水下機器人多自由度矢量推進布局方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水下機器人多自由度矢量推進布局方法，用于解決現(xiàn)有水下機器人矢量推進方法方向控制單一的技術問題。技術方案是利用現(xiàn)有單自由度推進器進行多自由度矢量推進布局，使水下機器人前后兩對水平推進器分別通過一支推進矢量控制軸聯(lián)接成為一體，通過矢量推進伺服機構的控制可以聯(lián)動完成推力矢量的旋轉輸出，實現(xiàn)各推進器推力在特定自由度方向上的優(yōu)化組合，且易于工程實現(xiàn)。
【專利說明】水下機器人多自由度矢量推進布局方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種水下機器人矢量推進方法，特別是涉及一種水下機器人多自由度 矢量推進布局方法。

【背景技術】
[0002] 文獻"水下機器人/蔣新松等編著一一沈陽：遼寧科學技術出版社，2000. 11， P279-286"公開了幾種常見的水下機器人推進器布局方法。文獻中指出，實現(xiàn)N個自由度的 運動最少需要N個推進器，這種目前通行的開架式水下機器人推進器布局思路，均以水下 機器人水平面運動和垂直平面運動的完全解耦為根本前提。各推進器布置于水下機器人各 自由度方向上，推力方向完全固定，各自為水下機器人不同自由度的運動輸出推力。
[0003] 然而，由于水下機器人在執(zhí)行觀測、作業(yè)任務時，對各個自由度運動能力的需求并 不是恒定不變的，且由于系纜的存在，水下機器人運動過程中系纜擾動也是不斷變化的。各 推進器推力方向固定，無論如何布置，水下機器人在特定自由度上的運動能力也是固定的， 無法使各推進器的推力在特定自由度方向上優(yōu)化組合，以提高推進和補償系纜擾動的效 率。
[0004] 解決以上問題，可以從推進器設計入手，研制具備三自由度推力旋轉能力的水下 推進器。可以想見，這種推進器的設計和研制都是極端復雜的，涉及到多自由度結構設計、 伺服控制和水下動密封等問題，目前尚無此類推進器產品在市場上出現(xiàn)。因此，必須設計一 種利用現(xiàn)有單自由度推進器，解決系纜開架式水下機器人高效能運動控制和系纜擾動自主 補償問題的推進器布局方法。


【發(fā)明內容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有水下機器人矢量推進方法方向控制單一的不足，本發(fā)明提供一種水 下機器人多自由度矢量推進布局方法。該方法利用現(xiàn)有單自由度推進器進行多自由度矢 量推進布局，使水下機器人前后兩對水平推進器分別通過一支推進矢量控制軸聯(lián)接成為一 體，通過矢量推進伺服機構的控制可以聯(lián)動完成推力矢量的旋轉輸出，實現(xiàn)各推進器推力 在特定自由度方向上的優(yōu)化組合，且易于工程實現(xiàn)。
[0006] 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種水下機器人多自由度矢量推進 布局方法，其特點是采用以下步驟：
[0007] 步驟一、選擇水下機器人外輪廓的六個面形成長方體，以此長方體的幾何中心作 為隨體坐標系的坐標原點0, OX軸在長方體縱對稱面內，垂直于機器人前端面，指向前進方 向；OZ軸同在長方體縱對稱面內，與OX軸垂直指向上方；OY軸垂直于ZOX平面，與OX軸和 OZ軸構成右手直角坐標系。設長、寬、高分別為L、W和H的水下機器人重心和浮心在隨體 坐標系內的坐標分別為（xg，Y g，Zg)和（X。，Y。，Z。)，則滿足：
[0008] 穩(wěn)心高 h = Zc-Zg>70mm。
[0009] 為了保持水下機器人的靜平衡，有：

【權利要求】
1. 一種水下機器人多自由度矢量推進布局方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟一、選擇水下機器人外輪廓的六個面形成長方體，以此長方體的幾何中心作為隨 體坐標系的坐標原點0,ox軸在長方體縱對稱面內，垂直于機器人前端面，指向前進方向； 0Z軸同在長方體縱對稱面內，與0X軸垂直指向上方；0Y軸垂直于Z0X平面，與0X軸和0Z 軸構成右手直角坐標系；設長、寬、高分別為L、w和H的水下機器人重心和浮心在隨體坐標 系內的坐標分別為（Xg，Yg，Zg)和（X。，Y。，Z。)，則滿足： 穩(wěn)心高h=Ze-Zg>70mm; 為了保持水下機器人的靜平衡，有：
水下機器人重浮心位置與其長、寬、高之間的關系滿足：
步驟二、水下機器人推進器為四個水平推進器和兩個垂直推進器；四個水平推進器軸 線在同一平面內，且與X0Y平面平行，左前水平推進器（1)、右前水平推進器（4)、左后水 平推進器（6)和右后水平推進器（9)四個推進器軸線與Z0X平面的夾角ypL、yfk、和 均為30°，與左前水平推進器（1)、右前水平推進器（4)、左后水平推進器（6)和右后 水平推進器（9)四個推進器安裝固定點P%、Pfk、Pm和PAK在隨體坐標系內的坐標分別為 (XFL，YFL，ZFL)、（XFK，YFK，ZFK)、（XAL，YAL，ZAL)和（XAK^ 條件：
兩垂直推進器（5)軸線在同一平面內，且與YOZ平面平行，垂直左CL和垂直右CR兩個 推進器與Z0X平面的夾角ya、YeK均為0°，兩個推進器安裝固定點PejPPa在隨體坐標 系內的坐標為（Xa，Ya，Za)和（Xra，Yra，Zra)，垂直推進器固定點坐標滿足如下條件：
步驟三、將左前水平推進器（1)與右前水平推進器（4)與推進矢量前控制軸（3)相聯(lián) 接，采用動密封方式插入前矢量推進伺服機構（2);將左后水平推進器（6)與右后水平推 進器（9)與推進矢量后控制軸（8)相聯(lián)接，采用動密封方式插入后矢量推進伺服機構（7); 前后兩對水平推進器分別通過一支推進矢量控制軸聯(lián)接成為一體，水下機器人根據(jù)控制指 令，通過矢量推進伺服機構的控制聯(lián)動實現(xiàn)推力矢量的旋轉輸出。
【文檔編號】B63H5/00GK104477359SQ201410582511
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年10月27日 優(yōu)先權日:2014年10月27日
【發(fā)明者】范輝, 趙雄輝, 孫鐵繩 申請人:中國船舶重工集團公司第七〇五研究所