本发明涉及水下航行器领域，具体地涉及通常用于海底任务比如对位于水下的设备进行检查、清洁或修理的航行器。
背景技术：
当前的远程操作式水下航行器(也称为rov)通过控制船或平台经由脐带缆进行电力供电，该脐带缆向位于rov处的多个推进器供电。推进器通常呈构造成沿正向方向和反向方向操作的叶轮的形式。美国专利申请us2007/0283871a1描述了一种具有四个推进器的rov，这四个推进器枢转地安装在航行器上。
国际专利申请wo2013/060693a2公开了一种外骨骼装置的不同构型。这些构型中的一个构型具有六个推进器，这六个推进器分为两组，每组包括三个推进器。
其他常规的rov通常使用不同构型的4个、5个或6个推进器——比如由seabotix(www.seabotix.com)商品化的推进器——来实现4个或5个自由度(三个线性运动和一个或两个定向)。传统的rov设计将浮力材料放置在航行器和位于底部处的压载件的顶部处，以建立自然稳定的平台。这是容易的解决方案，但在现实世界的操作情景中会导致许多缺点，其中环境力、栓系阻力和有限的机动性会使操作在一般条件下变得困难甚至是不可能的。
还存在一种使用8个推进器来实现6个自由度(能够沿任意方向和任意角度的移动)的rov。这种航行器的示例是由oceanmodulesswedenab(www.ocean-modules.com)提供的v8rov模型。使用用于实现6个空间自由度的8个推进器意味着值为2的致动冗余。这意味着该系统包括数目比在6个自由度上控制系统时在理论上所需的数目更高的推进器。
因此，需要改进的远程操作式水下航行器，该改进的远程操作式水下航行器能够在6个自由度上被控制，同时将推进器的数目减少至6个，从而实现不太复杂且更紧凑且轻量的平台。
技术实现要素：
因此，本发明的目的是提供一种可以使用6个推进器在6个自由度上控制的远程操作式水下航行器。
根据本发明的一方面，提供了一种水下航行器，该水下航行器包括保持有六个推进器的结构体，每个推进器限定推力向量。所述六个推进器中的每个推进器的推力向量如下述方式定向：第一推力向量和第二推力向量布置在相应的第一平面和第二平面上，所述第一平面和所述第二平面彼此平行；第三推力向量和第四推力向量布置在相应的第三平面和第四平面上，所述第三平面和所述第四平面彼此平行且垂直于所述第一平面和所述第二平面；并且第五推力向量和第六推力向量布置在相应的第五平面和第六平面上，所述第五平面和所述第六平面彼此平行且垂直于所述第一平面、所述第二平面、所述第三平面和所述第四平面，使得航行器能够以在其6个空间自由度上受控的方式移动。
在特别的实施方式中，所述推力向量中的每个推力向量相对于在对应的推力向量所处的平面中限定的参考向量形成相应的角度α。用于所述第一推力向量和所述第二推力向量的参考向量平行于y轴，用于所述第三推力向量和所述第四推力向量的参考向量平行于z轴，并且用于所述第五推力向量和所述第六推力向量的参考向量平行于x轴，所述x轴、所述y轴和所述z轴限定笛卡尔坐标系。
更特别地，六个所述相应的角度α的值大致相等。
替代性地，所述相应的角度α中的至少一个角度与其他角度不同。
在特别的实施方式中，所述第一平面、所述第二平面、所述第三平面、所述第四平面、所述第五平面和所述第六平面对应于长方体的六个面或立方体的六个面。
更特别地，所述推力向量经过所述推力向量分别所处的对应面的几何中心。
在特别的实施方式中，为了使来自推进器的射流的碰撞最小化，推进器中的至少一个推进器的推力向量被相对于其原始位置平行地移位，使得若干个流在单个点的会聚被避免。
