一种适用于冰孔布放的AUV磁耦合矢量推进装置的制作方法

本实用新型属于海洋工程技术及极地探测领域，涉及一种适用于冰孔布放的auv磁耦合矢量推进装置。

背景技术：

地球的两极存在着浮冰区以及连接大洋和极地冰盖的冰架。对冰下环境的探测和取样，包括冰下海洋温盐环流观测、冰下海洋生态环境探测、冰下海水和沉积物取样等，是研究冰下海洋温盐环流、冰架与大洋相互作用的重要手段，具有重要的科学意义。目前主要有两种方式进行冰下环境的探测，一是通过在冰面上钻孔并将带缆的仪器设备放入其中，这种方式布放的仪器设备仅限于探测冰孔下十分有限的范围，不能进行冰下大范围的探测。二是通过在水下航行的自主水下航行器(autonomousunderwatervehicle,auv)。这种方式下auv通常是通过凿开冰层然后在较大的冰孔中进行布放和回收，但是对于厚的冰层，则需要在直径有限的冰孔内布放和回收。比如南极地区厚度达上千米的冰架，通常是需要通过极地热水钻机钻孔，开的冰孔直径通常在35cm～80cm的量级。而常规的auv在其外壳外具有凸出来的零部件，比如天线、操控auv的尾舵等。这些零部件在冰孔布放时容易与冰孔发生碰撞后损坏，因此常规的auv不适合通过冰孔布放。

此外，常规auv的操纵主要依靠尾舵的相互作用来进行，当航行器低速航行时，这种操纵方式效率非常低，机动性受到很大影响。采用矢量推进的方式可以提高auv的操控性，尤其可以提升低速下的转向性能。但是常规的转舵或矢量推进方式依靠接触式动密封来将密封腔内的转矩或推力传递至密封腔外，以实现转向。如cn208723765u公开的磁耦合推进器包括一筒体，在筒体两端分别固定有前端盖和后端盖；在后端盖与电机架之间固定有伺服电机，叶轮贯穿连接于前端盖。在伺服电机的驱动轴端部连接有外转子，在外转子内壁上设置有一组外转子永磁块；在叶轮的输出轴端部连接有内转子，内转子具有用以套设于输出轴端部的内套轴，在内套轴与内转子内壁上分别设置有一组内转子永磁块；外转子永磁块与每一组内转子永磁块的数量相等；沿圆周方向，每一个外转子永磁块两侧分别有一个内套轴上的内转子永磁块、一个内转子内壁上的内转子永磁块；在筒体内部、外转子与内转子之间套设有耦合套，耦合套从外向内被前端盖挤压于电机架，通过耦合套，内、外转子之间形成磁力耦合。伺服电机的输出力矩传递至叶轮，叶轮的输出轴伴随伺服电机的驱动轴同步转动，最终通过控制伺服电机输出轴的转向与力矩大小，实现推进器的位移推进与姿态调整。这种接触式动密封，轴与静止密封圈以一定的预压力接触并相对运动，因两者摩擦必然存在摩擦功率损耗。此外工作时间长后会导致密封圈磨损，存在漏水的风险。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种适用于冰孔布放的auv磁耦合矢量推进装置，整个推进装置的外径小于auv外壳的外径，从而避免在冰孔布放过程中因碰撞而损坏，此外采用矢量推进器提升了低速航行时的机动性，同时矢量推进器采用磁耦合方式驱动避免了动密封带来的摩擦损耗和密封圈磨损带来的漏水风险，从而提高防水性能和可靠性。

