CN115793688A - 一种水陆两栖车姿态调节装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种水陆两栖车姿态调节装置及控制方法，属于两栖车辆技术领域。本发明采用对称加装在车辆首部的吊舱式推进器机构，为车辆姿态调节提供主要推进力，辅助以尾部矢量喷水推进器及可伸缩防浪板机构，并针对性地构建包括升沉及吃水深度、纵倾控制、侧倾控制的协同调节方法；基于车内传感器与陀螺仪所提供的车体实时姿态数据，通过PID控制器控制吊舱式推进器提供给车的推力和力的方向，三者协同作用在不影响车辆高速航行的前提下进行航行参数快速自适应主动调节，即实现对吊舱式推进器、矢量推进器和可伸缩防浪板的快速控制和协同调节，使两栖车在航行姿态不稳定时实现实时姿态调节，提升高航速两栖车复杂海况适应性和安全性。

Description

一种水陆两栖车姿态调节装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种水陆两栖车姿态调节装置及控制方法，涉及一种基于前端加装吊舱式推进器，尾部使用矢量喷水推进器的水陆两栖车姿态调节装置及控制方法，属于两栖车辆技术领域。

背景技术

目前许多国家都在积极研发制造水陆两用汽车，也简称为水陆两栖车，它结合了车与船的双重性能，是一种既可像汽车一样在陆上行驶，又可像船一样在水上航行的特种车辆。现有的水陆两栖车在水面高速航行时面临着波浪适应性差，姿态不稳定等问题，可能会出现吃水过深造成航行阻力过大，纵倾或侧倾过大导致车辆倾覆沉没等现象，这些都会影响车辆航行的高速性和安全性，并且车体姿态是根据水面航行条件被动调节的。现有水陆两栖车仅具备在水面环境下航行的能力，并不具有根据环境变化及姿态变化进行实时姿态调节的能力，这就限制了水陆两栖车的航行速度及应用场景。当水陆两栖车需要进行快速浮渡或在水面航行环境恶劣区域航行时，现有水陆两栖车就会由于不具备自主姿态调节能力而无法高速稳定的完成特定任务。

发明内容

为了提升高航速两栖车复杂海况适应性和高速航行安全性，解决现有水陆两栖车辆纵倾调节能力有限和不具备侧倾调节能力的问题，本发明的主要目的是提供一种水陆两栖车姿态调节装置及控制方法，调节装置主要基于两栖车辆前端吊舱式推进器、尾部矢量推进器和可伸缩防浪板实现，结合环境和姿态感知的闭环控制方法与基于航行姿态反馈的PID主动控制调节器，使两栖车在航行姿态不稳定时实现快速有效的姿态调节，提升高航速两栖车复杂海况适应性和高速航行安全性。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

本发明公开的水陆两栖车姿态调节装置，包括前置吊舱式推进器机构、可伸缩防浪板机构与尾部矢量推进器机构。还依托水陆两栖车内部装有的传感器和陀螺仪。结合环境和姿态感知的闭环控制方法与基于航行姿态反馈的PID主动控制调节器，使两栖车在航行姿态不稳定时实现快速有效的姿态调节，提升高航速两栖车复杂海况适应性和高速航行安全性。

传感器和陀螺仪用于实时监测两栖车的航行参数，若参数超过安全阈值，不满足安全航行要求，则通过上述水陆两栖车姿态调节装置协同作用使两栖车在当前运动状态下根据实时的环境变化和姿态变化来实现两栖车辆的航行姿态调节，实现高速安全航行。所述传感器监测量包括航行速度、外流场波高、车辆纵倾角及侧倾角、车辆吃水深度。所述姿态调节包括车辆纵倾角调节、侧倾角调节和吃水深度调节。

