一種內(nèi)外聯(lián)合式姿態(tài)控制水下航行器制造技術(shù)

本實用新型專利技術(shù)屬于水下運載工具領(lǐng)域，并公開了一種內(nèi)外聯(lián)合式姿態(tài)控制水下航行器，包括殼體和十字舵、螺旋槳和三個以上的陀螺組件，每個陀螺組件均包括陀螺框架、齒輪機構(gòu)、第一齒輪驅(qū)動電機、雙出軸電機和兩個陀螺轉(zhuǎn)子，齒輪機構(gòu)包括第一齒輪和第二齒輪，第一齒輪和第二齒輪分別通過第一轉(zhuǎn)軸和第二轉(zhuǎn)軸安裝在所述陀螺框架，所述第一齒輪驅(qū)動電機安裝在所述陀螺框架上，所述第二齒輪上安裝雙出軸電機，雙出軸電機的電機軸的兩端分別連接一所述陀螺轉(zhuǎn)子；本實用新型專利技術(shù)通過同時設(shè)有十字舵和陀螺組件使得水下航行器在多種工況下對其進行切換控制與聯(lián)合控制均能保持高效的機動性，且陀螺組件能夠輸出連續(xù)力矩，保障了水下航行器應對各種水下環(huán)境的能力。

An underwater vehicle with internal and external joint attitude control

The utility model belongs to the field of underwater vehicle, and discloses an internal and external joint attitude control underwater vehicle, including a shell and a cross rudder, a propeller and more than three gyroscopes. Each gyroscope consists of a gyro frame, a gear mechanism, a first gear drive motor, a double out shaft motor, and two gyroscopes. The gear mechanism includes the first gear and the second gear, the first gear and the second gear are installed on the gyro frame through the first shaft and the second axis, the first gear drive motor is mounted on the gyro frame, the second gear is mounted on the double shaft motor, and the two ends of the motor shaft of the double shaft motor are divided. Do not connect a gyro rotor. The utility model enables the underwater vehicle to maintain efficient mobility by switching control and joint control in various working conditions by simultaneously having a cross and gyroscope component, and the gyroscope component can output a continuous moment and ensure the ability of the underwater vehicle to respond to various underwater environments. Power\u3002

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種內(nèi)外聯(lián)合式姿態(tài)控制水下航行器
本技術(shù)屬于水下運載工具領(lǐng)域，更具體地，涉及一種內(nèi)外聯(lián)合式姿態(tài)控制水下航行器。
