【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及了一种水下机器人，涉及水下机器人，具体涉及一种双矢量全自由度水下机器人及其控制方法。
技术介绍
1、近年来，水下机器人(auv，autonomous underwater vehicle)在水下探测、监视、救援和科学研究等领域发挥着日益重要的作用。传统的多推进器机器人虽然具有全自由度运动的能力，但是其功耗大、噪音大且受到水阻较大，因此对于水下的高速运动具有一定的困难。
2、鱼雷外形的auv多采用单个矢量推进器或者固定推力方向的推进系统，流线型外形使其能在水下高速运动。公开号为cn220147563u的专利提出一种auv的单矢量推进装置，但由于矢量机构的角度约束，其只能以中心轴实现20°范围内的全方位偏转，该设计限制了机器人在狭窄、复杂环境中的机动性，在强水流干扰下，无法提供额外的力去抵抗干扰，从而使机器人偏离既定航线，跟踪精度大大降低。公开号为cn114228900a的专利所设计的鱼雷型水下auv采用固定推力方向的推进系统，装载了两台艏辅电机、两台主推电机和一台艉侧推电机，该设计虽然提高了auv的机动性，但是5台电机同时工作会带来较大的能耗与噪音。
3、水下机器人机器人的高度非线性动力学特征降低了其运动行为的可预测性。对于单个矢量推进器的流线型auv，因受矢量机构的关节限制与推进器的推力限制，机器人在扭矩、各个方向的推力均受到约束且互相耦合，在受到强流扰动下，易出现失控现象。因此，水下机器人的控制器需要具有良好的稳定性与鲁棒性，以应对各种复杂环境的任务需求。但目前缺乏一种具有低功耗、低噪音、
技术实现思路
1、为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术所提供一种双矢量全自由度水下机器人及其控制方法。
2、本专利技术采用的技术方案是：
3、一、一种双矢量推进全自由度水下机器人：
4、水下机器人包括头部干舱、前端矢量推进湿舱、中部干舱、尾端矢量推进湿舱、蓄电池组、电机驱动器、电控平台、前端矢量推进机构和尾端矢量推进机构，头部干舱、前端矢量推进湿舱、中部干舱和尾端矢量推进湿舱沿水下机器人的长度方向依次通过密封法兰相连接形成流线型的鱼雷型结构，减小了水下工作过程中的运动阻力；蓄电池组安装在密封的头部干舱中，前端矢量推进机构安装在与海水相连通的前端矢量推进湿舱中，电机驱动器和电控平台安装在密封的中部干舱中，尾端矢量推进机构安装在与海水相连通的尾端矢量推进湿舱中，尾端矢量推进机构的头部和尾部分别位于尾端矢量推进机构的内部和外部海水中，前端矢量推进机构和尾端矢量推进机构配合实现水下机器人的全自由度运动；电机驱动器、电控平台、前端矢量推进机构和尾端矢量推进机构均通过密封法兰上的水密连接器电连接于蓄电池组，尾端矢量推进机构和电控平台均电连接电机驱动器，前端矢量推进机构电连接电控平台。矢量机构代替了传统水下机器人的鳍舵，使得机器人具有光滑的外表面，保证了其水动力不受到破坏。水下机器人的机身采用耐压金属材料，表面平滑，可在水下高速运动。
5、所述的尾端矢量推进机构包括尾舱焊板、矢量推进机构固定板、固定导管、第一小型防水关节电机、第一动力齿轮、第一配对齿轮、第一滑动轴承、第一活动导管、第二配对齿轮、第二滑动轴承、第二小型防水关节电机、第二动力齿轮、第二活动导管、第三配对齿轮、第三滑动轴承、第三小型防水关节电机、第三活动导管、第三动力齿轮和无轴推进器，尾舱焊板的一侧面安装在尾端矢量推进湿舱的头部内，固定导管的一端通过矢量推进机构固定板安装在尾舱焊板的另一侧面，第一滑动轴承的内圈活动套装在固定导管的另一端，第一配对齿轮同步套装在第一滑动轴承的外圈靠近固定导管的一侧，第一活动导管的一端同步套装在第一滑动轴承的外圈远离固定导管的一侧，第一小型防水关节电机的机身安装在固定导管的外侧管壁上，第一小型防水关节电机的输出轴