一种水中盘形航行器制造技术

本发明专利技术涉及一种能够在水中低速航行及定点保持的航行器，属于水中航行器领域。本发明专利技术重点解决该航行器的总体结构问题及运动控制方法问题。本发明专利技术的水中盘形航行器呈短圆柱形，平均密度比水略小，在水中时由于重心位于浮心下方，使得圆柱轴线保持在水平方向；外壳上有若干可沿径向伸缩的舵面；航行器处于工作状态时，外壳始终绕自身轴线旋转，外壳的旋转与相应舵面的伸出及收回时机、时序相互配合，为航行器的上升、下潜、前进、后退以及水下定点保持提供所需的控制力；此外，航行器外壳还能够根据作用力与反作用力原理绕竖直方向旋转，从而使盘形航行器具备航向控制能力；水中盘形航行器在水下探测、监测等军民领域具有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种能够在水中低速航行且能够在水中定点位置保持的盘形航行器，属于水中航行器领域。
技术介绍
在军用及民用领域，存在大量对水面及其上空、水下情况的探测需求，这就需要某种水中航行器搭载相应的探测设备来完成。航行器在水中的航行需要解决对速度、深度、航向、姿态等的控制问题。目前水中航行器一般都应用螺旋桨装置进行推进并控制速度大小，深度、航向和姿态等的控制则或者通过控制舵面完成，或者通过矢量推进完成，并且一般都不具有定点位置保持能力，难以对水下环境进行长期定点探测。针对这一现状，本专利技术提出了一种新型水中航行器。该航行器呈短圆柱形，以下称为盘形，航行器平均密度比水略小，即当处于关机状态时，航行器将有很小部分露出水面。在水中静止或运动时，圆柱轴线呈水平方向，圆柱端面呈竖直方向。水中盘形航行器区别于其他水下航行器的一个显著特点是当其在水下运动或保持在水下设定位置时，一直以一定的角速度绕自身轴线旋转，这种旋转运动一方面为盘形航行器提供升潜、前进、后退以及水下定点位置保持的控制力，另一方面当在旋转外壳上安装探测设备时，可以为全方位探测提供一种自然而然的扫描运动方式。此外，水中盘形航行器能够在水中原地绕竖直方向进行旋转，该旋转可在前进过程中为盘形航行器提供航向控制，或为盘形航行器的水下探测提供另一种运动方式。经调研国内外未见到该类型的航行器。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种能够在水中低速航行且能够在水中定点位置保持的新型盘形航行器。该盘形航行器特点是：形状呈短圆柱形；平均密度比水略小，关机时在水中接近悬浮状态，有很小部分露出水面；由于重心与浮心不重合，并且都位于圆柱轴线的中垂面上，因此在水中静止或运动时，盘形航行器的圆柱轴线呈水平方向，两个圆柱端面呈竖直方向；当航行器在水下运动或保持在水下设定位置时，外壳始终以一定角速度绕自身轴线旋转，这种旋转运动与各个舵面的伸出及收回时机、时序相互配合为航行器的上升、下潜、前进、后退以及水下定点位置保持提供所需的控制力；齿轮副之间的作用力与反作用力使得航行器外壳能够与外壳内部的其它相关部分绕竖直方向相向旋转，外壳的这种旋转使得盘形航行器具有航向控制能力；航行器的前进、后退以及升潜控制与航向控制组合应用，即可实现水下任意轨迹的运动，或实现水下定点位置保持。为解决上述技术问题，本专利技术的一种水中盘形航行器包括外壳、水平主轴、右主轴承、左主轴承、外旋从动齿轮、轴承压环、上导电滑环、平键、支架、外旋驱动电机、外旋驱动齿轮、编码器、码盘座、左球轴承、右球轴承、码盘轴、码盘齿轮、托盘、控制器、姿态航向传感器、立轴、上轴承、下轴承、圆柱壳、托板、下导电滑环、方向驱动电机、方向驱动齿轮、方向从动齿轮、电池组、一号舵面、一号推拉杆、一号舵机、二号舵面、二号推拉杆、二号舵机、三号舵面、三号推拉杆、三号舵机、四号舵面、四号推拉杆、四号舵机、深度传感器。