一种矢量推进的水下无人航行器

1.本发明属于水下潜航器技术领域，具体涉及一种矢量推进的水下无人航行器。


背景技术：

2.近些年来，随着国家的发展，我国对海洋的探索越加重视。水下无人航行器(underwater unmanned vehicle，简称“uuv”)在海洋探测过程中发挥着不可或缺的作用。经过数十年的发展，水下无人航行器研究已取得较多优异成果，而研究过程中关键性的一环是uuv的结构设计，uuv结构的优劣直接决定了航行器的运动模式、灵活性和稳定性，因此对uuv结构的研究具有重要意义。传统uuv为实现矢量推进大多采用螺旋桨与旋转舵相结合的方式、采用螺旋桨与摆动尾翼组合的方式和采用多螺旋桨配合运动等。螺旋桨与旋转舵组合及螺旋桨与摆动尾翼组合方式实现矢量推进，其原理均是通过增大一个侧面的横截面积、增大在该方向的阻力从而达到差速实现矢量推进，由于产生的阻力有限，这两种推进方式效率低、灵活性低、可调节性差，不适宜用于复杂环境；为保证航行器的灵活性和可调节性，采用多螺旋桨配合运动实现矢量推进至少需要四个螺旋桨，螺旋桨较多运动过程中耗能多、效率低下，同时会对水下自然环境造成严重影响。
3.因此，为了解决现有水下无人航行器的灵活性低、不适于复杂环境工作及耗能严重等问题，对水下无人航行器提高矢量推进灵活性的结构设计研究具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种矢量推进的水下无人航行器，解决现有uuv推进方式灵活性低、不适合复杂环境等问题。
5.本发明采用以下技术方案：
6.一种矢量推进的水下无人航行器，包括舱体，舱体的中部设置有第一螺旋桨，舱体的尾部沿舱体周向设置有尾舵，舱体的尾部设置有第二舵机，第二舵机经第一舵机与第二螺旋桨连接，第一舵机和第二舵机十字交叉放置。
7.具体的，第二舵机设置在尾板上，尾板通过第二法兰盘与舱体密封连接。
8.进一步的，第二法兰盘通过密封圈与舱体过盈配合连接。
9.进一步的，垂直于尾板的平面设置有环形体用于安装导流罩。
10.进一步的，尾板上设置有充电接口和防水开关。
11.具体的，第二螺旋桨与第一舵机之间通过连接件连接，第一舵机安装固定在第二舵机的摆臂上，第二螺旋桨通过连接件安装固定在第二舵机的摆臂上。
12.具体的，舱体中部设置有腔体，第一螺旋桨设置在腔体内，腔体的上方设置有上盖，腔体的下方对应设置有下盖。
13.具体的，舱体的前端设置有透明罩，透明罩与第一法兰盘连接构成密封法兰半球，密封法兰半球通过密封圈与舱体过盈配合连接。
14.进一步的，透明罩上套装有法兰压环。
15.进一步的，透明罩与第一法兰盘之间设置有一个密封圈，第一法兰盘与舱体之间设置有两个密封圈。
16.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
17.本发明一种矢量推进的水下无人航行器，能够实现水下无人航行器在水下运动过程中的矢量推进，满足航行器在水下灵活性的要求；也可以作为运动载体，搭载视觉系统及各种传感器，如深度传感器、酸碱度传感器，用于探查水下环境、测试水质；本发明以两个螺旋桨及两个舵机配合运动，尾部螺旋桨在舵机的配合下可实现快速的换向，灵活的改变航行器的转动方向，可根据环境做出快速的反应，达到在复杂环境下灵活运动的效果；通过控制舵机的转向角度即可调节螺旋桨推进方向与轴线之间的夹角，从而调节航行器的航向，实现航向的精准控制；中部螺旋桨轴线与航行器重心浮心所成直线重合，可实现航行器垂直方向上的上升和下潜运动，实现航行器的定深悬浮，中部与尾部螺旋桨配合运动可实现定深行驶。
18.进一步的，
19.尾板通过第二法兰盘与舱体密封连接，其中尾板与第二法兰盘大端通过螺栓进行连接，第二法兰盘小端与舱体内表面通过密封圈进行过盈配合，因此固定了尾板与航行器舱体间的相对位置，便于舵机和螺旋桨的定位与安装。
20.进一步的，第二法兰盘通过其小端上的密封圈与舱体内表面进行过盈配合，可实现第二法兰盘的轴向和周向固定，从而达到连接的效果，同时通过密封圈进行刚柔件之间的连接，可实现防水密封。
21.进一步的，导流罩与垂直于尾板平面的环形体相连接，优化航行器的线型，减少航行器在水下的阻力；
22.进一步的，尾板上设置有充电接口和防水开关，充电接口是将充电头固定于水管接头内壁，打开堵帽即可看到充电头，进行充电，结构简单，同时堵帽关闭时可达到防水的效果，防水开关为按压式控制器，可控制航行器的启停，将其固定于尾板上与航行器内部电路相连，防水开关与尾板接缝处打上胶水，可实现密封防水的效果。
