中兩個單框架轉軸35的軸線與所述殼體I的中心線共面，這樣可以使奇異面復雜程度減小，操縱率設計難度減小，可控性增加。
[0032]進一步，所述控制力矩陀螺群中，考慮到水動力，設計了航行體基于四元數(shù)的ro姿態(tài)控制器。為了增強控制器抗干擾的能力，還進一步增加了基于四元數(shù)的滑膜變結構的姿態(tài)控制器。
[0033]參照圖1，本發(fā)明的航行器優(yōu)選包括三個部分，即殼體I，控制力矩陀螺群II及尾部的葉輪組件III。由于航行器整體采用密封機構，控制力矩陀螺群不與流體直接接觸，故不需考慮控制力矩陀螺群本身的密封與腐蝕的問題，也有利于控制噪音。
[0034]圖2為航行器殼體I的部件裝配圖。殼體I優(yōu)選由首段1，中段5，尾段9及尾部法蘭盤11組成。為了兼顧航行器的快速性和加工制造的工藝性，將航行器的頭部設計為半球形，中部和尾部設計為圓柱型。殼體I的首段1和中段5之間用第一螺釘3緊固，并用第一密封圈2密封。中段5部分主要用于容納執(zhí)行機構、電源、控制系統(tǒng)的硬件等。中段5和尾段9之間由第二螺釘7固定，用第二密封圈6密封。尾部法蘭盤11通過第三螺釘10固定于尾段上。殼體I的中段5的A向視圖如圖3所示，滑軌12用于安裝控制力矩陀螺群。另夕卜，在殼體I內可以設置滑軌4和隔板8，滑軌4的數(shù)量為兩條并且二者之間形成導槽12，安裝桿21可在滑軌4上自由滑動，確定位置后，再用第四螺釘緊固。。
[0035]控制力矩陀螺群整體結構如圖4所示，它具有單框架驅動電機13，單框架驅動電機支座14，單框架控制力矩陀螺15及金字塔型的陀螺支架16。單框架驅動電機13固定在單框架驅動電機支座14上，并且兩者由螺釘固定于陀螺支架16上。單框架驅動電機13用于驅動單框架29低速旋轉。
[0036]圖5為金字塔型框架的結構圖，它由上支撐板17，下支撐板18，對孔橫架19，對孔斜支架20及安裝桿21構成。斜支架20與橫架19的上下兩端都留有用于安裝單框架控制力矩陀螺15機構的孔。如圖兩個對孔斜支架20對稱安裝于下支撐板18上，在支架頂部安裝上支撐板17，均采用螺釘固定。對孔橫架19裝在于上支撐板17和下支撐板18中間，用螺釘固定在上支撐板17和下支撐板18上。前側和后側的單框架控制力矩陀螺15的主軸嵌于橫架19的孔中，而左右兩側的控制力矩陀螺的主軸嵌于斜支架20的孔中。安裝桿21可在航行器中段滑軌上自由滑動，確定位置后，用螺釘緊固。
[0037]單框架力矩陀螺的結構圖如圖6所示，它具有陀螺轉子驅動電機22，電機支座23，轉換軸28，單框架29、鎖緊銷34，單框架轉軸35，陀螺轉子36，第一滾動軸承26與第二滾動軸承33，單框架29包括上側軸板30和右側支架32，陀螺轉子驅動電機22由第二緊固螺栓25固定于電機支座23上，轉換軸28的一端通過聯(lián)軸器27與陀螺轉子驅動電機22的輸出軸連接，另一端由第二滾動軸承33支撐；第一滾動軸承26安裝于電機支座23上，用于支撐陀螺轉子36。陀螺轉子36與轉換軸28由鎖緊銷34連接，而轉換軸28通過聯(lián)軸器27固定在陀螺轉子驅動電機22輸出軸上，第二滾動軸承33安裝在右側支架32上用于支撐轉換軸28及陀螺轉子36轉動。上側軸板30與電機支座23和右側軸板32分別通過第一緊固螺釘24與第二緊固螺釘31連接。當陀螺轉子驅動電機22通電時，其輸出軸帶動轉換軸28轉動，并且通過鎖緊銷34傳遞扭矩帶動陀螺轉子36同步轉動。與此同時控制力矩陀螺群整體框架上的單框架驅動電機13帶動軸旋轉，陀螺轉子36在高速旋轉的同時其旋轉軸線位置也發(fā)生了變化，這樣就會產生一個作用于框架的力矩，稱為陀螺效應。框架控制力矩陀螺控制水下航行體的姿態(tài)是依靠其角動量的變化，其角動量的大小與陀螺的轉動慣量、轉速有關。通過伺服機構改變四個單框架力矩陀螺的旋轉速度就可實現(xiàn)對航行器運動姿態(tài)的準確控制。
[0038]本發(fā)明的控制力矩陀螺群采用由四個高速轉動的陀螺按空間組成金字塔構型。四個陀螺高速轉動產生角動量，改變角動量就可以利用產生的陀螺效應對航行體進行姿態(tài)控制。因此需要四臺陀螺轉子驅動電機22以驅動陀螺作高速轉動，并需要四臺低速大力矩電機用以改變轉動陀螺角動量的方向。
