一种水下航行器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水下运载工具领域，更具体地，涉及一种水下航行器。
【背景技术】
[0002]目前，绝大多数水下航行器的姿态控制执行机构是舵和桨。一般航行器在高速运动时利用舵控制其姿态，在低速或者零速时利用桨来调整其姿态。其具有以下特点:
[0003]1)在航行器处于低速或者零速状态时，舵效丧失。因此对于具有一定速度的航行体若仅仅采用舵作为姿态控制执行机构时，航行器需要较大的回转半径，这不利于航行体在狭小空间里作业。
[0004]2)舵和桨所产生的控制力(力矩)都是与流体的相互作用产生的，因此容易受流场影响，难以做到精确姿态控制，特别是在复杂流场环境下作业时。
[0005]3)采用桨作为姿态控制执行机构，虽然在航行器低速或零速情况下亦能输出控制力矩，但是也存在一些不足。首先，桨的存在一定程度上破坏了航行器壳体的完整性，这不利于航行器的快速性、耐压性和工艺性；其次，桨裸露在海水中，受海洋生物污染和海水腐蚀严重；另外，单个桨只能提供一个方向的力矩，若要使航行器能够任意姿态角机动，则至少需要多个桨(用于提供推力的桨除外)；再者，螺旋桨与水的相互接触还会产生噪音，这对有隐身性能要求的航行器(如鱼雷)来说，十分不利；最后，桨与水的相互接触会破坏流场的特性，当作业表面是疏松的或作业对象容易受到流场影响时，不利于水下航行体的作业。另外，对一些小型或微型水下航行器，其有限的空间并不利于姿态控制浆的布置。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种水下航行器，采用控制力矩陀螺群的陀螺效应来控制航行器的姿态，具有更高的敏捷性与机动性。
[0007]为实现上述目的，按照本发明，提供了一种水下航行器，包括壳体及安装在壳体上的叶轮组件，其特征在于，所述壳体内安装有陀螺组件，所述陀螺组件包括陀螺支架和安装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个单框架控制力矩陀螺，并且每个单框架控制力矩陀螺均包括单框架、陀螺转子、单框架转轴、单框架驱动电机和陀螺转子驱动电机，其中，所述单框架驱动电机安装在所述陀螺支架上并且其通过所述单框架转轴驱动所述单框架旋转，所述单框架转轴可转动并安装在所述陀螺支架上，所述陀螺转子驱动电机和陀螺转子均安装在所述单框架上并且所述陀螺转子通过所述陀螺转子驱动电机驱动其旋转；
[0009]所述控制力矩陀螺群的四个单框架转轴的轴线相交且四者分布在一正四棱锥的四条侧棱上。
[0010]优选地，所述壳体内壁设置有两条导槽并且每条导槽均沿壳体的纵向设置，所述陀螺支架在对应于导槽的位置设置有多条安装杆并且每条安装杆均沿壳体的横向设置，每条安装杆均伸入所述导槽内并固定在壳体上。
[0011]优选地，每个单框架转轴的轴线与壳体中心线所成的角为60° O
[0012]优选地，所述控制力矩陀螺群的四个单框架转轴中，其中两个单框架转轴的轴线与所述壳体的中心线共面。
[0013]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果:
[0014]I)本发明采取四个单框架控制力矩陀螺相互作用的结构，四个单框架控制力矩陀螺按照一定的构型组合在一起便组成了控制力矩陀螺群。控制力矩陀螺群内部的陀螺转子在围绕其自身旋转轴转动的同时，单框架带动陀螺转子绕单框架转轴转动，迫使陀螺转子的旋转轴方向在空间发生改变，从而获得陀螺力矩，产生陀螺效应，陀螺转子角动量产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壳上，进而实现对航行器的姿态控制。由于控制力矩陀螺群提供的力矩是由陀螺转子的陀螺效应产生的，不需要与流场相互作用，所以可以将控制力矩陀螺群内置于航行器的外壳内，因此它不会破坏航行器体型曲面的完整性，不用直接跟流体接触，所以不影响航行器的快速性，不存在密封问题，也不存在被腐蚀的问题，也有利于抑制振动噪音；另外，控制力矩陀螺群具有力矩放大功能，无论是在高速还是低速亦或是零动量航行中，都能够满足航行器对姿态控制敏捷性的要求；能实现零回转半径，有利于狭小空间内的作业，这对于在限制空间内作业的水下机器人具有非常重要的意义。