根据姿态调节所需推力大小和两栖车辆水动力外形，并且为了保证车辆受力的均衡性，所述吊舱式推进器机构为两组对称设置在两栖车辆首部。所述吊舱式推进器机构每组包括内置驱动电机模块、螺旋桨模块、水平转动模块。所述两组吊舱式推进器机构左右对称分布，水平转动机构固连于车身首部，螺旋桨模块与水平转动机构通过转轴链接形成转动副，螺旋桨模块与水平转动机构建立轴连接关系，用于实现360°旋转，利用水流冲击的反作用力对车身施加推力。左右两侧吊舱式推进器协同作用实现不同推力和角度的推进效果，不同推力推进用于实现车辆同时出现纵倾和侧倾时的调节，不同角度用于实现车辆侧倾过大时的调节，根据实时车体姿态进行角度和转速的调节，改变对车体施加推力的方向和大小。所述前置吊舱推进器用于有效解决车体纵倾和侧倾问题。所述吊舱式推进器机构用于姿态调节时在车辆前部提供姿态调节所需的推力，使得尾部推进器稳定的提供前进动力，在不影响高速航行的前提下实现姿态的快速调节。

所述矢量喷水推进器设置在车体尾部，包括推进器电机、倒车水斗、喷水推进器。喷水推进器设置在车尾底部，开设有矢量喷口、进水口。喷水推进器与推进器电机同轴相连；矢量喷口与倒车水斗通过转轴连接形成一个转动副；矢量喷口通过电机控制，实现推进方向的改变。以上所述机构均包括两组，为了保证动力的均衡性，所述矢量喷水推进器左右对称分布。矢量喷水推进器主要用于提供两栖车辆的前进动力，与此同时，在车辆姿态调节时在尾部提供调节力。

本发明公开的水陆两栖车姿态调节装置的协同调节方法为：可伸缩防浪板机构用于调节车辆吃水，防浪板下放程度越大，其为车辆提供的动升力越大，能够在车辆吃水过深时通过加大防浪板下放程度实现车体的抬升；前置吊舱式推进器为姿态调节提供主要推力，利用两侧吊舱式推进器具有不同推力大小和方向的特点，实现车辆纵倾、侧倾及吃水的调节；尾部矢量推进器在提供车辆的前进动力的同时，通过矢量喷口调节推进方向，配合前置吊舱式推进器实现车辆纵倾、侧倾及吃水的调节。三者协同工作，实现高速航行情况下车辆航行姿态的快速调节，具体调节方法为：

1、升沉及吃水深度控制：两栖车在航行时若吃水过深，航行阻力增大，对周围流场产生扰动，产生大量波浪，波浪对车体姿态影响大，所以在车辆吃水较深时，防浪板进一步放下，增大车辆动升力，尾部矢量推进器矢量喷口向下旋转，增大推力，在不影响前进所需推力的前提下提供向上的分力，同时，前端吊舱式推进器向下喷水，给车体提供向上的力，四个推进器共同作用实现车体的抬升，减少车辆的吃水深度。

2、纵倾控制：两栖车在航行时会出现纵倾现象，少量艉倾会使车辆的推进器浸深变大，对提高推进能力有益。但艉倾过大可能会出现车辆倾覆现象，艏倾过大可能会出现车辆沉没现象，严重威胁车辆航行的安全性，所以在车辆纵倾过大时，需要减小纵倾以保证其安全。若车辆出现艏倾超过临界值，车辆前端吊舱式推进器向下喷水，对车辆施加向上的力，使车辆“抬头”，减小艏倾角。反之，若艉倾艏倾超过临界值，车辆前端吊舱式推进器向上喷水，对车辆施加向下的力，使车辆“扎头”，减小艉倾角。

3、侧倾控制：两栖车由于受到波浪调经影响而出现侧倾现象，侧倾现象对车辆航行及操纵会产生不利影响，要尽可能避免。若车辆航行时出现“左高右低”(相对于航行方向)现象，则车辆左侧吊舱推进器向上喷水，右侧推进器向下喷水，共同调节使车辆保持水平姿态。反之，车辆航行时出现“左低右高”(相对于航行方向)现象，则车辆左侧吊舱推进器向下喷水，右侧推进器向上喷水。

本发明还公开一种水陆两栖车姿态调节控制方法，用于控制水陆两栖车姿态调节装置，所述一种水陆两栖车姿态调节控制方法，包括如下步骤：

S1、两栖车内装有水深传感器用于获得车辆实时吃水深度数据，波高传感器用于获得车辆周围实时波浪高度，速度传感器用于实时监测车辆的航速，陀螺仪用于获得车辆的实时航行参数包括纵倾角、侧倾角，根据传感器及陀螺仪数据，判断两栖车航行时姿态是否满足安全航行要求，是否存在行驶姿态异常，所述行驶姿态异常包括纵倾、侧倾过大、吃水过深。传感器用于将两栖车实时速度以及航行姿态情况传输给***，基于航行姿态反馈的PID主动控制调节器对姿态进行快速估计，结合两栖车控制方程对推进器进行控制。

