WO2019228235A1 - 一种四螺旋桨水下航行器及其控制方法 - Google Patents

一种四螺旋桨水下航行器及其控制方法 Download PDF

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WO2019228235A1
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aircraft
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control
propellers
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张一军
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Zhang Yijun
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    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63C—LAUNCHING, HAULING-OUT, OR DRY-DOCKING OF VESSELS; LIFE-SAVING IN WATER; EQUIPMENT FOR DWELLING OR WORKING UNDER WATER; MEANS FOR SALVAGING OR SEARCHING FOR UNDERWATER OBJECTS
    • B63C11/00—Equipment for dwelling or working underwater; Means for searching for underwater objects
    • B63C11/52—Tools specially adapted for working underwater, not otherwise provided for
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/14—Control of attitude or depth
    • B63G8/16—Control of attitude or depth by direct use of propellers or jets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H5/00—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water
    • B63H5/07—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of ships and marine engineering equipment, and in particular, to a four-propeller underwater vehicle and a control method thereof.
  • This method has the disadvantages that it needs a floating body or ballast to assist in balancing itself and the weight of the load, the structure is complex, the navigation resistance is large, and the ability to resist water disturbance is poor. Therefore, breaking through the technical limitations of existing underwater vehicles and innovating and developing navigation control methods suitable for underwater vehicles are the keys to achieving breakthroughs in underwater navigation technology.
  • the present invention proposes a Propeller underwater vehicle and its control method.
  • the cabin of the aircraft adopts a hydrodynamic shape, and four electric propellers are fixedly installed in a “square” arrangement around the cabin.
  • the four propellers around the cabin can be used to generate upward or downward thrust, and the thrust and torque differences generated by the four propellers at different speeds and directions of rotation can be used to form a control torque.
  • the overall attitude control of the aircraft can be implemented to realize that the aircraft is in the water. Vertical lift and free navigation, and hovering at a fixed point at any position during the navigation process; and can effectively overcome the impact of changes in water flow and water density on the aircraft.
  • the aircraft does not need to use any other auxiliary navigation ballast, buoyancy, airfoil, rudder surface and power device, which greatly improves the payload level, speed and flexibility of the aircraft and reduces the volume, weight and navigation of the aircraft. Resistance, manufacturing and use costs.
  • the four-propeller underwater vehicle includes a front left propeller (1), a right front propeller (2), a right rear propeller (3), a left rear propeller (4), Left front bracket (5), right front bracket (6), right rear bracket (7), left rear bracket (8) and aircraft cabin (9), the left front propeller (1) is vertically fixed Installed on the outer end of the left front bracket (5), and the right front propeller (2) is fixedly mounted vertically The outer end of the right front bracket (6), the right rear propeller thruster (3) are vertically fixed on the outer end of the right rear bracket (7), and the left rear propeller (4) are fixed vertically on the left rear The outer end of the bracket (8); the left front side bracket (5) is fixedly installed on the left front side of the middle of the aircraft cabin (9), and the right front bracket (6) is fixedly installed on the right front side of the middle of the aircraft cabin (9), The right rear bracket (7) is fixedly installed on the right rear side of the middle of the aircraft cabin (9), and the left rear bracket (8) is fixedly installed on the
  • the four-propeller underwater vehicle is characterized in that: the left forward propeller (1), the right forward propeller (2), and the right rear propeller (3) ).
  • the left rear propeller (4) is an electric propeller underwater propeller.
  • the four-propeller underwater vehicle is characterized in that: the left front propeller (1), the right front propeller (2), and the right rear propeller (3 ),
  • the left rear propeller (4) can rotate in various directions in both forward and reverse directions at various speeds.
  • the four-propeller underwater vehicle is characterized in that: the left front side propeller (1), the right front side propeller (2), and the right rear side propeller (3) ), At the time when the left rear propeller thruster (4) generates downward thrust at the same time, the left front propeller thruster (1) and the right rear propeller thruster (3) rotate in the same direction as the right front propeller thruster (2) It is opposite to the direction of rotation of the left rear propeller (4); the same is true for the time when the upward thrust is generated at the same time.
  • the four-propeller underwater vehicle is characterized in that: the left forward propeller (1), the right forward propeller (2), and the right rear propeller (3 ), The left rear propeller (4) The total thrust is greater than the difference between the weight of the aircraft itself and the weight of the same volume of water.
  • the four-propeller underwater vehicle is characterized in that the cabin of the aircraft adopts a hydrodynamic shape.
