【技术实现步骤摘要】
用于水下航行器的三自由度仿水翼推进机构及其运动学控制方法
本专利技术涉及一种水下仿水翼推进装置,具体涉及一种用于水下航行器的三自由度仿水翼推进机构。还涉及这种三自由度仿水翼推进机构的运动学控制方法。
技术介绍
水下航行器作为一种水下无人移动平台,在海洋资源探索、海洋科学考察和军事等领域有着广阔的应用前景。目前的水下航行器多采用螺旋桨推进,单个螺旋桨推进器只能产生固定方向的推进力,然而,在自然界的水生动物中,海龟、海豚、企鹅等动物都采用鳍状肢体运动,有学者研究发现,仿生推进较同功率螺旋桨推进器有更高的推进效率。海龟等生物在水中游动时,身体躯干不作大幅度摆动,依靠鳍状前肢的扑动产生动力,称之为扑翼推进方式。扑翼推进方式融合了鸟类飞行和鱼类游动两种运动特性,又能独立控制单翼运动姿态并协调双翼一起运动达到矢量推进的效果。因此,尽管此类动物具有较大的体形,但是它们却具有爆发力强、机动性高、稳定性好、噪声低等特点。将这种推进方式应用于水下无人航行器,将极大地提高水下无人航行器推进效率。文献1“申请公布号是CN101003301A的中国专利技术专利”中公开了一种水下仿水翼推进装置,该装置包括仿生水翼、水翼拍动单元、水翼旋转单元和底板固定单元。该推进装置的仿生水翼安装在水翼拍动单元上,水翼拍动单元又和水翼旋转单元连接在一起。但由于仅有两个自由度,这种装置在控制仿生水翼翼尖按照8字形运动轨迹运动时,不能随意调节仿生水翼在某一位置下的迎水面积。文献2“申请公布号是CN102079382A的中国专利技术专利”中公开了一种水下机械式仿生扑翼推进器,该推进器由水平运动机构、竖直运动 ...
【技术保护点】
一种用于水下航行器的三自由度仿水翼推进机构,其特征在于:由锥齿轮机构、翻转运动机构、仿生水翼(15)和固定底座四部分组成;所述固定底座包括第一伺服舵机固定件(4)和第二伺服舵机固定件(5);所述锥齿轮机构包括第一伺服舵机(1)、第一舵盘(16)、第一锥齿轮(8)、第一锥齿轮轴(7)、第一轴向限位螺钉(19)、第二伺服舵机(2)、第二舵盘(17)、第二锥齿轮(10)、第二锥齿轮轴(9)、第二轴向限位螺钉(20)、第三锥齿轮(12)、第三锥齿轮轴(11)、第三轴向限位螺钉(21)和中心支撑架(13);第一伺服舵机(1)通过第一伺服舵机固定件(4)安装在水下航行器上,第一伺服舵机(1)输出轴与第一舵盘(16)连接,第一舵盘(16)与第一锥齿轮轴(7)连接,第一锥齿轮(8)固定在第一锥齿轮轴(7)上,第一锥齿轮轴(7)右端穿过中心支撑架(13),使用第一轴向限位螺钉(19)限制中心支撑架(13)相对于第一锥齿轮轴(7)的轴向运动;第二伺服舵机(2)通过第二伺服舵机固定件(5)安装在水下航行器上,第二伺服舵机(2)输出轴与第二舵盘(17)连接,第二舵盘(17)与第二锥齿轮轴(9)连接,第二锥齿轮 ...
