水下机器人多自由度矢量推进布局方法
【专利摘要】本发明公开了一种水下机器人多自由度矢量推进布局方法，用于解决现有水下机器人矢量推进方法方向控制单一的技术问题。技术方案是利用现有单自由度推进器进行多自由度矢量推进布局，使水下机器人前后两对水平推进器分别通过一支推进矢量控制轴联接成为一体，通过矢量推进伺服机构的控制可以联动完成推力矢量的旋转输出，实现各推进器推力在特定自由度方向上的优化组合，且易于工程实现。
【专利说明】水下机器人多自由度矢量推进布局方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种水下机器人矢量推进方法，特别是涉及一种水下机器人多自由度 矢量推进布局方法。
【背景技术】
[0002] 文献"水下机器人/蒋新松等编著一一沈阳：辽宁科学技术出版社，2000. 11， P279-286"公开了几种常见的水下机器人推进器布局方法。文献中指出，实现N个自由度的 运动最少需要N个推进器，这种目前通行的开架式水下机器人推进器布局思路，均以水下 机器人水平面运动和垂直平面运动的完全解耦为根本前提。各推进器布置于水下机器人各 自由度方向上，推力方向完全固定，各自为水下机器人不同自由度的运动输出推力。
[0003] 然而，由于水下机器人在执行观测、作业任务时，对各个自由度运动能力的需求并 不是恒定不变的，且由于系缆的存在，水下机器人运动过程中系缆扰动也是不断变化的。各 推进器推力方向固定，无论如何布置，水下机器人在特定自由度上的运动能力也是固定的， 无法使各推进器的推力在特定自由度方向上优化组合，以提高推进和补偿系缆扰动的效 率。
[0004] 解决以上问题，可以从推进器设计入手，研制具备三自由度推力旋转能力的水下 推进器。可以想见，这种推进器的设计和研制都是极端复杂的，涉及到多自由度结构设计、 伺服控制和水下动密封等问题，目前尚无此类推进器产品在市场上出现。因此，必须设计一 种利用现有单自由度推进器，解决系缆开架式水下机器人高效能运动控制和系缆扰动自主 补偿问题的推进器布局方法。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有水下机器人矢量推进方法方向控制单一的不足，本发明提供一种水 下机器人多自由度矢量推进布局方法。该方法利用现有单自由度推进器进行多自由度矢 量推进布局，使水下机器人前后两对水平推进器分别通过一支推进矢量控制轴联接成为一 体，通过矢量推进伺服机构的控制可以联动完成推力矢量的旋转输出，实现各推进器推力 在特定自由度方向上的优化组合，且易于工程实现。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种水下机器人多自由度矢量推进 布局方法，其特点是采用以下步骤：
[0007] 步骤一、选择水下机器人外轮廓的六个面形成长方体，以此长方体的几何中心作 为随体坐标系的坐标原点0, OX轴在长方体纵对称面内，垂直于机器人前端面，指向前进方 向；OZ轴同在长方体纵对称面内，与OX轴垂直指向上方；OY轴垂直于ZOX平面，与OX轴和 OZ轴构成右手直角坐标系。设长、宽、高分别为L、W和H的水下机器人重心和浮心在随体 坐标系内的坐标分别为（xg，Y g，Zg)和（X。，Y。，Z。)，则满足：
[0008] 稳心高 h = Zc-Zg>70mm。
[0009] 为了保持水下机器人的静平衡，有：
【权利要求】
1. 一种水下机器人多自由度矢量推进布局方法，其特征在于包括以下步骤： 步骤一、选择水下机器人外轮廓的六个面形成长方体，以此长方体的几何中心作为随 体坐标系的坐标原点0,ox轴在长方体纵对称面内，垂直于机器人前端面，指向前进方向； 0Z轴同在长方体纵对称面内，与0X轴垂直指向上方；0Y轴垂直于Z0X平面，与0X轴和0Z 轴构成右手直角坐标系；设长、宽、高分别为L、w和H的水下机器人重心和浮心在随体坐标 系内的坐标分别为（Xg，Yg，Zg)和（X。，Y。，Z。)，则满足： 稳心高h=Ze-Zg>70mm; 为了保持水下机器人的静平衡，有：
水下机器人重浮心位置与其长、宽、高之间的关系满足：
步骤二、水下机器人推进器为四个水平推进器和两个垂直推进器；四个水平推进器轴 线在同一平面内，且与X0Y平面平行，左前水平推进器（1)、右前水平推进器（4)、左后水 平推进器（6)和右后水平推进器（9)四个推进器轴线与Z0X平面的夹角ypL、yfk、和 均为30°，与左前水平推进器（1)、右前水平推进器（4)、左后水平推进器（6)和右后 水平推进器（9)四个推进器安装固定点P%、Pfk、Pm和PAK在随体坐标系内的坐标分别为 (XFL，YFL，ZFL)、（XFK，YFK，ZFK)、（XAL，YAL，ZAL)和（XAK^ 条件：
两垂直推进器（5)轴线在同一平面内，且与YOZ平面平行，垂直左CL和垂直右CR两个 推进器与Z0X平面的夹角ya、YeK均为0°，两个推进器安装固定点PejPPa在随体坐标 系内的坐标为（Xa，Ya，Za)和（Xra，Yra，Zra)，垂直推进器固定点坐标满足如下条件：
步骤三、将左前水平推进器（1)与右前水平推进器（4)与推进矢量前控制轴（3)相联 接，采用动密封方式插入前矢量推进伺服机构（2);将左后水平推进器（6)与右后水平推 进器（9)与推进矢量后控制轴（8)相联接，采用动密封方式插入后矢量推进伺服机构（7); 前后两对水平推进器分别通过一支推进矢量控制轴联接成为一体，水下机器人根据控制指 令，通过矢量推进伺服机构的控制联动实现推力矢量的旋转输出。
【文档编号】B63H5/00GK104477359SQ201410582511
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年10月27日 优先权日:2014年10月27日
【发明者】范辉, 赵雄辉, 孙铁绳 申请人:中国船舶重工集团公司第七〇五研究所