外壳为短圆柱形；水平主轴通过右主轴承和左主轴承支撑在外壳上，其轴线与外壳轴线重合；右主轴承和左主轴承分别通过外旋从动齿轮和轴承压环压在外壳上并用螺钉固定；上导电滑环用螺钉将内环和外环分别固定在水平主轴和外壳上；支架通过螺钉和平键定位并固定在水平主轴上；外旋驱动电机用螺钉固定在支架上；外旋驱动齿轮通过螺钉和键定位并固定在外旋驱动电机的输出轴上，与外旋从动齿轮构成齿轮副；码盘座用螺钉固定在支架上；左球轴承、码盘轴、右球轴承、码盘齿轮通过螺钉固定在码盘座上，其中码盘齿轮通过键进行轴向定位并与外旋驱动齿轮构成齿轮副；编码器的类型为绝对位置式，其内环和外环分别用螺钉固定在码盘轴和支架上；托盘用螺钉固定在水平主轴上；控制器和姿态航向传感器用螺钉固定在托盘上；立轴用螺母固定在水平主轴上，与水平主轴固连成一体，立轴的轴线与水平主轴的轴线垂直相交于整个圆柱外壳的形心处；托板用螺钉固定在圆柱壳上；圆柱壳和托板通过上轴承和下轴承支撑在立轴上；下导电滑环通过螺钉将内环和外环分别固定在立轴和托板上；方向从动齿轮用螺钉固定在立轴上；方向驱动电机用螺钉固定在托板上；方向驱动齿轮通过螺钉和键定位并固定在方向驱动电机的输出轴上，与方向从动齿轮构成齿轮副；电池组用螺钉固定在托板上；一号推拉杆一端与一号舵面连接，另一端与一号舵机的转动臂之间构成滑动副；二号推拉杆一端与二号舵面连接，另一端与二号舵机的转动臂之间构成滑动副；三号推拉杆一端与三号舵面连接，另一端与三号舵机的转动臂之间构成滑动副；四号推拉杆一端与四号舵面连接，另一端与四号舵机的转动臂之间构成滑动副；深度传感器安装在外壳上，端部与水接触，用于测量水中盘形航行器所处的深度。水中盘形航行器在水中处于关机静止状态时，其重心位于立轴轴线上靠近立轴中部的位置上，浮心位于航行器形心处，根据重力与浮力平衡的原理，此时水中盘形航行器的水平主轴处于水平方向，立轴处于竖直方向；盘形航行器的平均密度比水稍小，在水中接近悬浮状态，只有很小部分圆柱面露出水面。水中盘形航行器在运动或定点保持时其外壳始终处于绕水平主轴旋转的状态，并且水平主轴处于水平方向，两端面处于竖直方向；在水中的前进及后退、上升及下潜、定点保持通过外壳的旋转与一号舵面、二号舵面、三号舵面、四号舵面的伸出及收回之间的配合来实现。水中盘形航行器外壳绕水平主轴的旋转运动通过外旋驱动电机带动外旋驱动齿轮、外旋驱动齿轮带动外旋从动齿轮从而带动与外旋从动齿轮固连的外壳实现。由于外旋驱动电机、支架、立轴以及与立轴连接部分的重量较大，重心位于立轴中下部，当立轴偏离竖直位置时重力相对于水平轴线形成回复力矩，偏离角度越大则回复力矩越大，阻止这些部分继续旋转，因此外壳的旋转不会造成立轴绕盘形航行器的水平轴线持续旋转，只会使立轴绕水平轴线转过一个小角度，稍微偏离竖直方向。水中盘形航行器在水平面内的转弯或原地绕竖直方向的旋转通过方向从动齿轮与方向驱动齿轮之间的作用力与反作用力以及相对转动实现。方向驱动电机带动方向驱动齿轮运动，由于方向驱动齿轮与方向从动齿轮之间的啮合，造成与方向驱动电机固连在一起的圆柱壳、托板、电池组共同向一个方向旋转，与方向从动齿轮固连的立轴、水平主轴带动外壳向相反方向旋转，从而实现盘形航行器的原地旋转或水平面内的转弯运动。方向驱动电机的正反转分别对应航行器的两个不同的旋转方向或转弯方向。水中盘形航行器由前进改为后退，或由下潜改为上升时，可通过改变外旋驱动电机的旋转方向从而改变外壳的旋转方向，同时一号舵面、二号舵面、三号舵面、四号舵面的伸出及收回时序相应变化来实现。一号舵面、二号舵面、三号舵面、四号舵面的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水中盘形航行器，包括外壳(1)、支架(2)、外旋从动齿轮(3)、右主轴承(4)、水平主轴(5)、上轴承(6)、圆柱壳(7)、方向驱动电机(8)、方向驱动齿轮(9)、一号舵面(10)、方向从动齿轮(11)、下轴承(12)、托板(13)、下导电滑环(14)、电池组(15)、立轴(16)、上导电滑环(17)、左主轴承(18)、轴承压环(19)、外旋驱动电机(20)、三号舵面(21)、码盘座(22)、左球轴承(23)、码盘轴(24)、右球轴承(25)、码盘齿轮(26)、外旋驱动齿轮(27)、平键(28)、托盘(29)、控制器(30)、四号舵面(31)、姿态航向传感器(32)、编码器(33)、二号舵面(34)、四号舵机(35)、四号推拉杆(36)、一号舵机(37)、一号推拉杆(38)、二号舵机(39)、二号推拉杆(40)、三号舵机(41)、三号推拉杆(42)、深度传感器(43)；其特征在于：外壳(1)为短圆柱形，与水接触的各连接处密封防水；水平主轴(5)通过右主轴承(4)和左主轴承(18)支撑在外壳(1)上，其轴线与外壳(1)轴线重合；右主轴承(4)和左主轴承(18)分别通过外旋从动齿轮(3)和轴承压环(19)压在外壳(1)上并用螺钉固定；上导电滑环(17)用螺钉将其内环和外环分别固定在水平主轴(5)和外壳(1)上；支架