平行于水下机器人的长度方向并同步连接至第一动力齿轮的中心，第一动力齿轮和第一配对齿轮相啮合；第二滑动轴承的内圈活动套装在第一活动导管的另一端，第二配对齿轮同步套装在第二滑动轴承的外圈靠近第一活动导管的一侧，第二活动导管的一端同步套装在第二滑动轴承的外圈远离第一活动导管的一侧，第二小型防水关节电机的机身安装在第一活动导管的外侧管壁上，第二小型防水关节电机的输出轴同步连接第二动力齿轮的中心，第二动力齿轮和第二配对齿轮相啮合；第三滑动轴承的内圈活动套装在第二活动导管的另一端，第三配对齿轮同步套装在第三滑动轴承的外圈靠近第二活动导管的一侧，第三活动导管的一端同步套装在第三滑动轴承的外圈远离第二活动导管的一侧，第三小型防水关节电机的机身安装在第二活动导管的外侧管壁上，第三小型防水关节电机的输出轴同步连接第三动力齿轮的中心，第三动力齿轮和第三配对齿轮相啮合；第三活动导管的另一端上同轴安装有无轴推进器；尾端矢量推进湿舱的尾端开设有通孔，第一活动导管的另一端、第二活动导管和第三活动导管均位于通孔外部的海水中；第一小型防水关节电机、第二小型防水关节电机、第三小型防水关节电机和无轴推进器均电连接蓄电池组和电机驱动器。
6、动力齿轮分别与小型防水关节电机同轴旋转，与对应配合齿轮啮合并带动滑动轴承外圈与对应的活动导管旋转，固定在上一级导管的内圈保持不动，从而产生导管之间的相对旋转运动，从而实现彼此之间的独立旋转，改变各节导管的轴线指向，产生不同方向的推力。动力齿轮和对应配合齿轮均采用陶瓷材质。尾端矢量推进湿舱的侧面还设有用于安装和维修尾端矢量推进机构的舱门。
7、无轴推进器包括若干无轴推进器叶片、推进器盖和推进器壳体，推进器盖为圆环柱状，各个无轴推进器叶片沿推进器盖内圈周向均匀间隔布置，各个无轴推进器叶片设计成特定形状和角度，将水流以一定速度和方向推出。推进器盖的外圈同轴安装在第三活动导管的另一端上；由于旋转中心是空的，因此减少水流阻力和机械故障发生的概率的同时也降低了噪音和振动。
8、所述的尾端矢量推进机构的第一活动导管靠近固定导管的一端面和自身的中心轴垂直，第一活动导管的一端面和另一端面之间的夹角为22.5°；第二活动导管的两端面之间的夹角为45°，第二活动导管的两端面分别和自身的中心轴之间的夹角为67.5°；第三活动导管靠近无轴推进器的一端面垂直于自身的中心轴，第三活动导管的一端面和另一端面之间的夹角为22.5°。
9、所述的尾端矢量推进机构在初始状态时，固定导管、第一活动导管第二活动导管和第三活动导管均同轴布置；第二小型防水关节电机的输出轴垂直于第二活动导管的一端面，第三小型防水关节电机的输出轴垂直于第二活动导管的另一端面。
10、所述的第一活动导管绕固定导管产生同轴360°的相对旋转；第三活动导管绕第二活动导管产生最大旋转角度为45°的相对旋转；第二活动导管绕第一活动导管产生最大旋转角度为45°的相对旋转。
11、所述的固定导管上对称开设有若干用于提供水流的固定导管进流槽，第一活动导管上对称开设有若干用于提供水流的第一活动导管进流槽，第二活动导管上对本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种双矢量推进全自由度水下机器人，其特征在于：包括头部干舱(1)、前端矢量推进湿舱(2)、中部干舱(3)、尾端矢量推进湿舱(4)、蓄电池组(6)、电机驱动器(7)、电控平台(8)、前端矢量推进机构(9)和尾端矢量推进机构(10)，头部干舱(1)、前端矢量推进湿舱(2)、中部干舱(3)和尾端矢量推进湿舱(4)沿水下机器人的长度方向依次通过密封法兰(5)相连接形成鱼雷型结构，蓄电池组(6)安装在密封的头部干舱(1)中，前端矢量推进机构(9)安装在与海水相连通的前端矢量推进湿舱(2)中，电机驱动器(7)和电控平台(8)安装在密封的中部干舱(3)中，尾端矢量推进机构(10)安装在与海水相连通的尾端矢量推进湿舱(4)中，尾端矢量推进机构(10)的头部和尾部分别位于尾端矢量推进机构(10)的内部和外部海水中，前端矢量推进机构(9)和尾端矢量推进机构(10)配合实现水下机器人的全自由度运动；电机驱动器(7)、电控平台(8)、前端矢量推进机构(9)和尾端矢量推进机构(10)均电连接于蓄电池组(6)，尾端矢量推进机构(10)和电控平台(8)均电连接电机驱动器(7)，前端矢量推进机构(9)电连接