技術(shù)介紹
現(xiàn)今，一般情況下水下航行器在設(shè)計對自身的姿態(tài)控制系統(tǒng)時通常會選用槳和舵作為執(zhí)行機構(gòu)。舵在高速機動時進行姿態(tài)控制，當速度降低時則利用槳來調(diào)整自身的姿態(tài)。其具有以下特點：1)在航行器的機動速度較低時，舵機構(gòu)將喪失其作用。航行器若僅采用舵作為姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)的話，必須時刻保持自身具有一定的速度，因此這類航行器需要較大半徑進行回轉(zhuǎn)，這顯然不利于航行器在狹小的空間里進行作業(yè)。2)作為姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)的舵和槳都是靠與流體相互作用產(chǎn)生控制力和控制力矩的，因此姿態(tài)控制的實際效果容易受流場影響，在復雜流場的環(huán)境下水下航行器姿態(tài)控制的精確性較低。3)雖然采用槳在低速情況下也可以輸出控制力矩，但是槳在一定程度上破壞了航行器殼體的完整性，這不利于航行器進行快速機動、也不利于結(jié)構(gòu)承受較大的水深壓力；其次，裸露在海水中的槳受海水腐蝕嚴重；再者，槳只能提供單方向的力矩，若要使航行器能夠任意姿態(tài)角機動，則需要多個槳協(xié)同工作；另外，螺旋槳在工作時還會產(chǎn)生噪音，這對有的航行器(如魚雷)來說，會對所要求的隱身性能帶來十分不利的影響；最后，槳的轉(zhuǎn)動還會破壞航行器周圍流場的特性，當作業(yè)表面是疏松土壤或作業(yè)對象容易受到流場影響時，會對水下航行器的作業(yè)產(chǎn)生極為惡劣的影響。特別地，對小構(gòu)型水下航行器，槳的布置會對設(shè)計人員的工作產(chǎn)生阻礙。
技術(shù)實現(xiàn)思路
針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本技術(shù)提供了一種內(nèi)外聯(lián)合式姿態(tài)控制水下航行器，在水下航行器處于低速或零速的狀態(tài)下，采用陀螺組件來進行自身的姿態(tài)控制，而在高速狀態(tài)下，水下航行器利用槳和舵輔以陀螺組件用來增加其自身的敏捷性與機動性，保障了水下航行器應對各種水下環(huán)境的能力。為實現(xiàn)上述目的，按照本技術(shù)，提供了一種內(nèi)外聯(lián)合式姿態(tài)控制水下航行器，包括殼體和設(shè)置在所述殼體尾部的的十字舵和螺旋槳，其特征在于，還包括三個以上的陀螺組件，每個所述陀螺組件分別安裝在所述殼體內(nèi)，并且每個所述陀螺組件均包括陀螺框架、齒輪機構(gòu)、第一齒輪驅(qū)動電機、雙出軸電機和兩個陀螺轉(zhuǎn)子，其中，所述陀螺框架安裝在所述殼體的內(nèi)壁上，所述齒輪機構(gòu)包括相互嚙合的第一齒輪和第二齒輪，并且所述第一齒輪和第二齒輪分別通過第一轉(zhuǎn)軸和第二轉(zhuǎn)軸安裝在所述陀螺框架，所述第一齒輪驅(qū)動電機安裝在所述陀螺框架上并且該第一齒輪驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)軸與所述第一轉(zhuǎn)軸固定連接，以用于驅(qū)動所述第一齒輪轉(zhuǎn)動，所述第二齒輪上設(shè)置有電機容納孔和兩個陀螺轉(zhuǎn)子容納孔，所述雙出軸電機設(shè)置在所述電機容納孔處并且此雙出軸電機的電機軸的兩端分別連接一所述陀螺轉(zhuǎn)子，所述第一轉(zhuǎn)軸和第二轉(zhuǎn)軸平行，所述雙出軸電機的電機軸與所述第二轉(zhuǎn)軸垂直。優(yōu)選地，所述殼體包括連接在一起的半球形首段、圓柱形中段以及所述尾段，所述圓柱形中段部分用于容納陀螺組件、電源和控制器，所述電源分別與所述陀螺組件和所述控制器連接，三個以上的所述陀螺組件在殼體內(nèi)采用分散布置方式，所述半球形首段、圓柱形中段以及尾段分別布置一個以上的陀螺組件。優(yōu)選地，當陀螺組件為三個、四個或五個時，它們最終分別形成三棱臺、四棱臺或五棱臺構(gòu)型。