本实用新型采用的技术方案是：

一种适用于冰孔布放的auv磁耦合矢量推进装置，其特征在于：包括水下推进器、转向模块、磁耦合装置、驱动装置、舱体，所述舱体内设置有安装架，所述安装架的每个侧面上均安装有驱动装置，所述转向模块设置于舱体外，所述水下推进器设置于舱体后侧并连接于转向模块上，所述水下推进器的外径小于舱体外壳的外径；每个所述驱动装置均通过磁耦合装置带动转向模块转向动作，所述磁耦合装置包括约束轨道、从动磁铁模块、主动磁铁，所述主动磁铁安装在驱动模块上，所述从动磁铁模块可由主动磁铁带动沿约束轨道移动地安装于约束轨道内，所述约束轨道设置在舱体周面上，所述从动磁铁模块与转向模块连接；当所述驱动装置驱动主动磁铁移动时，从动磁铁模块跟着移动并将位移传递给转向模块，转向模块驱使水下推进器的推进方向改变。本实用新型通过改变水下推进器的方向来达到转向的目的，可以使其在低速航行时依然保持机动性，并且将转向模块设置于舱体外，并通过磁耦合装置带动转向，无需在舱体设置动密封，减少了常规动密封方式的摩擦损耗，同时避免了密封圈磨损带来的漏水风险，提高了可靠性。此外更重要的是，矢量推进的方式避免采用常规的尾舵操控方式，使得auv的主体外径以外，没有任何凸起的结构，从而更适合在冰孔布放回收。

进一步，所述转向模块包括多个转向机构、连接件，所述连接件与水下推进器连接，所述连接件上安装有固定盘；所述转向机构包括输入轴、输出轴，所述输入轴的输入端穿过从动磁铁上开的孔与从动磁铁模块连接，所述输入轴与输出轴铰接连接，所述输出轴的输出端连接有球铰，所述球铰可动地安装于固定盘与连接件之间。本实用新型通过多个转向机构配合进行水下推进器的转向，转向可靠，操纵效率高。

进一步，所述输入轴与输出轴之间通过铰接件连接，所述铰接件包括拉杆夹头和拉杆夹头连接件，所述拉杆夹头连接于输入轴上，所述拉杆夹头连接件连接于输出轴上，所述拉杆夹头与拉杆夹头连接件之间通过销轴铰接连接。

进一步，所述舱体外安装有导流罩，所述连接件位于导流罩的端部外。

进一步，所述从动磁铁模块包括从动磁铁、螺杆、轴承、轴套，所述螺杆穿设于从动磁铁内，所述螺杆的两端均安装有轴套和轴承并通过螺母固定，所述轴承与约束轨道配合安装。

进一步，所述轴承为陶瓷轴承。

进一步，所述驱动装置包括丝杠步进电机、丝杠螺母、导轨、滑块，所述丝杠步进电机的丝杠上安装丝杆螺母，所述主动磁铁连接于丝杆螺母上，所述主动磁铁上连接有滑块，所述滑块可沿导轨移动，所述导轨固定于安装架上。本实用新型的主动磁铁由丝杆螺母带动移动，通过滑块与导轨的配合使得主动磁铁平稳移动，提高可靠性。

进一步，所述丝杠步进电机通过步进电机支架安装于安装架上。

进一步，所述安装架为阶梯三棱柱结构。本实用新型可以将丝杠步进电机、导轨安装于不同的阶梯面上保证主动磁铁移动平稳顺畅。

进一步，所述舱体位于水下推进器的一端设置有密封舱盖，另一端连接有转接仓。转接仓用于与水下航行器的主体连接。

本实用新型的有益效果：通过矢量推进的方式来转向，可以使auv在低速航行时依然保持机动性。采用磁耦合方式传动改变水下推进器的推进方向，整个装置没有动密封，减少了常规动密封方式的摩擦损耗，同时避免了密封圈磨损带来的漏水风险，提高了装置的可靠性。此外，整个矢量推进装置的外径小于auv外壳的外径，使得auv的主体外径以外没有凸起的结构，避免了凸起的结构在冰孔布放过程中因碰撞而损坏，从而更适合在冰孔布放回收。

