水下装备矢量推进装置及矢量推进控制方法

本发明属于水下装备矢量推进器结构，具体涉及一种水下装备矢量推进装置以及一种利用该装置进行矢量推进的控制方法。

背景技术：

1、水下装备、如水下航行器能够在水面以下航行并可携带传感器等器件来进行海洋勘探、目标识别等任务。为了使水下装备具有更多样的运动模式和更好的灵活性和稳定性，对作为装备动力系统的推进结构的结构设计极为重要。水下装备推进结构可分为固定推进器和矢量推进器两种，其中矢量推进器被广泛应用于需要快速调整姿态的场景。

2、传统水下装备通常采用螺旋桨与旋转舵、或者螺旋桨与摆动尾翼相结合来实现矢量推进，其原理都是通过改变侧面的横截面积来增大海水在该方向上的阻力，进而实现航行器的矢量推进。但由于其结构能实现的阻力改变是很有限的，因此这两种方式推进效率低、灵活性低、可调节的范围也很小，在复杂环境下并不适用。

3、除了上述两种方式之外，公开号为cn102069902a的中国专利提出了一种小型充油全偏转矢量螺旋桨推进器，其利用齿轮传动实现尾部推进器在任意回转角度下的一定范围内的摆动，从而使尾部推进器相对于水下航行器产生矢量推力。然而，该方案在航行器的航向方向上占用空间较大，且只能实现单平面的偏转，如果要改变偏转平面需要先将偏转机构回位，然后回转机构进行回转才能实现。举例而言，在处于相对于水平面以一定角度偏转的尾部推进器需要实现相对于竖直面的偏转时，必须先调整偏转机构以使尾部推进器回位，然后再调整回转机构使尾部推进器回转来将偏转平面改变成竖直面，之后再操作偏转机构才能实现相对于竖直面的摆动。因此，这种结构在水下装备需要频繁调整姿态的场合下需要多个步骤才能实现目标姿态，调整过程复杂且响应慢，无法满足快速调整姿态的需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术所存在的水下装备矢量推进装置采用螺旋桨+旋转舵或摆动尾翼的方式时推进效率低、灵活性低、可调节范围小以及采用齿轮传动进行单平面偏转的方式不仅体积大而且无法满足快速调整姿态需求的不足之处，而提供了一种水下装备矢量推进装置以及一种利用该装置进行矢量推进的控制方法。

2、为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

3、一种水下装备矢量推进装置，其特殊之处在于包括：端盖、推进段壳体、尾部推进器、矢量驱动组件、第一锥齿轮轴组件、第二锥齿轮轴组件、输出锥齿轮轴、连接光轴、偏航盒以及俯仰架；

4、端盖用于将推进段壳体与水下装备的舱体密封地连接；

5、尾部推进器用于提供水下装备的推进动力，包括螺旋桨和推进电机；

6、矢量驱动组件用于提供水下装备的偏航动力和俯仰动力，并且包括相连的第一电机和第一减速器、以及相连的第二电机和第二减速器，第一减速器和第二减速器安装至端盖且其输出轴平行于航向上下对称布置；

7、第一锥齿轮轴组件包括第一驱动锥齿轮轴和第一传动双锥齿轮轴，第一驱动锥齿轮轴由端盖支撑并与第一减速器的输出轴同轴连接；第二锥齿轮轴组件包括第二驱动锥齿轮轴和第二传动双锥齿轮轴，第二驱动锥齿轮轴由端盖支撑并与第二减速器的输出轴同轴连接；

8、偏航盒位于推进段壳体内，由四个板围成，且以可旋转的方式连接至端盖，四个板中的上板和下板分别将第一传动双锥齿轮轴和第二传动双锥齿轮轴以可旋转的方式竖向同轴支撑，且左板和右板分别将输出锥齿轮轴和连接光轴以可旋转的方式水平同轴支撑，使得：第一驱动锥齿轮轴上的第一驱动锥齿轮与第一传动双锥齿轮轴上的第一大锥齿轮啮合，第二驱动锥齿轮轴上的第二驱动锥齿轮与第二传动双锥齿轮轴上的第二大锥齿轮啮合，第一传动双锥齿轮轴上的第一小锥齿轮和第二传动双锥齿轮轴上的第二小锥齿轮均与输出锥齿轮轴上的输出锥齿轮啮合；

9、俯仰架位于推进段壳体内，呈v状且包括两个支腿，两个支腿分别在偏航盒的外部固连至输出锥齿轮轴和连接光轴，两个支腿的接合部密封地连接至尾部推进器；

10、当第一电机和第二电机同向运转时，第一驱动锥齿轮轴和第二驱动锥齿轮轴被带动同向旋转，第一传动双锥齿轮轴和第二传动双锥齿轮轴绕自身轴线反向旋转，从而使输出锥齿轮轴绕自身轴线旋转，进而使俯仰架进行俯仰运动；当第一电机和第二电机反向运转时，第一驱动锥齿轮轴和第二驱动锥齿轮轴被带动反向旋转，第一传动双锥齿轮轴和第二传动双锥齿轮轴绕自身轴线同向旋转，输出锥齿轮轴不能绕自身轴线旋转而围绕第一驱动锥齿轮轴和第二驱动锥齿轮轴的轴线摆动，从而带动偏航盒和俯仰架一起进行偏航运动。

11、进一步地，矢量推进装置还包括矢量驱动组件安装组件，矢量驱动组件安装组件包括安装板和两个工字架，第一减速器和第二减速器连接至安装板且其输出轴均穿过安装板，安装板通过两个工字架安装至端盖。

