CN107539475A - 一种空水多栖航行器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空水多栖航行器的控制方法，空水多栖航行器，包括航行器主体、控制模块、状态切换模块、净浮力调节模块、动力模块、通信导航模块和电源模块；本发明空水多栖航行器通过状态切换模块和净浮力调节模块实现航行状态的切换，空中飞行时电机采用高转速低扭矩，水面及水下航行时电机采用低转速高扭矩，实现了航行器在空中、水面及水下航行；本发明空水多栖航行器利用GPS、压力传感器、加速度计和陀螺仪实现航行器的定位和导航，通过遥控器发送指令实现航行器的航行控制；本发明空水多栖航行器可在各种复杂环境下执行不同任务，如检修，检测、航拍、水下排雷等。

Description

一种空水多栖航行器的控制方法

技术领域

本发明涉及航行器技术领域，特别是一种空水多栖航行器的控制方法。

背景技术

在河流、湖泊、边境、森林、海岸线、海岛等地形复杂的地方实现环境检测、水文测量、航拍测绘、森林灾害警、边境巡逻、军事侦察等领域不适合人类作业的区域，对于人类作业存在危险性、适应性等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种程序简单、可靠性高的空水多栖航行器的控制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种空水多栖航行器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）多栖航行器初始化和自检：开机后航行器的各模块进入初始化和自检状态，如果各模块在设定的正常范围内则状态正常，航行器飞行状态复位（默认初始状态为飞行状态），如果各模块不在设定的正常范围内则状态不正常，通过手持遥控器终端显示异常情况，以便操作人员手动解决；

（2）多栖航行器航行的状态控制：状态分为4个状态：飞行状态、水面过渡状态（航行器漂浮在水面上）、水面航行状态（航行器的四个连杆没入水中，航行器主体底部与水面接触，顶部露在水面上）、水下航行状态（航行器整体没入水面下，只有部分天线露在水面上）；

A、航行器接收飞行指令，系统执行状态检测程序：

情形一：航行器停在陆地上，航行器执行起飞前的检查和初始化，舵机工作，航行器四个连杆打开呈X型且主体平行，航行器起飞；

情形二：航行器处于水面过渡状态，航行器执行起飞前的检查和初始化，舵机工作，航行器四个连杆从一字形切换成X型且与航行器主体平行，航行器起飞；

情形三：航行器处于水面航行状态，螺旋桨停止工作，四个连杆收回至与航行器主体平行，气泵工作，将水仓里的水排净，气泵停止工作，航行器进入航行器水面过渡状态，执行情形二的步骤，航行器起飞；

情形四：航行器处于水下航行状态，螺旋桨停止工作，气泵工作，水仓向外排水，使航行器的主体顶部露出水面后停止排水，四个连杆收回至与航行器主体平行，气泵继续工作，将水仓里的水排净，气泵停止工作，航行器进入航行器水面过渡状态，执行情形二的步骤，航行器起飞；

B、航行器接收水面过渡指令，系统执行状态检测程序：

情形一：航行器处于飞行状态，航行器处于飞行状态，通过激光测距仪测距，控制航行缓慢平稳地停在水面上，舵机工作，航行器的两个主体从X形合并成一字形，此时航行器处于水面过渡状态；

情形二：航行器处于水面航行状态，螺旋桨停止工作，四个连杆收回至与航行器主体平行，气泵工作，将水仓里的水排净，气泵停止工作，航行器进入航行器水面过渡状态；

情形三：航行器处于水下航行状态，螺旋桨停止工作，气泵工作，水仓向外排水，使航行器的主体顶部露出水面后停止排水，四个连杆收回至与航行器主体平行，气泵继续工作，将水仓里的水排净，气泵停止工作，航行器进入航行器水面过渡状态；

C、航行器接收水面航行指令，系统执行状态检测程序：

情形一：航行器处于水面过渡状态，控制四个连杆向水面下运动，使得连杆垂直与航行器主体，气泵工作使得水仓压水，调节航行器的主体的底部与水面接触，使得航行器漂浮在水面上，螺旋桨工作；

