專利名稱：一種水下自航行器的方向調(diào)節(jié)裝置及其控制方法
技術領域：
:本發(fā)明屬于海洋環(huán)境監(jiān)測和海底資源勘探領域，具體涉及一種水下自航行器的方向調(diào)節(jié)裝置及其控制方法。
背景技術：
:由于海洋資源開發(fā)的需要以及海洋環(huán)境監(jiān)測的迫切需要，世界上很多發(fā)達國家不斷更新本國管轄海域的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，強化世界共有海域的海洋環(huán)境和資源調(diào)查監(jiān)測手段。水下自航行器作為海洋環(huán)境和資源調(diào)查監(jiān)測的重要手段越來越受到各國的重視。水下自航行器(AUV)，又稱自治水下機器人，它不配備主纜和系纜，自己帶有推進裝置、能源和攝像系統(tǒng)，一般沒有機械手，動力為電池。由于受自帶能源的限制，水下自航行器需要在限定的時間內(nèi)聞效的完成任務，這時水下航行器的聞機動性顯得尤為關鍵。為確保其具有聞機動性，水下自航行器不僅需要一個強大的推進裝置，更需要具備靈活的方向調(diào)節(jié)能力。目前常用的方向調(diào)節(jié)裝置設計有以下幾種方案:1)舵機和舵直接連接的方案，為了保證水下自航行器的水動力性能，舵機艙一般設計為錐體結(jié)構(gòu)，舵機和舵直接連接時，由于徑向空間有限，舵與螺旋槳的距離較遠，降低了水下自航行器的變向能力。2)采用桿傳動的方案，桿傳動往往受自身限制，導致舵轉(zhuǎn)角精度不高，可控性下降。3)采用安裝垂直推進器和側(cè)面推進器的方案，兩個推進器協(xié)調(diào)運動比較復雜，準確性不高，同時消耗能源較高。針對上述問題，本發(fā)明提出一種水下自航行器的方向調(diào)節(jié)裝置及其控制方法，便于調(diào)節(jié)水下自航行器的水平面和垂直面的運動方向，實現(xiàn)水下自航行器的運動方向的可控性，提高水下自航行器的機動性
發(fā)明內(nèi)容
:本發(fā)明之目的是:提出一種水下自航行器的方向調(diào)節(jié)裝置及其控制方法，便于調(diào)節(jié)水下自航行器的水平面和垂直面的運動方向，實現(xiàn)水下自航行器的運動方向的可控性。為了實現(xiàn)本發(fā)明之目的，擬采用以下技術方案:本發(fā)明包括耐壓艙體、密封件、舵軸、舵機固定架、舵機、舵軸固定架、舵、固定板、導流套圈及傳動機構(gòu)，其中舵機固定架連接在耐壓艙體的內(nèi)部加強肋上，舵機與傳動機構(gòu)連接并安裝在舵機固定架上；所述舵軸的一端固定在傳動機構(gòu)上，另一端與舵的一端相連，舵軸中段固定在舵軸固定架上；舵軸固定架安裝在舵機固定架上；密封件固定在耐壓艙體尾部；耐壓艙體上的固定板與水下自航行器的其它艙體端蓋相連；導流套圈套在耐壓艙體外壁。其中，所述傳動機構(gòu)包括第一直齒輪和第二直齒輪，第一直齒輪與舵機輸出軸相連，第二直齒輪安裝在舵軸上、與第一直齒輪相嚙合；所述舵機固定架的縱向截面為“L”形，長邊上開有矩形孔，舵機鑲嵌于矩形孔內(nèi)；所述舵軸的軸向截面為“T”形，“T”形的豎邊設有外螺紋，“T”形的橫邊與耐壓艙體相接觸位置開有O形圈槽，O形圈槽內(nèi)設置有O形密封圈，舵軸一端通過螺釘與第二直齒輪相連，另一端通過螺釘與舵相連，中段軸肩處通過一對止推軸承固定在舵軸固定架上；所述舵為流線形，耐壓艙體套上導流套圈后為完整錐體線形；所述固定板與水下自航行器的其它艙體端蓋之間及密封件與耐壓艙體尾部之間分別設有O形密封圈。本發(fā)明采用十字形全動舵，四個舵的操縱系統(tǒng)設計均相同，通過上述內(nèi)容同理可知其余三個舵的操縱系統(tǒng)的設計。本發(fā)明的控制方法如下:將本發(fā)明的方向調(diào)節(jié)裝置安裝在水下自航行器的尾部，耐壓艙體通過O形密封圈和緊定螺釘與水下自航行器的其它模塊水密封連接。