  • the control method for a four-propeller underwater vehicle is characterized in that: the four-propeller underwater vehicle passes through a left front propeller (1), a right front propeller (2), and a right rear
  • the side propeller propeller (3) and the left rear propeller propeller (4) rotate together to generate upward or downward thrust of the same size, which controls the aircraft to float on the water surface, vertically ascend and descend in the water, hover and sit on the bottom; through the front left Side propeller (1), right front propeller (2), right rear propeller (3), left rear propeller (4) Rotate at different or the same speed and different or the same direction, respectively , Respectively, to generate uniform or inconsistent upward or downward thrust, to control the pitching, rolling, yaw and horizontal navigation of the aircraft on the water surface and in the water.
  • the method for controlling a four-propeller underwater vehicle is characterized in that: during sailing, the rotation direction of the left front propeller propeller (1) and the right rear propeller propeller (3) are the same as The right front propeller (2) and left rear propeller (4) rotate in opposite directions; adjust the speed of the left front propeller (1), right rear propeller (3) or the right front propeller ( 2). The speed of the left rear propeller thruster (4).
  • the yaw control torque is generated by the interaction of the reverse torque generated by the two, and the yaw control of the aircraft is performed; the left front propeller thruster (1) and the right front are adjusted respectively.
  • the speed of the side propeller (2), the right rear propeller (3), and the left rear propeller (4) generates the roll control torque and pitch control torque, and performs the roll control and pitch control of the aircraft.
  • the method for controlling a four-propeller underwater vehicle is characterized in that: during vertical navigation, the speed of the four propellers is synchronously increased or decreased to control the vertical movement of the aircraft and implement yaw control The roll control and pitch control make the attitude and horizontal direction of the aircraft stable.
  • the method for controlling a four-propeller underwater vehicle is characterized in that: when horizontally navigating, the vehicle is moved in a sailing direction by performing yaw control, roll control, and pitch control on the aircraft. Tilt so that the horizontal component of the propeller thrust controls the travel of the aircraft and maintains the upward or downward thrust of the 4 propellers to balance the weight of the aircraft and the vertical lifting force generated by horizontal navigation to keep the aircraft stable at the original depth .
  • the four-propeller underwater vehicle proposed by the present invention uses four propeller propellers installed in a "square" arrangement on the fluid power cabin. By adjusting the thrust of the four propellers, yaw, roll and pitch moments are generated for navigation.
  • the attitude control of the vehicle realizes the free navigation of the vehicle, and effectively solves the disadvantages of the existing underwater vehicle, such as complex structure, low hydrodynamic efficiency, inflexible navigation, poor stability, and susceptibility to the influence of the water environment.
  • the four-propeller underwater vehicle can achieve vertical lift, fixed-point hovering and arbitrary navigation in the water.
  • the four-propeller underwater vehicle can be used in a variety of civil and military fields such as underwater resource exploration, environmental protection, fisheries, aquaculture, tourism and tourism.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a four-propeller underwater vehicle according to the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic rear view of the layout of a four-propeller underwater vehicle according to the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic side view of a four-propeller underwater vehicle layout according to the present invention.
  • the four-propeller underwater vehicle in this embodiment includes a left-front propeller thruster
  • the left front propeller (1) is vertically fixedly installed at the outer end of the left front bracket (5), and the right front propeller
  • propeller thrusters are symmetrical around the center of gravity of the aircraft in the horizontal plane of the aircraft cabin, and the rotation planes of the four propellers are parallel to the horizontal plane of the aircraft cabin; when the thrust in the same direction is generated, the propeller (1) and the propeller (3) The direction of rotation is the same as the direction of rotation of propeller (2) and propeller (4).
  • the four propellers use electric-driven underwater thrusters, each of which can rotate clockwise or counterclockwise and can maintain various speeds; the total thrust of the four propellers is greater than that of navigation The difference between the weight of the device itself and the weight of the same volume of water.
  • the cabin of the aircraft in this embodiment adopts a hydrodynamic shape. In order to achieve the smallest resistance of the aircraft when sailing in various directions in the water, it is suitable to use a spherical cabin. [0024]
  • the control mode of the above-mentioned four-propeller underwater vehicle is:
  • the aircraft When the total thrust of the four propellers upwards or downwards is greater than the difference between the weight of the aircraft itself and the weight of the same volume of water, the aircraft is controlled to sail vertically up or down in the water; when the total thrust of the four propellers is aggregated upwards or downwards When the difference between the weight of the aircraft itself and the weight of the same volume of water is controlled, the aircraft is controlled to hover in the water.