情形二：航行器处于水下航行状态，螺旋桨停止工作，气泵工作，水仓向外排水，使航行器的主体顶部露出水面后停止排水，航行器此时处于水面航行状态，螺旋桨工作；

情形三：航行器处于飞行状态，通过激光测距仪测距，控制航行缓慢平稳地停在水面上，航行器的两个主体从X形合并成一字形，此时航行器处于水面过渡状态，执行情形一；

D、航行器接收水下航行指令，系统执行状态检测程序：

情形一：航行器处于水面过渡状态，控制四个连杆向水面下运动，使得连杆垂直与航行器主体，气泵工作使得水仓压水，使得航行器下潜至水面下，气泵停止工作，螺旋桨工作；

情形二：航行器处于水面航行状态，螺旋桨停止工作，气泵工作水仓压水，使得航行器下潜到水面下，气泵停止工作，螺旋桨工作；

情形三：航行器处于飞行状态，通过激光测距仪测距，控制航行缓慢平稳地停在水面上，航行器的两个主体从X形合并成一字形，此时航行器处于水面过渡状态，执行情形一；

（3）航行器的系统实时检测当前信号强度、电池电量低于设定安全范围内，则自动返航。

优选地，当航行器处于飞行状态，电机采用高转速低扭转的方式工作，此时航行器和现有的四旋翼飞行器控制策略一致；当航行器处于水面航行或水下航行状态，电机采用低转速高扭转的方式工作，航行的航速和转向可通过控制电机的转速和左右电机的转速差来控制。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

（1）本发明空水多栖航行器通过状态切换模块和净浮力调节模块实现航行状态的切换，空中飞行时电机采用高转速低扭矩，水面及水下航行时电机采用低转速高扭矩，实现了航行器在空中、水面及水下航行。

（2）本发明空水多栖航行器利用GPS、压力传感器、加速度计和陀螺仪实现航行器的定位和导航，通过遥控器发送指令实现航行器的航行控制。

（3）本发明空水多栖航行器可在各种复杂环境下执行不同任务，如检修，检测、航拍、水下排雷等。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明空水多栖航行器空中飞行状态的结构示意图。

图2为本发明空水多栖航行器水面过渡状态的结构示意图。

图3为本发明空水多栖航行器水面及水下航行状态的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图1至图3所示，一种空水多栖航行器，包括航行器主体1、控制模块、状态切换模块、净浮力调节模块、动力模块、通信导航模块和电源模块；所述航行器主体1的每个机翼尾部通过连杆连接有水仓室2，所述连杆的内部是中空的腔室，连杆的底部开有进水孔；所述航行器主体1的内部设置有控制模块、通信导航模块和电源模块，所述控制模块分别与状态切换模块、净浮力调节模块、动力模块、通信导航模块、电源模块相连接；所述航行器主体1的每个机翼尾部设置有状态切换模块，所述状态切换模块包括舵机3和传动装置；所述舵机3的控制端与控制模块相电性连接，舵机3的电源端与电源模块相电性连接，舵机3的输出端通过传动装置与相对应的连杆相传动连接；所述每个水仓室2内设置有净浮力调节模块和动力模块；所述净浮力调节模块包括气泵，所述气泵通过软管4将水仓室2与连杆内部相连通，气泵的控制端与控制模块相电性连接；所述动力模块包括电机5和螺旋桨6，所述电机5的输出端与螺旋桨6相传动连接，电机5的控制端与控制模块相电性连接，电机5的电源端与电源模块相电性连接；所述航行器主体1的中心轴处设置有主舵机7，主舵机7的输出端通过传动装置与中心轴相传动连接，主舵机7的控制端与控制模块相电性连接，主舵机7的电源端与电源模块相电性连接；所述航行器主体1的中心轴上方设置有天线8，天线8的顶端设置有GPS，天线8的底端与通信导航模块相连接；所述航行器主体1的中心轴下方设置有压力传感器和激光测距仪，压力传感器和激光测距仪均与控制模块相电性连接；所述航行器主体1的内部设置有加速度计和陀螺仪，加速度计和陀螺仪与控制模块相电性连接；所述航行器主体1的外壳采用防水材料制成，控制模块、状态切换模块、净浮力调节模块、动力模块、通信导航模块和电源模块的外侧均设置有防水层，且各连接处采用防水密封圈加防水胶水处理，内部各模块使用也做相应的防水处理。

所述控制模块用于控制航行器运动，控制模块采用控制器ARM9芯片用来控制舵机3的转动、电机5的转速，切换航行器的工作状态，处理定位导航信息；在空中电机5采用高转速低扭矩使航行器获得大升力，在水面及水下航行时电机5采用低转速高扭矩使得螺旋桨6有足够的动力推动航行器在航行；控制模块通过通信导航模块接收遥控器信号，用户手持遥控器对航行器进行遥控。

