CN107914845B - 一种固定翼水下无人机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下机器人技术领域，旨在提供一种固定翼水下无人机。推进器螺旋桨安装在无刷电机的驱动轴上，无刷电机固定在机身前端；侧翼和襟翼分别由对称设于机身两侧的组件组成，襟翼位于侧翼的后侧；其中，侧翼包括分别固定在机身侧面的左侧翼和右侧翼，截面呈水滴形且尾端朝向机身尾部方向；襟翼包括左襟翼和右襟翼，分别通过左舵机臂、右舵机臂与左舵机、右舵机相连，舵机固定在机身侧面；所述尾翼通过后舵机臂与后舵机相连，后舵机固定在机身尾部；推进器螺旋桨、无刷电机和尾翼的连线与机身轴线平行或重合。本发明尺寸小，重量轻，操作简便，上手容易，无需其它设备辅助。价格低廉，有明确的用途和使用价值，便于推广。

Description

一种固定翼水下无人机

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，更特别的说，是指一种固定翼水下无人机。该无人机不同于传统通过改变重力的方式实现下潜，而是利用机翼产生下潜力，能够在水面和水下自由航行的无缆遥控机器人。

背景技术

水下机器人也称无人遥控潜水器，是一种工作于水下的极限作业机器人，主要可分为：有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种。水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。近几年来，水下机器人无论是在国防军事领域还是在民用领域都有了极大的发展。随着人们对海洋的进一步认识与利用，水下机器人仍是当前研究的热点领域。

传统的水下机器人动力设计通常是在水平方向和垂直方向分别布置独立的推进装置，或者利用浮力调节装置，这样就可以分别获得前进动力与下潜动力，实现机器人在水下的上浮、下潜、前进等运动。虽然此方法可以较好的满足机器人在水下的运动需求，但是仍然存在一些弊端：1)传统水下机器人运动自由度与推进器的数目和位置相关，若要实现水下更为灵活的运动，则需要布置更多的推进器；而增加推进器的数量势必会导致机器人更加的笨重、复杂，成本也更高；2)传统水下机器人要利用垂直电机或浮力调节系统来提供机器人的下潜力，否则便不能完成下潜。

针对传统水下机器人的上述弊端，本发明是一种新型的水下无缆遥控机器人，或者说是水下固定翼无人机。通过无线遥控的方式控制无人机实现水面、水下灵活自主的运动，具有很强的实用性、便捷的可操作性以及很高的可靠性，更加适用水下、水面的侦察工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种固定翼水下无人机。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种固定翼水下无人机，包括推进器螺旋桨、无刷电机和机身；推进器螺旋桨安装在无刷电机的驱动轴上，无刷电机固定在机身前端；该水下无人机还包括位于机身侧部的侧翼和襟翼，以及位于机身尾部的尾翼；

侧翼和襟翼分别由对称设于机身两侧的组件组成，襟翼位于侧翼的后侧；其中，侧翼包括分别固定在机身侧面的左侧翼和右侧翼，截面呈水滴形且尾端朝向机身尾部方向；襟翼包括左襟翼和右襟翼，分别通过左舵机臂、右舵机臂与左舵机、右舵机相连，舵机固定在机身侧面；所述尾翼通过后舵机臂与后舵机相连，后舵机固定在机身尾部；推进器螺旋桨、无刷电机和尾翼的连线与机身轴线平行或重合。

本发明中，所述侧翼的横截面呈上下对称的水滴形状，其尾端朝向机身的尾部方向。

本发明中，还包括一个摄像机组件，摄像机组件通过蝶形调整螺母固定在机身的上部；摄像机组件由摄相机与防水保护机构组成。

本发明中，所述机身外形呈鱼雷形状。

本发明中，在机身内部设置无线信号接收器、电子调速器、电机驱动模块和电池；无线信号接收器通过电子调速器接至电源，电子调速器还通过电机驱动模块与无刷电机、左舵机、右舵机和后舵机相连；无线信号接收器与无线遥控器配套使用。