2.根据权利要求1所述的双矢量推进全自由度水下机器人，其特征在于：所述的尾端矢量推进机构(10)包括尾舱焊板(16)、矢量推进机构固定板(17)、固定导管(18)、第一小型防水关节电机(19)、第一动力齿轮(20)、第一配对齿轮(22)、第一滑动轴承(23)、第一活动导管(24)、第二配对齿轮(26)、第二滑动轴承(27)、第二小型防水关节电机(28)、第二动力齿轮(29)、第二活动导管(31)、第三配对齿轮(32)、第三滑动轴承(33)、第三小型防水关节电机(34)、第三活动导管(35)、第三动力齿轮(36)和无轴推进器(37)，尾舱焊板(16)的一侧面安装在尾端矢量推进湿舱(4)的头部内，固定导管(18)的一端通过矢量推进机构固定板(17)安装在尾舱焊板(16)的另一侧面，第一滑动轴承(23)的内圈活动套装在固定导管(18)的另一端，第一配对齿轮(22)同步套装在第一滑动轴承(23)的外圈靠近固定导管(18)的一侧，第一活动导管(24)的一端同步套装在第一滑动轴承(23)的外圈远离固定导管(18)的一侧，第一小型防水关节电机(19)的机身安装在固定导管(18)的外侧管壁上，第一小型防水关节电机(19)的输出轴平行于水下机器人的长度方向并同步连接至第一动力齿轮(20)的中心，第一动力齿轮(20)和第一配对齿轮(22)相啮合；第二滑动轴承(27)的内圈活动套装在第一活动导管(24)的另一端，第二配对齿轮(26)同步套装在第二滑动轴承(27)的外圈靠近第一活动导管(24)的一侧，第二活动导管(31)的一端同步套装在第二滑动轴承(27)的外圈远离第一活动导管(24)的一侧，第二小型防水关节电机(28)的机身安装在第一活动导管(24)的外侧管壁上，第二小型防水关节电机(28)的输出轴同步连接第二动力齿轮(29)的中心，第二动力齿轮(29)和第二配对齿轮(26)相啮合；第三滑动轴承(33)的内圈活动套装在第二活动导管(31)的另一端，第三配对齿轮(32)同步套装在第三滑动轴承(33)的外圈靠近第二活动导管(31)的一侧，第三活动导管(35)的一端同步套装在第三滑动轴承(33)的外圈远离第二活动导管(31)的一侧，第三小型防水关节电机(34)的机身安装在第二活动导管(31)的外侧管壁上，第三小型防水关节电机(34)的输出轴同步连接第三动力齿轮(36)的中心，第三动力齿轮(36)和第三配对齿轮(32)相啮合；第三活动导管(35)的另一端上同轴安装有无轴推进器(37)；尾端矢量推进湿舱(4)的尾端开设有通孔，第一活动导管(24)的另一端、第二活动导管(31)和第三活动导管(35)均位于通孔外部的海水中；第一小型防水关节电机(19)、第二小型防水关节电机(28)、第三小型防水关节电机(34)和无轴推进器(37)均电连接蓄电池组(6)和电机驱动器(7)。
3.根据权利要求2所述的双矢量推进全自由度水下机器人，其特征在于：所述的尾端矢量推进机构(10)的第一活动导管(24)靠近固定导管(18)的一端面和自身的中心轴垂直，第一活动导管(24)的一端面和另一端面之间的夹角为22.5°；第二活动导管(31)的两端面之间的夹角为45°，第二活动导管(31)的两端面分别和自身的中心轴之间的夹角为67.5°；第三活动导管(35)靠近无轴推进器(37)的一端面垂直于自身的中心轴，第三活动导管(35)的一端面和另一端面之间的夹角为22.5°；
4.根据权利要求3所述的双矢量推进全自由度水下机器人，其特征在于：所述的第一活动导管(...
