本实用新型涉及船舶与海洋工程装备技术领域，尤其涉及一种螺旋桨结构无舵水下无人潜航器。
背景技术：
地球海洋面积为3.62亿平方千米，约为地球表面积的71％。这块人类尚未充分探索和开发的领域蕴藏着丰富的资源，这些资源有可能成为人类未来赖以生存和发展的物质基础，因此，海洋探索与开发成为了近年来全球性热门领域。随着水下机器人技术的日益进步，水下机器人逐渐成为海底资源勘探、水下环境监测、水下平台作业等水下作业任务的重要装备。水下无人潜航器作为一种重要的水下机器人，具备连续自主水下作业的能力，可以携带多种传感器，从而执行大面积海洋探测等包括军用和民用在内的作业任务。
现有的水下无人潜航器多为欠驱动系统，它们在解决转向控制问题中，大多采用安装尾部舵的机构设计，通过舵角控制转向；在解决升潜控制的问题中，大多采用改变压水舱容积的方式，通过调节浮力控制升潜；在解决横滚控制的问题中，大多在潜器内部安装丝杠，通过控制丝杠的位置来抑制横滚。这些控制方法都存在显著的缺点，首先欠驱动系统具有非常少的控制自由度，这必然会导致控制算法的复杂度上升。在欠驱动控制下，一旦部分驱动器出现故障，非常容易造成被控制对象失控，在系统冗余设计以及容错控制上也会增加很大的困难；其次，采用尾舵控制转向的机构设计会加重控制对象的非线性程度，在低速航行时，舵的转向作用也会被严重削减，从而给需要低速高精度作业场合的控制造成了很大困难；另外，采用调节压水舱控制浮力的控制方法响应速度慢，惯性大，难以实现快速精确的控制，从而使无人潜航器的作业精度受到很大的限制。
经检索发现，中国申请专利号为：cn201621436076.x，名称为：一种水下无人潜航器的无人潜航器，该专利设计了一种鱼雷型无人潜航器，但是仅可以解决自主航行问题，没有考虑潜器的快速精准控制的问题；中国申请号为：201410851191.2，名称为：一种稳定下潜装置及具有该装置的水下无人潜航器，该技术提供了一种通过沿潜航器轴线移动压载的方式，实现潜航器俯仰姿态的调整，但是仅可以解决预定航速下潜问题，没有考虑快速下潜以及快速停止的问题；中国申请号为：201710486102.2，名称为：一种四螺旋桨推进的无舵水下无人潜航器，该技术提供了一种不运用尾舵的设计方案，但是仅考虑外形美观与发射便利，对于横滚的抑制能力有待考究，对于深度的精确控制、欠驱动系统鲁棒性分析等问题均没有涉及。
综合上述分析可知，现有技术存在以下问题：传统鱼雷型无人自主潜航器采用尾舵设计，系统强耦合，难控制；深度控制采用调节压载或者改变压水舱容积，无法实现快速精准控制；横滚抑制多采用外部稳水翼板或内部滑轨丝杠，无法抵抗强干扰，横滚抑制鲁棒性差；控制自由度少，无法精准控制。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种螺旋桨结构无舵水下无人潜航器，能实现水下位置的精确控制，控制系统的低耦合性，迅速动态响应和更强的鲁棒性。
技术实现要素：
有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提出一种螺旋桨结构无舵水下无人潜航器，实现推进与升潜的控制解耦；提高系统动态响应性能和鲁棒性；增加控制自由度以克服系统的欠驱动，提高系统可控性，降低控制算法的难度。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种螺旋桨结构无舵水下无人潜航器，包括头部半球形罩、潜航器舱体、尾部后盖、驱动装置、感知与控制系统，所述头部半球形罩设置在所述潜航器舱体的头部端面，所述尾部后盖设置在所述潜航器舱体的尾部端面；所述感知与控制系统包括主控器、深度传感器，所述主控器设置在所述潜航器舱体内部，所述主控器集成有传感器模块，所述深度传感器通过水密螺丝密封安装在所述尾部后盖外侧，所述主控器与所述深度传感器电气连接；所述驱动装置包括八个独立的螺旋桨驱动单元，所述驱动装置中的4个所述螺旋桨驱动单元配置为第一组驱动单元，所述驱动装置中其余4个所述螺旋桨驱动单元配置为第二组驱动单元，所述第一组驱动单元水平且对称布置在所述潜航器舱体左右两侧，所述第一组驱动单元的所述螺旋桨驱动单元的中心轴线与所述潜航器舱体的水平面垂直，所述第二组驱动单元竖直布置在所述潜航器舱体尾部，所述第二组驱动单元的所述螺旋桨驱动单元的中心轴线与所述潜航器舱体的水平面平行。
