[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

说明书

本发明公开了一种基于集成式矢量推进器的模块化水下机器人，集成式矢量推进器分布在水下机器人舱体的左右两侧，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，水下机器人舱体的尾部两侧与背部分别固定有尾鳍与背鳍，供电模块、载荷模块以及通讯模块设置在水下机器人舱体内，供电模块用于为水下机器人供电，通讯模块分别与载荷模块和集成式矢量推进器连接，用于载荷模块与地面上位机的采集数据传输，以及集成式矢量推进器与地面上位机的控制信号传输。本发明在确保水下机器人稳定性的同时具备更强机动性、功能性和智能性，提高复杂海况下的勘探能力，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及一种基于集成式矢量推进器的模块化水下机器人。

背景技术

水下机器人在水下目标搜寻、海洋资源探测、海洋军事任务等军民两用方面得到了广泛应用。在实际应用中，如何在水下复杂环境下提高水下机器人的机动性、操纵性，以及模块化任务载荷换装的灵活性是关键问题。

传统推进器存在以下缺陷与不足：

①要实现不同方向运动需要安装多个推进器来产生多维方向推进力，占用空间较大，布置形式复杂，同时需要携带更大容量的电池，增加了成本；

②在上下垂推和左右侧推的共同作用下来改变航行器的姿态。虽然这种方法目前能满足要求，但推力存在抵消，效率不高；

③多推进器会降低低速航行时的水下定位能力，机动性不好，增加机器人的航行阻力。传统推进器难以满足较为复杂行动的需求。

因此，研发一种基于集成式矢量推进器的模块化水下机器人势在必行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于集成式矢量推进器的模块化水下机器人,采用矢量推进技术，可以根据工作任务需要灵活配置不同功能的载荷模块，支持有缆控制和自主巡航两种工作模式，满足较为复杂行动的需求。

本发明采用以下技术方案：

一种基于集成式矢量推进器的模块化水下机器人，包括集成式矢量推进器、水下机器人舱体、供电模块、载荷模块以及通讯模块，集成式矢量推进器分布在水下机器人舱体的左右两侧，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，水下机器人舱体的尾部两侧与背部分别固定有尾鳍与背鳍，供电模块、载荷模块以及通讯模块设置在水下机器人舱体内，供电模块用于为水下机器人供电，通讯模块分别与载荷模块和集成式矢量推进器连接，用于载荷模块与地面上位机的采集数据传输，以及集成式矢量推进器与地面上位机的控制信号传输。

具体的，集成式矢量推进器包括螺旋桨推进器、矢量偏转机构和运动控制单元，运动控制单元通过矢量偏转机构与螺旋桨推进器连接，通过电调驱动螺旋桨推进器。

进一步的，运动控制单元包括惯性传感器、深度传感器和STM32控制板， STM32控制板用于接收地面上位机的动作指令，并根据惯性传感器和深度传感器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的第一舵机和第二舵机转动。

进一步的，运动控制单元的PWM信号控制第一舵机和第二舵机分别转过相应的角度α和β，舵机驱动矢量偏转机构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。

更进一步的，滚转角度为-90°≤θ≤90°，侧摆角度为