本发明中，在机身上设有一个开关，由防水帽和钮子开关组成，钮子开关接至电池的供电电路中。

本发明中，所述机身长度为300mm，侧翼翼展宽度小于200mm，尾翼长度小于80mm；无人机的整机长度小于400mm，在空气中的重量小于3kg，在水中有较小的正浮力。

本发明中，所述尾翼是平板舵叶。

本发明中，所述机身的两侧和尾部分别设有槽，左舵机、右舵机和后舵机分别嵌入对应的槽中实现定位。

本发明的实现原理：

本发明设计了一种固定翼水下无人机，该无人机抛弃原有利用垂直电机或浮力调节装置获得下潜力的方法，采用固定翼设计利用翼面上下水流流速不同获得压力差进而产生下潜力。本发明中采用了无线遥控的方法，配备水下防水摄像机，通过遥控器无线遥控无人机的推进器及舵机，由前置推进器提供前进动力，在水面航行时可以调节尾翼实现无人机的转向动作；要进入水下航行时，调节襟翼使上下翼面产生压力差进而获得下潜力，无人机入水下；要浮出水面时，向相反方向调节襟翼使上下翼面产生压力差进而获得上浮力；在水下运动时，通过调节襟翼的角度与尾翼可以实现机器人在水下的上浮、下潜、转向动作。针对传统水下机器人灵活性不高、笨重、成本高的不足，本发明中的固定翼水下无人机主要面向的水面和水下的侦察工作，具有种灵活性高、操纵性好、成本低可靠性高的特点，为日后水下机器人和载人潜水器领域的发展开辟新径。

无人机的侧翼采用对称翼型，当机身水平运动时迎角为零，其下潜力也为零；当襟翼发生转动时，根据伯努利原理：

可以定性分析出，当流体的密度ρ、重力加速度g及所在位置h不变时，根据流体的连续性假设侧翼产生了一定的迎角时会导致翼上下面的流体速度v不同，v不同导致上下翼面的压强不同从而产生一定的压力差，进而产生作用在翼面上的上浮力或者下潜力，其侧翼迎角也将会随之变化，进一步增大所产生的上浮力或下潜力；

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明尺寸小，重量轻，操作简便，上手容易，无需其它设备辅助。

(2)本发明价格低廉，有明确的用途和使用价值，便于推广。

(3)本发明与传统水下机器人相比大有不同，能为以后有翼潜水器和水下机器人的研究提供思路。

附图说明

图1是本发明的整机外形结构等轴测示意图；

图2是本发明的尾部结构示意图；

图3是本发明的侧翼翼型曲线图；

图4是本发明的内部电路示意图。

附图标记为：推进器螺旋桨1A、无刷电机1B、机身前舱2A、机身后舱2B、右侧翼3A、左侧翼3B、右襟翼4A，左襟翼4B、右舵机臂5A、左舵机臂5B、后舵机臂5C、右舵机6A，左舵机6B、后舵机6C、蝶形调整螺母7、摄像机组件8、尾翼9、防水帽10A、钮子开关10B。

具体实施方式

首先需要说明的是，本发明涉及水下机器人技术。在本发明的实现过程中，可能会涉及到软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不一一列举。另外，本发明的实现依赖于外形结构的制造与电子元器件的应用，现如今，随着制造技术的数字化现代化，外形结构的制造完全可以依赖于3D打印技术、数控机床、特种加工(如激光切割、电火花线切割)等技术制作出来。而电子元器件均为现有技术，且有成熟产品可市场购置获得，例如下面提到的电池、摄像机、电子调速器(电调)、无线遥控器、无线信号接收器等等。

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2所示，固定翼水下无人机包括一个长形的鱼雷形状的机身，由机身前舱2A和机身后舱2B组成。推进器螺旋桨1A安装在无刷电机1B的驱动轴上，无刷电机1B固定在机身前舱2A的前端；机身后舱2B的侧部布置了侧翼和襟翼，机身后舱2B的尾部布置了尾翼；摄像机组件8通过蝶形调整螺母7固定在机身后舱2B的上部；摄像机组件8由摄相机与防水保护机构组成。