进一步地，所述螺旋桨驱动单元包括电子调速器、防水线缆、电机模块、驱动安装座，所述电机模块包括水密电机、螺旋桨、导流罩、导流罩支架，所述水密电机的输出轴与所述螺旋桨的输入轴固定连接，所述导流罩设置在所述水密电机外侧，所述导流罩的中心轴线、所述水密电机的转动中心轴线和所述螺旋桨的转动中心轴线重合，导流罩支架固定连接所述水密电机与所述导流罩，所述驱动安装座的一端与所述导流罩外侧固定连接，所述驱动安装座的另一端与所述潜航器舱体固定连接；所述电子调速器安装在所述驱动安装座内，所述电子调速器和所述电机模块电气连接，所述电子调速器通过所述防水线缆与所述主控器的pwm(pulsewidthmodulation，脉冲宽度调制)输出端电气连接。
进一步地，感知与控制系统还包括从控制器、高清摄像头、摄像头云台、底部摄像头，所述从控制器安装在所述潜航器舱体内，所述摄像头云台安装在所述头部半球形罩内，所述高清摄像头固定安装在所述摄像头云台上，所述底部摄像头安装在所述潜航器舱体底部；所述从控制器与所述主控器电气连接，所述从控制器与所述高清摄像头电气连接，所述从控制器与所述底部摄像头电气连接，所述从控制器被配置为实时处理所述高清摄像头和所述底部摄像头拍摄的图像数据。
进一步地，所述传感器模块包括加速度计、陀螺仪、电子罗盘，所述主控器与所述深度传感器通过iic(inter-integratedcircuit，集成电路总线)接口相连。
进一步地，还包括锂电池，所述锂电池安装在所述潜航器舱体内，所述锂电池配置为给所述螺旋桨结构无舵水下无人潜航器提供电源。
进一步地，所述从控制器为树莓派，所述从控制器与所述主控器通过串口通信，所述从控制器通过usb接口与所述高清摄像头相连接，所述底部摄像头为树莓派专用摄像头，所述从控制器通过csi(cmossensorinterface，相机串行接口)接口与所述底部摄像头相连接。
进一步地，所述感知与控制系统还包括树莓派电池，所述从控制器固定安装在所述树莓派电池上方。
进一步地，还包括头部法兰、头部法兰密封件，尾部法兰、尾部法兰密封件，所述头部法兰的一侧与所述头部半球形罩通过螺栓或螺钉连接，所述头部法兰的另一侧与所述潜航器舱体的头部端面固定密封连接，所述头部法兰密封件设置在所述头部法兰与所述头部半球形罩之间；所述尾部法兰的一侧与所述尾部后盖通过螺栓或螺钉连接，所述尾部法兰的另一侧与所述潜航器舱体的尾部端面固定密封连接，所述尾部法兰密封件设置在所述尾部法兰与所述尾部后盖之间。
进一步地，所述尾部后盖包括水密充电接口、防水插，所述水密充电接口与所述锂电池电气连接，所述水密充电接口被配置为所述锂电池的充电接口。
进一步地，所述潜航器舱体还包括设备扩展插槽、水密接插件，所述设备扩展插槽被配置为安装传感设备。
与现有技术相比，本实用新型至少具有如下有益技术效果：
1、本实用新型提出的螺旋桨结构无舵水下无人潜航器实现了控制的解耦，大大简化控制算法复杂度；
2、本实用新型提出的螺旋桨结构无舵水下无人潜航器，通过水平电机控制升潜运动与横滚运动，通过竖直电机控制前后的推进以及俯仰运动；在每一个控制自由度上都存在动力控制，解决了欠驱动带来的控制难题，大大提升了控制的响应速度与控制的精确度；