(2)通过螺钉和平键(28)定位并固定在水平主轴(5)上；外旋驱动电机(20)用螺钉固定在支架(2)上；外旋驱动齿轮(27)通过螺钉和键定位并固定在外旋驱动电机(20)的输出轴上，与外旋从动齿轮(3)构成齿轮副；码盘座(22)用螺钉固定在支架(2)上；左球轴承(23)、码盘轴(24)、右球轴承(25)、码盘齿轮(26)用螺钉固定在码盘座(22)上，其中码盘齿轮(26)通过键进行轴向定位并与外旋驱动齿轮(27)构成齿轮副；编码器(33)的类型为绝对位置式，其内环和外环分别用螺钉固定在码盘轴(24)和支架(2)上；托盘(29)用螺钉固定在水平主轴(5)上；控制器(30)和姿态航向传感器(32)用螺钉固定在托盘(29)上；立轴(16)用螺母固定在水平主轴(5)上，与水平主轴(5)固连成一体，立轴(16)的轴线与水平主轴(5)的轴线垂直相交于整个外壳(1)的形心处；托板(13)用螺钉固定在圆柱壳(7)上；圆柱壳(7)和托板(13)通过上轴承(6)和下轴承(12)支撑在立轴(16)上；下导电滑环(14)通过螺钉将其内环和外环分别固定在立轴(16)和托板(13)上；方向从动齿轮(11)用螺钉固定在立轴(16)上；方向驱动电机(8)用螺钉固定在托板(13)上；方向驱动齿轮(9)通过螺钉和键定位并固定在方向驱动电机(8)的输出轴上，与方向从动齿轮(11)构成齿轮副；电池组(15)用螺钉固定在托板(13)上；一号推拉杆(38)一端与一号舵面(10)连接，另一端与一号舵机(37)的转动臂之间构成滑动副；二号推拉杆(40)一端与二号舵面(34)连接，另一端与二号舵机(39)的转动臂之间构成滑动副；三号推拉杆(42)一端与三号舵面(21)连接，另一端与三号舵机(41)的转动臂之间构成滑动副；四号推拉杆(36)一端与四号舵面(31)连接，另一端与四号舵机(35)的转动臂之间构成滑动副；深度传感器(43)安装在外壳(1)上，端部与水接触。...

【技术特征摘要】
1.一种水中盘形航行器，包括外壳(1)、支架(2)、外旋从动齿轮(3)、右主轴承(4)、
水平主轴(5)、上轴承(6)、圆柱壳(7)、方向驱动电机(8)、方向驱动齿轮(9)、一号舵
面(10)、方向从动齿轮(11)、下轴承(12)、托板(13)、下导电滑环(14)、电池组(15)、
立轴(16)、上导电滑环(17)、左主轴承(18)、轴承压环(19)、外旋驱动电机(20)、三号
舵面(21)、码盘座(22)、左球轴承(23)、码盘轴(24)、右球轴承(25)、码盘齿轮(26)、
外旋驱动齿轮(27)、平键(28)、托盘(29)、控制器(30)、四号舵面(31)、姿态航向传感
器(32)、编码器(33)、二号舵面(34)、四号舵机(35)、四号推拉杆(36)、一号舵机(37)、
一号推拉杆(38)、二号舵机(39)、二号推拉杆(40)、三号舵机(41)、三号推拉杆(42)、
深度传感器(43)；其特征在于：外壳(1)为短圆柱形，与水接触的各连接处密封防水；水
平主轴(5)通过右主轴承(4)和左主轴承(18)支撑在外壳(1)上，其轴线与外壳(1)
轴线重合；右主轴承(4)和左主轴承(18)分别通过外旋从动齿轮(3)和轴承压环(19)
压在外壳(1)上并用螺钉固定；上导电滑环(17)用螺钉将其内环和外环分别固定在水平主
轴(5)和外壳(1)上；支架(2)通过螺钉和平键(28)定位并固定在水平主轴(5)上；
外旋驱动电机(20)用螺钉固定在支架(2)上；外旋驱动齿轮(27)通过螺钉和键定位并固
定在外旋驱动电机(20)的输出轴上，与外旋从动齿轮(3)构成齿轮副；码盘座(22)用螺
钉固定在支架(2)上；左球轴承(23)、码盘轴(24)、右球轴承(25)、码盘齿轮(26)用
螺钉固定在码盘座(22)上，其中码盘齿轮(26)通过键进行轴向定位并与外旋驱动齿轮(27)
构成齿轮副；编码器(33)的类型为绝对位置式，其内环和外环分别用螺钉固定在码盘轴(24)
和支架(2)上；托盘(29)用螺钉固定在水平主轴(5)上；控制器(30)和姿态航向传感
器(32)用螺钉固定在托盘(29)上；立轴(16)用螺母固...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵志宇，冯顺山，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11