侧翼和襟翼分别由对称设于机身两侧的组件组成，且襟翼位于侧翼的后侧。其中，侧翼包括分别固定在机身后舱2B侧面的左侧翼3B和右侧翼3A；左侧翼3B、右侧翼3A的横截面呈上下对称的水滴形状(如图3所示)，其尾端朝向机身后舱2B的尾部方向。襟翼包括左襟翼4B和右襟翼4A，分别通过左舵机臂5B、右舵机臂5A与左舵机6B、右舵机6A相连，左舵机6B、右舵机6A固定在机身后舱2B的侧面；尾翼9是平板舵叶，通过后舵机臂5C与后舵机6C相连，后舵机6C固定在机身后舱2B的尾部；推进器螺旋桨1A、无刷电机1B和尾翼9的连线与机身轴线平行或重合。

如图4所示，在机身内部设置无线信号接收器、电子调速器、电机驱动模块和电池；无线信号接收器通过电子调速器接至电源，电子调速器还通过电机驱动模块与无刷电机、左舵机、右舵机和后舵机相连；无线信号接收器与无线遥控器配套使用。机身上设有一个开关，由防水帽和钮子开关组成，钮子开关接至电池的供电电路中。

作为可选的方案，机身长度为300mm，侧翼翼展宽度小于200mm，尾翼长度小于80mm；无人机的整机长度小于400mm，在空气中的重量小于3kg，在水中有较小的正浮力。

下面通过具体应用实例，对本发明进行详细描述：

机身分为机身前舱2A和机身后舱2B两部分，其连接缝隙处以橡胶圈保证机身内部的水密性，机身结构的制造完全可以依赖于3D打印、数控机床、特种加工(如激光切割、电火花线切割)等技术制作出来，要对机身的表面做防水处理。机身外形采用鱼雷型流线型设计以减小阻力。装配时需要对机器人进行整体的配平，以尽可能保证无人机在水中侧翼处于同一水平面上且浸入水中。整个无人机要有稍微的正浮力，配重块选用具有标准质量的铅块。

推进器螺旋桨1A选用尼龙三叶桨，通过无刷电机1B置于锥形的机身前舱2A前端。在机身前舱2A前端有4个通孔，无刷电机1B的底座上面有4个螺纹孔分别与4个通孔对应，用螺钉将无刷电机1B固定于机身前舱2A前端。无刷电机1B的控制线路通过机身前舱2A的通孔连入内部，在缆线和孔的缝隙处固化环氧树脂防水胶起到固定与防水的作用。

分别位于机身后舱2B两侧的右侧翼3A、左侧翼3B是对称设置的，且结构外形各自完全相同。在侧翼和机身上分别开有通孔，通过螺栓联接将侧翼固定于机身上；侧翼的翼型采用NACA0018对称翼面，其翼面截面曲线如图3所示。

分别位于机身后舱2B两侧的右襟翼4A和左襟翼4B、右舵机臂5A和左舵机臂5B、右舵机6A和左舵机6B是对称设置的，且结构外形各自完全相同。舵机的输出轴前端带有螺纹孔，舵机臂上有与之对应的通孔，通过螺钉将舵机臂与舵机固定在一起；同样，通过螺钉将襟翼固定于舵机臂上，实现襟翼随着舵机臂的转动而转动的效果。舵机通过机身上的槽实现定位，然后用螺钉将舵机固定于机身上。

位于机身后舱2B尾部的后舵机6C通过槽实现定位，利用螺栓将其固定于机身尾部。舵机的信号控制线通过机身上的孔接入机身内部，在信号控制线与孔的缝隙处固化环氧树脂防水胶起到固定与防水的作用；尾翼9通过螺钉与后舵机臂5C固定在一起；

摄像机组件通过螺栓与机身连接在一起。蝶形调整螺母7可以改变摄像机的角度。利用摄像机组件可获取水下的图像或视频信息，防水保护结构则是为了相机防水；摄像机组件在水面上可以通过无线传输的方式将视频信号传输到手机、平板等移动终端，而在水下则可以利用高速内存卡记录视频和图像数据。