所述状态切换模块用于控制航行器的航行状态，主要是由舵机3和配套的传动装置控制连杆与航行器主体1的相对角度；处于飞行状态时，连杆与航行器主体1的角度为0度，连杆与航行器主体1平行，航行器主体1呈X型；水面过渡状态时，连杆与航行器主体1的角度为0度，连杆与航行器主体1平行，航行器主体1呈一字型；水面航行状态时，连杆与航行器主体1的角度为90度，连杆与航行器主体1垂直，航行器主体1呈一字型；水下航行状态时，连杆与航行器主体1的角度一般为90度，也可根据时间情况调节，航行器主体1呈一字型。

所述净浮力调节模块用于控制航行器从水面下潜到水下，水下悬浮，水下上浮到水面的切换；各连杆内部是中空的腔室，底部开有进水孔，通过上端的软管4与处在水仓室2内部的气泵相连接，调节水仓室2的水量可实现航行器的漂浮，下潜、悬浮、上浮动作；

在航行器降落到水面上时，通过主舵机7将航行器的状态切换到过度状态，再通过舵机3将水仓室2与航行器主体1的角度调节到90度，此时该状态为水面航行状态；进一步的，通过气泵将水压入水仓室2，调节各水仓室2的水量使得航行器下潜到水下或者悬浮，此时该状态为水下航行状态；从水下上浮到水面，通过气泵将水排出水仓室2来实现。

所述动力模块采用防水无刷电机5和三叶螺旋桨6，其中防水无刷电机5501、504使用顺桨，防水无刷电机5502、503使用反桨，螺旋桨6吹出的气流方向与天线8安装面相反；通过电调实现电机5转速扭矩的控制，在空中因为空气密度、粘滞系数小、阻力小采用高转速低扭矩控制航行器的飞行；在水面或水下因水的密度大、粘滞系数大、阻力大采用低转速高扭矩驱动航行器的航向。

所述通信导航模块采用2.4G的WIFI无线控制，天线8的顶端装有GPS天线8，航器的主体下表面安装有压力传感器，内部安装以加速度计和陀螺仪为主要部件的捷联式惯导系统；空中及水面航行时通过GPS确定航行器的地理位置，水下航行时以压力传感器为辅助器件，通过测得压力传感器的压力，可知道航行器的下潜深度h；通过加速度计和陀螺仪数据实时计算姿态矩阵，用姿态矩阵把导航加速度计测量的航体沿航行器坐标系轴向的加速度信息变换到导航坐标系，进行导航计算，同时从姿态矩阵的元素中提取姿态和航向信息。

所述电源模块采用多组锂离子聚合物电池供电，通过电源芯片提供不同的电压给无刷电机5、舵机3、传感器、控制模块供电。

本发明空水多栖航行器的工作模式：

在飞行模式下，此时航行器和常规的四旋翼飞行器的控制方法类似，飞行模式下的航行器可实现前进后退和升降。

在水面过渡模式下，通过目视或者激光测距仪测距，使航行器平稳缓慢地降落在水面，通过控制舵机的运动使得水仓室垂直于航行器主体并没入水下，调节水仓进水量使航行器主体底部完全接触水面且漂浮在水面；通过调节无刷电机的转速控制航行器在水面的航行速度，控制左右电机的转速差实现转向；

在水下航行模式下，在水面航行的基础上，进一步调节水仓的进水量，使得航行器下潜到水面下或者悬浮，下潜深度不超过天线的长度，航行器的水下运动控制和水面航行控制方法一致；在水下航行时通过压力传感器可测得航行器的下潜深度，航行器的水下通信依靠露在水面外的天线；若要上浮到水面上，通过将水仓里的水排尽，通过浮力的作用，航行器将上浮至水面，航行器状态恢复到水面航行状态；控制舵机将连杆收回来，恢复到飞行状态时，航行器可在水面上起飞。

一种空水多栖航行器的控制方法，包括以下步骤：

（1）多栖航行器初始化和自检：开机后航行器的各模块进入初始化和自检状态，如果各模块在设定的正常范围内则状态正常，航行器飞行状态复位（默认初始状态为飞行状态），如果各模块不在设定的正常范围内则状态不正常，通过手持遥控器终端显示异常情况，以便操作人员手动解决；

（2）多栖航行器航行的状态控制：状态分为4个状态：飞行状态、水面过渡状态（航行器漂浮在水面上）、水面航行状态（航行器的四个连杆没入水中，航行器主体底部与水面接触，顶部露在水面上）、水下航行状态（航行器整体没入水面下，只有部分天线露在水面上）；