23.进一步的，调节机构由第一舵机和第二舵机十字交叉放置，第一舵机安装固定在第二舵机的摆臂上，第二螺旋桨通过连接件安装固定在第二舵机的摆臂上，第二舵机摆臂的运动会带动第一舵机运动，改变第一舵机初始运动方位，而第二舵机和第一舵机的运动会通过连接件依次传递到螺旋桨上，改变其推力方向。
24.进一步的，中部螺旋桨与中部空腔通过螺栓进行连接，且中部螺旋桨轴线与航行器重心与浮心的连接线重合，垂直于水平面，通过中部螺旋桨正转和反转，可以提供向上或向下的推力，实现航行器垂直上浮下潜和定深悬停，同时腔体的上方设置有上盖，腔体的下方对应设置有下盖，保证了舱体外表面的流线型。
25.进一步的，透明罩与第一法兰盘通过法兰压环相连接，构成密封法兰半球，视觉系统可透过透明罩进行环境探测，再将密封法兰小端外表面与腔体内表面相连，密封圈与腔体内表面接触，实现腔体与法兰间的过盈配合与轴向固定，达到密封的效果；
26.进一步的，法兰压环与第一法兰盘通过螺栓进行连接，提高了连接件间的刚度和强度，第一法兰盘连接孔为螺纹孔，螺栓连接可实现透明罩与第一法兰盘的紧密接触，同时压力使密封圈发生变形，以达到防水密封的效果；
27.进一步的，透明罩与第一法兰盘之间设置有一个密封圈，通过法兰压环的压力使密封圈发生变形，形成刚软件接触，达到防水的效果，第一法兰盘上小端装有两个密封圈，法兰盘小端与舱体内表面接触，密封圈在两者之间，形成过盈配合，实现固定和防水等功能。
28.综上所述，本发明通过简单结构实现水下无人航行器的矢量推进，满足水下复杂环境对航行器运动灵活性的要求。
29.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
30.图1为本发明整体结构示意图；
31.图2为本发明组成部分分离状态立体示意图；
32.图3为本发明尾部调节机构结构示意图；
33.图4为本发明密封法兰和腔体配合的局部半剖结构示意图，其中，(a)为主视图，(b)为侧视图；
34.图5为本发明尾板结构图。
35.其中：1.法兰压环；2.透明罩；3.第一法兰盘；4.舱体；5.上盖；6.第一螺旋桨；7.尾舵；8.第二法兰盘；9.尾板；10.导流罩；11.第二螺旋桨；12.连接件；13.第一舵机；14.第二舵机；15.下盖；16.密封圈；17.充电接口；18.防水开关。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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发明和简化描述，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发明的限制。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。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
38.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整
体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
40.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
41.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
42.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
43.本发明提供了一种矢量推进的水下无人航行器，通过两个舵机和两个螺旋桨间的相互配合即可实现航行器水下的矢量推进，满足航行器水下运动高机动性要求，通过中部螺旋桨、尾部螺旋桨和第一舵机的配合运动，可实现航行器原地上浮与下潜，也可实现航行器定深悬停；通过第二舵机的转动带动尾部螺旋桨的偏转，改变螺旋桨推力方向，可实现航行器的左右转弯，解决现有水下无人航行器灵活性低、转弯半径大等问题。
44.请参阅图1，本发明一种矢量推进的水下无人航行器，包括航行器舱体总成和推进总成两部分，推进总成安装固定在航行器舱体总成的尾端；航行器舱体总成用于存放航行器控制器件、电源及功能模块等，同时舱体总成中部设置的螺旋桨用于实现无人航行器的垂直上浮与下潜等功能，推进总成通过舵机与螺旋桨间的相互配合产生不同方向的推进力，从而推动航行器做矢量运动。