12、进一步地，端盖的外缘上开设有周向凹槽，周向凹槽用于容置密封圈。

13、进一步地，矢量推进装置还包括套筒，套筒套设在尾部推进器上，套筒的一端连接至俯仰架的接合部，另一端固定至尾部推进器。

14、进一步地，矢量推进装置还包括沿航向依次套设在套筒上的筒状的第一橡胶罩和喇叭状的第二橡胶罩，第一橡胶罩将俯仰架的接合部围封在内并与推进段壳体抵接连接，第二橡胶罩的大径端与推进段壳体抵接连接，小径端固定至尾部推进器。

15、进一步地，第一驱动锥齿轮轴和第二驱动锥齿轮轴分别在与端盖配合的部段上开设有两个间隔开的环形槽，用于接纳密封圈。

16、进一步地，矢量推进装置还包括分别用于安装第一驱动锥齿轮轴和第二驱动锥齿轮轴的两组驱动轴安装组件，驱动轴安装组件各自包括第一轴承座和第二轴承座，第一轴承座和第二轴承座分别在端盖的两侧连接至端盖，以对第一驱动锥齿轮轴和第二驱动锥齿轮轴中的一者进行可旋转地支撑。

17、进一步地，矢量推进装置还包括分别用于安装第一传动双锥齿轮轴和第二传动双锥齿轮轴的两组传动轴安装组件，传动轴安装组件各自包括安装架以及第三轴承座和第四轴承座；安装架在偏航盒的外部固连至端盖并且第一传动双锥齿轮轴和第二传动双锥齿轮轴分别穿过安装架；第三轴承座连接至安装架，第四轴承座连接至偏航盒的上板和下板中的一者，以将第一传动双锥齿轮轴和第二传动双锥齿轮轴分别可旋转地支撑在偏航盒的上板和下板中的一者上。

18、进一步地，矢量推进装置还包括第五轴承座和压板；第五轴承座在偏航盒内连接至其左板，以将输出锥齿轮轴可旋转地支撑在左板上；压板对套设在输出锥齿轮轴上的俯仰架进行压挤。

19、一种利用上述水下装备矢量推进装置进行矢量推进的控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

20、步骤1，建立矢量推进装置的直角坐标系和球坐标系，得到螺旋桨轴质心ob的坐标点(xcen,ycen,zcen)：

21、

22、式中，r为螺旋桨轴质心ob到偏航盒的旋转中心oa的距离；

23、步骤2，推导螺旋桨轴俯仰和偏航运动的摆动角度与矢量驱动组件控制角度的关系：

24、

25、

26、式中，δh和δv分别表示螺旋桨轴在偏航方向和俯仰方向上偏摆的角度，α和β分别表示偏航所需矢量驱动组件控制角度和俯仰所需矢量驱动组件控制角度，z1为第一驱动锥齿轮的齿数，z2为第二驱动锥齿轮的齿数，z3为第一大锥齿轮的齿数，z4为第二大锥齿轮的齿数，z5为输出锥齿轮的齿数，z7为第二小锥齿轮的齿数；

27、步骤3，基于螺旋桨轴摆动的角度范围选取步长，从角度范围内按所选步长选取角度值，通过运动学反解分析，确定并保存当前角度值所需的矢量驱动组件控制输入参数：

28、其中，运动学反解的过程包括：

29、步骤3.1，计算螺旋桨轴质心ob依次产生俯仰角度δv和偏航角度δh后的矢

30、量ξ'：

31、

32、步骤3.2，将步骤2中推导出的关系式带入上式得到：

33、

34、步骤3.3，获得矢量驱动组件控制角度：

35、

36、步骤4，判断是否已经遍历角度范围，若是，进入步骤5；若否，返回步骤3；

37、步骤5，基于各个角度值所需的矢量驱动组件控制角度，通过仿真，绘制矢量驱动组件控制输入参数与螺旋桨推进角度运动曲线；

38、步骤6，基于所绘制的运动曲线和水下装备的目标航行轨迹对矢量推进装置进行控制。

39、本发明的优点是：

40、1、本发明的水下装备矢量推进装置及矢量推进控制方法，通过设置与端盖相连的两个上下布置的电机来分别驱动输入锥齿轮，其分别与两个竖向同轴布置的双锥齿轮轴啮合，两个双锥齿轮轴上的锥齿轮又同时与同一输出锥齿轮啮合，其中双锥齿轮轴和输出锥齿轮轴都可旋转地支撑在能相对于端盖旋转的偏航盒上，输出锥齿轮轴又固连至与尾部推进器相连的俯仰架。当两个电机同向运转时，各个锥齿轮均绕自身轴线旋转，俯仰架和尾部推进器进行俯仰运动；当两个电机反向运转时，双锥齿轮轴、输出锥齿轮轴、偏航盒和俯仰架以及尾部推进器一起进行偏航运动，由此实现了尾部推进器的俯仰和偏航，从而实现水下装备的矢量推进。因此，本发明采用上下对称布置的两个驱动锥齿轮、其中双锥齿轮轴竖向同轴布置以及一个输出锥齿轮这样的机械齿轮传动结构，仅占用装备较小空间，可实现装备的小型化和轻量化；此外，在需要调整装备姿态时，可直接通过俯仰和偏航两个步骤来实现，调整过程简单，能够快速响应，推进效率高且灵活度高；另外，两个方向上的摆动角度不受传动机构的影响而只受端盖和推进段壳体等周围部件的限制，调节范围大。

41、2、端盖与水下装备舱体之间设置有密封圈，实现了装置的静密封；两个驱动锥齿轮轴与端盖之间都布置有密封件，尾部驱动器处设置套筒、第一橡胶罩和第二橡胶罩，实现了装置的动密封，能保证装置及水下装备的良好密封效果，提高运行可靠性。