當水下自航行器需要上升或下潛時，耐壓艙體內(nèi)左右兩側(cè)的兩個舵機將收到一個同步控制信號，發(fā)生相應方向的轉(zhuǎn)動，驅(qū)動第一直齒輪旋轉(zhuǎn)，通過第一直齒輪和第二直齒輪的嚙合帶動第二直齒輪轉(zhuǎn)動；第二直齒輪通過緊定螺釘連接于舵軸，因此帶動舵軸共同旋轉(zhuǎn)，舵軸與舵之間有螺釘連接，進而帶動左右兩側(cè)的舵同步旋轉(zhuǎn)；左右兩側(cè)的舵偏離中性位置之后，與水流的相對方向形成了一個夾角，產(chǎn)生了一對相同的偏轉(zhuǎn)力矩，該對力矩將推動整個載體在豎直面方向上轉(zhuǎn)向，從而使水下自航行器完成上升或下潛運動。當水下自航行器需要左右轉(zhuǎn)彎時，同理，利用耐壓艙體內(nèi)上下兩側(cè)的舵機和舵可完成左右轉(zhuǎn)彎運動。同時協(xié)調(diào)上下左右兩對舵機時，可以使水下自航行器在上升或下潛過程中實現(xiàn)左右轉(zhuǎn)彎動作，增強了水下自航行器的機動性。 本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果為:1.本發(fā)明采用直齒輪傳動，通過舵機帶動舵的旋轉(zhuǎn)，從而改變水下自航行器的運動方向，成本低，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。2.本發(fā)明通過舵機經(jīng)直齒輪驅(qū)動舵的旋轉(zhuǎn)，操作簡單，可快速控制轉(zhuǎn)向。通過控制信號能調(diào)節(jié)舵的轉(zhuǎn)動角度，使運動方向的調(diào)節(jié)可控性增強。3.本發(fā)明的外形結(jié)構(gòu)充分考慮到水動力特性，減小了水阻力，同時，本發(fā)明作為一個獨立的模塊，可以靈活的與水下自航行器的其他模塊水密連接，拆裝方便，磨損零件易于更換。


:圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)主剖視圖；圖2為圖1的左視圖；圖3為圖1的前視圖。其中:1為耐壓艙體,2為密封件,3為舵軸,4為舵機固定架,5為舵機,6為舵軸固定架，7為舵，8為導流套圈，9為止推軸承，10為第一直齒輪，11為第二直齒輪，1-1為固定板，1-2為孔。
具體實施方式
:下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳述。如圖1 3所示，本發(fā)明包括耐壓艙體I，密封件2，舵軸3，舵機固定架4，舵機5，舵軸固定架6，舵7，導流套圈8，第一直齒輪10，第二直齒輪11，固定板1-1及孔1-2。舵機固定架4通過螺釘固定在耐壓艙體I的加強肋上。在舵機固定架4的縱向截面為“L”形，長邊上開有矩形孔，舵機5通過螺栓和螺母鑲嵌于矩形孔內(nèi)。舵機5通過傳動機構(gòu)與舵軸3相連，本實施例的傳動機構(gòu)為第一直齒輪10機和第二直齒輪11。第一直齒輪10通過緊定螺釘與舵機5的輸出軸相連，第二直齒輪11通過緊定螺釘與舵軸3相連，第一直齒輪10與第二直齒輪相嚙合，使舵軸3可以在水平面或垂直面轉(zhuǎn)動。舵軸3的軸向截面為“T”形，“T”形的豎邊設有外螺紋，“T”形的橫邊與耐壓艙體I相接觸位置開有O形圈槽，O形圈槽內(nèi)設置有O形密封圈，舵軸3 —端通過緊定螺釘與第二直齒輪11相連，另一端通過緊定螺釘與舵7相連，中段軸肩處通過一對止推軸承9連接在舵軸固定架6上，通過固定螺母將舵軸3和止推軸承9固定，防止軸向運動。舵軸3上的O形密封圈可以起到與耐壓艙體I之間的密封作用。密封件2與耐壓艙體I尾部之間分別設有O形密封圈，可以起到密封作用。