[0039]陀螺轉子驅動電機22轉速要求在1500r/min?20000r/min，為此定制一款高速無刷直流電機。電機額定電壓24V，空載額定轉速大于20000r/min，空載額定電流1.5A?1.55A，使用電位器進行速度調節(jié)。由于定制電機加工制作的誤差，每個電機的轉速特性有所差別。通過控制系統(tǒng)手動調節(jié)電位器(前期試驗)或者通過計算機與驅動器通信利用閉環(huán)控制(后期試驗)，四臺電機的性能可以滿足試驗要求。
[0040]陀螺轉子驅動電機22驅動器是通用24V無刷直流電機驅動器DBLS-02系列，型號為BLSD2410DC-2Q-S。該驅動器以無刷直流電機控制器MC33035為核心，為閉環(huán)速度型控制器，利用直流無刷電機的霍爾信號進行倍頻后進行閉環(huán)速度控制，控制環(huán)節(jié)設有PID速度調節(jié)器，系統(tǒng)控制穩(wěn)定可靠，并帶有速度顯示功能。陀螺轉子驅動電機22的速度是受到引腳SV輸入模擬量的控制，對應0?5V模擬量電壓，電機輸出速度的范圍為零至額定轉速。
[0041]改變力矩陀螺的角動量需要低轉速大力矩電機，因此單框架驅動電機13選用直流減速電機，工作時，其轉速為0?10r/min。單框架29的低轉速和陀螺轉子36的高轉速配合，從而對水下航行器的姿態(tài)進行控制。
[0042]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種水下航行器，包括殼體及安裝在殼體上的葉輪組件，其特征在于，所述殼體內安裝有陀螺組件，所述陀螺組件包括陀螺支架和安裝在陀螺支架上的控制力矩陀螺群，其中， 所述控制力矩陀螺群包括四個單框架控制力矩陀螺，并且每個單框架控制力矩陀螺均包括單框架、陀螺轉子、單框架轉軸、單框架驅動電機和陀螺轉子驅動電機，其中，所述單框架驅動電機安裝在所述陀螺支架上并且其通過所述單框架轉軸驅動所述單框架旋轉，所述單框架轉軸可轉動并安裝在所述陀螺支架上，所述陀螺轉子驅動電機和陀螺轉子均安裝在所述單框架上并且所述陀螺轉子通過所述陀螺轉子驅動電機驅動其旋轉； 所述控制力矩陀螺群的四個單框架轉軸的軸線相交且四者分布在一正四棱錐的四條側棱上。2.根據(jù)權利要求1所述的一種水下航行器，其特征在于，所述殼體內壁設置有兩條導槽并且每條導槽均沿殼體的縱向設置，所述陀螺支架在對應于導槽的位置設置有多條安裝桿并且每條安裝桿均沿殼體的橫向設置，每條安裝桿均伸入所述導槽內并固定在殼體上。3.根據(jù)權利要求1所述的一種水下航行器，其特征在于，每個單框架轉軸的軸線與殼體中心線所成的角為60°。4.根據(jù)權利要求1所述的一種水下航行器，其特征在于，所述控制力矩陀螺群的四個單框架轉軸中，其中兩個單框架轉軸的軸線與所述殼體的中心線共面。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水下航行器，包括殼體及安裝在殼體上的葉輪組件，殼體內安裝有陀螺組件，陀螺組件包括陀螺支架和控制力矩陀螺群，控制力矩陀螺群包括四個單框架控制力矩陀螺，每個單框架控制力矩陀螺均包括單框架、陀螺轉子、單框架轉軸、單框架驅動電機和陀螺轉子驅動電機，單框架驅動電機安裝在陀螺支架上并通過單框架轉軸驅動單框架旋轉，陀螺轉子驅動電機和陀螺轉子均安裝在所述單框架上并且所述陀螺轉子通過所述陀螺轉子驅動電機驅動其旋轉。本發(fā)明的控制力矩陀螺群能夠提供連續(xù)光滑的輸出力矩，這滿足了航行中對敏捷性和精確性的要求，并且能夠在零動量狀態(tài)下實現(xiàn)零回轉半徑，極大提高了航行器的機動性。
【IPC分類】B63G8/14
【公開號】CN105270585
【申請?zhí)枴緾N201510644608
【發(fā)明人】唐國元, 黃道敏, 劉澤宇, 張超華, 朱秋晨, 邱威, 楊東超, 陳龍
【申請人】華中科技大學
【公開日】2016年1月27日
【申請日】2015年10月8日