附图说明

图1是本实用新型的整体的侧视图。

图2是本实用新型去掉导流罩和转接仓后的立体结构示意图。

图3是本实用新型去掉导流罩和转接仓后的半剖结构视图。

图4是本实用新型的舱体内部驱动模块设置的立体结构示意图。

图5是本实用新型的从动磁铁模块的半剖结构视图。

图6是本实用新型的转向模块的立体结构示意图。

图7是本实用新型的3-prs并联机构基本参数及第一条驱动装置链的矢量表达示意图。

图8是本实用新型的固定坐标系o—xyz初始几何关系示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本实用新型进行进一步说明，但并不将本实用新型局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本实用新型涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参见图1-6，本实施例提供了一种适用于冰孔布放的auv磁耦合矢量推进装置，包括水下推进器4、转向模块、磁耦合装置、驱动装置、舱体6，所述舱体6内设置有安装架15，所述安装架15的每个侧面上均安装有驱动装置，所述转向模块设置于舱体6外，所述水下推进器4设置于舱体6后侧并连接于转向模块上，所述舱体6位于水下推进器的一端并设置有密封舱盖8，另一端连接有转接仓1。转接仓1用于与水下航行器的主体连接。所述舱体6外安装有导流罩2。本实施例所述安装架15为阶梯三棱柱结构，每个阶梯三棱柱的侧面均安装有驱动装置，即本实施例设置有3个驱动装置，相应的磁耦合装置也设置有3个。

本实施例每个所述驱动装置均通过磁耦合装置带动转向模块转向动作，所述磁耦合装置包括约束轨道5、从动磁铁模块、主动磁铁11，所述主动磁铁11安装在驱动模块上由驱动模块带动运动，所述从动磁铁模块可由主动磁铁11带动沿约束轨道5移动地安装于约束轨道5内，所述约束轨道5设置在舱体6周面上，所述从动磁铁模块与转向模块连接。本实用新型将转向模块设置于舱体6外，并通过磁耦合装置带动转向，无需在舱体6设置动密封，减少了常规动密封方式的摩擦损耗，同时避免了密封圈磨损带来的漏水风险，提高了可靠性。并且通过改变水下推进器4的方向来达到转向的目的，可以使其在低速航行时依然保持机动性。

本实施例所述转向模块包括3个转向机构、连接件3，所述连接件3位于导流罩2的端部外，所述连接件3的一端为连接板结构，另一端为内空的半球形结构，所述连接件3的连接板结构与水下推进器4连接，所述连接件3的半球形结构上安装有固定盘26；所述转向机构包括输入轴21、输出轴24，所述输入轴21的输入端穿过从动磁铁上开的孔与从动磁铁模块连接，所述输入轴21与输出轴24铰接连接，所述输出轴24的输出端连接有球铰25，所述球铰25可动地安装于固定盘26与连接件3之间的空间内。本实用新型通过多个转向机构配合进行水下推进器4的转向，转向可靠，操纵效率高。所述输入轴21与输出轴24之间通过铰接件连接，所述铰接件包括拉杆夹头22和拉杆夹头连接件23，所述拉杆夹头22连接于输入轴21上，所述拉杆夹头连接件23连接于输出轴24上，所述拉杆夹头22与拉杆夹头连接件23之间通过销轴铰接连接。

本实施例所述从动磁铁模块包括从动磁铁16、螺杆20、轴承18、轴套17，所述螺杆20穿设于从动磁铁16内，所述螺杆20的两端均安装有轴套17和轴承18并通过螺母19固定，所述轴承18与约束轨道5配合安装。所述轴承18为耐海水腐蚀的陶瓷轴承。本实施例的从动磁铁16中穿设有2根螺杆20，从动磁铁16在主动磁铁11驱动下，通过轴承18沿着约束轨道5移动，保证从动磁铁16移动的稳定性。

