本發(fā)明涉及一種適用于水下航行器的推進(jìn)裝置，具體涉及一種采用無軸輪緣推進(jìn)器的水下航行器矢量推進(jìn)裝置。

背景技術(shù)：

1、隨著海洋探索的不斷深入，世界各國(guó)針對(duì)自主式水下航行器(auv)的研發(fā)力度逐年增大。為更加高效地完成復(fù)雜工況下的目標(biāo)任務(wù)與更加及時(shí)地實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)規(guī)避，高機(jī)動(dòng)性已成為目前auv裝備的主要發(fā)展方向之一。矢量推進(jìn)技術(shù)，即推力轉(zhuǎn)向技術(shù)，允許推進(jìn)系統(tǒng)不僅提供前后方向的進(jìn)推力，還能在航行體的俯仰、偏擺等方向上提供力和力矩，用以部分地取代舵產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向力從而控制方向。這種技術(shù)能顯著提高水下航行器的機(jī)動(dòng)性和靈活性，使其在復(fù)雜多變的水下環(huán)境中能夠更快、更準(zhǔn)確地調(diào)整姿態(tài)和航向。矢量推進(jìn)式水下航行器的研究意義深遠(yuǎn)，通過應(yīng)用矢量推進(jìn)裝置的自主式水下航行器擺脫了尾舵的使用，規(guī)避了尾舵在低速航行狀態(tài)下對(duì)于轉(zhuǎn)向的效果不明顯，高速航行狀態(tài)下轉(zhuǎn)向效果過于明顯的問題，同時(shí)避免了尾舵破壞無人機(jī)水動(dòng)力外形的缺點(diǎn)。

2、目前的auv矢量推進(jìn)裝備大多使用傳統(tǒng)螺旋槳式推進(jìn)器，有的采用兩個(gè)推桿為原動(dòng)件的曲柄搖塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)推力矢量化控制，使用傳統(tǒng)螺旋槳式推進(jìn)電機(jī)為主推進(jìn)器，有的以兩個(gè)舵機(jī)為原動(dòng)件實(shí)現(xiàn)矢量推進(jìn)、主推電機(jī)為傳統(tǒng)螺旋槳式推進(jìn)器的水下航行器；少量使用的導(dǎo)管式推進(jìn)器主要由螺旋槳式葉輪與控制水流的導(dǎo)管共同組成，導(dǎo)管通常為一環(huán)狀管，其內(nèi)壁與槳葉葉梢的間隙甚小，以減小葉梢損失，根據(jù)導(dǎo)管轉(zhuǎn)動(dòng)與否，導(dǎo)管式推進(jìn)器又可分為固定式和轉(zhuǎn)動(dòng)式兩種。

3、但現(xiàn)有技術(shù)廣泛采用的傳統(tǒng)螺旋槳式推進(jìn)器的螺旋槳推進(jìn)方式因?yàn)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)造成了尾流中垂直于推進(jìn)方向的速度分量，流場(chǎng)中的部分能量消耗并不能產(chǎn)生推力，導(dǎo)致推進(jìn)效率相對(duì)較低，并且其還具有體積和重量大、噪音和振動(dòng)大等缺點(diǎn)；導(dǎo)管式推進(jìn)器的導(dǎo)管和螺旋槳之間的間隙需要精確控制，以減小葉梢損失并提高效率，然而這種精確控制增加了維護(hù)的難度和成本，并且其還具有重量大、軸向長(zhǎng)度較長(zhǎng)、不能放置在很靠近船艏或船艉的地方等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于背景技術(shù)中提出的問題，本發(fā)明提出了一種采用無軸輪緣推進(jìn)器的水下航行器矢量推進(jìn)裝置，可以提高水下航行器推進(jìn)效率，減少艙體的使用空間，降低噪音和振動(dòng)。推進(jìn)器上安裝角度傳感器，兩個(gè)推桿采用模糊pid算法進(jìn)行控制，整體系統(tǒng)具有魯棒性強(qiáng)、控制精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)。