  • the rotation speed of 4 and synchronous increase of the rotation speed of propellers 1 and 3 keep the total thrust of the four propellers constant and the change of the reverse torque to control the aircraft to yaw to the right.
  • the rotational speeds of the propellers 1 and 2 are simultaneously reduced and the rotational speeds of the propellers 3 and 4 are simultaneously increased to generate a pitch control torque to control the forward pitch of the aircraft; the rotational speeds of the propellers 3 and 4 are simultaneously decreased and the propellers are simultaneously increased.
  • the rotation speeds of 1 and 2 generate a pitch control torque to control the aircraft to pitch backwards; the total thrust of the four propellers during the movement is unchanged, which controls the aircraft to stabilize in the vertical direction.

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Abstract

一种四螺旋桨水下航行器及其控制方法，航行器的舱体（9）采用流体动力外形，并在舱体（9）四周以"正方形"布置的方式固定安装有四个电动螺旋桨推进器（1）、（2）、（3）、（4）。航行器利用舱体四周的四个螺旋桨产生向上或向下的推力，利用四个螺旋桨不同转速和旋转方向产生的推力差和扭力差形成控制力矩，进行航行器整体的姿态控制，实现航行器在水中的垂直升降和自由航行以及在航行过程中在任意位置的定点悬停。该航行器和控制方法能有效克服水流与水密度改变对航行器的影响。

Description

一种四螺旋桨水下航行器及其控制方法 技术领域
[0001] 本发明涉及船舶与海洋工程技术装备领域， 特别是涉及一种四螺旋桨水下航行器及 其控制方法。
背景技术
[0002] 随着人类渔业、 水产养殖的发展以及人类对于开发、 探索水下资源需求的增长， 水 下航行器具有巨大的应用前景。 现有的水下航行器有多种形式： 一是采用压水舱实现垂直升 降， 这种方式存在体积重量庞大， 载荷水平低， 航行不稳定且升降缓慢等问题： 二是采用翼 面、 舵面和航行器本身外形在水平航行时实现垂直升降， 这种方式存在结构复杂， 操纵控制 繁琐， 不能在水中悬停等缺陷： 三是采用垂直方向的推进器控制垂直升降， 采用水平方向的 的推进器控制水平航行， 这种方式存在需要浮体或压载辅助平衡自身及载荷重量， 外形结构 复杂， 航行阻力大， 抗水流扰动能力差等缺点。 因此， 突破现有水下航行器的技术限制， 创 新发展适合于水下航行器的航行控制方式是实现水下航行技术获得突破的关键。
发明内容
[0003] 为了克服现有水下航行器中普遍存在的外形结构复杂、 体积重量庞大、 航行缓慢、 灵活稳定性差、 水动效率低、 制造和使用成本高昂等问题， 本发明首次提出一种四螺旋桨水 下航行器及其控制方法。
