一種水下航行器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于水下運載工具領域，更具體地，涉及一種水下航行器。
【背景技術】
[0002]目前，絕大多數水下航行器的姿態控制執行機構是舵和槳。一般航行器在高速運動時利用舵控制其姿態，在低速或者零速時利用槳來調整其姿態。其具有以下特點:
[0003]1)在航行器處于低速或者零速狀態時，舵效喪失。因此對于具有一定速度的航行體若僅僅采用舵作為姿態控制執行機構時，航行器需要較大的回轉半徑，這不利于航行體在狹小空間里作業。
[0004]2)舵和槳所產生的控制力(力矩)都是與流體的相互作用產生的，因此容易受流場影響，難以做到精確姿態控制，特別是在復雜流場環境下作業時。
[0005]3)采用槳作為姿態控制執行機構，雖然在航行器低速或零速情況下亦能輸出控制力矩，但是也存在一些不足。首先，槳的存在一定程度上破壞了航行器殼體的完整性，這不利于航行器的快速性、耐壓性和工藝性；其次，槳裸露在海水中，受海洋生物污染和海水腐蝕嚴重；另外，單個槳只能提供一個方向的力矩，若要使航行器能夠任意姿態角機動，則至少需要多個槳(用于提供推力的槳除外)；再者，螺旋槳與水的相互接觸還會產生噪音，這對有隱身性能要求的航行器(如魚雷)來說，十分不利；最后，槳與水的相互接觸會破壞流場的特性，當作業表面是疏松的或作業對象容易受到流場影響時，不利于水下航行體的作業。另外，對一些小型或微型水下航行器，其有限的空間并不利于姿態控制漿的布置。
【發明內容】
[0006]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種水下航行器，采用控制力矩陀螺群的陀螺效應來控制航行器的姿態，具有更高的敏捷性與機動性。
[0007]為實現上述目的，按照本發明，提供了一種水下航行器，包括殼體及安裝在殼體上的葉輪組件，其特征在于，所述殼體內安裝有陀螺組件，所述陀螺組件包括陀螺支架和安裝在陀螺支架上的控制力矩陀螺群，其中，
[0008]所述控制力矩陀螺群包括四個單框架控制力矩陀螺，并且每個單框架控制力矩陀螺均包括單框架、陀螺轉子、單框架轉軸、單框架驅動電機和陀螺轉子驅動電機，其中，所述單框架驅動電機安裝在所述陀螺支架上并且其通過所述單框架轉軸驅動所述單框架旋轉，所述單框架轉軸可轉動并安裝在所述陀螺支架上，所述陀螺轉子驅動電機和陀螺轉子均安裝在所述單框架上并且所述陀螺轉子通過所述陀螺轉子驅動電機驅動其旋轉；
[0009]所述控制力矩陀螺群的四個單框架轉軸的軸線相交且四者分布在一正四棱錐的四條側棱上。
[0010]優選地，所述殼體內壁設置有兩條導槽并且每條導槽均沿殼體的縱向設置，所述陀螺支架在對應于導槽的位置設置有多條安裝桿并且每條安裝桿均沿殼體的橫向設置，每條安裝桿均伸入所述導槽內并固定在殼體上。
[0011]優選地，每個單框架轉軸的軸線與殼體中心線所成的角為60° O
[0012]優選地，所述控制力矩陀螺群的四個單框架轉軸中，其中兩個單框架轉軸的軸線與所述殼體的中心線共面。
[0013]總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果:
[0014]I)本發明采取四個單框架控制力矩陀螺相互作用的結構，四個單框架控制力矩陀螺按照一定的構型組合在一起便組成了控制力矩陀螺群。控制力矩陀螺群內部的陀螺轉子在圍繞其自身旋轉軸轉動的同時，單框架帶動陀螺轉子繞單框架轉軸轉動，迫使陀螺轉子的旋轉軸方向在空間發生改變，從而獲得陀螺力矩，產生陀螺效應，陀螺轉子角動量產生的反作用力矩作用在陀螺支架上，而陀螺支架固定在航行器的外殼上，進而實現對航行器的姿態控制。由于控制力矩陀螺群提供的力矩是由陀螺轉子的陀螺效應產生的，不需要與流場相互作用，所以可以將控制力矩陀螺群內置于航行器的外殼內，因此它不會破壞航行器體型曲面的完整性，不用直接跟流體接觸，所以不影響航行器的快速性，不存在密封問題，也不存在被腐蝕的問題，也有利于抑制振動噪音；另外，控制力矩陀螺群具有力矩放大功能，無論是在高速還是低速亦或是零動量航行中，都能夠滿足航行器對姿態控制敏捷性的要求；能實現零回轉半徑，有利于狹小空間內的作業，這對于在限制空間內作業的水下機器人具有非常重要的意義。