在特别的实施方式中，为了使来自推进器的射流的碰撞最小化，推进器中的至少一个推进器被旋转一定角度，使得若干个流在单个点的会聚被避免。
航行器优选地包括至少一个有效载荷或任务传感器。所述传感器更优选地为摄像机。
在特别的实施方式中，保持有六个推进器的结构体是包括多个杆的框架。
在特别的实施方式中，航行器包括多个浮动结构体。
在特别的实施方式中，推进器是双向的。
在特别的实施方式中，航行器包括多个盖，所述多个盖位于该航行器的内部体积处以将不同的推力流会聚的点彼此隔离。
在本发明的另一方面，提供了一种系统。该系统包括如先前所描述的航行器。该航行器是远程操作式航行器(rov)或自主式水下航行器(auv)或混合的远程操作式航行器(hrov)。该航行器包括控制中心，航行器通过该控制中心控制。
本发明的附加优点和特征将通过以下详细描述变得显而易见并且将在所附权利要求中特别指出。
附图说明
为了完成说明书并为了更好地理解本发明，提供了一组附图。所述附图形成说明书的一体部分并图示了本发明的实施方式，这些实施方式不应被解释为限制本发明的范围，而只是作为如何实施本发明的示例。附图包括以下附图：
图1示出了根据本发明的实施方式的远程操作式水下航行器。
图2a示出了图1的远程操作式水下航行器，其中一些外部浮动结构体和部件已被取出，以允许观察内部元件。
图2b和图2c示出了图2a的远程操作式水下航行器，其中一些部件已被取出，以允许观察六个推进器。
图3a示出了与六个推进器对应的六个推力向量被设计成布置在平行六面体、特别地是立方体的相应面上的方案。包括位于立方体的几何中心的参考框架，并且推力向量(1)和(2)平行于该框架的y轴，推力向量(3)和(4)平行于z轴，推力向量(5)和(6)平行于x轴。
图3b示出了布置在立方体的相同面上的图3a的六个推力向量(1)至(6)，但是在这种情况下，这六个推力向量的方向已被改变。例如，推力向量(1)已经定向成相对于y方向成角度α。在图3c中，推力向量与立方体的面的对角线对齐。
图4示出了图示了根据本发明的远程操作式水下航行器中所包括的六个推进器的位置的另一示意图。
图5a和图5b示出了根据本发明的推进器的两种不同布置。
图6也详细示出了推进器的布置。
图7a和图7b示出了本发明的远程操作式水下航行器的两个可能的视图。
图8示出了本发明的远程操作式水下航行器的另一视图。
具体实施方式
在本文中，术语“包括”及其引伸语(比如“包括有”等)不应以排除性意义理解，即不应将这些术语解释为排除所描述和限定的可能包括其他元素、步骤等的可能性。
在本发明的上下文中，术语“近似地”和其同族术语(比如“近似”等)应被理解为表示与跟随前述术语的值非常接近的值。也就是说，与精确值的在合理限度内的偏差应该被接受，这是由于本领域技术人员将理解，由于测量不准确等原因，与所示值的这种偏差是不可避免的。这同样适用于术语“大约”和“约”和“大致”。
以下描述不应以限制性意义理解，而是仅出于描述本发明的广泛原理的目的而给出。接下来将参照示出了根据本发明的装置和结果的上述附图通过示例的方式来描述本发明的实施方式。
描述了一种水下航行器。该水下航行器可以是远程操作式水下航行器(rov)。rov由人从远程位置、比如经由脐带缆连接至rov的船进行控制。替代性地，脐带从rov连接至无人的船或平台，该无人的船或平台无线连接至控制中心。脐带向rov提供电力并在rov与由人操纵的的控制中心之间传输/接收数据。可以将脐带缆从rov移除，在这种情况下，航行器借助于电池供电。此外，航行器可以被编程为以自主的方式开发任务。当这些航行器总是自主工作(根本不需要远程操作)时，这些航行器称为auv(自主式水下航行器)，当这些航行器可以经由脐带缆被远程控制或在脐带缆被移除的情况下是自主的时，这些航行器称为混合的rov(hrov)。本发明适用于rov、auv和hrov。