通過緊定螺釘將密封件2固定在耐壓艙體I尾部，密封件2內(nèi)壁上開有O形圈槽，O形圈槽內(nèi)設置有O形密封圈，可以起到與螺旋槳傳動軸之間的密封作用。耐壓艙體I外形是一個不完整的錐體，充分考慮到水動力的要求，將導流套圈8套在耐壓艙體I外壁，形成完整錐體線形，如圖3所示。與耐壓艙體I 一體的固定板1-1上開有圓周分布的孔1-2，通過螺釘將耐壓艙體I與水下自航行器的其它艙體端蓋相連，固定板1-1上的O形密封圈可以起到與水下自航行器的其它艙體端蓋之間的密封作用。舵7采用流線型的外形設計，具有良好的水動力特點。舵機5的引出線與水下自航行器的相應控制單元相連接。本發(fā)明采用十字形全動舵，如圖2，3所示，四個舵的操縱系統(tǒng)設計均相同，通過上述內(nèi)容同理可知其余三個舵的操縱系統(tǒng)的設計。將本發(fā)明的方向調(diào)節(jié)裝置安裝在水下自航行器的尾部，耐壓艙體I通過O形密封圈和緊定螺釘與水下自航行器的其它模塊水密封連接。當水下自航行器需要上升或下潛時，耐壓艙體I內(nèi)左右兩側(cè)的兩個舵機5將收到一個同步控制信號，發(fā)生相應方向的轉(zhuǎn)動，驅(qū)動第一直齒輪10旋轉(zhuǎn)，通過第一直齒輪10和第二直齒輪11的嚙合帶動第二直齒輪11轉(zhuǎn)動；第二直齒輪11通過緊定螺釘連接于舵軸3，因此帶動舵軸3共同旋轉(zhuǎn)，舵軸3與舵7之間有螺釘連接，進而帶動左右兩側(cè)的舵7同步旋轉(zhuǎn)；左右兩側(cè)的舵7偏離中性位置之后，與水流的相對方向形成了一個夾角，產(chǎn)生了一對相同的偏轉(zhuǎn)力矩，該對力矩將推動整個載體在豎直面方向上轉(zhuǎn)向，從而使水下自航行器完成上升或下潛運動。當水下自航行器需要左右轉(zhuǎn)彎時，同理，利用耐壓艙體I內(nèi)上下兩側(cè)的舵機5和舵7可完成左右轉(zhuǎn)彎運動。同時協(xié)調(diào)上下左右兩對舵機5時，可以使水下自航行器在上升或下潛過程中實現(xiàn)左右轉(zhuǎn)彎動作，增強了水下自航行器的機動性。
權利要求
1.一種水下自航行器的方向調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:包括耐壓艙體(I)、密封件(2)、舵軸(3)、舵機固定架(4)、舵機(5)、舵軸固定架(6)、舵(7)、導流套圈(8)及傳動機構(gòu)，其中舵機固定架(4)連接在耐壓艙體(I)的內(nèi)部加強肋上，舵機(5)與傳動機構(gòu)連接并安裝在舵機固定架(4)上；所述舵軸(3)的一端固定在傳動機構(gòu)上，另一端與舵(7)的一端相連，舵軸(3)中段固定在舵軸固定架(6)上；舵軸固定架(6)安裝在舵機固定架(4)上；密封件(2)固定在耐壓艙體(I)尾部；耐壓艙體(I)上的固定板(1-1)與水下自航行器的其它艙體端蓋相連；導流套圈(8)套在耐壓艙體(I)外壁。
2.按權利要求1所述的一種水下自航行器的方向調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述固定板(1-1)上開有圓周分布的孔(1-2)用于連接水下自航行器的其它艙體端蓋。
3.按權利要求1或2所述的一種水下自航行器的方向調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述傳動機構(gòu)包括第一直齒輪(10)和第二直齒輪(11)，第一直齒輪(10)與舵機(5)輸出軸相連，第二直齒輪(11)安裝在舵軸(3)上、與第一直齒輪P(IO)相嚙合。
4.按權利要求1或2所述的一種水下自航行器的方向調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述舵機固定架(4)的縱向截面為“L”形，長邊上開有矩形孔，舵機(5)鑲嵌于矩形孔內(nèi)，舵機固定架(4)連接在耐壓艙體(I)的內(nèi)部加強肋上。