[0015]2)本發明的控制力矩陀螺群能夠提供連續光滑的輸出力矩，這滿足了航行中對敏捷性和精確性的要求，并且能夠在零動量狀態下實現零回轉半徑，極大提高了航行器的機動性。整個航行器控制方便、控制精度高；連接可靠、裝拆方便；殼體強度高和抗海水腐蝕能力強；安裝靈活、方便，可應用于水下機器人和水下其他航行體。
[0016]3)本發明采用合理構型的控制力矩陀螺群，能夠提供多個方向的力矩，因此航行體能夠實現任意姿態角的機動。控制力矩陀螺群由于內置，不破壞流場的特性，特別有利于航行體抓取容易受流場影響的物體，如微小生物等，也有利于在水下執行精細作業任務。
[0017]4)本發明控制力矩陀螺群在航行體上的布置可以非常靈活，可以集中布置，也可以分散布置。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明撤去殼體中段后的結構示意圖；
[0019]圖2是本發明中殼體的剖面示意圖；
[0020]圖3是圖2中沿A-A線的剖視圖；
[0021]圖4是本發明中控制力矩陀螺群的結構示意圖；
[0022]圖5是本發明中陀螺支架的結構示意圖；
[0023]圖6是單框架控制力矩陀螺的結構示意圖；
[0024]圖7是本發明的整體結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0026]參照圖1?圖7，一種水下航行器，包括殼體I及安裝在殼體I上的葉輪組件III，所述殼體I內安裝有陀螺組件II，所述陀螺組件II包括陀螺支架16和安裝在陀螺支架16上的控制力矩陀螺群，其中，
[0027]所述控制力矩陀螺群包括四個單框架控制力矩陀螺15，并且每個單框架控制力矩陀螺15均包括單框架29、陀螺轉子36、單框架轉軸35、單框架驅動電機13和陀螺轉子驅動電機22，其中，所述單框架驅動電機13安裝在所述陀螺支架16上并且驅動所述單框架29繞單框架轉軸35旋轉，所述單框架轉軸35可轉動安裝在所述陀螺支架16上，所述陀螺轉子驅動電機22和陀螺轉子36均安裝在所述單框架29上并且所述陀螺轉子36通過所述陀螺轉子驅動電機22驅動旋轉；
[0028]所述控制力矩陀螺群的四個單框架轉軸35的軸線相交且四者分布在一正四棱錐的四條側棱上，要使控制力矩陀螺群具有對航行體三軸的姿態控制能力，理論上是需要三個單框架控制力矩陀螺15組成控制力矩陀螺群。進一步，若要求控制力矩陀螺群有足夠的三軸姿態控制能力，則需要有一定的冗余數量的單框架控制力矩陀螺。控制力矩陀螺群包含冗余的單框架控制力矩陀螺數量越大，則其姿態控制能力越強。但是考慮到水下航行體空間，所以采用具有最小冗余系統的控制力矩陀螺群，即由四個單框架控制力矩陀螺15組成的金字塔構型的控制力矩陀螺群。而軸線分布在正四棱錐的四條側棱上，這樣可以使控制力矩陀螺群可控角動量大，冗余性高，壽命長，機動性能強。
[0029]進一步，所述殼體I內壁設置有兩條導槽12并且每條導槽12均沿殼體I的縱向設置，所述陀螺支架16在對應于導槽12的位置設置有多條安裝桿21并且每條安裝桿21均沿殼體I的橫向設置，每條安裝桿21均伸入所述導槽12內并固定在殼體I上，這樣便于陀螺支架16的安裝。
[0030]進一步，每個單框架轉軸35的軸線與殼體I中心線所成的角為60°，這樣可以使控制力矩陀螺群在三個坐標軸上的最大角動量吸收能力盡可能相近。
[0031]進一步，所述控制力矩陀螺群的四個單框架轉軸35中，其