S2、若水陆两栖车姿态保持良好，姿态监控数据未超过临界值，则车辆尾部矢量推进器正常运转，为车辆航行提供推力，车辆前部吊舱式推进器处于停止运转状态。姿态监控数据包括纵倾角、侧倾角。

S3、若两栖车航行姿态需要调节，则尾部矢量推进器和前置吊舱式同时处于工作状态，尾部矢量推进器为车辆前进提供推力的同时根据需要改变喷水方向调节车辆纵倾和吃水深度，前置吊舱式推进器利用其可360°旋转的特性，对车体姿态进行针对性的调节。

S4、根据上述步骤判断车辆姿态，并根据所述水陆两栖车姿态调节装置协同调节方法，结合航行姿态反馈的PID主动控制调节器，实现两栖车辆航行姿态的实时调节及控制。

进一步地，S4中两栖车控制方程为：

上式中，m为两栖车质量，I_xx，I_yy，I_zz分别为绕x,y,z轴的惯性矩，下标H，P分别表示车体力、推进器推力。X,Y,Z,K,M和N分别为纵荡、横荡、垂荡力和横摇、纵摇、首摇力矩。u,v和w为线速度，

和

为线加速度，p,q和r为欧拉角，

和

为欧拉角加速度。式中坐标系为车辆运动坐标系，X轴正向为车辆前进方向。

进一步地，根据车体姿态及传感器数据，得到姿态调节过程中车体所需推进器推力，根据方程得到推进器转速，使推进器以目标转速运转，具体地，推进器推力及力矩为：

X_P＝P·cosθ

Z_P＝P·sinθ

上式中，n为转速，D_P为推进器直径，ρ为液体密度，B_P为两推进器间距。θ为推进器推进角度与水平面夹角。

有益效果

1、本发明公开的一种水陆两栖车姿态调节装置，采用吊舱式推进器机构，对称加装在车辆首部，为车辆姿态调节提供主要的推进力，辅助以尾部矢量喷水推进器及可伸缩防浪板机构，三者协同作用实现在不影响车辆高速航行的前提下进行吃水、纵倾和侧倾等航行参数的实时快速调节。

2、本发明公开的一种水陆两栖车姿态控制方法，基于车内传感器与陀螺仪所提供的车体实时姿态数据，通过PID控制器，控制吊舱式推进器提供给车的推力和力的方向，实现对吊舱式推进器、矢量推进器和可伸缩防浪板的快速控制和协同调节，实现两栖车辆在水中航行时的实时姿态调节。

3、本发明的一种水陆两栖车姿态调节装置及控制方法，通过选取水陆两栖车姿态调节装置在水陆两栖车上的布局，并结合水陆两栖车姿态调节所需推力大小、两栖车辆水动力外形、行驶工况，构建协同调节方法，所述协同调节方法能够自适应主动调节升沉及吃水深度、纵倾控制、侧倾控制，有针对性地提高水陆两栖车的姿态自适应主动调节能力，提高水陆两栖车在水中高速航行时的稳定性，节省动力能源。

附图说明

图1为两栖车姿态控制外部结构示意图:图a为车辆主体视图，图b为后视图，图c为俯视图；

图2为两栖车控制方程坐标系示意图；

图3为两栖车姿态控制流程示意图；

其中：1—前支撑杆、2—推杆支架、3—上电动推杆、4—下电动推杆、5—车体、 6—尾翼板、7—车轮、8—吊舱式推进器、9—防浪板下段、10—防浪板上段、11—喷水推进器、12—进水口、13—倒车水斗、14—矢量喷口、15—水平转动模块、16—螺旋桨模块。

具体实施方式

本发明提出的水陆两栖车姿态调节装置包括前置吊舱式推进器机构、尾部矢量推进***及可伸缩防浪板机构，二者由电机控制，根据车内传感器及陀螺仪的实时数据，协同工作，实现两栖车实时姿态的调节。

