shí)，耐壓尾艙后部的舵機(jī)(6)將收到一個(gè)控制信號(hào)，發(fā)生相應(yīng)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)主動(dòng)錐齒輪(7)旋轉(zhuǎn)，通過主動(dòng)錐齒輪(7)和從動(dòng)錐齒輪(8)的嚙合帶動(dòng)從動(dòng)錐齒輪(8)轉(zhuǎn)動(dòng)；從動(dòng)錐齒輪(8)通過緊定螺釘連接于舵軸(5)，因此帶動(dòng)舵軸(5)共同旋轉(zhuǎn)，上舵軸(3)和下舵軸(5)通過聯(lián)軸器相連，可保持同步調(diào)旋轉(zhuǎn)。由于舵軸與舵片之間有螺釘連接，進(jìn)而帶動(dòng)上下的舵片(I)(2)同步旋轉(zhuǎn)；上下舵片旋轉(zhuǎn)偏離中性位置后，與水流的方向形成了一個(gè)夾角，產(chǎn)生了一對(duì)大小相同的偏轉(zhuǎn)力矩，該對(duì)力矩將推動(dòng)整個(gè)載體在水平面上轉(zhuǎn)向，從而使水下滑翔器完成向左或向右轉(zhuǎn)彎的動(dòng)作；同時(shí)協(xié)調(diào)俯仰姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和橫滾姿態(tài)機(jī)構(gòu)，根據(jù)航跡要求設(shè)定好俯仰姿態(tài)變化、橫滾姿態(tài)變化和左右轉(zhuǎn)向各段運(yùn)動(dòng)的時(shí)序，設(shè)計(jì)好控制器的信號(hào)，便可實(shí)現(xiàn)水下滑翔器在空間范圍內(nèi)的六自由度運(yùn)動(dòng)，理論上可達(dá)到指定深度內(nèi)的任何地方，提高了水下滑翔器的可控性和機(jī)動(dòng)性。
【文檔編號(hào)】B63G8/14GK103818534SQ201410100496
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月14日
【發(fā)明者】嚴(yán)天宏, 趙倩, 孟凡豪, 劉仲武, 牛彥杰, 郭亦捷 申請(qǐng)人:中國計(jì)量學(xué)院