【技术特征摘要】
1.一种用于水下航行器的三自由度仿水翼推进机构,其特征在于:由锥齿轮机构、翻转运动机构、仿生水翼(15)和固定底座四部分组成;所述固定底座包括第一伺服舵机固定件(4)和第二伺服舵机固定件(5);所述锥齿轮机构包括第一伺服舵机(1)、第一舵盘(16)、第一锥齿轮(8)、第一锥齿轮轴(7)、第一轴向限位螺钉(19)、第二伺服舵机(2)、第二舵盘(17)、第二锥齿轮(10)、第二锥齿轮轴(9)、第二轴向限位螺钉(20)、第三锥齿轮(12)、第三锥齿轮轴(11)、第三轴向限位螺钉(21)和中心支撑架(13);第一伺服舵机(1)通过第一伺服舵机固定件(4)安装在水下航行器上,第一伺服舵机(1)输出轴与第一舵盘(16)连接,第一舵盘(16)与第一锥齿轮轴(7)连接,第一锥齿轮(8)固定在第一锥齿轮轴(7)上,第一锥齿轮轴(7)右端穿过中心支撑架(13),使用第一轴向限位螺钉(19)限制中心支撑架(13)相对于第一锥齿轮轴(7)的轴向运动;第二伺服舵机(2)通过第二伺服舵机固定件(5)安装在水下航行器上,第二伺服舵机(2)输出轴与第二舵盘(17)连接,第二舵盘(17)与第二锥齿轮轴(9)连接,第二锥齿轮(10)固定在第二锥齿轮轴(9)上,第二锥齿轮轴(9)左端穿过中心支撑架(13),使用第二轴向限位螺钉(20)限制中心支撑架(13)相对于第二锥齿轮轴(9)的轴向运动;第三锥齿轮(12)固定在第三锥齿轮轴(11)上,第三锥齿轮轴(11)下端穿过中心支撑架(13),使用第三轴向限位螺钉(21)限制中心支撑架(13)相对于第三锥齿轮轴(11)的轴向运动;所述第一锥齿轮(8)、第二锥齿轮(10)、第三锥齿轮(12)的模数、齿数均相等,第一锥齿轮(8)与第三锥齿轮(12)垂直啮合,第二锥齿轮(10)与第三锥齿轮(12)垂直啮合;第三锥齿轮(12)初始安装位置为其中心轴线处于竖直平面;所述翻转运动机构包括第三伺服舵机(3)、第三舵盘(18)和水翼连接轴(14);第三伺服舵机(3)输出轴接第三舵盘(18),第三舵盘(18)与水翼连接轴(14)连接,水翼连接轴(14)与仿生水翼(15)连接;第三伺服舵机(3)通过伺服舵机连接件(6)与第二锥齿轮轴(9)上端连接。2.根据权利要求所述的用于水下航行器的三自由度仿水翼推进机构,其特征在于:所述仿生水翼(15)边缘具有柔性。3.一种权利要求1所述用于水下航行器的三自由度仿水翼推进机构的运动学控制方法,其特征在于包括以下步骤:步骤一、对三自由度仿水翼推进机构进行运动学建模,抽象出数学模型,以分析指导机构的运动控制;(a)锥齿轮机构建模;在第一伺服舵机(1)、第二伺服舵机(2)的驱动下,第三锥齿轮(12)做空间定点转动;该定点运动分解为绕自身对称轴旋转的自转运动和绕第一伺服舵机(1)中心轴线旋转的周转运动,用自转角度θy和周转角度θp两个参数确定第三锥齿轮(12)的空间姿态,根据齿轮啮合关系以及刚体运动学知识,得到第一伺服舵机(1)、第二伺服舵机(2)的转动角度与第三锥齿轮(12)的姿态角的关系:根据公式(1):θ1=θp+θy,θ2=θy-θp(2)式中,θ1为第一伺服舵机(1)的转动角度,θ2为第二伺服舵机(2)的转动角度,θy为第三锥齿轮(12)的自转角度,θp为第三锥齿轮(12)的周转角度;(b)水翼运动学建模;第三伺服舵机(3)与第三锥齿轮(12)连接在一起,具有相同的...
【专利技术属性】
技术研发人员:王鹏,赵亮,田时雨,
申请(专利权)人:西北工业大学,
类型:发明
国别省市:陕西,61
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