一種水下滑翔器的方向調節(jié)裝置及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于海洋環(huán)境監(jiān)測和資源開發(fā)領域，具體涉及一種水下滑翔器的方向調節(jié)裝置及其控制方法。通過螺釘將耐壓尾艙與水下滑翔器的前端艙體連接；通過舵機帶動錐齒輪，錐齒輪嚙合產生運動，從而將舵機的轉動轉化為舵軸的轉動，舵軸又將轉動傳遞給舵，通過控制兩個對稱舵的同步偏轉，來控制整個水下滑翔器在水平面的轉向運動；耐壓艙體與舵充分考慮水動力的影響，采用流線形外形設計。本發(fā)明具有結構簡單緊湊，拆裝方便，能耗低，工作可靠等特點，高效快速的方向調節(jié)能力，提高了水下滑翔器的機動性。
【專利說明】一種水下滑翔器的方向調節(jié)裝置及其控制方法
【技術領域】:
[0001]本發(fā)明屬于海洋環(huán)境監(jiān)測和資源開發(fā)領域，具體涉及一種水下滑翔器的方向調節(jié)裝置及其控制方法。
【背景技術】:
[0002]隨著海洋環(huán)境監(jiān)測和資源開發(fā)的大力開展，各種水下機器人應運而生。水下滑翔機是為了滿足大尺度、長時間、大范圍的海洋環(huán)境監(jiān)測需要，將浮標、潛標技術與水下機器人技術結合起來，研制出的一種新型水下機器人。它靠凈浮力驅動，大大節(jié)省了能耗，而且還具有低噪聲低成本，可重復利用，投放回收方便的優(yōu)點。
[0003]水下滑翔機不配備推進裝置，靠浮力與重力產生的浮力差產生上浮下潛的動力。在上浮下潛的過程中，通過改變重心的位置調整俯仰的姿態(tài)，具體地是通過電池包重塊在軸線方向上的移動，使重心相對浮心位置發(fā)生改變，產生一個俯仰力矩，該力矩改變了水下滑翔機的俯仰姿態(tài)，實現上浮下潛運動狀態(tài)的轉換，形成一條垂直面內的鋸齒狀航行軌跡；然而要實現空間范圍六自由度的自由運動還需要繞自身軸線的橫傾轉動和水平面的轉向運動，滑翔器自轉，具體地是通過旋轉偏心電池，使重心偏離對稱軸線，產生一個橫傾力矩，使整個機身繞軸線產生一定傾角，由于機身的傾斜，使作用在兩水平翼和垂直尾翼上的力左右不平衡，從而實現轉向。
[0004]目前大多數的水下滑翔機都能實現大范圍的滑翔和一定深度的上升下潛。通過控制排水體積可以較精確控制凈浮力大小，決定下潛深度；通過控制重塊沿軸線方向的位移和偏心電池的偏轉角度實現對俯仰角和橫傾角的精確掌握；對于滑翔器水平面的轉向，由于滑翔機的體積小重量輕，僅靠浮力驅動，在海洋的洋流運動較大時，滑翔器難以保證方向調節(jié)的穩(wěn)定，容易出現隨波逐流的情況。因此在滑翔器狹小的內部空間設計出一個機構來控制水平面轉向，對于實現對水下滑翔器航行軌跡的更精確的掌握十分關鍵。
[0005]針對上述問題，本發(fā)明提出一種水下滑翔器的方向調節(jié)裝置及其控制方法，便于調節(jié)水下滑翔器的水平面運動方向，實現水下滑翔器的運動方向的可控性；同時兼顧滑翔器體積小的特征，設計機構結構緊湊精巧；加上該裝置的外形流線型好，使水下滑翔器的整體水動力性能良好。
【發(fā)明內容】
