1.本发明涉及水下机器人技术领域，尤其是涉及一种舵控操纵装置及方法。


背景技术：

2.作为海洋高端智能装备的重要成员，自主水下机器人(autonomous underwater vehicle，简称auv)应用越来越广泛，无论是在民用还是在军用上都扮演着极为重要的角色。auv执行任务时，其主要作业类型是大范围巡航和局部精细观察，包括中高速巡航、低速位姿调整和水下悬停三种工作模式，因此涉及高、中、低甚至零航速(即悬停)的运动状态。随着作业任务的日益多元化和复杂化，auv很可能会面临在频繁地变换不同航速的运动状态下开展工作，因此，开发能同时胜任高、中、低甚至零航速的所谓的“全航速”作业技术的需求与日俱增。
3.auv能够完成使命任务的前提是具备良好的性能，而操纵性是auv的基本性能，也是auv总体技术的核心基础，其涉及诸多学科领域。具备出色的操纵性能不仅能协助auv自如应对复杂多变的水文环境，更是auv完成各项复杂水下任务的前提。auv的操纵性是指auv借助其操纵装置(即推进器、舵、翼等)来改变或保持其运动速度、位置和姿态的性能，主要包括auv稳态航行时的平衡状态、保持航行状态的性能(体现为“运动稳定性”)和改变航行状态的性能(体现为“机动性”)。虽然经过多年探索和技术积累，现今auv的操纵性能有了很大的提高，但面对复杂的海洋环境，现有的技术水平仍面临不少挑战。目前，世界上主流的auv操纵方式主要有多推进器组合操纵、单推进器矢量操纵、舵桨联合操纵以及它们的组合。
4.其中，舵桨联合操纵主要是指艉部单个纵向推进器配合艇上布置的舵翼来实现auv的操纵控制。由于仅有一个纵向推进器，此时的auv属于欠驱动系统，而又由于仅依靠舵翼来实现操纵控制，航速过低会导致舵翼失效，因此，目前这种方式主要适用于大范围、中高航速(不小于1海里每小时(kn))的巡航auv，不能在低航速下实现左右航向控制，存在着机动性差的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种舵控操纵装置及方法，旨在解决现有的舵桨联合操纵机动性差的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种舵控操纵装置，包括：
7.推进器，安装于水下航行器的尾部，用于向所述水下航行器提供纵向推进力；
8.第一舵翼，安装于所述水下航行器的顶部，且位于所述水下航行器的中纵剖面内，所述第一舵翼可绕第一扭转舵轴做旋转动作，所述第一扭转舵轴沿从所述第一舵翼靠近所述水下航行器的一端向所述第一舵翼远离所述水下航行器的一端的方向延伸；
9.第二舵翼，安装于所述水下航行器的侧部，所述第二舵翼可绕第二扭转舵轴做旋转动作、且可绕第一扑翼舵轴上下摆动，所述第二扭转舵轴沿从所述第二舵翼靠近所述水
下航行器的一端向所述第二舵翼远离所述水下航行器的一端的方向延伸；
10.第三舵翼，安装于所述水下航行器的侧部，所述第三舵翼和所述第二舵翼分别位于所述第一舵翼的两侧，所述第三舵翼可绕第三扭转舵轴做旋转动作、且可绕第二扑翼舵轴上下摆动，所述第三扭转舵轴沿从所述第三舵翼靠近所述水下航行器的一端向所述第三舵翼远离所述水下航行器的一端的方向延伸。
11.在其中一个实施例中，所述第一舵翼、所述第二舵翼和所述第三舵翼的安装位置位于所述水下航行器的同一横截面。
12.在其中一个实施例中，所述第三舵翼和所述第二舵翼的安装位置关于所述水下航行器的中纵剖面对称分布。
13.在其中一个实施例中，所述第一舵翼、所述第二舵翼和所述第三舵翼均位于所述水下航行器的中部或尾部。
14.在其中一个实施例中，所述第一扭转舵轴垂直于所述水下航行器的纵向。
15.在其中一个实施例中，所述第一扑翼舵轴和所述第二扭转舵轴位于同一平面且相互垂直。
16.在其中一个实施例中，所述第二扑翼舵轴和所述第三扭转舵轴位于同一平面且相互垂直。
17.在其中一个实施例中，所述舵控操纵装置还包括第一舵机，所述第一舵机安装于所述水下航行器，所述第一舵机用于驱动所述第一舵翼绕所述第一扭转舵轴旋转。
18.在其中一个实施例中，所述舵控操纵装置还包括第二舵机，所述第二舵机安装于所述水下航行器，所述第二舵机用于驱动所述第二舵翼绕所述第二扭转舵轴旋转。