[0004] 航行器的舱体采用流体动力外形， 并在舱体四周以 “正方形”布置的方式固定安装 有四个电动螺旋桨推进器。 可以利用舱体四周的四个螺旋桨产生向上或向下的推力， 利用四 个螺旋桨不同转速和旋转方向产生的推力差和扭力差形成控制力矩， 实行航行器整体的姿态 控制， 实现航行器在水中的垂直升降和自由航行以及在航行过程中在任意位置的定点悬停； 并能有效克服水流与水密度改变对航行器的影响。 该航行器无需使用任何其它辅助航行的压 载、 浮力、 翼面、 舵面和动力装置， 大幅提高航行器的有效载荷水平、 航行速度和灵活稳定 性并减小航行器的体积、 重量、 航行阻力、 制造和使用成本。
[0005] 本发明的技术方案为：
所述一种四螺旋桨水下航行器， 包括左前侧螺旋桨推进器 （1）、 右前侧螺旋桨推进器 （2）、 右后侧螺旋桨推进器 （3）、 左后侧螺旋桨推进器 （4）、 左前侧支架 （5）、 右前侧支架 （6）、 右后侧支架 （7）、 左后侧支架 （8） 和航行器舱体（9）， 所述左前侧螺旋桨推进器 （1） 垂直固定安装在左前侧支架 （5） 的外端， 右前侧螺旋桨推进器 （2） 垂直固定安装在 右前侧支架 （6） 的外端， 右后侧螺旋桨推进器 （3） 垂直固定安装在右后侧支架 （7） 的外 端， 左后侧螺旋桨推进器 （4） 垂直固定安装在左后侧支架 （8） 的外端； 所述左前侧支架 （5） 固定安装在航行器舱体（9）中部左前侧， 右前侧支架 （6） 固定安装在航行器舱体（9）中 部右前侧， 右后侧支架 （7） 固定安装在航行器舱体（9）中部右后侧， 左后侧支架 （8） 固定 安装在航行器舱体（9）中部左后侧； 左前侧螺旋桨推进器 （1）、 右前侧螺旋桨推进器 （2）、 右后侧螺旋桨推进器 （3）、 左后侧螺旋桨推进器 （4） 分别位于一个以航行器舱体（9）的重心 为中心的虚拟“正方形” 的 4个顶点位置。
[0006] 进一步的优选方案， 所述的四螺旋桨水下航行器， 其特征在于： 所述左前侧螺 旋桨推进器 （1）、 右前侧螺旋桨推进器 （2）、 右后侧螺旋桨推进器 （3）、 左后侧螺旋桨推进 器 （4） 为电力驱动水下螺旋桨推进器。
[0007] 进一步的优选方案， 所述的四螺旋桨水下航行器， 其特征在于： 所述左前侧螺 旋桨推进器 （1）、 右前侧螺旋桨推进器 （2）、 右后侧螺旋桨推进器 （3）、 左后侧螺旋桨推进 器 （4） 均可以向正反两个方向以各种速度旋转。
[0008] 进一步的优选方案， 所述的四螺旋桨水下航行器， 其特征在于： 所述左前侧螺旋 桨推进器 （1）、 右前侧螺旋桨推进器 （2）、 右后侧螺旋桨推进器 （3）、 左后侧螺旋桨推进器 （4） 在同时产生向下推力的时间， 左前侧螺旋桨推进器 （1） 与右后侧螺旋桨推进器 （3） 旋转方向相同与右前侧螺旋桨推进器 （2） 和左后侧螺旋桨推进器 （4） 旋转方向相反； 同样 的在同时产生向上推力的时间也是如此。
[0009] 进一步的优选方案， 所述的四螺旋桨水下航行器， 其特征在于： 所述左前侧螺 旋桨推进器 （1）、 右前侧螺旋桨推进器 （2）、 右后侧螺旋桨推进器 （3）、 左后侧螺旋桨推进 器 （4） 加总的推力大于航行器自身重量与相同体积水的重量的差额。
[0010] 进一步的优选方案， 所述的四螺旋桨水下航行器， 其特征在于： 所述航行器舱 体采用了流体动力外形。
[0011] 所述一种四螺旋桨水下航行器的控制方法， 其特征在于： 所述四螺旋桨水下航行 器通过左前侧螺旋桨推进器 （1）、 右前侧螺旋桨推进器 （2）、 右后侧螺旋桨推进器 （3）、 左 后侧螺旋桨推进器 （4） 共同旋转产生大小一致的向上或向下的推力， 控制航行器在水面漂 浮、 在水中垂直升降、 悬停和坐底； 通过左前侧螺旋桨推进器 （1）、 右前侧螺旋桨推进器 （2）、 右后侧螺旋桨推进器 （3）、 左后侧螺旋桨推进器 （4） 分别以不同或相同的速度和不 同或相同的方向旋转， 分别产生大小一致或不一致向上或向下的推力， 控制航行器在水面和 水中俯仰、 滚转、 偏航和水平航行。 [0012] 进一步的优选方案， 所述的四螺旋桨水下航行器的控制方法， 其特征在于： 航 行时， 左前侧螺旋桨推进器 （1） 与右后侧螺旋桨推进器 （3） 旋转方向相同与右前侧螺旋桨 推进器 （2） 和左后侧螺旋桨推进器 （4） 旋转方向相反； 同时调整左前侧螺旋桨推进器 （1）、 右后侧螺旋桨推进器 （3） 转速或右前侧螺旋桨推进器 （2）、 左后侧螺旋桨推进器 （4） 转速， 利用两者产生的反扭力矩相互作用产生偏航控制力矩， 进行航行器的偏航控 制； 分别调整左前侧螺旋桨推进器 （1）、 右前侧螺旋桨推进器 （2）、 右后侧螺旋桨推进器 （3）、 左后侧螺旋桨推进器 （4） 转速， 产生滚转控制力矩和俯仰控制力矩， 进行航行器的 滚转控制和俯仰控制。