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[0006]為了解決上述存在的問題，本發(fā)明目的在于:提出一種水下滑翔器的方向調節(jié)裝置及其控制方法，便于調節(jié)水下滑翔器在水平面運動方向，實現水下滑翔器的運動方向的可控性。
[0007]為了實現本發(fā)明之目的，擬采用以下技術方案:
[0008]本發(fā)明包括上下舵片、上舵軸、下舵軸、聯(lián)軸器、耐壓尾艙、軸承、軸承端蓋、舵機以及傳動機構，其中舵機和傳動機構連接安裝在耐壓尾艙艙體后壁上；所述上舵軸和下舵軸均一端與舵片連接，另一端通過聯(lián)軸器相連接，傳動機構與一舵軸相連，舵軸中段通過軸承和軸承端蓋固定在耐壓尾艙上；耐壓尾艙與前部艙體相連，組成一個完整的水下滑翔器。
[0009]其中:在所述耐壓尾艙左右兩側對稱分布兩孔，通過螺釘用于連接水下滑翔器的其它艙體；所述傳動機構包括主動錐齒輪和從動錐齒輪，主動錐齒輪與舵機輸出軸相連，從動錐齒輪安裝在下舵軸上、與主動錐齒輪相嚙合；所述耐壓尾艙艙體后壁開有矩形槽，舵機鑲嵌在矩形槽內，通過螺釘固定在耐壓艙體壁上；所述下舵軸的一端通過鍵與從動錐齒輪相連接，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耐壓尾艙的加強肋上，軸承用一壓蓋固定，最外面用螺釘將軸承端蓋固定，在壓蓋與軸承端蓋間留有一個T型槽，槽內設置有旋轉壓力密封塞；所述舵與耐壓尾艙均為流體線型。所述耐壓尾艙與水下滑翔器的其它艙體端蓋連接部位設有O形密封圈。
[0010]本發(fā)明的控制方法如下:
[0011]將本發(fā)明的方向調節(jié)裝置安裝在水下滑翔器的尾部，耐壓尾艙通過O形密封圈和螺釘與水下滑翔器的其它模塊水密封連接。當水下滑翔器需要在水平方向上轉向時，耐壓尾艙后部的舵機將收到一個控制信號，發(fā)生相應方向的轉動，驅動主動錐齒輪旋轉，通過主動錐齒輪和從動錐齒輪的嚙合帶動從動錐齒輪轉動；從動錐齒輪通過緊定螺釘連接于舵軸，因此帶動舵軸共同旋轉，上舵軸和下舵軸通過聯(lián)軸器相連，可保持同步調旋轉。由于舵軸與舵片之間有螺釘連接，進而帶動上下的舵片同步旋轉；上下舵片旋轉偏離中性位置后，與水流的方向形成了一個夾角，產生了一對大小相同的偏轉力矩，該對力矩將推動整個載體在水平面上轉向，從而使水下滑翔器完成向左或向右轉彎的動作。同時協(xié)調俯仰姿態(tài)調節(jié)機構和橫滾姿態(tài)機構，根據航跡要求設定好俯仰姿態(tài)變化、橫滾姿態(tài)變化和左右轉向各段運動的時序，設計好控制器的信號，便可實現水下滑翔器在空間范圍內的六自由度運動，理論上可達到指定深度內的任何地方，提高了水下滑翔器的可控性和機動性。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果為:
[0013]1.本發(fā)明采用錐齒輪傳動，通過舵機帶動舵的旋轉，從而改變水下滑翔器的運動方向，結構簡單緊湊，充分利用尾艙的狹小空間，且傳動精確可靠。
[0014]2.本發(fā)明通過舵機經錐齒輪驅動舵軸，雙舵同步旋轉調節(jié)，無差動舵角，操作簡單，控制方便，轉向靈敏快速穩(wěn)定。通過實時信號傳輸能快速調整舵的轉動角度，使運動方向的調節(jié)可控性增強。