19.在其中一个实施例中，所述舵控操纵装置还包括第三舵机，所述第三舵机安装于所述水下航行器，所述第三舵机用于驱动所述第二舵翼绕所述第一扑翼舵轴上下摆动。
20.在其中一个实施例中，所述舵控操纵装置还包括第四舵机，所述第四舵机安装于所述水下航行器，所述第四舵机用于驱动所述第三舵翼绕所述第三扭转舵轴旋转。
21.在其中一个实施例中，所述舵控操纵装置还包括第五舵机，所述第五舵机安装于所述水下航行器，所述第五舵机用于驱动所述第三舵翼绕所述第二扑翼舵轴上下摆动。
22.在其中一个实施例中，所述舵控操纵装置还包括航姿传感器和舵控操纵系统，所述航姿传感器和所述舵控操作系统安装于所述水下航行器，所述航姿传感器与所述舵控操作系统电性连接，所述航姿传感器用于获取所述水下航行器的姿态参数并发送至所述舵控操作系统，所述舵控操作系统用于控制所述第一舵翼、所述第二舵翼和所述第三舵翼的旋转动作。
23.本发明还提供了一种舵控操纵方法，应用于上述的舵控操纵装置，所述方法包括：
24.当水下航行器处于中高航速行驶时，通过第一舵翼绕第一扭转舵轴旋转而实现所述水下航行器左右转向；
25.当所述水下航行器处于低航速行驶时，通过第二舵翼绕第一扑翼舵轴上下摆动而实现所述水下航行器朝第三舵翼一侧转向；
26.当所述水下航行器处于低航速行驶时，通过所述第三舵翼绕第二扑翼舵轴上下摆动而实现所述水下航行器朝所述第二舵翼一侧转向。
27.在其中一个实施例中，所述方法还包括：所述第二舵翼绕所述第二扭转舵轴旋转
第一角度，所述第三舵翼绕所述第三扭转舵轴旋转第二角度，所述第一角度与所述第二角度不同，以使所述水下航行器产生横倾力矩。
28.在其中一个实施例中，所述方法还包括：当所述水下航行器出现横滚倾向时，通过控制所述第一角度和所述第二角度的大小，向所述水下航行器提供反向的横倾力矩，以抑制所述水下航行器做横滚动作。
29.在其中一个实施例中，当水下航行器处于中高航速行驶时，所述方法包括：
30.所述第二舵翼和所述第三舵翼分别绕所述第二扭转舵轴、所述第三扭转舵轴同步同向旋转至水平，以控制所述水下航行器水平滑翔；
31.所述第二舵翼的前缘和所述第三舵翼的前缘分别绕所述第二扭转舵轴、所述第三扭转舵轴同步同向旋转至倾斜向上，以控制所述水下航行器上升；
32.所述第二舵翼的前缘和所述第三舵翼的前缘分别绕所述第二扭转舵轴、所述第三扭转舵轴同步同向旋转至倾斜向下，以控制所述水下航行器下潜。
33.本发明提供的舵控操纵装置及方法的有益效果是：采用推进器实现水下航行器不同航速的行驶，水下航行器在中高航速行驶时，通过第一舵翼绕第一扭转舵轴扭转实现水下航行器左右航向控制，通过第二舵翼和第三舵翼同步同向扭转，实现操纵水下航行器姿态调整，如水平滑翔、上升或下潜运动；水下航行器在低航速行驶时，第一舵翼的左右航向控制功能面临失效，此时通过第二舵翼或第三舵翼扑翼动作，实现水下航行器左右航向控制，解决了现有的舵桨联合操纵机动性差的技术问题，提高水下航行器的机动性。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1为相关技术中的具有“十”形尾舵的水下航行器的结构示意图；
36.图2为图1中的水下航行器的操纵面示意图；
37.图3为具有“x”形尾舵的水下航行器的操纵面示意图；
38.图4为具有“木”形尾舵的水下航行器的操纵面示意图；
39.图5为具有倒“y”形尾舵的水下航行器的操纵面示意图；
40.图6为本发明实施例提供的舵控操纵装置的安装示意图；
41.图7为图6的又一视角图；
42.图8为图6的局部放大图；
43.图9为水下航行器在中高航速行驶时朝第三舵翼一侧转向的结构示意图；
44.图10为水下航行器在中高航速行驶时朝第二舵翼一侧转向的结构示意图；
45.图11为水下航行器处于水平滑翔姿态的操纵面示意图；
46.图12为水下航行器处于上升姿态的操纵面示意图；
47.图13为舵控操纵装置产生横倾力矩的操纵面示意图；
48.图14为水下航行器在低航速行驶时朝第三舵翼一侧转向的结构示意图；
49.图15为水下航行器在低航速行驶时朝第三舵翼一侧转向的结构示意图。
50.其中，图中各附图标记：
51.10、水下航行器；11、纵向；12、头部；13、中部；14、尾部；15、顶部；16、侧部；
52.21、水平舵翼；22、垂直舵翼；
53.100、推进器；