A、航行器接收飞行指令，系统执行状态检测程序：

情形一：航行器停在陆地上，航行器执行起飞前的检查和初始化，舵机工作，航行器四个连杆打开呈X型且主体平行，航行器起飞；

情形二：航行器处于水面过渡状态，航行器执行起飞前的检查和初始化，舵机工作，航行器四个连杆从一字形切换成X型且与航行器主体平行，航行器起飞；

情形三：航行器处于水面航行状态，螺旋桨停止工作，四个连杆收回至与航行器主体平行，气泵工作，将水仓里的水排净，气泵停止工作，航行器进入航行器水面过渡状态，执行情形二的步骤，航行器起飞；

情形四：航行器处于水下航行状态，螺旋桨停止工作，气泵工作，水仓向外排水，使航行器的主体顶部露出水面后停止排水，四个连杆收回至与航行器主体平行，气泵继续工作，将水仓里的水排净，气泵停止工作，航行器进入航行器水面过渡状态，执行情形二的步骤，航行器起飞；

B、航行器接收水面过渡指令，系统执行状态检测程序：

情形一：航行器处于飞行状态，航行器处于飞行状态，通过激光测距仪测距，控制航行缓慢平稳地停在水面上，舵机工作，航行器的两个主体从X形合并成一字形，此时航行器处于水面过渡状态；

情形二：航行器处于水面航行状态，螺旋桨停止工作，四个连杆收回至与航行器主体平行，气泵工作，将水仓里的水排净，气泵停止工作，航行器进入航行器水面过渡状态；

情形三：航行器处于水下航行状态，螺旋桨停止工作，气泵工作，水仓向外排水，使航行器的主体顶部露出水面后停止排水，四个连杆收回至与航行器主体平行，气泵继续工作，将水仓里的水排净，气泵停止工作，航行器进入航行器水面过渡状态；

C、航行器接收水面航行指令，系统执行状态检测程序：

情形一：航行器处于水面过渡状态，控制四个连杆向水面下运动，使得连杆垂直与航行器主体，气泵工作使得水仓压水，调节航行器的主体的底部与水面接触，使得航行器漂浮在水面上，螺旋桨工作；

情形二：航行器处于水下航行状态，螺旋桨停止工作，气泵工作，水仓向外排水，使航行器的主体顶部露出水面后停止排水，航行器此时处于水面航行状态，螺旋桨工作；

情形三：航行器处于飞行状态，通过激光测距仪测距，控制航行缓慢平稳地停在水面上，航行器的两个主体从X形合并成一字形，此时航行器处于水面过渡状态，执行情形一；

D、航行器接收水下航行指令，系统执行状态检测程序：

情形一：航行器处于水面过渡状态，控制四个连杆向水面下运动，使得连杆垂直与航行器主体，气泵工作使得水仓压水，使得航行器下潜至水面下，气泵停止工作，螺旋桨工作；

情形二：航行器处于水面航行状态，螺旋桨停止工作，气泵工作水仓压水，使得航行器下潜到水面下，气泵停止工作，螺旋桨工作；

情形三：航行器处于飞行状态，通过激光测距仪测距，控制航行缓慢平稳地停在水面上，航行器的两个主体从X形合并成一字形，此时航行器处于水面过渡状态，执行情形一；

（3）航行器的系统实时检测当前信号强度、电池电量低于设定安全范围内，则自动返航。

当航行器处于飞行状态，电机采用高转速低扭转的方式工作，此时航行器和现有的四旋翼飞行器控制策略一致；当航行器处于水面航行或水下航行状态，电机采用低转速高扭转的方式工作，航行的航速和转向可通过控制电机的转速和左右电机的转速差来控制。

综上所述，本发明空水多栖航行器通过状态切换模块和净浮力调节模块实现航行状态的切换，空中飞行时电机采用高转速低扭矩，水面及水下航行时电机采用低转速高扭矩，实现了航行器在空中、水面及水下航行；本发明空水多栖航行器利用GPS、压力传感器、加速度计和陀螺仪实现航行器的定位和导航，通过遥控器发送指令实现航行器的航行控制；本发明空水多栖航行器可在各种复杂环境下执行不同任务，如检修，检测、航拍、水下排雷等，本发明空水多栖航行器安装的过程通过可适当通过增加配重以达到航行器的平衡。