[0015]3.本發(fā)明的外形流線型好，充分考慮到水動力特性，極大減小了水阻力，同時，作為一個獨立的模塊，可以靈活的與水下滑翔器的其他模塊水密連接，拆裝方便，零件易于更換。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0016]圖1為本發(fā)明的結構主剖視圖；
[0017]圖2為圖1的左視圖；
[0018]圖3為圖1的俯視圖。
[0019]其中:1為上舵片，2為下舵片，3為上舵軸，4為聯(lián)軸器，5為下舵軸，6為舵機，7為主動錐齒輪，8為從動錐齒輪,9為軸承端蓋,10為壓蓋,11為止推軸承，12為耐壓尾艙,13為孔，14為O型圈溝槽?！揪唧w實施方式】:
[0020]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳述。
[0021]如圖1?3所示，本發(fā)明包括包括上舵片1、下舵片2、上舵軸3、聯(lián)軸器4、下舵軸
5、舵機6、傳動機構、軸承端蓋9、壓蓋10、止推軸承11和耐壓尾艙12。
[0022]舵機6鑲嵌在耐壓尾艙12的矩形孔內，用螺釘固定在艙壁上，舵機6通過傳動機構與舵軸5相連，本發(fā)明的傳動機構包括主動錐齒輪7和從動錐齒輪8，主動錐齒輪7通過緊定螺釘與舵機6的輸出軸相連，從動錐齒輪8通過緊定螺釘與下舵軸5相連，主動錐齒輪7與從動錐齒輪8相嚙合，使舵軸可以在水平面轉動。上下舵軸一端通過聯(lián)軸器4相連，另一端通過螺釘與舵片1、2連接，中段軸肩部位通過一對止推軸承11連接在尾艙壁上，通過壓蓋10將舵軸和止推軸承9固定，防止軸向運動，舵軸外套有旋轉密封塞，再將軸承端蓋用螺釘固定在尾艙艙體上，軸承端蓋與尾艙艙壁間設有O型圈，起到密封作用。
[0023]耐壓尾艙左右兩側對稱開有兩孔，用于通過螺釘將尾艙連接到前部艙體，形成一個滑翔器整體。連接處設有雙O型圈槽14，內部置有O型圈，起到密封艙體作用。尾舵和耐壓艙體均為流線形的外形設計，具有良好的水動力特點。
[0024]將本發(fā)明的方向調節(jié)裝置安裝在水下滑翔器的尾部，耐壓尾艙12通過O形密封圈和螺釘與水下滑翔器的其它模塊水密封連接。當水下滑翔器需要在水平方向上轉向時，舵機6接收到一個控制信號，輸出軸發(fā)生相應方向的轉動，驅動主動錐齒輪7旋轉，通過主動錐齒輪7和從動錐齒輪8的嚙合帶動從動錐齒輪8轉動；從動錐齒輪8通過緊定螺釘連接于舵軸5，因此帶動舵軸5共同旋轉，上舵軸3和下舵軸5通過聯(lián)軸器相連，可保持同步調旋轉。由于舵軸與舵片之間有螺釘連接，繼而帶動上下的舵片1、2同步旋轉；上下舵片旋轉偏離中性位置后，與水流的方向形成了一個夾角，產生了一對大小相同的偏轉力矩，該對力矩將推動整個載體在水平面上轉向運動，從而使水下滑翔器完成向左或向右轉彎的動作。同時協(xié)調俯仰姿態(tài)調節(jié)機構和橫滾姿態(tài)機構，根據航跡要求設定好俯仰姿態(tài)變化、橫滾姿態(tài)變化和左右轉向各段運動的時序，設計好控制器的信號，便可實現水下滑翔器在空間范圍內的六自由度運動，理論上可達到指定深度內的任何地方，提高了水下滑翔器的可控性和機動性。
【權利要求】