54.200、第一舵翼；210、第一扭转舵轴；
55.300、第二舵翼；310、第二扭转舵轴；320、第一扑翼舵轴；
56.400、第三舵翼；410、第三扭转舵轴；420、第二扑翼舵轴。
具体实施方式
57.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。
58.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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。
59.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
60.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
61.本实施例中，水下航行器10可选为水下滑翔机、auv、rov(遥控无人潜水器，remote operated vehicle)、鱼雷和潜艇等。
62.请参考图6，水下航行器10沿其长度方向依次划分为头部12、中部13和尾部14。水下航行器10的纵向11是指从头部12至尾部14的方向。水下航行器10的中纵剖面是指过纵向11的竖直平面。在正常使用状态下，水下航行器10的顶部15是指靠近水面的部分，水下航行器10的底部是指远离水面的部分，水下航行器10的侧部16是指介于顶部15和底部之间的侧方部分。
63.中高航速是指航速不小于1kn；低航速是指航速小于1kn，甚至可以为零航速，即悬停。
64.根据发明人的研究，世界上主流的水下航行器10的操纵方式主要有多推进器组合操纵、单推进器矢量操纵、舵桨联合操纵以及它们的组合。现介绍研究成果如下：
65.第一，多推进器组合操纵
66.多推进器组合操纵主要是利用不同方向布置的推进器提供的直接推力和推进器之间的差动来操纵水下航行器10实现横移、潜浮、转艏、俯仰、横滚及悬停等操纵运动。多推
进器组合操纵的实现方式主要有两种：一种是纵向推进器配合横向及垂向槽道的推进器；另一种是纵向推进器配合舷外布置的多方向推进器。
67.多推进器组合操纵的优点为：由于在水下航行器不同方向均布置有推进器，采用这种操纵方式的水下航行器一般多为全驱动或过驱动系统，操纵效率非常高，不仅可执行大范围高速巡航任务，也可执行小范围局部精细观测任务。
68.多推进器组合操纵的缺点为：由于推进器能源利用效率不高，使用这种推进方式的水下航行器的续航力往往受限。特别地，对于那些仅搭载大范围探测设备(如侧扫声呐、多波束测控声呐、合成孔径声呐等)执行区域搜索任务的水下航行器，航行速度多为2kn～4kn，甚至更高。在这种高航速下，槽道螺旋桨推进器效率极低，无法满足操纵性需求，并且功耗很高。另外，若采用舷外额外布置的推进器则会增加整体阻力，且推进器功耗较高，不利于长期水下作业。
69.需要说明的是，续航力是auv的一个非常重要的指标，长续航力有助于增大auv对海底的搜索面积，提高有效工作时间，因此追求高操纵效率不能以牺牲续航力为代价。众所周知，auv排水量一般都很小，导致能源储备十分有限。auv的航行时间和工作范围受到本身能源供给的制约，如何在有限能源下获得最长的运行时间和航行距离成为了非常突出的问题。虽然多推进器组合操纵方式可为auv带来高的操纵效率，但由于要布置多个推进器，分散了能源供给，加大了能源的消耗量，因此会导致auv的续航力大打折扣。
70.第二，单推进器矢量操纵
71.单推进器矢量操纵是指在水下航行器的尾部中轴线只布置一个主推进器，通过控制推进器转速和推进器偏转角实现水下航行器的操纵。该操纵的具体实现方式是通过控制在主推进器内布置的驱动电机并利用相应的转动、传动机构驱动螺旋桨转动，进而使推进器可产生多个方向的推力，满足水下航行器的操纵控制需求。
72.单推进器矢量操纵的优点为：1)，相比舵桨联合操纵，单推进器矢量操纵可以在极低速度下实现高操纵性；2)，相比多推进器组合操纵，单推进器矢量操纵在空间布置及尺寸要求上有相对的优势，续航力相比之下也会较长。
73.单推进器矢量操纵的缺点是：1)，操纵控制的难度较大；2)，抵抗海洋环境扰动(风、浪、流等)的影响弱，因此在近水面或浅海区域的作业受限较大；3)，难以对水下航行器的横滚运动施加有效控制，因而抗干扰能力弱。