3、本实用新型提出的螺旋桨结构无舵水下无人潜航器，可以在部分电机故障的情况下实现冗余与容错控制，大大提高系统的可靠性；
4、本实用新型提出的螺旋桨结构无舵水下无人潜航器，具有极强的转弯能力和定深作业能力，并且可以抵抗很强的外部扰动，具有很强的鲁棒性。s
以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本实用新型的一个较佳实施例的轴测图；
图2是本实用新型的一个较佳实施例的主视图；
图3是本实用新型的一个较佳实施例的左视图；
图4是本实用新型的一个较佳实施例的俯视图；
图5是本实用新型的一个较佳实施例的内部结构图。
其中，1-头部半球形罩，2-头部法兰密封件，3-第一组驱动单元固定支架，4-电机模块，5-潜航器舱体，6-第二组驱动单元固定支架，7-尾部法兰密封件，8-尾部后盖，9-深度传感器，4.1-螺旋桨，4.2-导流罩支架，4.3-导流罩，4.4-驱动安装座，4.5-水密电机，5.1-设备模块安装槽，5.2-锂电池，5.3-主控器，5.4-树莓派，5.5-树莓派电池，5.6-设备扩展插槽，5.7-水密接插件，5.8-高清摄像头，5.9-摄像头云台，5.10-底部摄像头，10.1-1号螺旋桨驱动单元，10.2-2号螺旋桨驱动单元，10.3-3号螺旋桨驱动单元，10.4-4号螺旋桨驱动单元，10.5-5号螺旋桨驱动单元，10.6-6号螺旋桨驱动单元，10.7-7号螺旋桨驱动单元，10.8-8号螺旋桨驱动单元。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本实用新型的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本实用新型可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本实用新型的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本实用新型并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
实施例1
如图2、图3和图5所示，本实施例提供了一种螺旋桨结构无舵水下无人潜航器，包括头部半球形罩1、潜航器舱体5、尾部后盖8、驱动装置、感知与控制系统、锂电池5.2、头部法兰、头部法兰密封件2，尾部法兰、尾部法兰密封件7，头部法兰的一侧与头部半球形罩1通过m10螺钉固定连接，头部法兰的另一侧与潜航器舱体5的头部端面通过焊接连接，头部法兰密封件2设置在头部法兰与头部半球形罩1之间，头部法兰密封件2防止水流从头部法兰与头部半球形罩1之间渗入潜航器舱体5；尾部法兰的一侧与尾部后盖8通过m10螺钉固定连接，尾部法兰的另一侧与潜航器舱体5的尾部端面通过焊接连接，尾部法兰密封件7设置在尾部法兰与尾部后盖8之间，尾部法兰密封件7防止水流从尾部法兰与尾部后盖8之间渗入潜航器舱体5。
锂电池5.2安装在潜航器舱体5内，锂电池5.2配置为给螺旋桨4.1结构无舵水下无人潜航器提供电源；尾部后盖8包括水密充电接口、防水插，水密充电接口与锂电池5.2电气连接，水密充电接口被配置为锂电池5.2的充电接口。
感知与控制系统包括主控器5.3、深度传感器9、从控制器、高清摄像头5.8、摄像头云台5.9、底部摄像头5.10、树莓派电池5.5，主控器5.3设置在潜航器舱体5内部，主控器5.3集成有传感器模块，传感器模块包括加速度计、陀螺仪、电子罗盘，深度传感器9通过水密螺丝密封安装在尾部后盖8外侧，主控器5.3与深度传感器9通过iic接口相连；从控制器为树莓派5.4，树莓派5.4和树莓派电池5.5安装在潜航器舱体5内，树莓派5.4固定安装在树莓派电池5.5上方；树莓派5.4与主控器5.3通过串口通信，摄像头云台5.9安装在头部半球形罩1内，高清摄像头5.8固定安装在摄像头云台5.9上，树莓派5.4通过usb接口与高清摄像头5.8相连接，底部摄像头5.10为树莓派5.4专用摄像头，底部摄像头5.10安装在潜航器舱体5底部，树莓派5.4通过csi接口与底部摄像头5.10相连接；树莓派5.4负责实时处理高清摄像头5.8和底部摄像头5.10拍摄的图像数据，并将处理结果传输给主控器5.3。