这些固定表面用于组装浮动模块13、14，并且在这些模块13、14的中央部中固定有有效载荷传感器。固定至浮动模块中的一个浮动模块的设备(传感器)的示例是摄像机或主摄像机16，这通常是必需的，因为这些航行器的主要和基本功能通常是视觉检查。在图1中，摄像机16固定在浮动模块14上。
由于六个推进器12的特殊布置，因此仅用六个推进器12就实现了全向的能力，这将在下面描述。
图2a示出了根据图1的航行器的特别的实现方式，其中一些外部浮动结构体和部件已被取出，以允许观察内部元件。在该实现方式中，存在由多个棒或杆形成的框架11，框架11具有上端部和与该上端部相反的下端部。制成棒的材料的非限制性示例是不锈钢。六个推进器12保持在布置于框架11处的不同的固定点、板或保持件17处。通常，包括浮动结构体在内的形成航行器平台的部件都由防锈材料制成。这种材料的非限制性示例是塑料、不锈钢、经阳极氧化的铝和钛。该设计还必须注意电腐蚀。因此，需要避免使两种不同的金属处于电接触。每个推进器12的外部本体可以由保护管15遮盖。该管15优选地由塑料材料制成。每个推进器12的布置将参照图3a至图3c进行说明。
在优选的实施方式中，承载电子装置的容纳件19以及摄像机16结合至框架11。在图2a的特别的实施方式中，该元件19结合至框架11的上部部分。摄像机16保持在容纳件19中。在该实施方式中，摄像机16可以被透镜罩包围，以使摄像机透镜免受太阳光线直射。
推进器12是双向的并且可以以正向或反向模式操作。推进器12不在本发明的范围内。作为示例，推进器12可以是具有附接的螺旋桨或抽水轮机的马达。
图2b和图2c示出了根据图2a的航行器的替代性实现方式，其中一些外部浮动结构体和部件已被取出，以允许观察内部元件。在图2b和图2c中，容纳件19被绘制成透明的，以使得能看到六个推进器12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6(或至少能看到优选地遮盖推进器的保护管15-1、15-2、15-3、15-4、15-5、15-6)。图2c是将图2b旋转了180°的图。未示出的附加元件比如传感器、浮标或其他元件可以固定至框架11或固定至固定点、板或保持件17。
接下来，对在推进器的位置的优选实现方式的设计中遵循的方法进行说明。六个推进器中的每个推进器都处于由假想的平行六面体的每个面限定的平面处。在优选的实施方式中，平行六面体的所有六个面都为矩形的或正方形的。换句话说，假想的平行六面体优选地为长方体(六个矩形的面)或立方体(六个正方形的面)。换句话说，每个推进器(由此限定的向量)都位于平面(面)上，并且存在彼此平行的三对平面(面)，同时非平行的平面(面)彼此垂直。
图3b示出了布置在立方体的相同面上的图3a的六个推力向量(1)至(6)，但是在这种情况下，这六个推力向量的方向已被改变。例如，推力向量(1)已经定向成相对于y方向成角度α。其中每个推力向量都布置在立方体的面上并且在由该面限定的平面内的任何可能的方向上被定向成相对于图3a中所描述的参考向量的方向成角度α的这种构型是最通用的构型。
由于这种构型(每个推力向量都布置在由假想的长方体或立方体的面限定的对应平面上)，因此可以在航行器的运动中控制六个自由度。这是因为存在会抵消施加至航行器的任何外力或扭矩的潜在的力分量(由推进器产生)。这意味着为了实现航行器的运动中的六个受控的自由度，可以使平行六面体的面上的六个推力方向(方向由对应的角度α限定)任意组合，只要使以下条件同时有效即可：