1.一種水下滑翔器的方向調節(jié)裝置，其特征在于:包括上舵片(I)、下舵片(2)、上舵軸(3)、聯(lián)軸器(4)、下舵軸(5)、舵機(6)、傳動機構、軸承端蓋(9)、壓蓋(10)、止推軸承(11)和耐壓尾艙(12)，其中舵機和傳動機構連接安裝在耐壓尾艙艙體后壁上；所述上舵軸和下舵軸均一端與舵片連接，另一端通過聯(lián)軸器相連接，傳動機構與一舵軸相連，舵軸中段通過軸承和軸承端蓋固定在耐壓尾艙上；耐壓尾艙與前部艙體相連，組成一個完整的水下滑翔器。
2.按權利要求1所述的一種水下滑翔器的方向調節(jié)裝置，其特征在于:在所述耐壓尾艙左右兩側對稱分布有兩孔(13)，通過螺釘用于連接水下滑翔器的其它艙體。
3.按權利要求1或2所述的一種水下滑翔器的方向調節(jié)裝置，其特征在于:所述傳動機構包括主動錐齒輪(7)和從動錐齒輪(8)，主動錐齒輪與舵機(6)輸出軸相連，從動錐齒輪(8)安裝在下舵軸(5)上、與主動錐齒輪(7)相嚙合。
4.按權利要求1或2所述的一種水下滑翔器的方向調節(jié)裝置，其特征在于:所述耐壓尾艙艙體后壁開有矩形槽，舵機鑲嵌在矩形槽內，通過螺釘固定在耐壓艙體壁上。
5.按權利要求1或2所述的一種水下滑翔器的方向調節(jié)裝置，其特征在于:所述下舵軸(5)的一端通過鍵與從動錐齒輪相連接，另一端通過螺釘與下舵片(2)相連，中段軸肩處通過一對止推軸承(11)固定在耐壓尾艙的加強肋上，軸承用一壓蓋(10)固定，最外面用螺釘將軸承端蓋固定，在壓蓋與軸承端蓋間留有一個T型槽，槽內設置有旋轉壓力密封塞。
6.按權利要求1或2所述的一種水下滑翔器的方向調節(jié)裝置，其特征在于:所述上下舵片(I) (2)與耐壓尾艙(12)均為流體線型。
7.按權利要求1或2所述`的一種水下滑翔器的方向調節(jié)裝置，其特征在于:所述耐壓尾艙(12)與水下滑翔器的其它艙體端蓋連接部位設有O形密封圈。
8.按權利要求1或2所述的一種水下滑翔器的方向調節(jié)裝置及其控制方法，其特征在于:將本發(fā)明的方向調節(jié)裝置安裝在水下滑翔器的尾部，耐壓尾艙(12)通過O形密封圈和螺釘與水下滑翔器的其它模塊水密封連接，當水下滑翔器需要在水平方向上轉向時，耐壓尾艙后部的舵機(6)將收到一個控制信號，發(fā)生相應方向的轉動，驅動主動錐齒輪(7)旋轉，通過主動錐齒輪(7)和從動錐齒輪(8)的嚙合帶動從動錐齒輪(8)轉動；從動錐齒輪(8)通過緊定螺釘連接于舵軸(5)，因此帶動舵軸(5)共同旋轉，上舵軸(3)和下舵軸(5)通過聯(lián)軸器相連，可保持同步調旋轉。由于舵軸與舵片之間有螺釘連接，進而帶動上下的舵片(I)(2)同步旋轉；上下舵片旋轉偏離中性位置后，與水流的方向形成了一個夾角，產生了一對大小相同的偏轉力矩，該對力矩將推動整個載體在水平面上轉向，從而使水下滑翔器完成向左或向右轉彎的動作；同時協(xié)調俯仰姿態(tài)調節(jié)機構和橫滾姿態(tài)機構，根據航跡要求設定好俯仰姿態(tài)變化、橫滾姿態(tài)變化和左右轉向各段運動的時序，設計好控制器的信號，便可實現水下滑翔器在空間范圍內的六自由度運動，理論上可達到指定深度內的任何地方，提高了水下滑翔器的可控性和機動性。
【文檔編號】B63G8/14GK103818534SQ201410100496
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權日:2014年3月14日
【發(fā)明者】嚴天宏, 趙倩, 孟凡豪, 劉仲武, 牛彥杰, 郭亦捷 申請人:中國計量學院