[发明专利]一种基于集成式矢量推进器的模块化水下机器人

权利要求书

1.一种基于集成式矢量推进器的模块化水下机器人，其特征在于，包括集成式矢量推进器(1)、水下机器人舱体(2)、供电模块(3)、载荷模块(4)以及通讯模块(5)，集成式矢量推进器(1)分布在水下机器人舱体(2)的左右两侧，能够产生多维度方向推力实现航姿、航深测量和自身姿态控制，水下机器人舱体(2)的尾部两侧与背部分别固定有尾鳍与背鳍，供电模块(3)、载荷模块(4)以及通讯模块(5)设置在水下机器人舱体(2)内，供电模块(3)用于为水下机器人供电，通讯模块(5)分别与载荷模块(4)和集成式矢量推进器(1)连接，用于载荷模块(4)与地面上位机的采集数据传输，以及集成式矢量推进器(1)与地面上位机的控制信号传输。

2.根据权利要求1所述的基于集成式矢量推进器的模块化水下机器人，其特征在于，集成式矢量推进器(1)包括螺旋桨推进器(8)、矢量偏转机构(9)和运动控制单元(10)，运动控制单元(10)通过矢量偏转机构(9)与螺旋桨推进器(8)连接，通过电调驱动螺旋桨推进器(8)。

3.根据权利要求2所述的基于集成式矢量推进器的模块化水下机器人，其特征在于，运动控制单元(10)包括惯性传感器(11)、深度传感器(12)和STM32控制板(13)，STM32控制板(13)用于接收地面上位机的动作指令，并根据惯性传感器(11)和深度传感器(12)的信息确定水下机器人当前的姿态和深度，输出PWM信号控制矢量偏转机构(9)的第一舵机(14)和第二舵机(15)转动。

4.根据权利要求3所述的基于集成式矢量推进器的模块化水下机器人，其特征在于，运动控制单元(10)的PWM信号控制第一舵机(14)和第二舵机(15)分别转过相应的角度α和β，舵机驱动矢量偏转机构(9)进行滚转和侧摆运动，推力在空间的方向由矢量偏转机构滚转和侧摆的角度θ和决定，具体为：

其中，z₁为第一直齿轮的齿数，z₂为第二直齿轮的齿数，z₃为第一锥齿轮的齿数，z₄为第二齿轮的齿数，z₅为第三锥齿轮的齿数，z₆为第四锥齿轮的齿数，z₇为第五锥齿轮的齿数。

5.根据权利要求4所述的基于集成式矢量推进器的模块化水下机器人，其特征在于，滚转角度为-90°≤θ≤90°，侧摆角度为

6.根据权利要求2所述的基于集成式矢量推进器的模块化水下机器人，其特征在于，矢量偏转机构(9)由侧摆传动链和滚转传动链耦合而成，在空间具有两个旋转自由度，矢量推力在空间形成一个球面。

7.根据权利要求6所述的基于集成式矢量推进器的模块化水下机器人，其特征在于，侧摆传动链包括第一舵机(14)，第一舵机(14)依次经过第一直齿轮(16)、第二直齿轮(17)、第一锥齿轮(18)和第二锥齿轮(19)进行传动，第一舵机(14)转过角度为α，则侧摆角度为：

其中，z₁为第一直齿轮的齿数，z₂为第二直齿轮的齿数，z₃为第一锥齿轮的齿数，z₄为第二齿轮的齿数。

8.根据权利要求6所述的基于集成式矢量推进器的模块化水下机器人，其特征在于，滚转传动链包括第二舵机(15)，第二舵机(15)依次经过第三锥齿轮(20)、第四锥齿轮(21)和第五锥齿轮(22)形成的周转轮系进行传动，第二舵机(15)转过角度为β，滚转角度θ为：

其中，z₅为第三锥齿轮的齿数，z₆为第四锥齿轮的齿数，z₇为第五锥齿轮的齿数。

9.根据权利要求1所述的基于集成式矢量推进器的模块化水下机器人，其特征在于，供电模块(3)的输入端通过零浮力电缆与地面电源连接，输出端分别与集成式矢量推进器(1)、载荷模块(4)以及通讯模块(5)连接，输出电压为5V和12V。

10.根据权利要求1所述的基于集成式矢量推进器的模块化水下机器人，其特征在于，通讯模块(5)支持有缆控制和自主巡航，包括导航模块(6)和电力载波模块(7)，有缆控制利用零浮力电缆和电力载波模块(7)进行通讯，自主巡航工作模式利用无线通讯和导航模块(6)进行通讯和自主巡航。