所述吊舱式推进器机构设置在两栖车辆首部，包括两组，左右对称分布，螺旋桨模块16 与水平转动模块15通过转轴链接形成转动副，螺旋桨模块16与水平转动机构15建立轴连接关系，用于实现360°旋转。左右两侧吊舱式推进器8可实现不同转速和角度的推进效果，可根据实时车体姿态进行角度和转速的调节，改变对车体施加的推力的方向和大小。所述矢量喷水推进***11设置在车体尾部下方，喷水推进器与推进器电机同轴相连；矢量喷口14 与倒车水斗13通过转轴连接形成一个转动副。以上所述机构均包括两组，左右对称分布。矢量喷水推进***可根据车体姿态调节喷水方向，在保证前进动力的基础上实现车体抬升等功能。

两栖车姿态控制方法包括如下步骤：

S1、两栖车内装有水深传感器可获得车辆实时吃水深度数据，波高传感器可获得车辆周围实时波浪高度，速度传感器可实时监测车辆的航速，陀螺仪可获得车辆的实时航行参数如纵倾、侧倾等，根据传感器及陀螺仪数据，判断两栖车航行时姿态是否满足安全航行要求，是否存在纵倾、侧倾过大，吃水过深等问题。其中，传感器可将两栖车实时速度以及航行姿态情况传输给控制***，基于航行姿态反馈的PID主动控制调节器对姿态进行快速估计，结合两栖车控制方程对推进器的工作状态进行控制。

S2、若水陆两栖车姿态保持良好，则车辆尾部矢量推进器正常运转，为车辆航行提供推力，车辆前部吊舱式推进器处于停止运转状态。

S3、若两栖车航行姿态需要调节，则尾部矢量推进器和前置吊舱式同时处于工作状态，尾部矢量推进器为车辆前进提供推力的同时根据需要改变喷水方向调节车辆纵倾和吃水深度，前置吊舱式推进器利用其可360°旋转的特性，对车体姿态进行针对性的调节。

S4、根据传感器及陀螺仪数据，根据控制方程求解姿态控制中所需推进器推力大小：

式中，m为两栖车质量，I_xx，I_yy，I_zz分别为绕x,y,z轴的惯性矩，下标H，P分别表示车体力、推进器力。X,Y,Z,K,M和N分别为纵荡、横荡、垂荡力和横摇、纵摇、首摇力矩。 u,v和w为线速度，

和

为线加速度，p,q和r为欧拉角，

和

为欧拉角加速度。式中坐标系参考说明书附图2。

S5、根据推进器推力公式，得到推进器所需转速及角度：

X_P＝P·cosθ

Z_P＝P·sinθ

上式中，n为转速，D_P为推进器直径，ρ为液体密度，B_P为两推进器间距。θ为推进器推进角度与水平面夹角。

S6、根据传感器及陀螺仪的实时数据，判断车辆航行姿态是否处于安全范围，各个参数是否超过临界值，如超过，则根据S4和S5中的控制方程以及调节规律进行两栖车航行姿态调节。

S61、升沉及吃水深度调节：车辆吃水较深时，防浪板9、10在电动推杆3、4的控制下进一步放下，增加车辆航行所受的的动升力，尾部矢量推进器矢量喷口14适当向下旋转，增大推力，在不影响前进所需推力的前提下提供向上的分力，同时，前端吊舱式推进器8向下喷水，给车体提供向上的力，四个推进器及防浪板共同作用实现车体的抬升，减少车辆的吃水深度。

S62、纵倾调节：车辆纵倾超过临界值时，需要减小纵倾以保证其安全。若车辆出现艏倾超过临界值，车辆前端吊舱式推进器8向下喷水，尾部推进器矢量喷口14少量向上，二者共同作用对车辆施加Y轴正向的转矩，使车辆“抬头”，减小艏倾角。反之，若艉倾艏倾超过临界值，车辆前端吊舱式推进器8向上喷水，尾部推进器矢量喷口14少量向下，二者共同作用对车辆施加Y轴负向的转矩，使车辆“扎头”，减小艉倾角。