[0013] 进一步的优选方案， 所述的四螺旋桨水下航行器的控制方法， 其特征在于： 垂 直航行时， 利用 4个螺旋桨转速同步增加或减小， 控制航行器垂直升降并实施偏航控制、 滚 转控制和俯仰控制使航行器姿态及水平方向稳定。
[0014] 进一步的优选方案， 所述的四螺旋桨水下航行器的控制方法， 其特征在于： 水 平航行时， 通过对航行器实施偏航控制、 滚转控制和俯仰控制使航行器向航行方向倾斜从而 使螺旋桨推力产生水平分量控制航行器行进并保持 4个螺旋桨向上或向下的推力与航行器自 身重量和水平航行产生的垂直方向的升降力实现平衡， 使航行器稳定保持在原来的深度。
[0015] 有益效果
本发明提出的四螺旋桨水下航行器采用在流体动力舱体上安装“正方形”布置方式的四 个螺旋桨推进器， 通过调节四个螺旋桨推力的大小， 产生偏航、 滚转、 俯仰力矩进行航行器 的姿态控制， 实现航行器的自由航行， 有效解决了现有水下航行器外形结构复杂、 水动效率 低、 航行不灵活、 稳定性差和易受所在水环境扰动影响等缺陷。 该四螺旋桨水下航行器可以 实现在水中的垂直升降、 定点悬停和任意航行。 该四螺旋桨水下航行器， 可以用于水下资源 勘探、 环境保护、 渔业、 水产养殖、 旅游观光等多种民用和军事领域。
[0016] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出， 部分将从下面的描述中 变得明显， 或通过本发明的实践了解到。
[0017] 附图说明
图 1是本发明一种四螺旋桨水下航行器布局俯视示意图；
图 2是本发明一种四螺旋桨水下航行器布局后视示意图；
图 3是本发明一种四螺旋桨水下航行器布局侧视示意图；
附图中各部件的标记如下： 1、 左前侧螺旋桨推进器； 2、 右前侧螺旋桨推进器； 3、 右 后侧螺旋桨推进器； 4、 左后侧螺旋桨推进器； 5、 左前侧支架； 6、 右前侧支架； 7、 右后侧 支架； 8、 左后侧支架； 9、 航行器舱体。
[0018] 具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例， 所述实施例的示例在附图中示出， 其中自始至终相同或 类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。 下面通过参考附图描述的 实施例是示例性的， 旨在用于解释本发明， 而不能理解为对本发明的限制。
[0019] 在本发明的描述中， 需要理解的是， 术语 “中心”、 “纵向”、 “横向”、 “长度”、 “宽度”、 “厚度”、 “上”、 “下”、 “前”、 “后”、 “正”、 “反”、 “左”、 “右”、 “垂直”、 “水平”、 “顶”、 “底”、 “中心”、 “内”、 “外”、 “顺时针”、 “逆时针” 等指示的方位或位置关系为基于 附图所示的方位或位置关系， 仅是为了便于描述本发明和简化描述， 而不是指示或暗示所指 的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本发明的 限制。
[0020] 如图 1-3 所示， 本实施例中的四螺旋桨水下航行器包括左前侧螺旋桨推进器
（1）、 右前侧螺旋桨推进器 （2）、 右后侧螺旋桨推进器 （3）、 左后侧螺旋桨推进器 （4）、 左 前侧支架 （5）、 右前侧支架 （6）、 右后侧支架 （7）、 左后侧支架 （8） 和航行器舱体（9）， 所 述左前侧螺旋桨推进器 （1） 垂直固定安装在左前侧支架 （5） 的外端， 右前侧螺旋桨推进器