74.第三，舵桨联合操纵
75.舵桨联合操纵主要是指艉部单个纵向推进器配合艇上布置的舵翼来实现水下航行器10的操纵控制。由于仅有一个纵向推进器，此时的水下航行器10属于欠驱动系统。又由于仅依靠舵翼来实现操纵控制，航速过低会导致舵翼失效，因此，目前这种方式主要适用于大范围、中高航速(不小于1kn)的巡航水下航行器10。
76.根据水下航行器10的舵翼组合形式，可以分为“十”、“x”、“h”、“大”和“y”形等形式。不同的组合形式给水下航行器10带来的操纵性有很大的不同。
77.1)，请参考图1和图2，“十”字形舵翼，顾名思义，就是由一对水平舵翼21和垂直舵翼22组成而成。利用“十”字形舵翼的操控方式为：水平舵翼21控制上浮和下潜运动，垂直舵翼22控制左右航行方向，但无论是水平舵还是垂直舵翼22均对横滚运动不能加以控制。这种舵翼组合形式结构简单，伴流场均匀平顺，有利于减小了附体阻力，提高操纵效率，改善
推进性能，许多依靠舵桨联合操纵的auv，甚至大多现代潜艇均采用这种布置方式。
78.2)，请参考图3，“x”字形舵翼，实质是“十”形舵翼的变形，是指四个尾翼呈“x”字型正交布置，舵轴中心线相对艇的纵向对称成45
°
的操纵面。采用这种布置有利于提高在近海浅水中auv尾部的安全性，因为“x”形舵翼能满足不超宽和不超出基线的前提下，相对于“十”字形尾鳍有更大的展弦比，故此提高了操纵能力和效率。此外，“x”形舵翼能有效减小回转时的横倾角，大大减少舵翼因卡舵而造成的严重后果，提高了auv或潜艇的安全性和水下抗沉性。可见“x”形舵翼的机动性相对较好，尤其适用于在沿海多岛屿的浅水中活动的auv或者小型潜艇。
79.需要说明的是，虽然“x”形舵翼有着比“十”形舵翼所欠缺的优点，但该舵型也存在一些不足。譬如，“x”形舵翼的每个舵都有着浮力与转向的功能，因此需要四套操舵系统，操纵十分不便，相应的机械设备也较为复杂，造价较高。此外，其舵翼所产生的力和力矩对auv或潜艇的运动姿态影响十分复杂。
80.还需要进一步指出，上述两种基本的舵翼布置形式(即“十”和“x”形)，均难以对横滚运动实施控制。然而，众所周知，横滚运动会严重影响auv扫描精度，所以巡航工作时的平稳性对auv来说相当重要。对于载人的潜艇来说，横滚运动对艇内的人员所产生的危害更大，因此对抑制横滚的需求更甚。
81.3)一些现代潜艇为了加大横摇阻尼，或出于减小高速转向时的横倾，在原有的“十”形舵翼的水平舵翼21上加装一定大小和形状的挡板，形成所谓的“h”形舵翼；又或者在“十”形舵翼下方左右舷45
°
位置，增加了两块带端板的稳定翼，请参考图4，派生出所谓的“大”形舵翼，以加大水下航行体的横向稳定性，减小高速转向时的横倾角和横摇。
82.当然，除上述的几种尾舵形式外，请参考图5，在“x”形舵翼的形式上还派生出所谓的“y”形舵翼。该形式只有一个舵翼起到转向的作用，而其它两个舵翼能兼顾转向和下潜的作用，这样的布置能大大减少附体的阻力，但是这样的布置方式会对螺旋桨性能、尾部兴波及流体噪声产生不利的影响。
83.为克服以上不同舵翼组合形式的缺点，请参考图6和图7，本发明提供一种舵控操纵装置，包括推进器100、第一舵翼200、第二舵翼300和第三舵翼400。
84.其中，推进器100安装于水下航行器10的尾部14，用于向水下航行器10提供纵向11推进力。
85.请参考图8，第一舵翼200安装于水下航行器10的顶部15，且位于水下航行器10的中纵剖面内，第一舵翼200可绕第一扭转舵轴210做旋转动作，第一扭转舵轴210沿从第一舵翼200靠近水下航行器10的一端向第一舵翼200远离水下航行器10的一端的方向延伸。
86.其中，根据第一舵翼200的形状不同以及在中纵剖面内的倾斜角度不同，第一扭转舵轴210可能垂直于水下航行器10的纵向11，也可能不垂直于水下航行器10的纵向11。
87.第二舵翼300安装于水下航行器10的侧部16，第二舵翼300可绕第二扭转舵轴310做旋转动作、且可绕第一扑翼舵轴320上下摆动，第二扭转舵轴310沿从第二舵翼300靠近水下航行器10的一端向第二舵翼300远离水下航行器10的一端的方向延伸。