2、無軸輪緣推進(jìn)器與傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)器相比具有效率高、占用船艙空間少、噪音低和振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)；并且與現(xiàn)有的導(dǎo)管式推進(jìn)器相比則具有重量輕、軸向長(zhǎng)度短、可放置在更靠近船艏或船艉的地方等優(yōu)點(diǎn)，其集成度高，可模塊化生產(chǎn)，因此在不進(jìn)入船塢的情況下，就可簡(jiǎn)單而直接地更換或安裝。由于廣泛使用水潤(rùn)滑的復(fù)合材料軸承，且無軸輪緣推進(jìn)器是完全浸沒于海水中，因此推進(jìn)系統(tǒng)不再需要軸密封件、獨(dú)立冷卻系統(tǒng)和充油式的齒輪箱殼體等。

3、將無軸輪緣推進(jìn)器應(yīng)用于水下航行器的矢量推進(jìn)裝置，可以在原有矢量推進(jìn)裝置擺脫尾舵的情況下，有效提高水下航行器的推進(jìn)效率，降低航行器的航行噪音，同時(shí)方便航行器的維修更換部件，還能夠減少航行器整體艙體空間的占用，降低成本，增加水下航行器搭載的設(shè)備，對(duì)于各個(gè)領(lǐng)域的水下作業(yè)均有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。

4、本發(fā)明的具體技術(shù)方案是：

5、包括無軸輪緣式推進(jìn)器、外殼、矢量旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和底座機(jī)構(gòu)；

6、所述無軸輪緣式推進(jìn)器，用于水下航行器的直接推進(jìn)，安裝在外殼的尾部端口；

7、所述底座機(jī)構(gòu)，用于水下航行器的矢量旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的固定，安裝在外殼的頭部端口；

8、所述矢量旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，用于無軸輪緣式推進(jìn)器的矢量旋轉(zhuǎn)并鉸接在無軸輪緣式推進(jìn)器和底座機(jī)構(gòu)之間。

9、所述底座機(jī)構(gòu)包括推桿基座、底座和支撐板，支撐板固定于外殼的前端部，底座的頭部固定在支撐板的后端面，底座尾部上開設(shè)有沿偏轉(zhuǎn)方向的條形槽，推桿基座頭部設(shè)置有凸起塊，凸起塊嵌裝在條形槽中。

10、所述矢量旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括矢量偏轉(zhuǎn)組件和矢量俯仰組件，矢量偏轉(zhuǎn)組件和矢量俯仰組件均連接在所述底座機(jī)構(gòu)和無軸輪緣式推進(jìn)器之間；

11、所述矢量偏轉(zhuǎn)組件連接在所述底座機(jī)構(gòu)和無軸輪緣式推進(jìn)器的左右兩側(cè)之間，所述矢量偏轉(zhuǎn)組件包括復(fù)合鉸鏈結(jié)構(gòu)、偏航推桿、偏航推缸、偏航短連桿、中心連桿和連桿和支撐桿，支撐桿的前端和偏航推缸缸體均固定于底座機(jī)構(gòu)的支撐板上并間隔布置，偏航推缸的缸桿和偏航推桿前端連接，偏航推桿后端通過復(fù)合鉸鏈結(jié)構(gòu)鉸接于無軸輪緣式推進(jìn)器的前端面一側(cè)，偏航推桿的中部經(jīng)偏航短連桿和中心連桿一端鉸接，中心連桿另一端與連桿一端鉸接，連桿另一端通過復(fù)合鉸鏈結(jié)構(gòu)鉸接于無軸輪緣式推進(jìn)器的前端面另一側(cè)，中心連桿的中部和支撐桿后端鉸接；