（2） 垂直固定安装在右前侧支架 （6） 的外端， 右后侧螺旋桨推进器 （3） 垂直固定安装在 右后侧支架 （7） 的外端， 左后侧螺旋桨推进器 （4） 垂直固定安装在左后侧支架 （8） 的外 端； 所述左前侧支架 （5） 固定安装在航行器舱体（9）中部左前侧， 右前侧支架 （6） 固定安 装在航行器舱体（9）中部右前侧， 右后侧支架 （7） 固定安装在航行器舱体（9）中部右后侧， 左 后侧支架 （8） 固定安装在航行器舱体（9）中部左后侧； 左前侧螺旋桨推进器 （1）、 右前侧螺 旋桨推进器 （2）、 右后侧螺旋桨推进器 （3）、 左后侧螺旋桨推进器 （4） 分别位于一个以航 行器舱体（9）的重心为中心的虚拟 “正方形” 的 4个顶点位置。
[0021] 四个螺旋桨推进器在航行器舱体水平面内围绕航行器重心前后左右对称， 四个 螺旋桨的旋转平面与航行器舱体的水平面平行； 在产生相同方向推力时螺旋桨 （1） 和螺旋 桨 （3） 旋转方向相同， 与螺旋桨 （2） 和螺旋桨 （4） 旋转方向相反。
[0022] 四个螺旋桨推进器采用电力驱动的水下推进器， 每个螺旋桨推进器都可以向顺 时针或逆时针方向旋转并可以保持各种转速； 四个螺旋桨推进器加总的推力大于航行器自身 重量与相同体积水的重量的差额。
[0023] 本实施例中的航行器舱体采用流体动力外形， 为了实现航行器在水中各方向航 行时的阻力最小适于采用球形舱体。 [0024] 上述四螺旋桨水下航行器的控制方式为：
所述四螺旋桨水下航行器垂直航行时， 螺旋桨 1和 3旋转方向相同， 螺旋桨 2和 4旋转 方向相同， 螺旋桨 1和 3旋转方向与螺旋桨 2和 4旋转方向相反。 同时调整螺旋桨 1和 3转 速或螺旋桨 2和 4转速使两者的反扭力矩平衡并进行偏航控制； 分别调整四个螺旋桨的转速 形成俯仰力矩和滚转力矩， 进行航行器的姿态控制； 当四个螺旋桨向上或向下加总的推力大 于航行器自身重量与相同体积水的重量的差额时， 控制航行器在水中向上或向下垂直航行； 当四个螺旋桨向上或向下加总的推力等于航行器自身重量与相同体积水的重量的差额时， 控 制航行器在水中悬停。
[0025] 向前航行时， 同步减小螺旋桨 1、 2 的转速并同步增加螺旋桨 3、 4 的转速， 产 生俯仰控制力矩控制航行器向前方倾斜， 当航行器达到向前航行速度所需的俯仰角度后， 调 整四个螺旋桨到相同转速并分别调整四个螺旋桨的转速使偏航力矩、 俯仰力矩和滚转力矩平 衡， 控制航行器稳定在当前倾斜姿态和深度； 利用螺旋桨推力产生的向前水平分量控制航行 器向前航行。
[0026] 向后航行时， 同步减小螺旋桨 3、 4 的转速并同步增加螺旋桨 1、 2 的转速， 产 生俯仰控制力矩控制航行器向后方倾斜， 当航行器达到向后航行速度所需的俯仰角度后， 调 整四个螺旋桨到相同转速并分别调整四个螺旋桨的转速使偏航力矩、 俯仰力矩和滚转力矩平 衡， 控制航行器稳定在当前倾斜姿态和深度； 利用螺旋桨推力产生的向后水平分量控制航行 器向后航行。
[0027] 向左前方航行时， 减小螺旋桨 1 的转速并增加螺旋桨 3 的转速， 同时保持螺旋 桨 2、 4 的转速不变， 控制航行器向左前方倾斜， 当航行器达到向左前方航行速度所需的倾 斜角度后， 调整四个螺旋桨到相同转速并分别调整四个螺旋桨的转速使偏航力矩、 俯仰力矩 和滚转力矩平衡， 控制航行器稳定在当前倾斜姿态和深度； 利用螺旋桨推力产生的向左前方 水平分量控制航行器向左前方航行。
[0028] 向右后方航行时， 减小螺旋桨 3 的转速并增加螺旋桨 1 的转速， 同时保持螺旋 桨 2、 4 的转速不变， 控制航行器向右后方倾斜， 当航行器达到向右后方航行速度所需的倾 斜角度后， 调整四个螺旋桨到相同转速并分别调整四个螺旋桨的转速使偏航力矩、 俯仰力矩 和滚转力矩平衡， 控制航行器稳定在当前倾斜姿态和深度； 利用螺旋桨推力产生的向右后方 水平分量控制航行器向右后方航行。
[0029] 向左侧航行时， 同步减小螺旋桨 1、 4 的转速并同步增加螺旋桨 2、 3 的转速， 产生滚转控制力矩控制航行器向左侧倾斜， 当航行器达到向左侧航行速度所需的滚转角度 后， 调整四个螺旋桨到相同转速并分别调整四个螺旋桨的转速使偏航力矩、 俯仰力矩和滚转 力矩平衡， 控制航行器稳定在当前倾斜姿态和深度； 利用螺旋桨推力产生的向左侧水平分量 控制航行器向左侧航行。