88.其中，第一扑翼舵轴320的作用是使第二舵翼300绕其能够实现上下摆动。第一扑翼舵轴320可选为经过第二舵翼300的安装位置且与水下航行器10的外表面相切的第一水平线，也可以是与该第一水平线的夹角在10
°
以内(含10
°
)的任一轴线。
89.第三舵翼400安装于水下航行器10的侧部16，第三舵翼400和第二舵翼300分别位于第一舵翼200的两侧，第三舵翼400可绕第三扭转舵轴410做旋转动作、且可绕第二扑翼舵轴420上下摆动，第三扭转舵轴410沿从第三舵翼400靠近水下航行器10的一端向第三舵翼400远离水下航行器10的一端的方向延伸。
90.其中，第二扑翼舵轴420的作用是使第三舵翼400绕其能够实现上下摆动。第二扑翼舵轴420可选为经过第三舵翼400的安装位置且与水下航行器10的外表面相切的第二水平线，也可以是与该第二水平线的夹角在10
°
以内(含10
°
)的任一轴线。
91.本发明提供的舵控操纵装置中，推进器100用于实现水下航行器10不同航速行驶。根据推进器100提供的动力大小不同，可以使水下航行器10处于中高航速行驶，或者，低航速行驶，甚至悬停，此时推进器100不工作，推进力为零。
92.具体地，推进器100为螺旋桨推进器。
93.本实施例中，第一舵翼200、第二舵翼300和第三舵翼400组合形成呈倒“t”字形。水下航行器10在中高航速行驶时，通过第一舵翼200绕第一扭转舵轴210扭转实现水下航行器10左右航向控制。
94.请参考图9，第一舵翼200绕第一扭转舵轴210顺时针旋转，第一舵翼200的前缘朝向第三舵翼400方向转动，从而水下航行器10朝向第三舵翼400一侧转向。
95.可选地，第一舵翼200绕第一扭转舵轴210顺时针旋转的角度范围为(0，80
°
]。
96.请参考图10，第一舵翼200绕第一扭转舵轴210逆时针旋转，第一舵翼200的前缘朝向第二舵翼300方向转动，从而水下航行器10朝向第二舵翼300一侧转向。
97.可选地，第一舵翼200绕第一扭转舵轴210逆时针旋转的角度范围为(0，80
°
]。
98.本实施例中，水下航行器10在中高航速行驶时，第二舵翼300和第三舵翼400在流体作用下会产生一定的升力。依靠该升力，身处流体中的水下航行器10在不断的前进过程中就能进行各种运动，如水平滑翔、上浮和下潜等。此时，若调整舵翼所处的状态，则会改变舵翼周边的升力，从而迫使水下航行器10从一种运动状态过渡至另一种运动状态。
99.比如，请参考图8和图11，水下航行器10在中高航速行驶时，第二舵翼300和第三舵翼400同步保持水平，水下航行器10保持水平滑翔运动。这里所说的“同步保持水平”是指第二舵翼300和第三舵翼400的基本位于水平面，包括第二舵翼300和第三舵翼400严格位于水平面，也包括第二舵翼300和第三舵翼400与水平面的舵角差控制在5
°
以内。
100.比如，请参考图12，水下航行器10在中高航速行驶时，第二舵翼300和第三舵翼400同步同向扭转，以使第二舵翼300的前缘和第三舵翼400的前缘均朝上转动，水下航行器10处于上升姿态。这里所说的“同步同向”是指第二舵翼300的前缘和第三舵翼400的前缘的转动时间基本同步、时间误差允许在20s内，第二舵翼300的前缘和第三舵翼400的前缘的倾斜方向基本相同、倾斜角度允许在5
°
内。比如，图12所示，第二舵翼300绕第二扭转舵轴310顺时针旋转θ
°
，第三舵翼400绕第三扭转舵轴410逆时针旋转θ
°
，此时，第二舵翼300的前缘和第三舵翼400的前缘均倾斜向上，即同向扭转。
101.同理，水下航行器10在中高航速行驶时，第二舵翼300和第三舵翼400同步同向扭转，以使第二舵翼300的前缘和第三舵翼400的前缘均朝下转动，水下航行器10处于下潜姿态。
102.需要说明的是，由于舵翼升力的产生依赖于水流流过的速度，只有当流过舵翼表
面的水流速度较高时，才能产生足够的升力，而当水流速度较小时，舵翼上的升力相应较小，在零来流速度时升力甚至会消失，此时第一舵翼200的左右航向控制功能面临失效，第一舵翼200无法产生足够的升力实现水下航行器10转向。
103.请参考图14和图15，当水下航行器10在低航速行驶时，由于第一舵翼200的转向功能失效，此时通过第二舵翼300或第三舵翼400扑翼动作，实现水下航行器10左右航向控制，解决了现有的舵桨联合操纵机动性差的技术问题，提高水下航行器10的机动性。