-根据三个方向(x、y、z)(x、y、z彼此垂直)中的每个方向的任何推力都存在至少一个潜在分量；以及
-存在可以在所提到的三个方向中的每个方向上施加扭矩的至少一对力。
例如，为了在根据图3a至图3c中的参考系的x轴上具有扭矩，有一对力在x上施加扭矩就足够了。这对力不一定对应于(平行六面体的)平行的面，而是可以源于两个垂直的面。例如，考虑图3a，面(3)和(4)中的两个向量将在x上施加扭矩，但是位于其他面中且具有一定取向的任何一对向量也可以产生这样的扭矩。
在图3c中，推力向量与立方体的每个面的一个对角线对齐。这表示推进器的布置的特别的实施方式。换句话说，在该优选的特别的构型中，每个推力向量的角度为近似+45度。将角度取为约45度的值表示考虑到各向同性方面的良好构型。应当指出，正角度并不总是在相同的方向上。在该特别的构型中(每个推力向量的角度α都设定为45度，并且推力向量位于立方体的对应面的几何中心处)，推进器因此沿着正四面体的边缘定位，如图4中所描绘的。在优选的实施方式中，摄像机16布置成面向立方体的四个拐角中的一个拐角(例如，图3c中由面(1)-(4)-(6)形成的拐角)，这四个拐角没有推进器流。利用不同于45度的角度，流不再发生会聚。但是，利用为0度的角度(图3a中示出的构型)，承受扭矩(通常来自脐带缆)的能力更受限制。作为示例，已经观察到，在立方体的所有六个面中选择将角度α设定为32度时在各向同性性能方面提供最佳性能，但却意味着航行器的较不简单的物理结构。
图4示出了图1和图2a至图2c的水下航行器的六个推进器12的示意图。在该图4中，示出了六个推进器中的每个推进器如何位于假想四面体的六个边缘42中的一个边缘处。在优选的实施方式中，每个推进器12的推力向量都与四面体的布置有该推进器的边缘42一致。在该上下文中，推力向量表示由对应的推进器产生的推进力。换句话说，每个推进器12的推力向量沿着四面体的对应的边缘42布置。四面体的六个边缘中的每个边缘是图3c的立方体的六个面中的每个面的对角线。示出了四面体的四个面41中的三个面。四面体的四个面41表示可以用于物理实现安装传感器的自由空间表面(也用图4中的箭头标识)。换句话说，图4示出了围绕图2a至图2c的物理框架11的假想四面体。在图2a至图2c中，可以看出六个推进器12如何处于围绕容纳件19的四面体布置(在四面体的边缘上)中并通过固定点、板或保持件17固定至容纳件19和/或固定至框架11。
关于图3a至图3c的立方体，注意到该构型仍通常在任意的空间平行六面体上而不是立方体上起作用，因为该构型在平行六面体上仍能提供在6个自由度上控制系统的可能性。例如，如果在一方向上需要更大的推力，则可以采用所论述的优选构型并且将例如面2“平移”而将立方体转换成平行六面体；如果仍将推进器沿着对角线布置或者通常沿着与参考向量成任意角度的方式布置，该原理仍然起作用，只是可能产生较低的各向同性性能。立方体的任何其他变形都可以同样良好地起作用。然而，立方体是能提供最佳的各向同性性能的结构，因为推力向量在任何笛卡尔方向上的分量的总和会是相同的；但足够接近立方体的结构是可接受的，并且在某些特定情况下甚至更好——将立方体的面2平移以在该方向上具有更大的推力的示例只是可以想到的许多示例中的一个示例。
图5a和图5b示出了成组的三个推进器的两种不同布置。在图5a中，推进器的三个推力向量交于一点。在图5b中，三个推力向量是不一致的，因为推进器已经被相对于图5a的构型少量旋转(也就是说，不是每个角度α都被设定为45度)。