【技术特征摘要】
1.一种双矢量推进全自由度水下机器人，其特征在于：包括头部干舱(1)、前端矢量推进湿舱(2)、中部干舱(3)、尾端矢量推进湿舱(4)、蓄电池组(6)、电机驱动器(7)、电控平台(8)、前端矢量推进机构(9)和尾端矢量推进机构(10)，头部干舱(1)、前端矢量推进湿舱(2)、中部干舱(3)和尾端矢量推进湿舱(4)沿水下机器人的长度方向依次通过密封法兰(5)相连接形成鱼雷型结构，蓄电池组(6)安装在密封的头部干舱(1)中，前端矢量推进机构(9)安装在与海水相连通的前端矢量推进湿舱(2)中，电机驱动器(7)和电控平台(8)安装在密封的中部干舱(3)中，尾端矢量推进机构(10)安装在与海水相连通的尾端矢量推进湿舱(4)中，尾端矢量推进机构(10)的头部和尾部分别位于尾端矢量推进机构(10)的内部和外部海水中，前端矢量推进机构(9)和尾端矢量推进机构(10)配合实现水下机器人的全自由度运动；电机驱动器(7)、电控平台(8)、前端矢量推进机构(9)和尾端矢量推进机构(10)均电连接于蓄电池组(6)，尾端矢量推进机构(10)和电控平台(8)均电连接电机驱动器(7)，前端矢量推进机构(9)电连接电控平台(8)。
2.根据权利要求1所述的双矢量推进全自由度水下机器人，其特征在于：所述的尾端矢量推进机构(10)包括尾舱焊板(16)、矢量推进机构固定板(17)、固定导管(18)、第一小型防水关节电机(19)、第一动力齿轮(20)、第一配对齿轮(22)、第一滑动轴承(23)、第一活动导管(24)、第二配对齿轮(26)、第二滑动轴承(27)、第二小型防水关节电机(28)、第二动力齿轮(29)、第二活动导管(31)、第三配对齿轮(32)、第三滑动轴承(33)、第三小型防水关节电机(34)、第三活动导管(35)、第三动力齿轮(36)和无轴推进器(37)，尾舱焊板(16)的一侧面安装在尾端矢量推进湿舱(4)的头部内，固定导管(18)的一端通过矢量推进机构固定板(17)安装在尾舱焊板(16)的另一侧面，第一滑动轴承(23)的内圈活动套装在固定导管(18)的另一端，第一配对齿轮(22)同步套装在第一滑动轴承(23)的外圈靠近固定导管(18)的一侧，第一活动导管(24)的一端同步套装在第一滑动轴承(23)的外圈远离固定导管(18)的一侧，第一小型防水关节电机(19)的机身安装在固定导管(18)的外侧管壁上，第一小型防水关节电机(19)的输出轴平行于水下机器人的长度方向并同步连接至第一动力齿轮(20)的中心，第一动力齿轮(20)和第一配对齿轮(22)相啮合；第二滑动轴承(27)的内圈活动套装在第一活动导管(24)的另一端，第二配对齿轮(26)同步套装在第二滑动轴承(27)的外圈靠近第一活动导管(24)的一侧，第二活动导管(31)的一端同步套装在第二滑动轴承(27)的外圈远离第一活动导管(24)的一侧，第二小型防水关节电机(28)的机身安装在第一活动导管(24)的外侧管壁上，第二小型防水关节电机(28)的输出轴同步连接第二动力齿轮(29)的中心，第二动力齿轮(29)和第二配对齿轮(26)相啮合；第三滑动轴承(33)的内圈活动套装在第二活动导管(31)的另一端，第三配对齿轮(32)同步套装在第三滑动轴承(33)的外圈靠近第二活动导管(31)的一侧，第三活动导管(35)的一端同步套装在第三滑动轴承(33)的外圈远离第二活动导管(31)的一侧，第三小型防水关节电机(34)的机身安装在第二活动导管(31)的外侧管壁上，第三小型防水关节电机(34)的输出轴同步连接第三动力齿轮(36)的中心，第三动力齿轮(36)和第三配对齿轮(32)相啮合；第三活动导管(35)的另一端上同轴安装有无轴推进器(3...
【专利技术属性】
技术研发人员：钱鹏，李治言，孙志伟，王博涵，张大海，王元奎，马恩林，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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