104.比如，请参考图14，第二舵翼300绕第一扑翼舵轴320上下摆动，从而水下航行器10朝第三舵翼400一侧转向。
105.再比如，请参考图15，第三舵翼400绕第二扑翼舵轴420上下摆动，从而水下航行器10朝第二舵翼300一侧转向。
106.在一种可能的示例中，请参考图11，第一舵翼200、第二舵翼300和第三舵翼400的安装位置位于水下航行器10的同一横截面，避免第一舵翼200、第二舵翼300和第三舵翼400之间在水下航行器10的纵向11上存在间隔，从而避免第一舵翼200、第二舵翼300和第三舵翼400中的任意二者之间对水下航行器10产生纵倾力矩，有利于水下航行器10平稳航行。
107.需要说明的是，舵翼的安装位置是指舵翼在水下航行器10上的安装位置。
108.具体地，请参考图11，第三舵翼400和第二舵翼300的安装位置关于水下航行器10的中纵剖面对称分布，水下航行器10受力均匀，伴流场均匀平顺，有利于降低水下航行器10的操纵控制难度，提高操纵效率。
109.在一种可能的示例中，请参考图6和图7，第一舵翼200、第二舵翼300和第三舵翼400均位于水下航行器10的中部13或尾部14。
110.一般地，水下航行器10的重心位于其中部13，第一舵翼200、第二舵翼300和第三舵翼400均位于水下航行器10的中部13时，有利于提高水下航行器10的稳定性。第一舵翼200、第二舵翼300和第三舵翼400均位于水下航行器10的尾部14时，靠近推进器100，避免第一舵翼200、第二舵翼300及第三舵翼400和推进器100之间在纵向11存在较大的间隔，不仅避免对水下航行器10产生纵倾力矩，而且该操纵装置均位于尾部14，集中对水下航行器10进行操纵控制，提高操纵效率。
111.在一种可能的示例中，请参考图9和图11，第一扭转舵轴210垂直于水下航行器10的纵向11。如此，第一舵翼200只在中高航速行驶时具有转向的功能，而不具有控制上升、下腔及横倾的功能，不影响其他舵翼的操纵控制，简化了舵控操纵难度，有利于提高操纵性。
112.在一种可能的示例中，请参考图9和图11，第一扑翼舵轴320和第二扭转舵轴310位于同一平面且相互垂直。如此，第二舵翼300绕第一扑翼舵轴320和绕第二扭转舵轴310产生的舵翼升力相互独立，互不干扰，简化了舵控操纵难度，有利于提高操纵性。
113.在一种可能的示例中，请参考图9和图11，第二扑翼舵轴420和第三扭转舵轴410位于同一平面且相互垂直。如此，第三舵翼400绕第二扑翼舵轴420和绕第三扭转舵轴410产生的舵翼升力相互独立，互不干扰，简化了舵控操纵难度，有利于提高操纵性。
114.在一种可能的示例中，舵控操纵装置还包括第一舵机，第一舵机安装于水下航行器10，第一舵机用于驱动第一舵翼200绕第一扭转舵轴210旋转。
115.在一种可能的示例中，舵控操纵装置还包括第二舵机，第二舵机安装于水下航行器10，第二舵机用于驱动第二舵翼300绕第二扭转舵轴310旋转。
116.在一种可能的示例中，舵控操纵装置还包括第三舵机，第三舵机安装于水下航行器10，第三舵机用于驱动第二舵翼300绕第一扑翼舵轴320上下摆动。如此，第二舵翼300绕第一扑翼舵轴320和第二扭转舵轴310分别使用不同的舵机、相互独立地进行驱动控制，简化了驱动控制难度。
117.在一种可能的示例中，舵控操纵装置还包括第四舵机，第四舵机安装于水下航行器10，第四舵机用于驱动第三舵翼400绕第三扭转舵轴410旋转。
118.在一种可能的示例中，舵控操纵装置还包括第五舵机，第五舵机安装于水下航行器10，第五舵机用于驱动第三舵翼400绕第二扑翼舵轴420上下摆动。
119.具体地，第一舵机、第二舵机、第三舵机、第四舵机和第五舵机相互独立地、可通过外啮合齿轮运动机构、内啮合齿轮运动机、齿轮齿条运动机构、带传动或者液压等方式来驱动对应的舵翼绕对应的舵轴旋转。
120.可选地，第一舵机、第二舵机、第三舵机、第四舵机和第五舵机为电动舵机、液压舵机或气压舵机中的任一种。
121.在一种可能的示例中，舵控操纵装置还包括航姿传感器和舵控操纵系统，航姿传感器和舵控操作系统安装于水下航行器10，航姿传感器与舵控操作系统电性连接，航姿传感器用于获取水下航行器10的姿态参数并发送至舵控操作系统，舵控操作系统用于控制第一舵翼200、第二舵翼300和第三舵翼400的旋转动作。