優(yōu)選地，所述雙出軸電機的電機軸的軸線與所述第二齒輪的中心線相交。優(yōu)選地，所有的雙出軸電機的電機軸相互平行，并且任意兩個所述第二齒輪的中心線所成的角大于0?？傮w而言，通過本技術(shù)所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：1)本技術(shù)通過同時設(shè)有十字舵和陀螺組件使得水下航行器在多種工況下對其進行切換控制與聯(lián)合控制均能保持高效的機動性，且陀螺組件能夠輸出連續(xù)力矩，保障了水下航行器應對各種水下環(huán)境的能力。2)本技術(shù)的陀螺轉(zhuǎn)子可以產(chǎn)生陀螺效應從而為陀螺組件提供力矩，這種控制力矩的產(chǎn)生方式不需要與海水相互作用，可以將陀螺組件置于航行器殼體內(nèi)部，因此它不會破壞航行器構(gòu)型曲面的完整性，不影響航行器的快速性和密封性，使得航行器不易被海水腐蝕，也有利于抑制振動噪音；3)航行器零速狀態(tài)時，航行器姿態(tài)控制所需的力矩完全由所述陀螺組件產(chǎn)生；航行器以大于零速航行時，航行器姿態(tài)控制所需的力矩由安裝于航行器內(nèi)部的所述陀螺組件及安裝于外部的所述十字舵聯(lián)合產(chǎn)生。兩種控制方式的切換由安裝于航行器內(nèi)部的控制器完成。上述方法能夠使航行器具有零速狀態(tài)下的姿態(tài)控制能力，有利于水下航行器在狹小空間內(nèi)的作業(yè)。并使航行器在大于零速航行時，具有更敏捷和更精確的機動能力；4)本技術(shù)的陀螺組件在航行體上的布置可以非常靈活，可以集中布置，也可以以一定的空間構(gòu)型進行分散布置。使航行器內(nèi)部空間得到更有效的利用。附圖說明圖1是本技術(shù)撤去部分殼體后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是陀螺組件的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施方式為了使本技術(shù)的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本技術(shù)進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本技術(shù)，并不用于限定本技術(shù)。此外，下面所描述的本技術(shù)各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。參照圖1、圖2，一種內(nèi)外聯(lián)合式姿態(tài)控制水下航行器，包括殼體II和設(shè)置在所述殼體II尾段的的十字舵IV和螺旋槳V，另外還包括三個以上的陀螺組件，每個所述陀螺組件分別安裝在所述殼體II內(nèi)，并且每個所述陀螺組件均包括陀螺框架7、齒輪機構(gòu)、第一齒輪驅(qū)動電機8、雙出軸電機3和兩個陀螺轉(zhuǎn)子6，其中，所述陀螺框架7安裝在所述殼體II的內(nèi)壁上，所述齒輪機構(gòu)包括相互嚙合的第一齒輪1和第二齒輪4，并且所述第一齒輪1和第二齒輪4分別通過第一轉(zhuǎn)軸2和第二轉(zhuǎn)軸安裝在所述陀螺框架7，所述第一齒輪驅(qū)動電機8安裝在所述陀螺框架7上并且該第一齒輪驅(qū)動電機8的旋轉(zhuǎn)軸與所述第一轉(zhuǎn)軸2固定連接，以用于驅(qū)動所述第一齒輪1轉(zhuǎn)動，所述第二齒輪4上設(shè)置有上設(shè)置有電機容納孔和兩個陀螺轉(zhuǎn)子容納孔，所述雙出軸電機3設(shè)置在所述電機容納孔處并且此雙出軸電機3的電機軸的兩端分別連接一所述陀螺轉(zhuǎn)子6，所述第一轉(zhuǎn)軸2和第二轉(zhuǎn)軸平行，所述雙出軸電機3的電機軸與所述第二轉(zhuǎn)軸垂直；譬如，當陀螺組件分別為三個、四個、五個時，它們最終分別形成三棱臺、四棱臺、或五棱臺構(gòu)型。進一步，所述雙出軸電機3的電機軸的軸線與所述第二齒輪4的中心線垂直相交。