[0030] 向右侧航行时， 同步减小螺旋桨 2、 3 的转速并同步增加螺旋桨 1、 4 的转速， 产生滚转控制力矩控制航行器向右侧倾斜， 当航行器达到向右侧航行速度所需的滚转角度 后， 调整四个螺旋桨到相同转速并分别调整四个螺旋桨的转速使偏航力矩、 俯仰力矩和滚转 力矩平衡， 控制航行器稳定在当前倾斜姿态和深度； 利用螺旋桨推力产生的向右侧水平分量 控制航行器向右侧航行。
[0031] 向右前方航行时， 减小螺旋桨 2 的转速并增加螺旋桨 4 的转速， 同时保持螺旋 桨 1、 3 的转速不变， 控制航行器向右前方倾斜， 当航行器达到向右前方航行速度所需的倾 斜角度后， 调整四个螺旋桨到相同转速并分别调整四个螺旋桨的转速使偏航力矩、 俯仰力矩 和滚转力矩平衡， 控制航行器稳定在当前倾斜姿态和深度； 利用螺旋桨推力产生的向右前方 水平分量控制航行器向右前方航行。
[0032] 向左后方航行时， 减小螺旋桨 4 的转速并增加螺旋桨 2 的转速， 同时保持螺旋 桨 1、 3 的转速不变， 控制航行器向左后方倾斜， 当航行器达到向左后方航行速度所需的倾 斜角度后， 调整四个螺旋桨到相同转速并分别调整四个螺旋桨的转速使偏航力矩、 俯仰力矩 和滚转力矩平衡， 控制航行器稳定在当前倾斜姿态和深度； 利用螺旋桨推力产生的向左后方 水平分量控制航行器向左后方航行。
[0033] 偏航运动时， 同步减小螺旋桨 1、 3 的转速并同步增加螺旋桨 2、 4 的转速使四 个螺旋桨的总推力不变而反扭力矩对比发生改变控制航行器向左偏航； 同步减小螺旋桨 2、
4 的转速并同步增加螺旋桨 1、 3 的转速使四个螺旋桨的总推力不变而反扭力矩对比发生改 变控制航行器向右偏航。
[0034] 俯仰运动时， 同步减小螺旋桨 1、 2 的转速并同步增加螺旋桨 3、 4 的转速， 产 生俯仰控制力矩控制航行器向前俯仰； 同步减小螺旋桨 3、 4的转速并同步增加螺旋桨 1、 2 的转速， 产生俯仰控制力矩控制航行器向后方俯仰； 运动时四个螺旋桨加总的推力不变， 控 制航行器垂直方向稳定。
[0035] 滚转运动时， 同步减小螺旋桨 1、 4 的转速并同步增加螺旋桨 2、 3 的转速， 产 生滚转控制力矩控制航行器向左侧滚转； 同步减小螺旋桨 2、 3 的转速并同步增加螺旋桨 1、 4 的转速， 产生滚转控制力矩控制航行器向右侧滚转； 运动时四个螺旋桨加总的推力不 变， 控制航行器垂直方向稳定。 [0036] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例， 可以理解的是， 上述实施例是示 例性的， 不能理解为对本发明的限制， 本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨 的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、 修改、 替换和变型。

Claims

权利要求书
[权利要求 1] 一种四螺旋桨水下航行器， 其特征在于： 包括左前侧螺旋桨推进器 （
1） 、 右前侧螺旋桨推进器 （2） 、 右后侧螺旋桨推进器 （3） 、 左后 侧螺旋桨推进器 （4） 、 左前侧支架 （5） 、 右前侧支架 （6） 、 右后 侧支架 （7） 、 左后侧支架 （8） 和航行器舱体（9）， 所述左前侧螺旋 桨推进器 （1） 垂直固定安装在左前侧支架 （5） 的外端， 右前侧螺旋 桨推进器 （2） 垂直固定安装在右前侧支架 （6） 的外端， 右后侧螺旋 桨推进器 （3） 垂直固定安装在右后侧支架 （7） 的外端， 左后侧螺旋 桨推进器 （4） 垂直固定安装在左后侧支架 （8） 的外端； 所述左前侧 支架 （5） 固定安装在航行器舱体（9）中部左前侧， 右前侧支架 （6） 固定安装在航行器舱体（9）中部右前侧， 右后侧支架 （7） 固定安装在 航行器舱体（9）中部右后侧， 左后侧支架 （8） 固定安装在航行器舱体（ 9）中部左后侧； 左前侧螺旋桨推进器 （1） 、 右前侧螺旋桨推进器 （2 ） 、 右后侧螺旋桨推进器 （3） 、 左后侧螺旋桨推进器 （4） 分别位于 一个以航行器舱体（9）的重心为中心的虚拟“正方形”的 4个顶点位置。