S63、侧倾调节：若车辆航行时出现“左高右低”(相对于航行方向)现象，则车辆左侧吊舱推进器8向上喷水，右侧吊舱推进器推进器8向下喷水，对车辆施加X轴负向的转矩，使车辆保持水平姿态。反之，车辆航行时出现“左低右高”(相对于航行方向)现象，则车辆左侧吊舱推进器向下喷水，右侧推进器向上喷水，对车辆施加X轴正向的转矩，使车辆保持水平姿态。

S7、根据两栖车实时姿态情况，结合环境和姿态感知的控制方法及两栖车控制方程，实现两栖车辆航行姿态的实时调节及控制，保证两栖车航行时的姿态稳定性和安全性。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，本发明不限于具体实施方式的范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.水陆两栖车姿态调节装置，其特征在于：包括前置吊舱式推进器机构、可伸缩防浪板机构与尾部矢量推进器机构；还依托水陆两栖车内部装有的传感器和陀螺仪；

传感器和陀螺仪用于实时监测两栖车的航行参数，若参数超过安全阈值，不满足安全航行要求，则通过上述水陆两栖车姿态调节装置协同作用使两栖车在当前运动状态下根据实时的环境变化和姿态变化来实现两栖车辆的航行姿态调节，实现高速安全航行；所述传感器监测量包括航行速度、外流场波高、车辆纵倾角及侧倾角、车辆吃水深度；所述姿态调节包括车辆纵倾角调节、侧倾角调节和吃水深度调节；

根据姿态调节所需推力大小和两栖车辆水动力外形，并且为了保证车辆受力的均衡性，所述吊舱式推进器机构为两组对称设置在两栖车辆首部；所述吊舱式推进器机构每组包括内置驱动电机模块、螺旋桨模块、水平转动模块；所述两组吊舱式推进器机构左右对称分布，水平转动机构固连于车身首部，螺旋桨模块与水平转动机构通过转轴链接形成转动副，螺旋桨模块与水平转动机构建立轴连接关系，用于实现360°旋转，利用水流冲击的反作用力对车身施加推力；左右两侧吊舱式推进器协同作用实现不同推力和角度的推进效果，不同推力推进用于实现车辆同时出现纵倾和侧倾时的调节，不同角度用于实现车辆侧倾过大时的调节，根据实时车体姿态进行角度和转速的调节，改变对车体施加推力的方向和大小；所述前置吊舱推进器用于有效解决车体纵倾和侧倾问题；所述吊舱式推进器机构用于姿态调节时在车辆前部提供姿态调节所需的推力，使得尾部推进器稳定的提供前进动力，在不影响高速航行的前提下实现姿态的快速调节。

2.如权利要求1所述的水陆两栖车姿态调节装置，其特征在于：所述矢量喷水推进器设置在车体尾部，包括推进器电机、倒车水斗、喷水推进器；喷水推进器设置在车尾底部，开设有矢量喷口、进水口；喷水推进器与推进器电机同轴相连；矢量喷口与倒车水斗通过转轴连接形成一个转动副；矢量喷口通过电机控制，实现推进方向的改变；以上所述机构均包括两组，为了保证动力的均衡性，所述矢量喷水推进器左右对称分布；矢量喷水推进器主要用于提供两栖车辆的前进动力，与此同时，在车辆姿态调节时在尾部提供调节力。

3.水陆两栖车姿态调节装置协同调节方法，基于如权利要求1或2所述的水陆两栖车姿态调节装置实现，其特征在于：可伸缩防浪板机构用于调节车辆吃水，防浪板下放程度越大，其为车辆提供的动升力越大，能够在车辆吃水过深时通过加大防浪板下放程度实现车体的抬升；前置吊舱式推进器为姿态调节提供主要推力，利用两侧吊舱式推进器具有不同推力大小和方向的特点，实现车辆纵倾、侧倾及吃水的调节；尾部矢量推进器在提供车辆的前进动力的同时，通过矢量喷口调节推进方向，配合前置吊舱式推进器实现车辆纵倾、侧倾及吃水的调节；三者协同工作，实现高速航行情况下车辆航行姿态的快速调节，具体调节方法为：