图6也详细示出了推进器的布置，这将在稍后详细论述。图7a示出了本发明的水下航行器的视图，其中，可以看到结合在模块14中的摄像机16的前视图。摄像机优选地是hd摄像机。航行器优选地结合有导航传感器，比如惯性测量单元(imu)或压力传感器。航行器还包括借助于发光二极管的照明装置，该照明装置可以被远程调节(通过陆地上或船上的操作员控制站或者浮动结构体)。在图7b的实施方式中，航行器上安装有两个摄像机16a、16b。
水下航行器的各向同性性能是在水下航行器在海上结构上工作时能够在每个空间方向上准确控制航行器的关键问题。由于该原因，优选地选择具有在两个方向(正向和反向)上尽可能对称的推力曲线的推进器。
另一方面，在尺寸相对较小的水下航行器中，当六个推进器12被布置在假想的四面体的边缘42处(参见图4)时，射流可能会干扰四面体的理论上的顶点。航行器的尺寸越大，这些干扰的影响越小。换句话说，由于推进器组具有四个可能的会聚点的事实，因此本发明的航行器的这种构型可能导致冲突的水流。当流被推进器朝向会聚点排出时，该特征趋于产生干扰。因为由于螺旋桨的旋转的影响而使流是涡旋形的，因此这种情况甚至会更糟。
在替代性实施方式中，为了克服射流的碰撞，需要使至少一个推进器从其原始理论位置移位。换句话说，至少一个推力方向被移动，以避免若干个流会聚在单个点，从而引起已经提到的不希望的效果。例如，至少一个推进器可以在其自身的平面内被移位，使得被移位的该推进器(或多个推进器)的推力向量与该推进器所在的(或所述多个推进器所在的)四面体的边缘平行。在另一示例中，不将至少一个推进器布置成使得其推力向量与其所位于的四面体的边缘平行，而是如图5b的布置中的那样将至少一个推进器相对于其对应边缘的轴线旋转一定角度(或不同于45°的角度α)。所述旋转角度取决于若干个因素，比如四面体的尺寸、推进器的直径和rov的外部元件的几何结构。
另一方面，提供了一种系统，该系统包括：
-控制中心，该控制中心可以远程布置在陆地上或船上或舰上，水下航行器的运动通过该控制中心控制，并且可以通过该控制中心实时看到由水下航行器的摄像机拍摄的图像；以及
-如本文所描述的航行器。
优选地，该系统还包括元件，该元件可以是浮动元件或非浮动元件(例如，在用于检查河流的应用中，该元件可以通过桥梁部署)，该元件构造成经由脐带缆连接至航行器并且有线或无线地连接至控制中心。该元件可以是包括必要的设备的船，该船用于运输并部署控制中心并且在需要时运输并部署航行器，或者替代性地，如果该控制中心远程布置，则该船用于运输并部署与远程控制中心(优选地是无线连接的)及航行器(经由脐带缆)建立通信所需的通信装置；
总言之，已经描述了可以使用六个推进器在6个自由度上进行控制的水下航行器(rov、auv或hrov)。航行器是较轻的(通常小于15kg至20kg)并且易于使用和部署。因此，在航行器是rov的应用中，航行器被包括在小型rov类别——也被称为眼球级或观察级rov——中。
水下航行器的应用范围包括：防护和民用保护(比如关键基础设施、军区、矿山检测、船体检查、应急活动和救援行动的监督和检查)；浸入式民用和工业结构(比如水坝、堤坝、支柱、码头、海洋能源和风力离岸基础设施、水产养殖设施)的检查和诊断；海洋学、环境监测和科学研究(比如深度研究、海上生物量监测、环境数据测量、水下考古和地质学)；以及其他(比如清洁、游艇维护、休闲、公共水族馆)。
另一方面，本发明显然不限于本文所描述的特别的实施方式，而是还包括本领域技术人员可以在如权利要求中限定的本发明的总体范围内考虑到的任何变型(例如，关于对材料、尺寸、部件、构型等的选择)。