122.其中，航姿传感器是一款惯性测量设备，它可以测量水下航行器10的姿态参数(即横滚和俯仰)、角速度、加速度信息和航向角。高性能的航姿传感器一般都集成了mems加速度计、陀螺仪和磁力计，并通过算法保证测量精度，同时经密封设计以及严格工艺保证其在恶劣的环境下仍能精密地测量水下航行器10的角速度、加速度和姿态等运动参数。
123.本实施例中，航姿传感器用于测量水下航行器10在水下作业过程中的姿态参数(主要是横滚和俯仰参数)，并把所采集到的姿态参数信息实时地反馈给舵控操纵系统的接收器；然后，舵控操纵系统的控制器模块对接收到的信息数据进行即时解算并实时地发送指令给第一舵翼200、第二舵翼300和第三舵翼400，或者发送指令给对应的舵机的驱动器；此时，各个舵机在指令的控制下，驱动对应的舵翼去响应执行相应的动作(扭转或扑翼)来实现对水下航行器10进行各项操纵。
124.本实施例中，不管水下航行器10是在中高航速巡航还是在低航速巡航，当第二舵翼300和第三舵翼400不同步地分别绕第二扭转舵轴310和第三扭转舵轴410旋转时，由于第二舵翼300和第三舵翼400的舵角不同而产生出不同的升力，因此会在水下航行器10的左右两侧产生一个横倾力矩，利用该横倾力矩则可对水下航行器10的横滚运动施加控制。比如，出于减摇为目的，利用所产生横倾力矩以抑制水下航行器10作横滚运动，确保水下航行器10在中高航速下进行水下巡航作业时保持稳定。再比如，出于提高水下航行器10灵活性为目的，专门创造横倾力矩，以控制水下航行器10做翻滚等复杂的动作。
125.具体地，参见图13，水下航行器10受流场影响，出现绕其纵向11顺时针横滚的倾向。此时，第三舵翼400绕第三扭转舵轴410逆时针旋转角度a，第二舵翼300不动、保持水平，从而第三舵翼400和第二舵翼300之间存在舵角差，从水下航行器10的尾部14看，水下航行器10产生一个绕纵向11逆时针旋转的横倾力矩，抵消水下航行器10的横滚倾向，达到减摇的目的。
126.进一步地，根据实际需求，工作人员通过无线通讯设备向舵控操纵系统发送控制第二舵机和第四舵机的不同旋转指令，人为地调节第二舵翼300和第三舵翼400的舵角差来创造出所需的横倾力矩，以控制水下航行器10做翻滚表演或姿态调整，提高水下航行器10的灵活性。
127.进一步地，根据自动控制原理，航姿传感器感知水下航行器10的横滚倾向，并通过反馈机制让第二舵翼300和第三舵翼400自动地调节它们各自的舵翼的舵角差，自主地调控横倾力矩以抑制水下航行器10的横滚运动，以减小水下航行器10的横倾角使其在水下航行时保持平稳。
128.需要说明的是，水下航行器10由于工作环境的特殊性，对其机动性和安全性提出了较高的要求，因此水下航行器10的操纵性至关重要。对于水下航行器10来说，只有具备良好的操纵性，才能既稳定又迅速地控制水下航行器10的航向、航速，才有利于其成功规避各种障碍物以准确地执行各种机动任务。
129.需要说明的是，水下航行器10无论在何种航速状态下作业，其作业过程必须尽可能地保持平衡，以避免水下航行器10自身的不稳定性对其所搭载的工作设备带来过多干扰。比如，利用水下航行器10搭载摄像头、声呐等设备进行水下成像拍摄或勘探作业时，水下航行器10自身的不稳定运动会对所搭载的摄像头或声呐带来干扰，造成成像效果不佳。
130.水下航行器10执行任务时的主要作业类型是大范围巡航和局部精细观察，包括中高航速巡航、低速位姿调整和水下悬停三种工作状态。随着海洋勘探和开发需求的日趋加大，身兼多重任务的水下航行器10下水作业在不久的将来会成为常态，而作业任务多元化将可能会迫使水下航行器10在不同的航速下频繁地切换工作模式，从而致使水下航行器10的操纵性面临极大的考验。
131.事实上，在不同的航速下的作业会对水下航行器10的操纵性提出不同的要求，比如说，在搜索目标时，要求水下航行器10能灵活地在水下三维空间中改变航向(机动性)；当发现目标时，能准确地保持航向(稳定性)；特别是当捕捉到目标时，在航速几乎为零的情况下，能自如地调整水下航行器10的位置和姿态(操纵性)。