在本发明中，无人机的全部控制电路置于机身内部，并且进行固定，裸露的电子元器件做一定的防水处理。其内部的控制电路示意图如图4所示，12V锂电池为整个机身内部供电，电流通过电调后一部分降压为5V为无线信号接收器供电。无线信号接收器接收到无线遥控器的控制信号后，将控制信号传给电调或舵机，最终实现电调控制电机转动或者舵机角度的转动。无线遥控器与无线信号接收器通过无线电的方式实现通信。

电池采用NICJOY耐杰12V 3S锂电池；推进器配置12V无刷电机和尼龙三叶螺旋桨；所述无线遥控器采用MC6A6通道左手油门遥控器；无线信号接收器采用MC6A通用信号接收器；电机驱动模块采用好盈天行者40A无刷电机电调；舵机采用180度辉盛数码13KG双轴承金属齿轮舵机；摄像机采用山狗sj9000高清4K运动摄像机；开关装置采用钮子开关，配备防水帽；钮子开关的触点放于机器人内部，利用环氧树脂防水胶将钮子开关固定；防水帽通过螺纹与钮子开关连接到一起，保证开关的水密性。

无人机应在水面释放，释放时初始状态应为侧翼和襟翼处于同一水平面而且使机身中性轴在尾翼的中性面上；将摄像机调整好拍摄角度，然后启动并打开无线视频信号传输功能；通过控制无线遥控器的油门杆来调整电机的转速进而控制无人机的速度，通过控制舵机杆可以实现无人机的下潜、上浮、转向等多种姿态的航行。本发明中，由于无线遥控方式有一定的遥控范围(水面无阻碍遥控半径800m)，故此无人机应在可遥控范围内工作。

Claims (6)

1.一种固定翼水下无人机，包括推进器螺旋桨、无刷电机和机身；其特征在于，推进器螺旋桨安装在无刷电机的驱动轴上，无刷电机固定在机身前端；该水下无人机还包括位于机身侧部的侧翼和襟翼，以及位于机身尾部的尾翼；

侧翼和襟翼分别由对称设于机身两侧的组件组成，襟翼位于侧翼的后侧；其中，侧翼包括分别固定在机身侧面的左侧翼和右侧翼；襟翼包括左襟翼和右襟翼，分别通过左舵机臂、右舵机臂与左舵机、右舵机相连，舵机固定在机身侧面；所述尾翼通过后舵机臂与后舵机相连，后舵机固定在机身尾部；推进器螺旋桨、无刷电机和尾翼的连线与机身轴线平行或重合；

所述侧翼的横截面呈上下对称的水滴形状，其尾端朝向机身的尾部方向；

该水下无人机还包括一个摄像机组件，摄像机组件通过蝶形调整螺母固定在机身的上部；摄像机组件由摄相机与防水保护机构组成；

在机身内部设置无线信号接收器、电子调速器、电机驱动模块和电池；无线信号接收器通过电子调速器接至电源，电子调速器还通过电机驱动模块与无刷电机、左舵机、右舵机和后舵机相连；无线信号接收器与无线遥控器配套使用。

2.根据权利要求1所述的水下无人机，其特征在于，所述机身外形呈鱼雷形状。

3.根据权利要求1所述的水下无人机，其特征在于，在机身上设有一个开关，由防水帽和钮子开关组成，钮子开关接至电池的供电电路中。

4.根据权利要求1所述的水下无人机，其特征在于，所述机身长度为300mm，侧翼翼展宽度小于200mm，尾翼长度小于80mm；无人机的整机长度小于400mm，在空气中的重量小于3kg，在水中有较小的正浮力。

5.根据权利要求1所述的水下无人机，其特征在于，所述尾翼是平板舵叶。

6.根据权利要求1所述的水下无人机，其特征在于，所述机身的两侧和尾部分别设有槽，左舵机、右舵机和后舵机分别嵌入对应的槽中实现定位。

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