如图1所示，驱动装置包括八个独立的螺旋桨驱动单元，驱动装置中的4个螺旋桨驱动单元10.1、10.2、10.3、10.4配置为第一组驱动单元，驱动装置中其余4个螺旋桨驱动单元10.5、10.6、10.7、10.8配置为第二组驱动单元，第一组驱动单元水平且对称布置在潜航器舱体5左右两侧，第一组驱动单元的4个螺旋桨驱动单元10.1、10.2、10.3、10.4的中心轴线与潜航器舱体5的水平面垂直，1号螺旋桨驱动单元和3号螺旋桨驱动单元设置在潜航器舱体5的前部的左右两侧，2号螺旋桨驱动单元和4号螺旋桨驱动单元设置在潜航器舱体5的后部的左右两侧；第二组驱动单元竖直布置在潜航器舱体5尾部，第二组驱动单元的4个螺旋桨驱动单元10.5、10.6、10.7、10.8的中心轴线与潜航器舱体5的水平面平行，4个螺旋桨驱动单元10.5、10.6、10.7、10.8在潜航器舱体5尾部的竖直平面内均匀分布。4个螺旋桨驱动单元10.5、10.6、10.7、10.8与潜航器舱体5的水平面的夹角为45°。
如图4所示，螺旋桨驱动单元包括电子调速器、防水线缆、电机模块4、驱动安装座4.4，电机模块4包括水密电机4.5、螺旋桨4.1、导流罩4.3、导流罩支架4.2，水密电机4.5的输出轴与螺旋桨4.1的输入轴固定连接，导流罩4.3设置在水密电机4.5外侧，导流罩4.3的中心轴线、水密电机4.5的转动中心轴线和螺旋桨4.1的转动中心轴线重合，导流罩支架4.2固定连接水密电机4.5与导流罩4.3，驱动安装座4.4的一端与导流罩4.3外侧焊接连接，驱动安装座4.4的另一端与潜航器舱体5通过螺钉固定连接；电子调速器安装在驱动安装座4.4内，电子调速器和电机模块4电气连接，电子调速器通过防水线缆与主控器5.3的pwm输出端电气连接。
潜航器舱体5的外壁上固定设置有第一组驱动单元固定支架3、第二组驱动单元固定支架6，第一组驱动单元固定支架3共有2个，第一个第一组驱动单元固定支架3设置在潜航器舱体5的前部，与1号螺旋桨驱动单元和3号螺旋桨驱动单元的驱动安装座4.4通过螺钉固定连接；第二个第一组驱动单元固定支架3设置在潜航器舱体5的后部，与2号螺旋桨驱动单元和4号螺旋桨驱动单元的驱动安装座4.4通过螺钉固定连接；第二组驱动单元固定支架6设置在潜航器舱体5的后部，与5号螺旋桨驱动单元、6号螺旋桨驱动单元、7号螺旋桨驱动单元和8号螺旋桨驱动单元的驱动安装座4.4通过螺钉固定连接。
为了方便组装，潜航器舱体5内部设置有设备模块安装槽5.1，潜航器舱体5内部的各个设备模块化安装在设备模块安装槽5.1内。
潜航器舱体5还包括设备扩展插槽5.6、水密接插件5.7，设备扩展插槽5.6被配置为安装传感设备，根据水下无人潜航器的用途增加新的传感设备。
实施例2
在实施例1的基础上，增加了水声设备，水声设备的本体安装在设备扩展插槽5.6内，水声设备的本体与主控器5.3电气连接，水声设备的探测端通过水密接插件5.7由尾部后盖8伸出水下无人潜航器外。
以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