45.航行器舱体总成包括圆形结构的法兰压环1，亚克力的透明罩2，第一法兰盘3，舱体4，中部空腔的上盖5，第一螺旋桨6，尾舵7，第二法兰盘8，尾板9，中部空腔的下盖15和密封圈16。
46.透明罩2设置在舱体4的一端，透明罩2通过第一法兰盘3与舱体4的一端连接，透明罩2上套装有法兰压环1，第一法兰盘3与舱体4之间设置有密封圈16；推进总成的尾板9设置在舱体4的另一端，尾板9通过第二法兰盘8与舱体4密封连接，第二法兰盘8与舱体4之间设置有密封圈16；舱体4的上侧设置有上盖5，舱体4的下侧对应设置有下盖15，上盖5处的舱体4内设置有第一螺旋桨6，舱体4靠近尾板9处沿舱体周向设置有尾舵7。
47.推进总成包括尾板9，导流罩10，第二螺旋桨11，舵机与螺旋桨的连接件12，第一舵机13，第二舵机14。
48.导流罩10设置在尾板9的外部，尾板9上设置有第二舵机14、充电接口17和防水开关18，第二舵机14通过第一舵机13与第二螺旋桨11连接，第二螺旋桨11与第一舵机13之间设置有连接件12。
49.请参阅图2，图2为本发明爆炸视图，组装航行器时，按设计将航行器舱体总成的法兰压环1，亚克力透明罩2和第一法兰盘3通过螺栓连接组成密封法兰半球，密封法兰半球通过密封圈16与舱体4进行过盈配合；尾部的第二法兰盘8和尾板9通过螺栓进行连接组成尾部密封法兰，第二法兰盘8通过密封圈16与舱体4进行过盈配合；第一螺旋桨6通过螺栓安装固定在舱体4中部的空腔内；上盖5，下盖15通过螺钉固定在舱体表面；推进总成中尾板9，第
二舵机14，第一舵机13，连接件12和第二螺旋桨11按照图2中的顺序依次通过螺栓连接，尾板9另一端与第二法兰盘8连接；导流罩10与尾板9通过螺栓连接。
50.请参阅图4，圆形压环1，亚克力透明罩2和第一法兰盘3通过螺栓进行连接组成密封法兰半球，密封法兰半球的一端与舱体4的内表面接触，密封法兰半球上装有两个密封圈16，密封圈16在密封法兰半球和舱体4之间形成过盈配合，实现固定和防水等功能；在透明罩2与第一法兰盘3之间有一个密封圈16，圆形压环1与第一法兰盘3通过螺栓进行连接，第一法兰盘3连接孔为螺纹孔，螺栓连接实现透明罩2与第一法兰盘3的紧密接触，同时压力使三个密封圈16发生变形，以达到防水密封的效果。
51.请参阅图3，为本发明推进机构调节示意图，调节机构由第一舵机13和第二舵机14十字交叉放置，第一舵机13安装固定在第二舵机14的摆臂上，第二螺旋桨11通过连接件12安装固定在第二舵机14的摆臂上，第二舵机14和第一舵机13的运动会依次传递到螺旋桨11上，改变其推力方向。
52.请参阅图5，尾板9通过外圈八个孔与舱体4尾部的第二法兰盘8连接，第二法兰盘8上垂直于尾板9的平面设置有环形体用于安装导流罩10，中心四个孔用于固定舵机，同时尾板9上安装了充电接口17和防水开关18；充电接口17是将充电头固定于水管接头内壁，打开堵帽即可看到充电头，进行充电，结构简单，同时堵帽关闭时可达到防水的效果，防水开关18为按压式控制器，可控制航行器的启停，将其固定于尾板9上与航行器内部电路相连，防水开关18与尾板9接缝处打上胶水，可实现密封防水的效果；同时尾板左部有一个穿线孔，可穿过舵机和螺旋桨的供电线、控制线，过线之后用胶水将孔封死，可实现防水。
53.本发明一种矢量推进的水下无人航行器，依据其设计灵活性高、机动性强、推进能力强，具备矢量推进和原地浮潜等功能，可执行海上应急搜救任务，搜救范围广、搜救效率高，可应用于海洋资源协同探测、水下地形勘探、水体生态环境监测等领域；同时其本身具有一定承载能力，又可用于执行药品等紧急物质输送任务，可作为水下移动平台，搭载更多功能模块，做为实验载体；由于其体积小、机动性强、可实现矢量推进，因此可进入珊瑚礁群，高架桥底和沉船内部等复杂水下区域，执行水下搜集和打捞任务，将获得的数据信息及时传送到岸上的打捞搜救人员，实现精准打捞任务。
54.综上所述，本发明一种矢量推进的水下无人航行器，通过水下无人航行器可调节推进方向的尾部螺旋桨和中部螺旋桨配合运动，实现航行器的矢量推进，中部螺旋桨可实现航行器垂直方向上的上升和下潜运动，实现航向器的定深悬停运动，尾部螺旋桨与舵机配合可实现航行器换向运动，两个螺旋桨与两个舵机配合运动可实现航行器的矢量推进和精准控制。举例说明，中部螺旋桨实现航行器定深悬停，尾部螺旋桨提供推进力即可实现定深巡游；中部螺旋桨提供垂直方向的力与尾部螺旋桨推进力组合即可克服水中阻力实现矢量推进。
55.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。