水下机器人推进器的布置和参考系及运动表示


#1

推进器布置主要探讨两个问题,推进器的数量和推进器的位置。
两者决定了ROV的可能运动和运动性能。
以下分享一些自己的思考和经验,希望指正错误。


原则上, ROV至少需要三个自由度—进退/转向/潜浮。完成进退和转向至少需要两个,潜浮至少一个,所以我们第一款开源机型使用了三个电机的配置,是与trident相同的动力配置。有些ROV具有侧移方向共四个自由度。
典型的布置如:

单推力布置
双推力布置
双推力交叉布置
四推力换布
圆锥形布置

图例:


三个推进器,进退和转向两个,潜浮一个。

四个推进器,在三个推进器的基础上增加了横滚。

四个推进器的另一种布置,实现了侧移,在执行级别的ROV上显得更加重要。

双推力的交叉布置,避免一些干扰视线的阻碍水流。
如何确定需要的数量和摆放位置
推进器的布置之前,需要对ROV的结构,外形,尺寸有初步的把握。
其次对ROV设定运动要求。
接下来考虑一些布置原则和可能遇到的问题:

  • 推进器的数量根据预算和选型达到最终整体的重量预期范围内。

  • 推进器动力方向的轴线尽量平行于运动坐标系以实现最大推进效率。
    (封闭式的外形结构可能阻挡入流,可以倾斜5到10度让水流顺利通过)

  • 推进器推力方向上避免水流的阻挡。

  • 推进器桨叶转动会带来反作用力矩导致机身滚动,对中小型机器的影响很明显。
    (垂直的力矩导致平面转动,水平的力矩导致纵向倾斜。
    在双推力布置情况下,可以通过正反桨叶抵消反作用力矩。)

  • XYZ三轴的合力交汇于一点,此点接近于机体重心,以防转矩引起附加运动,可以通过配重或浮力块调节。

  • 桨叶的正转反转推力不同,常用方向的推力使用正向提高效率,反向不用于前进。

  • 推力越大的电机能耗越高,若携带电池运行时间更短。

  • 推进器靠近底部可以增加稳定性,但是容易扬起水底沙尘。

  • 推进器的位置离重心越远,旋转的会越快。

  • 推进器应远离陀螺仪,电机磁片会干扰磁场。


rovmaker的三个推进器版本的开源机型所定义的坐标系和运动分析:
如下简图,定义了两个坐标系用于描述运动状态。

  1. 惯性坐标系(也可以称为地球坐标系)

  2. 固定坐标系(与机身质心重合,方向与运动的三轴重合)

本配置的可能运动(未绘制潜浮运动):


描述了拖拽的转向运动。

描述了定点转向运动。

描述了进退运动。


描述在惯性坐标系中的位置:


描述惯性坐标系与固定坐标系的关系:

描述惯性坐标系的惯性和姿态:


描述于固定坐标系中的平移速度:


描述于固定坐标系中的旋转速度:

描述于固定坐标系中的平移和旋转速度:


描述于固定坐标系中的推力:


描述于固定坐标系中的扭矩:

描述于固定坐标系中的推力与扭矩:


平移速度两坐标系间的转换:

式中J1:


旋转速度两坐标系间的转换:

式中J2:

类似的,正在开发的六个推进器版本rov通用。

补充其他几种机型:

以下部分图片来自书:“Underwater Robotics – Science Design and Fabrication”


RovMaker Sail 水下机器人进度更新
#2

小康能大致解释下这两个坐标系之间的关系嘛,有没相关坐标系的资料分享下~谢谢哈:slight_smile:


#3

好的,我最近上传到群文件


#4

你好,有这本书的电子版没,想学习一下。《Underwater Robotics – Science Design and Fabrication》


#5

这本书没有电子版吧,有也不太好分享的。主要是我也没有。纸质的挺贵的。


#6

嗯好资料学习一下


#7

资料不错,学习了。


#8

楼主好,请问如何确定推进器的具体安装位置,比如两侧的推进器,是靠近头部还是尾部,距离多少?谢谢指点!


#9

根据安装位置对运动的影响可以基本判断,上面有写一些基本规则了。


#10

请问垂直方向倾斜一定角度的推进器一般是怎样和机器人本体连接的?我看有一些水平布置的是直接把导流罩和机器人固定在一起


#11

方法很多 一般做一个安装零件就行了 卡箍绑的也有


#12

可不可以请教一下怎么自己做推进器?我想自己做一个:blush:


#13

简单一些就是用现成的航模外转子无刷电机做防水处理(很麻烦),复杂一些就用机械密封,磁耦合,油封,可以看相关的介绍贴,另外可以直接选购rovmaker水下推进器。


#14

谢谢楼主指点。:blush:


#15

楼主,J1(η2)矩阵的第一行第二列应该是 -sinψcosφ+cosψsinθsinφ?
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#16

求教一个问题,单个垂直推进器的位置是否应该在机器人的几何中心?就比如你们做的那个头大身小的机器人,我做的一个机器人和你们这个结构差不多,只不过我是两个电子舱的,还有一个电子舱在机器人靠近尾部的地方。现在遇到一个问题,就是配置配到接近零浮力之后,静止情况下机器人姿态在水中是平的,但是当垂直推进器作用之后,机器人是头先扎下去,然后尾部才下去,请问这种情况配重应该怎么配才能让机器人保持平的状态下潜?


#17

是这样的,三推进器本身就不适合直上直下,它的操作模式应该像固定翼飞机一样。
如果需要直上直下的话,就放到中心浮心位置不是几何中心。


#18

康哥 你好 我想问一下 你说的 推进器布置模型和数学模型在《Underwater Robotics – Science Design and Fabrication》 书我找到了 但是没找到你说的四个推进器数学模型和运动描述 请问你看的是具体那一页呢?

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#19

在书里搜关键词吧,没有的话就没有了。


#20

那你这张图是从何而来呢?