132.因此，面对海洋勘探和开发需求的日趋加大，同时为了推动水下航行器10更高效地执行各项纷繁复杂的水下作业任务，本技术提供一种能完全满足水下航行器10全航速的作业需求且既经济又高效的舵控操纵装置，具有以下技术效果：
133.第一，该舵控操纵装置能同时胜任高、中、低甚至零航速的所谓的“全航速”作业的操纵技术，以务求一次性下水就能完成多项不同类型的作业任务。
134.具体地，当在中高航速行驶时，通过第一舵翼200实现转向，通过第二舵翼300和第三舵翼400扭转实现水平滑翔、上升或下潜，当在低航速行驶时，通过第二舵翼300和第三舵翼400的扑翼实现转向。
135.第二，当水下航行器10在低航速行驶作业时，无需在水下航行器10上额外增加槽道或舷外等辅助推进器100，仅利用第二舵翼300和第三舵翼400的扑翼动作即可让水下航行器10实现低速位姿调整，因此在一定程度上减轻水下航行器10的重量和体积，从而减小水下航行器10的阻力并提高能源的利用率，续航力好。
136.第三，当水下航行器10需要进行悬停(零航速)水下作业时，本发明提供的装置可以与水下航行器10内置的航姿传感器相互配合，使第二舵翼300和第三舵翼400之间产生反
横滚或反纵摇力矩来抵抗海洋环境扰动的干扰，对水下航行器10实施主动的减摇控制，从而确保水下航行器10平稳作业，操纵性好。
137.第四，航姿传感器可以在任何航速下均对水下航行器10实施主动式的减摇控制，从而解决水下航行器10全航速作业稳定性的问题，机动性好。
138.基于上述任意一种舵控操纵装置，本发明还提供了一种舵控操纵方法，方法包括：
139.s100：请参考图9和图10，当水下航行器10处于中高航速行驶时，通过第一舵翼200绕第一扭转舵轴210旋转而实现水下航行器10左右转向。
140.s200：请参考图14，当水下航行器10处于低航速行驶时，通过第二舵翼300绕第一扑翼舵轴320上下摆动而实现水下航行器10朝第三舵翼400一侧转向。
141.s300：请参考图15，当水下航行器10处于低航速行驶时，通过第三舵翼400绕第二扑翼舵轴420上下摆动而实现水下航行器10朝第二舵翼300一侧转向。
142.上述方法实现水下航行器10在中高航速和低航速均能自如地调整航向，即适用于全航速情况，操纵性好。
143.在其中一个实施例中，方法还包括：请参考图13，第二舵翼300绕第二扭转舵轴310旋转第一角度，第三舵翼400绕第三扭转舵轴410旋转第二角度，第一角度与第二角度不同，以使水下航行器10产生横倾力矩。
144.其中，上述方法通过控制第二舵翼300和第三舵翼400产生舵角差，自动地创造横倾力矩，达到减摇的目的或者做横滚运动。
145.具体地，参见图13，水下航行器10受流场影响，出现绕其纵向11顺时针横滚的倾向。此时，第三舵翼400绕第三扭转舵轴410逆时针旋转角度a，第二舵翼300不动、保持水平，即第一角度为零，第二角度为a，第三舵翼400和第二舵翼300之间存在舵角差，从水下航行器10的尾部14看，水下航行器10产生一个绕纵向11逆时针旋转的横倾力矩，抵消水下航行器10的横滚倾向，达到减摇的目的。
146.具体地，上述方法还包括：当水下航行器10出现横滚倾向时，通过控制第一角度和第二角度的大小，向水下航行器10提供反向的横倾力矩，以抑制水下航行器10做横滚动作。
147.比如，航姿传感器感知水下航行器10的横滚倾向，并通过反馈机制控制第一角度和第二角度之间的舵角差，自主地调控横倾力矩以抑制水下航行器10的横滚运动，以减小水下航行器10的横倾角使其在水下航行时保持平稳
148.在其中一个实施例中，当水下航行器10处于中高航速行驶时，方法包括：
149.s410：请参考图10，第二舵翼300和第三舵翼400分别绕第二扭转舵轴310、第三扭转舵轴410同步同向旋转至水平，以控制水下航行器10水平滑翔。
150.s420：请参考图12，第二舵翼300和第三舵翼400分别绕第二扭转舵轴310、第三扭转舵轴410同步同向旋转至倾斜向上，以控制水下航行器10上升。
151.s430：第二舵翼300和第三舵翼400分别绕第二扭转舵轴310、第三扭转舵轴410同步同向旋转至倾斜向下，以控制水下航行器10下潜。
152.较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。