升沉及吃水深度控制：两栖车在航行时若吃水过深，航行阻力增大，对周围流场产生扰动，产生大量波浪，波浪对车体姿态影响大，所以在车辆吃水较深时，防浪板进一步放下，增大车辆动升力，尾部矢量推进器矢量喷口向下旋转，增大推力，在不影响前进所需推力的前提下提供向上的分力，同时，前端吊舱式推进器向下喷水，给车体提供向上的力，四个推进器共同作用实现车体的抬升，减少车辆的吃水深度；

纵倾控制：两栖车在航行时会出现纵倾现象，少量艉倾会使车辆的推进器浸深变大，对提高推进能力有益；但艉倾过大可能会出现车辆倾覆现象，艏倾过大可能会出现车辆沉没现象，严重威胁车辆航行的安全性，所以在车辆纵倾过大时，需要减小纵倾以保证其安全；若车辆出现艏倾超过临界值，车辆前端吊舱式推进器向下喷水，对车辆施加向上的力，使车辆“抬头”，减小艏倾角；反之，若艉倾艏倾超过临界值，车辆前端吊舱式推进器向上喷水，对车辆施加向下的力，使车辆“扎头”，减小艉倾角；

侧倾控制：两栖车由于受到波浪调经影响而出现侧倾现象，侧倾现象对车辆航行及操纵会产生不利影响，要尽可能避免；若车辆航行时出现“左高右低”现象，则车辆左侧吊舱推进器向上喷水，右侧推进器向下喷水，共同调节使车辆保持水平姿态；反之，车辆航行时出现“左低右高”现象，则车辆左侧吊舱推进器向下喷水，右侧推进器向上喷水。

4.一种水陆两栖车姿态调节控制方法，用于控制如权利要求1或2所述的水陆两栖车姿态调节装置，其特征在于：包括如下步骤：

S1、两栖车内装有水深传感器用于获得车辆实时吃水深度数据，波高传感器用于获得车辆周围实时波浪高度，速度传感器用于实时监测车辆的航速，陀螺仪用于获得车辆的实时航行参数包括纵倾角、侧倾角，根据传感器及陀螺仪数据，判断两栖车航行时姿态是否满足安全航行要求，是否存在行驶姿态异常，所述行驶姿态异常包括纵倾、侧倾过大、吃水过深；传感器用于将两栖车实时速度以及航行姿态情况传输给***，基于航行姿态反馈的PID主动控制调节器对姿态进行快速估计，结合两栖车控制方程对推进器进行控制；

S2、若水陆两栖车姿态保持良好，姿态监控数据未超过临界值，则车辆尾部矢量推进器正常运转，为车辆航行提供推力，车辆前部吊舱式推进器处于停止运转状态；姿态监控数据包括纵倾角、侧倾角；

S3、若两栖车航行姿态需要调节，则尾部矢量推进器和前置吊舱式同时处于工作状态，尾部矢量推进器为车辆前进提供推力的同时根据需要改变喷水方向调节车辆纵倾和吃水深度，前置吊舱式推进器利用其可360°旋转的特性，对车体姿态进行针对性的调节；

S4、根据上述步骤判断车辆姿态，并根据权利要求3所述水陆两栖车姿态调节装置协同调节方法，结合航行姿态反馈的PID主动控制调节器，实现两栖车辆航行姿态的实时调节及控制。

5.如权利要求4所述的一种水陆两栖车姿态调节控制方法，其特征在于：

S4中两栖车控制方程为：

上式中，m为两栖车质量，I_xx，I_yy，I_zz分别为绕x,y,z轴的惯性矩，下标H，P分别表示车体力、推进器推力；X,Y,Z,K,M和N分别为纵荡、横荡、垂荡力和横摇、纵摇、首摇力矩；u,v和w为线速度，

和

为线加速度，p,q和r为欧拉角，

和

为欧拉角加速度；式中坐标系为车辆运动坐标系，X轴正向为车辆前进方向。

6.如权利要求5所述的一种水陆两栖车姿态调节控制方法，其特征在于：根据车体姿态及传感器数据，得到姿态调节过程中车体所需推进器推力，根据方程得到推进器转速，使推进器以目标转速运转，具体地，推进器推力及力矩为：

X_P＝P·cosθ

Z_P＝P·sinθ

上式中，n为转速，D_P为推进器直径，ρ为液体密度，B_P为两推进器间距；θ为推进器推进角度与水平面夹角。

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