本实施例所述驱动装置包括丝杠步进电机14、丝杠螺母12、导轨9、滑块10，所述丝杠步进电机14的丝杠上安装丝杆螺母12，所述主动磁铁11连接于丝杆螺母12上，所述主动磁铁11上连接有滑块10，所述滑块10可沿导轨9移动，所述导轨9固定于安装架15上。本实用新型的主动磁铁11由丝杆螺母12带动移动，通过滑块10与导轨9的配合使得主动磁铁11平稳移动，提高可靠性。所述丝杠步进电机14通过步进电机支架13安装于安装架15上。本实用新型可以将丝杠步进电机14、导轨9安装于阶梯三棱柱的不同的阶梯面上保证主动磁铁11移动平稳顺畅。

本实施例中，磁耦合矢量推进装置的转矩传递过程如下所述：最初丝杠步进电机14工作，丝杠转动，进一步的通过丝杠螺母12与丝杠的斜面作用，丝杠的转动转变为丝杠螺母12在轴向上的位移，进一步的位移传递给主动磁铁11，主动磁铁11通过滑块10沿导轨9滑动，同时在主动磁铁11所对舱体6外侧有一从动磁铁16，在磁力作用下，主动磁铁11的位移传递给从动磁铁16，进一步的位移传递给输入轴21，进一步的，输入轴21的运动经拉杆夹头22与拉杆夹头连接件23传递给输出轴24，使之产生摆动，进一步的输出轴24的摆动经由球铰25传递给连接件3，连接件3产生转动，进一步的，水下推进器4的推进方向发生改变。在3个不同的驱动装置与磁耦合装置的配合下可实现水下推进器4任意方向的转动，从而实现auv偏航角和俯仰角的控制。

本实施例中所述驱动装置运动情况与水下推进器的摆动角度之间的关系(由所需水下推进器摆动角度确定从动磁铁移动距离的运动学逆解计算方法)如下：

参见图7，其中，bi(i＝1，2，3)为三个球铰的初始位置，ri(i＝1，2，3)为三个拉杆夹头初始位置，ai(i＝1，2，3)为三个从动磁铁初始位置，o2为推进器大球铰的中心，rb，b1分别为过ai和bi(i＝1，2，3)外接圆的半径，l为ri与bi之间输出轴的长度，ri、bi(i＝1，2，3)之间垂直距离为di，ai、ri(i＝1，2，3)间距离为di；

以o1为原点，o1a1为x轴正方向，o1o2为z轴正方向，垂直于o1-xz面向里为y轴正方向，建立直角坐标系o1-xyz。

依据图8的固定坐标系o1—xyz初始几何关系：

r1＝[rb0d1]^t

在水下推进器推进方向发生较小改变过程中，biri(i＝1，2，3)在o1-xy平面上投影所成的角度较小，忽略不计，则bi坐标为：

联立后可解得δd1δd2δd3，其中δd1、δd2、δd3分别为相应的驱动装置的移动距离，由此得到bi(i＝1，2，3)坐标与δd1δd2δd3之间的关系；

令bi位置矢量为bi＝[bixbiybiz]^t(i＝1，2，3)，根据三个球铰位置矢量bi＝[bixbiybiz]^t(i＝1，2，3)，bi(i＝1，2，3)这三个点可以形成3个向量b1b2、b1b3、b2b3,可得到b1b2(b2x-b1x，b2y-b1y，b2z-b1z),b1b3(b3x-b1x，b3y-b1y，b3z-b1z),b2b3(b3x-b2x，b3y-b2y，b3z-b2z)；令水下推进器方向向量n＝(a,b,c)，则根据法向量定义的：(b2x-b1x)*a+(b2y-b1y)*b+(b2z-b1z)*c＝0且(b3x-b1x)*a+(b3y-b1y)*b+(b3z-b1z)*c＝0且(b3x-b2x)*a+(b3y-b2y)*b+(b3z-b2z)*c＝0即可得到水下推进器方向向量n＝(a,b,c)；水下推进器在向量μ＝(a,b)方向上偏离固定坐标系y轴正方向的角度为