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:
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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。
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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。
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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。
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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。
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推力越大的电机能耗越高,若携带电池运行时间更短。
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推进器靠近底部可以增加稳定性,但是容易扬起水底沙尘。
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推进器的位置离重心越远,旋转的会越快。
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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。
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惯性坐标系(也可以称为地球坐标系)
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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”