[权利要求 2] 根据权利要求 1所述的四螺旋桨水下航行器， 其特征在于： 所述左前 侧螺旋桨推进器 （1） 、 右前侧螺旋桨推进器 （2） 、 右后侧螺旋桨推 进器 （3） 、 左后侧螺旋桨推进器 （4） 为电力驱动水下螺旋桨推进器
[权利要求 3] 根据权利要求 1所述的四螺旋桨水下航行器， 其特征在于： 所述左前 侧螺旋桨推进器 （1） 、 右前侧螺旋桨推进器 （2） 、 右后侧螺旋桨推 进器 （3） 、 左后侧螺旋桨推进器 （4） 均可以向正反两个方向以各种 速度旋转。
[权利要求 4] 根据权利要求 1所述的四螺旋桨水下航行器， 其特征在于： 所述左前 侧螺旋桨推进器 （1） 、 右前侧螺旋桨推进器 （2） 、 右后侧螺旋桨推 进器 （3） 、 左后侧螺旋桨推进器 （4） 在同时产生向下推力的时间， 左前侧螺旋桨推进器 （1） 和右后侧螺旋桨推进器 （3） 旋转方向相同 与右前侧螺旋桨推进器 （2） 和左后侧螺旋桨推进器 （4） 旋转方向相 反； 同样的在同时产生向上推力的时间亦然。
[权利要求 5] 根据权利要求 1所述的四螺旋桨水下航行器， 其特征在于： 所述左前 侧螺旋桨推进器 （1） 、 右前侧螺旋桨推进器 （2） 、 右后侧螺旋桨推 进器 （3） 、 左后侧螺旋桨推进器 （4） 加总的推力大于航行器自身重 量与相同体积水的重量的差额。
[权利要求 6] 根据权利要求 1所述的四螺旋桨水下航行器， 其特征在于： 所述航行 器舱体采用了流体动力外形。
[权利要求 7] 一种权利要求 1-6任一一项所述的四螺旋桨水下航行器的控制方法， 其特征在于： 所述四螺旋桨水下航行器通过左前侧螺旋桨推进器 （1 ） 、 右前侧螺旋桨推进器 （2） 、 右后侧螺旋桨推进器 （3） 、 左后侧 螺旋桨推进器 （4） 共同旋转产生大小一致的向上或向下的推力， 控 制航行器在水面漂浮、 在水中垂直升降、 悬停和坐底； 通过左前侧螺 旋桨推进器 （1） 、 右前侧螺旋桨推进器 （2） 、 右后侧螺旋桨推进器
（3） 、 左后侧螺旋桨推进器 （4） 分别以不同或相同的速度和不同或 相同的方向旋转， 分别产生大小一致或不一致向上或向下的推力， 控 制航行器在水面和水中俯仰、 滚转、 偏航和水平航行。
[权利要求 8] 根据权利要求 7所述的四螺旋桨水下航行器的控制方法， 其特征在于
: 航行时， 左前侧螺旋桨推进器 （1） 与右后侧螺旋桨推进器 （3） 旋 转方向相同与右前侧螺旋桨推进器 （2） 和左后侧螺旋桨推进器 （4） 旋转方向相反； 同时调整左前侧螺旋桨推进器 （1） 、 右后侧螺旋桨 推进器 （3） 转速或右前侧螺旋桨推进器 （2） 、 左后侧螺旋桨推进器
（4） 转速， 利用两者产生的反扭力矩相互作用产生偏航控制力矩， 进行航行器的偏航控制； 分别调整左前侧螺旋桨推进器 （1） 、 右前 侧螺旋桨推进器 （2） 、 右后侧螺旋桨推进器 （3） 、 左后侧螺旋桨推 进器 （4） 转速， 产生滚转控制力矩和俯仰控制力矩， 实现航行器的 滚转控制和俯仰控制。
[权利要求 9] 根据权利要求 7、 8所述的四螺旋桨水下航行器的控制方法， 其特征在 于： 垂直航行时， 利用 4个螺旋桨转速同步增加或减小， 控制航行器 垂直升降并实施偏航控制、 滚转控制和俯仰控制使航行器姿态及水平 方向稳定。
[权利要求 10] 根据权利要求 7、 8所述的四螺旋桨水下航行器的控制方法， 其特征在 于： 水平航行时， 通过对航行器实施偏航控制、 滚转控制和俯仰控制 使航行器向航行方向倾斜从而使螺旋桨推力产生水平分量控制航行器 行进并保持 4个螺旋桨向上或向下的推力与航行器自身重量和水平航 行产生的垂直方向的升降力实现平衡， 使航行器稳定保持在原来的深 度。
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