5.按權利要求1或2所述的一種水下自航行器的方向調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述舵軸(3)的軸向截面為“T”形，“T”形的豎邊設有外螺紋，“T”形的橫邊與耐壓艙體(I)相接觸位置開有O形圈槽，O形圈槽內(nèi)設置有O形密封圈，舵軸(3) —端通過螺釘與第二直齒輪(11)相連，另一端通過螺釘與舵(7)相連，中段軸肩處通過一對止推軸承(9)固定在舵軸固定架⑶上。
6.按權利要求1或2所述的一種水下自航行器的方向調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述舵(7)為流線形，耐壓艙體(I)套上導流套圈(8)后為完整錐體線形。
7.按權利要求1或2所述的一種水下自航行器的方向調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述固定板(1-1)與水下自航行器的其它艙體端蓋之間及密封件(2)與耐壓艙體(I)尾部之間分別設有O形密封圈。
8.按權利要求1或2所述的一種水下自航行器的方向調(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)裝置安裝在水下自航行器的尾部，耐壓艙體(I)通過O形密封圈和緊定螺釘與水下自航行器的其它模塊水密封連接。當水下自航行器需要上升或下潛時，耐壓艙體(I)內(nèi)左右兩側(cè)的兩個舵機(5)將收到一個同步控制信號，發(fā)生相應方向的轉(zhuǎn)動，驅(qū)動第一直齒輪(10)旋轉(zhuǎn)，通過第一直齒輪(10)和第二直齒輪(11)的嚙合帶動第二直齒輪(11)轉(zhuǎn)動；第二直齒輪(11)通過緊定螺釘連接于舵軸(3)，因此帶動舵軸(3)共同旋轉(zhuǎn)，舵軸(3)與舵(7)之間有螺釘連接，進而帶動左右兩側(cè)的舵(7)同步旋轉(zhuǎn)；左右兩側(cè)的舵(7)偏離中性位置之后，與水流的相對方向形成了一個夾角，產(chǎn)生了一對相同的偏轉(zhuǎn)力矩，該對力矩將推動整個載體在豎直面方向上轉(zhuǎn)向，從而使水下自航行器完成上升或下潛運動。當水下自航行器需要左右轉(zhuǎn)彎時，同理，利用耐壓艙體(I)內(nèi)上下兩側(cè)的舵機(5)和舵(7)可完成左右轉(zhuǎn)彎運動。同時協(xié)調(diào)上下左右兩對舵機(5)時，可以使水下自航行器在上升或下潛過程中實現(xiàn)左右轉(zhuǎn)彎動作，增強了水下自航行器的機動性。
全文摘要
本發(fā)明屬于海洋環(huán)境監(jiān)測和海底資源勘探領域，具體涉及一種水下自航行器的方向調(diào)節(jié)裝置及其控制方法。通過耐壓艙體上的固定板與水下自航行器的艙體相連；通過上下或左右對稱的一對舵機同步帶動各自的一對直齒輪做嚙合運動，從而將舵機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為舵軸的轉(zhuǎn)動，舵軸又將轉(zhuǎn)動傳遞給舵，通過控制兩個對稱舵的同步偏轉(zhuǎn)，來控制整個水下自航行器的運動方向；耐壓艙體與舵充分考慮水動力的影響，耐壓艙體采用錐體外形設計，舵采用流線形外形設計。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，能耗低，工作可靠等特點，高效快速的方向調(diào)節(jié)能力，提高了水下自航行器的機動性。
文檔編號B63G8/14GK103171750SQ20131011103
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月28日 優(yōu)先權日2013年3月28日
發(fā)明者嚴天宏, 孟凡豪, 何波, 劉仲武, 趙倩, 牛彥杰, 郭亦捷 申請人:中國計量學院