Claims (2)

1.一种空水多栖航行器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）多栖航行器初始化和自检：开机后航行器的各模块进入初始化和自检状态，如果各模块在设定的正常范围内则状态正常，航行器飞行状态复位（默认初始状态为飞行状态），如果各模块不在设定的正常范围内则状态不正常，通过手持遥控器终端显示异常情况，以便操作人员手动解决；

（2）多栖航行器航行的状态控制：状态分为4个状态：飞行状态、水面过渡状态（航行器漂浮在水面上）、水面航行状态（航行器的四个连杆没入水中，航行器主体底部与水面接触，顶部露在水面上）、水下航行状态（航行器整体没入水面下，只有部分天线露在水面上）；

A、航行器接收飞行指令，系统执行状态检测程序：

情形一：航行器停在陆地上，航行器执行起飞前的检查和初始化，舵机工作，航行器四个连杆打开呈X型且主体平行，航行器起飞；

情形二：航行器处于水面过渡状态，航行器执行起飞前的检查和初始化，舵机工作，航行器四个连杆从一字形切换成X型且与航行器主体平行，航行器起飞；

情形三：航行器处于水面航行状态，螺旋桨停止工作，四个连杆收回至与航行器主体平行，气泵工作，将水仓里的水排净，气泵停止工作，航行器进入航行器水面过渡状态，执行情形二的步骤，航行器起飞；

情形四：航行器处于水下航行状态，螺旋桨停止工作，气泵工作，水仓向外排水，使航行器的主体顶部露出水面后停止排水，四个连杆收回至与航行器主体平行，气泵继续工作，将水仓里的水排净，气泵停止工作，航行器进入航行器水面过渡状态，执行情形二的步骤，航行器起飞；

B、航行器接收水面过渡指令，系统执行状态检测程序：

情形一：航行器处于飞行状态，航行器处于飞行状态，通过激光测距仪测距，控制航行缓慢平稳地停在水面上，舵机工作，航行器的两个主体从X形合并成一字形，此时航行器处于水面过渡状态；

情形二：航行器处于水面航行状态，螺旋桨停止工作，四个连杆收回至与航行器主体平行，气泵工作，将水仓里的水排净，气泵停止工作，航行器进入航行器水面过渡状态；

情形三：航行器处于水下航行状态，螺旋桨停止工作，气泵工作，水仓向外排水，使航行器的主体顶部露出水面后停止排水，四个连杆收回至与航行器主体平行，气泵继续工作，将水仓里的水排净，气泵停止工作，航行器进入航行器水面过渡状态；

C、航行器接收水面航行指令，系统执行状态检测程序：

情形一：航行器处于水面过渡状态，控制四个连杆向水面下运动，使得连杆垂直与航行器主体，气泵工作使得水仓压水，调节航行器的主体的底部与水面接触，使得航行器漂浮在水面上，螺旋桨工作；

情形二：航行器处于水下航行状态，螺旋桨停止工作，气泵工作，水仓向外排水，使航行器的主体顶部露出水面后停止排水，航行器此时处于水面航行状态，螺旋桨工作；

情形三：航行器处于飞行状态，通过激光测距仪测距，控制航行缓慢平稳地停在水面上，航行器的两个主体从X形合并成一字形，此时航行器处于水面过渡状态，执行情形一；

D、航行器接收水下航行指令，系统执行状态检测程序：

情形一：航行器处于水面过渡状态，控制四个连杆向水面下运动，使得连杆垂直与航行器主体，气泵工作使得水仓压水，使得航行器下潜至水面下，气泵停止工作，螺旋桨工作；

情形二：航行器处于水面航行状态，螺旋桨停止工作，气泵工作水仓压水，使得航行器下潜到水面下，气泵停止工作，螺旋桨工作；

情形三：航行器处于飞行状态，通过激光测距仪测距，控制航行缓慢平稳地停在水面上，航行器的两个主体从X形合并成一字形，此时航行器处于水面过渡状态，执行情形一；

（3）航行器的系统实时检测当前信号强度、电池电量低于设定安全范围内，则自动返航。

2.根据权利要求1所述的空水多栖航行器的控制方法，其特征在于，当航行器处于飞行状态，电机采用高转速低扭转的方式工作，此时航行器和现有的四旋翼飞行器控制策略一致；当航行器处于水面航行或水下航行状态，电机采用低转速高扭转的方式工作，航行的航速和转向可通过控制电机的转速和左右电机的转速差来控制。