[0015]2)本发明的控制力矩陀螺群能够提供连续光滑的输出力矩，这满足了航行中对敏捷性和精确性的要求，并且能够在零动量状态下实现零回转半径，极大提高了航行器的机动性。整个航行器控制方便、控制精度高；连接可靠、装拆方便；壳体强度高和抗海水腐蚀能力强；安装灵活、方便，可应用于水下机器人和水下其他航行体。
[0016]3)本发明采用合理构型的控制力矩陀螺群，能够提供多个方向的力矩，因此航行体能够实现任意姿态角的机动。控制力矩陀螺群由于内置，不破坏流场的特性，特别有利于航行体抓取容易受流场影响的物体，如微小生物等，也有利于在水下执行精细作业任务。
[0017]4)本发明控制力矩陀螺群在航行体上的布置可以非常灵活，可以集中布置，也可以分散布置。
【附图说明】
[0018]图1是本发明撤去壳体中段后的结构示意图；
[0019]图2是本发明中壳体的剖面示意图；
[0020]图3是图2中沿A-A线的剖视图；
[0021]图4是本发明中控制力矩陀螺群的结构示意图；
[0022]图5是本发明中陀螺支架的结构示意图；
[0023]图6是单框架控制力矩陀螺的结构示意图；
[0024]图7是本发明的整体结构示意图。
【具体实施方式】
[0025]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0026]参照图1?图7，一种水下航行器，包括壳体I及安装在壳体I上的叶轮组件III，所述壳体I内安装有陀螺组件II，所述陀螺组件II包括陀螺支架16和安装在陀螺支架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个单框架控制力矩陀螺15，并且每个单框架控制力矩陀螺15均包括单框架29、陀螺转子36、单框架转轴35、单框架驱动电机13和陀螺转子驱动电机22，其中，所述单框架驱动电机13安装在所述陀螺支架16上并且驱动所述单框架29绕单框架转轴35旋转，所述单框架转轴35可转动安装在所述陀螺支架16上，所述陀螺转子驱动电机22和陀螺转子36均安装在所述单框架29上并且所述陀螺转子36通过所述陀螺转子驱动电机22驱动旋转；
[0028]所述控制力矩陀螺群的四个单框架转轴35的轴线相交且四者分布在一正四棱锥的四条侧棱上，要使控制力矩陀螺群具有对航行体三轴的姿态控制能力，理论上是需要三个单框架控制力矩陀螺15组成控制力矩陀螺群。进一步，若要求控制力矩陀螺群有足够的三轴姿态控制能力，则需要有一定的冗余数量的单框架控制力矩陀螺。控制力矩陀螺群包含冗余的单框架控制力矩陀螺数量越大，则其姿态控制能力越强。但是考虑到水下航行体空间，所以采用具有最小冗余系统的控制力矩陀螺群，即由四个单框架控制力矩陀螺15组成的金字塔构型的控制力矩陀螺群。而轴线分布在正四棱锥的四条侧棱上，这样可以使控制力矩陀螺群可控角动量大，冗余性高，寿命长，机动性能强。
[0029]进一步，所述壳体I内壁设置有两条导槽12并且每条导槽12均沿壳体I的纵向设置，所述陀螺支架16在对应于导槽12的位置设置有多条安装杆21并且每条安装杆21均沿壳体I的横向设置，每条安装杆21均伸入所述导槽12内并固定在壳体I上，这样便于陀螺支架16的安装。
[0030]进一步，每个单框架转轴35的轴线与壳体I中心线所成的角为60°，这样可以使控制力矩陀螺群在三个坐标轴上的最大角动量吸收能力尽可能相近。
[0031]进一步，所述控制力矩陀螺群的四个单框架转轴35中，其