12、所述矢量俯仰組件連接在所述底座機(jī)構(gòu)和無軸輪緣式推進(jìn)器的上側(cè)或者下側(cè)之間，所述矢量俯仰組件包括轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、俯仰短連桿、俯仰推桿和俯仰推缸，俯仰推缸固定安裝在所述底座機(jī)構(gòu)上，俯仰推缸的缸桿和俯仰推桿一端固定連接，俯仰推桿另一端和俯仰短連桿一端固定連接，俯仰短連桿另一端通過沿偏轉(zhuǎn)方向的鉸接軸和轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈相連，轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈固定安裝在無軸輪緣式推進(jìn)器的前端面上。

13、所述偏航推缸的缸桿、偏航推桿、連桿和支撐桿均沿水下航行器的前后方向布置，中心連桿沿水下航行器的偏轉(zhuǎn)方向布置；

14、所述俯仰推缸的缸桿、俯仰推桿和俯仰短連桿同軸沿水下航行器的前后方向布置。

15、所述復(fù)合鉸鏈結(jié)構(gòu)包括鉸鏈座和復(fù)合鉸鏈；

16、所述鉸鏈座固定安裝在無軸輪緣式推進(jìn)器前端面上，復(fù)合鉸鏈一端通過沿偏轉(zhuǎn)方向的鉸接軸和鉸鏈座鉸接，復(fù)合鉸鏈的另一端通過沿俯仰方向的鉸接軸和連桿相連。

17、所述水下航行器矢量推進(jìn)裝置還包括角度傳感器，角度傳感器安裝在無軸輪緣式推進(jìn)器前端面上，用于檢測(cè)無軸輪緣式推進(jìn)器的姿勢(shì)角度。

18、所述水下航行器矢量推進(jìn)裝置還包括控制模塊，所述控制模塊安裝在沿水下航行器的前后方向的底座機(jī)構(gòu)的前部；

19、所述無軸推進(jìn)器、角度傳感器、俯仰推缸、偏航推缸和控制模塊電連接。

20、所述控制模塊包括auv控制器、pid控制器和模糊控制器，角度傳感器的輸出端分別與模糊控制器的輸入端和pid控制器的輸入端相連，pid控制器的輸出端和auv控制器的輸入端連接，auv控制器的輸出端分別與角度傳感器的輸入端、俯仰推缸的輸入端和偏航推缸的輸入端相連。

21、本發(fā)明的有益效果是：

22、本發(fā)明裝置相比其他傳統(tǒng)的有軸推進(jìn)器結(jié)構(gòu)，使用了無軸輪緣式推進(jìn)器。提高了水下無人機(jī)推進(jìn)效率，減少艙體的使用空間，降低噪音和振動(dòng)，其集成度高，可模塊化生產(chǎn)，可簡(jiǎn)單而直接地更換或安裝。

23、采用兩個(gè)推桿與若干桿件、復(fù)合鉸鏈的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器的矢量推進(jìn)，與現(xiàn)有的無軸矢量推進(jìn)結(jié)構(gòu)相比，減少了一個(gè)推桿，使用模糊pid的控制方法，提高整體控制精度。整體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了去除尾舵的結(jié)構(gòu)的目標(biāo)，避免尾舵在航行器低速狀態(tài)下的低效缺陷，同時(shí)規(guī)避了尾舵對(duì)于整體航行器的水動(dòng)力破壞。

技術(shù)特征：

1.一種采用無軸輪緣推進(jìn)器的水下航行器矢量推進(jìn)裝置，其特征在于：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用無軸輪緣推進(jìn)器的水下航行器矢量推進(jìn)裝置，其特征在于：所述底座機(jī)構(gòu)包括推桿基座(10)、底座(11)和支撐板(13)，支撐板(13)固定于外殼(2)的前端部，底座(11)的頭部固定在支撐板(13)的后端面，底座(11)尾部上開設(shè)有沿偏轉(zhuǎn)方向的條形槽，推桿基座(10)頭部設(shè)置有凸起塊，凸起塊嵌裝在條形槽中。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用無軸輪緣推進(jìn)器的水下航行器矢量推進(jìn)裝置，其特征在于：所述矢量旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括矢量偏轉(zhuǎn)組件和矢量俯仰組件，矢量偏轉(zhuǎn)組件和矢量俯仰組件均連接在所述底座機(jī)構(gòu)和無軸輪緣式推進(jìn)器(1)之間；