進一步，所述殼體II還具有半球形首段和圓柱形中段，并所述圓柱形中段部分用于容納陀螺組件、電源和控制器，所述電源分別與所述陀螺組件和所述控制器連接，三個以上的所述陀螺組件在殼體內(nèi)采用分散布置方式，所述半球形首段、圓柱形中段以及尾段分別布置一個以上的陀螺組件。進一步，所述控制器包括基于四元數(shù)的PD姿態(tài)控制器和基于四元數(shù)的滑膜變結(jié)構(gòu)的姿態(tài)控制器I。進一步，所有的雙出軸電機3的電機軸相互平行，并且任意兩個所述第二齒輪4的中心線所成的角大于0。多個陀螺組件III可在航行器內(nèi)部采用靈活的分散布置方式，每個陀螺組件III均可輸出力矩作用于航行器上，多個陀螺組件III輸出的力矩形成作用于航行器上的連續(xù)的控制力矩，從而可從航行器內(nèi)部控制航行器姿態(tài)。當航行器為零速狀態(tài)時其外部的十字舵IV無舵效，當航行器處于低速時，其外部十字舵IV舵效很低，在這些情況下陀螺組件III可用于從內(nèi)部控制航行器姿態(tài)，從而本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種內(nèi)外聯(lián)合式姿態(tài)控制水下航行器，包括殼體和設(shè)置在所述殼體尾段的十字舵和螺旋槳，其特征在于，還包括三個以上的陀螺組件，每個所述陀螺組件分別安裝在所述殼體內(nèi)，并且每個所述陀螺組件均包括陀螺框架、齒輪機構(gòu)、第一齒輪驅(qū)動電機、雙出軸電機和兩個陀螺轉(zhuǎn)子，其中，所述陀螺框架安裝在所述殼體的內(nèi)壁上，所述齒輪機構(gòu)包括相互嚙合的第一齒輪和第二齒輪，并且所述第一齒輪和第二齒輪分別通過第一轉(zhuǎn)軸和第二轉(zhuǎn)軸安裝在所述陀螺框架，所述第一齒輪驅(qū)動電機安裝在所述陀螺框架上并且該第一齒輪驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)軸與所述第一轉(zhuǎn)軸固定連接，以用于驅(qū)動所述第一齒輪轉(zhuǎn)動，所述第二齒輪上設(shè)置有電機容納孔和兩個陀螺轉(zhuǎn)子容納孔，所述雙出軸電機設(shè)置在所述電機容納孔處并且此雙出軸電機的電機軸的兩端分別連接一所述陀螺轉(zhuǎn)子，所述第一轉(zhuǎn)軸和第二轉(zhuǎn)軸平行，所述雙出軸電機的電機軸與所述第二轉(zhuǎn)軸垂直。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種內(nèi)外聯(lián)合式姿態(tài)控制水下航行器，包括殼體和設(shè)置在所述殼體尾段的十字舵和螺旋槳，其特征在于，還包括三個以上的陀螺組件，每個所述陀螺組件分別安裝在所述殼體內(nèi)，并且每個所述陀螺組件均包括陀螺框架、齒輪機構(gòu)、第一齒輪驅(qū)動電機、雙出軸電機和兩個陀螺轉(zhuǎn)子，其中，所述陀螺框架安裝在所述殼體的內(nèi)壁上，所述齒輪機構(gòu)包括相互嚙合的第一齒輪和第二齒輪，并且所述第一齒輪和第二齒輪分別通過第一轉(zhuǎn)軸和第二轉(zhuǎn)軸安裝在所述陀螺框架，所述第一齒輪驅(qū)動電機安裝在所述陀螺框架上并且該第一齒輪驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)軸與所述第一轉(zhuǎn)軸固定連接，以用于驅(qū)動所述第一齒輪轉(zhuǎn)動，所述第二齒輪上設(shè)置有電機容納孔和兩個陀螺轉(zhuǎn)子容納孔，所述雙出軸電機設(shè)置在所述電機容納孔處并且此雙出軸電機的電機軸的兩端分別連接一所述陀螺轉(zhuǎn)子，所述第一轉(zhuǎn)軸和第二轉(zhuǎn)軸平行，所述雙出軸電機的電機軸與所述第二轉(zhuǎn)軸垂直。2.根...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：唐國元，劉浩宇，黃道敏，劉澤宇，徐瑞昆，陳龍，楊東超，
申請(專利權(quán))人：華中科技大學，
類型：新型
國別省市：湖北,42