1.一种螺旋桨结构无舵水下无人潜航器，其特征在于，包括头部半球形罩、潜航器舱体、尾部后盖、驱动装置、感知与控制系统，所述头部半球形罩设置在所述潜航器舱体的头部端面，所述尾部后盖设置在所述潜航器舱体的尾部端面；所述感知与控制系统包括主控器、深度传感器，所述主控器设置在所述潜航器舱体内部，所述主控器集成有传感器模块，所述深度传感器通过水密螺丝密封安装在所述尾部后盖外侧，所述主控器与所述深度传感器电气连接；所述驱动装置包括八个独立的螺旋桨驱动单元，所述驱动装置中的4个所述螺旋桨驱动单元配置为第一组驱动单元，所述驱动装置中其余4个所述螺旋桨驱动单元配置为第二组驱动单元，所述第一组驱动单元水平且对称布置在所述潜航器舱体左右两侧，所述第一组驱动单元的所述螺旋桨驱动单元的中心轴线与所述潜航器舱体的水平面垂直，所述第二组驱动单元竖直布置在所述潜航器舱体尾部，所述第二组驱动单元的所述螺旋桨驱动单元的中心轴线与所述潜航器舱体的水平面平行。
2.如权利要求1所述的螺旋桨结构无舵水下无人潜航器，其特征在于，所述螺旋桨驱动单元包括电子调速器、防水线缆、电机模块、驱动安装座，所述电机模块包括水密电机、螺旋桨、导流罩、导流罩支架，所述水密电机的输出轴与所述螺旋桨的输入轴固定连接，所述导流罩设置在所述水密电机外侧，所述导流罩的中心轴线、所述水密电机的转动中心轴线和所述螺旋桨的转动中心轴线重合，导流罩支架固定连接所述水密电机与所述导流罩，所述驱动安装座的一端与所述导流罩外侧固定连接，所述驱动安装座的另一端与所述潜航器舱体固定连接；所述电子调速器安装在所述驱动安装座内，所述电子调速器和所述电机模块电气连接，所述电子调速器通过所述防水线缆与所述主控器的pwm输出端电气连接。
3.如权利要求2所述的螺旋桨结构无舵水下无人潜航器，其特征在于，感知与控制系统还包括从控制器、高清摄像头、摄像头云台、底部摄像头，所述从控制器安装在所述潜航器舱体内，所述摄像头云台安装在所述头部半球形罩内，所述高清摄像头固定安装在所述摄像头云台上，所述底部摄像头安装在所述潜航器舱体底部；所述从控制器与所述主控器电气连接，所述从控制器与所述高清摄像头电气连接，所述从控制器与所述底部摄像头电气连接，所述从控制器被配置为实时处理所述高清摄像头和所述底部摄像头拍摄的图像数据。
4.如权利要求3所述的螺旋桨结构无舵水下无人潜航器，其特征在于，所述传感器模块包括加速度计、陀螺仪、电子罗盘，所述主控器与所述深度传感器通过iic接口相连。
5.如权利要求4所述的螺旋桨结构无舵水下无人潜航器，其特征在于，还包括锂电池，所述锂电池安装在所述潜航器舱体内，所述锂电池配置为给所述螺旋桨结构无舵水下无人潜航器提供电源。
6.如权利要求5所述的螺旋桨结构无舵水下无人潜航器，其特征在于，所述从控制器为树莓派，所述从控制器与所述主控器通过串口通信，所述从控制器通过usb接口与所述高清摄像头相连接，所述底部摄像头为树莓派专用摄像头，所述从控制器通过csi接口与所述底部摄像头相连接。
7.如权利要求6所述的螺旋桨结构无舵水下无人潜航器，其特征在于，所述感知与控制系统还包括树莓派电池，所述从控制器固定安装在所述树莓派电池上方。
8.如权利要求7所述的螺旋桨结构无舵水下无人潜航器，其特征在于，还包括头部法兰、头部法兰密封件，尾部法兰、尾部法兰密封件，所述头部法兰的一侧与所述头部半球形罩通过螺栓或螺钉连接，所述头部法兰的另一侧与所述潜航器舱体的头部端面固定密封连接，所述头部法兰密封件设置在所述头部法兰与所述头部半球形罩之间；所述尾部法兰的一侧与所述尾部后盖通过螺栓或螺钉连接，所述尾部法兰的另一侧与所述潜航器舱体的尾部端面固定密封连接，所述尾部法兰密封件设置在所述尾部法兰与所述尾部后盖之间。
9.如权利要求8所述的螺旋桨结构无舵水下无人潜航器，其特征在于，所述尾部后盖包括水密充电接口、防水插，所述水密充电接口与所述锂电池电气连接，所述水密充电接口被配置为所述锂电池的充电接口。
10.如权利要求9所述的螺旋桨结构无舵水下无人潜航器，其特征在于，所述潜航器舱体还包括设备扩展插槽、水密接插件，所述设备扩展插槽被配置为安装传感设备。
技术总结