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用無軸輪緣推進(jìn)器的水下航行器矢量推進(jìn)裝置，其特征在于：所述偏航推缸(12)的缸桿、偏航推桿(14)、連桿(6)和支撐桿(9)均沿水下航行器的前后方向布置，中心連桿(7)沿水下航行器的偏轉(zhuǎn)方向布置；所述俯仰推缸(8)的缸桿、俯仰推桿(16)和俯仰短連桿(17)同軸沿水下航行器的前后方向布置。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用無軸輪緣推進(jìn)器的水下航行器矢量推進(jìn)裝置，其特征在于：所述復(fù)合鉸鏈結(jié)構(gòu)包括鉸鏈座(4)和復(fù)合鉸鏈(5)；所述鉸鏈座(4)固定安裝在無軸輪緣式推進(jìn)器(1)前端面上，復(fù)合鉸鏈(5)一端通過沿偏轉(zhuǎn)方向的鉸接軸和鉸鏈座(4)鉸接，復(fù)合鉸鏈(5)的另一端通過沿俯仰方向的鉸接軸和連桿(6)相連。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用無軸輪緣推進(jìn)器的水下航行器矢量推進(jìn)裝置，其特征在于：所述水下航行器矢量推進(jìn)裝置還包括角度傳感器(19)，角度傳感器(19)安裝在無軸輪緣式推進(jìn)器(1)前端面上，用于檢測(cè)無軸輪緣式推進(jìn)器(1)的姿勢(shì)角度。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用無軸輪緣推進(jìn)器的水下航行器矢量推進(jìn)裝置，其特征在于：所述水下航行器矢量推進(jìn)裝置還包括控制模塊(3)，所述控制模塊(3)安裝在沿水下航行器的前后方向的底座機(jī)構(gòu)的前部；

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用無軸輪緣推進(jìn)器的水下航行器矢量推進(jìn)裝置，其特征在于：所述控制模塊(3)包括auv控制器、pid控制器和模糊控制器，角度傳感器(17)的輸出端分別與模糊控制器的輸入端和pid控制器的輸入端相連，pid控制器的輸出端和auv控制器的輸入端連接，auv控制器的輸出端分別與角度傳感器(19)的輸入端、俯仰推缸(8)的輸入端和偏航推缸(12)的輸入端相連。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種采用無軸輪緣推進(jìn)器的水下航行器矢量推進(jìn)裝置。包括無軸輪緣式推進(jìn)器、外殼、矢量旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、底座機(jī)構(gòu)，無軸輪緣式推進(jìn)器用于水下航行器的直接矢量推進(jìn)，安裝于外殼的尾部端口，底座機(jī)構(gòu)用于水下航行器的矢量旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的固定，安裝在外殼的頭部端口，矢量旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于無軸輪緣式推進(jìn)器的矢量旋轉(zhuǎn)并鉸接在無軸輪緣式推進(jìn)器和底座機(jī)構(gòu)之間。本發(fā)明將將無軸輪緣推進(jìn)器應(yīng)用于水下航行器的矢量推進(jìn)裝置，在原有矢量推進(jìn)裝置擺脫尾舵的情況下，有效提高水下航行器的推進(jìn)效率，降低航行器的航行噪音，與傳統(tǒng)矢量推進(jìn)裝置相比，具有效率高、占用艙體空間少、噪音低、振動(dòng)小的優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)研發(fā)人員：錢鵬,張柏海,張大海,王元奎,馬恩林
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2