CN108216532A - 固定翼海空多栖航行器与控制方法 - Google Patents

固定翼海空多栖航行器与控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种固定翼海空多栖航行器，包含外壳组件、飞行组件以及气动浮力组件；所述飞行组件包含固定翼(3)与旋翼组件，固定翼(3)与旋翼组件均安装在外壳组件上；所述气动浮力组件包含气囊与充排气结构，气囊与充排气结构相连，充排气结构能够对气囊进行充气与排气；气囊安装在外壳组件上，外壳组件内部形成容物空间，充排气结构部分或整体位于容物空间内。本发明还提供了一种使用上述固定翼海空多栖航行器的控制方法。本发明提供的固定翼海空多栖航行器，可实现空中大范围飞行观测，也可实现水下长航程滑翔观测，并且依靠所具备的垂直起降功能实现在水、空中不同运动模式的切换。

Description

固定翼海空多栖航行器与控制方法
技术领域
本发明涉及一种航行器，具体地，涉及一种固定翼海空多栖航行器与控制方法。
背景技术
水下滑翔机作为新兴的水下移动观测平台，以其低功耗、长航程、造价低等优势在海洋资源勘探、环境监测、海底侦查等军事、民用领域表现出了越来越重要的应用价值。它通过浮力调节机构改变自身的净浮力和姿态调节机构调整内部重心位置，从而完成上浮、下潜动作和俯仰角、横滚角的调节。滑翔机仅依靠净浮力作为驱动力，其航行速度和机动性能都不及其他螺旋桨驱动的水下航行器。目前国内外已开发出多款水下滑翔机，如国外研制的Slocum、Seaglider和Spray等多种水下滑翔机等，国内有天津大学研制的“海燕”号，中国科学院沈阳自动化所研制的“海翼”号，上海交通大学研制的“海鸥”号等等。然而水下滑翔机其主要功能是实现水下的观测和探测，无法实现空中或者海空联合观测，并需要水面支持系统进行吊放和回收。
常见的无人飞行器有固定翼无人机和旋翼无人机；固定翼无人机主要靠机翼产生升力平衡飞机重量，其飞行速度快，航程和巡航时间长，但起降距离长，不能垂直起降、悬停，机动性较差。多旋翼飞行控制比较简单，可实现无人机的垂直升降、悬停、前进后退等多个动作，机动性比较灵活，但旋翼无人机效率远不如固定翼无人机，功耗大，飞行阻力大，因而影响飞行速度以及续航时间。无人机飞行操作相对简单，智能化程度高，可按预定航线自主飞行、摄像，实时提供监测数据和视频，但同样它的功能也有限，无法对特定海域进行水面和水下的探测和采样。
国外研究机构近期开展了多项旋翼海空两栖航行器的研究。美国乔治亚理工大学发布GTQ-Cormorant样机,其采用无线遥控方式，搭载小型摄像机，水池实验验证了该原理样机空中飞行和潜水的功能，但其续航能力及其有限。美国罗格斯大学发布的Naviator通过共轴布置的两套螺旋桨实现空中和水中运动的切换,并且水池实验验证了该潜水器可在水空两种介质中运动的能力。但Naviator需以线控方式操作，大大限制了飞行和潜航航程，而且该样机没有任何负载能力，难以进行侦测或搜救任务。美国奥克兰大学于研制的LoonCopter采用无线遥控方式，通过抽排水机构实现潜水器的出入水切换，并水池试验验证能够完成在空中、水面及水下数米的运动和拍摄任务。当前国外研制的海空两栖航行器都采用旋翼类型，其共同的缺点是空中和水下的续航能力都及其有限，无法满足长时序海空联合观测的需求。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种固定翼海空多栖航行器与控制方法。
根据本发明提供的固定翼海空多栖航行器，包含外壳组件、飞行组件以及气动浮力组件；
所述飞行组件包含固定翼与旋翼组件，固定翼与旋翼组件均安装在外壳组件上；
所述气动浮力组件包含气囊与充排气结构，气囊与充排气结构相连，充排气结构能够对气囊进行充气与排气；
气囊安装在外壳组件上，外壳组件内部形成容物空间，充排气结构部分或整体位于容物空间内。
优选地，所述旋翼组件包含依次连接的旋翼支撑杆、电机固定基座、电机、桨体；
多个旋翼组件沿外壳组件周向方向布置。
优选地，所述桨体包含自折叠桨，自折叠桨包含自折叠桨桨毂与自折叠空气桨；
所述电机包含防水无刷电机。
优选地，充排气结构包含气瓶、电磁阀、充气管密封穿舱件以及排气管密封穿舱件；
多个电磁阀包含充气电磁阀与排气电磁阀；
气瓶、充气管密封穿舱件、气囊、排气管密封穿舱件依次连接。
优选地，所述气囊包含环形气囊，环形气囊套接在外壳组件上；
环形气囊上设置有安全阀。
优选地，所述容物空间内还设置有深度传感器、接收机、电调、电池以及控制器；
所述电调包含四合一电调，电池包含锂电池；
所述气囊上设置有压力传感器。
优选地，所述控制器包含以下模块：
信号获取模块：获取深度信号、压力信号以及远程控制信号；
飞行控制模块：控制飞行组件的运行；
浮力控制模块：控制气动浮力组件的运行。
优选地，所述外壳组件包含依次连接的底部密封端盖、耐压密封壳体、顶部密封舱盖、顶部导流罩；
所述底部密封端盖为球形，所述顶部导流罩为椭球形。
优选地，外壳组件上设置有机架固定板与固定翼支撑环；
旋翼组件、固定翼分别通过机架固定板、固定翼支撑环紧固连接在外壳组件上；
多个固定翼支撑环包含沿外壳组件轴向方向布置的上固定翼支撑环与下固定翼支撑环。
本发明还提供了一种使用上述的固定翼海空多栖航行器的控制方法，包含以下步骤：
出水步骤：令充气电磁阀打开，环形气囊中充气，当环形气囊中气压到达设定值时，关闭充气电磁阀，令防水无刷电机运行，自折叠桨转动并张开；
飞行姿态调节步骤：控制四合一电调，控制对多个防水无刷电机的输出电流，令多个自折叠桨之间产生转速差；
入水步骤：令防水无刷电机关闭，自折叠桨收缩，令排气电磁阀打开，环形气囊排气，当环形气囊中气压到达设定值时，关闭排气电磁阀；
水下滑翔步骤：控制充气电磁阀与排气电磁阀的打开或关闭，使环形气囊体积变化。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的固定翼海空多栖航行器，可实现空中大范围飞行观测，也可实现水下长航程滑翔观测，并且依靠所具备的垂直起降功能实现在水、空中不同运动模式的切换。
2、本发明摒弃传统水下滑翔机所用的浮力调节方案，采用以依靠气体改变机体浮力的新型浮力调节方式，从最大程度上简化航行器的功能子系统重量和复杂程度，既保留了传统水下滑翔机浮力调节能力，同时还有利于减轻机体重量，提升飞行能力。
3、本发明可根据需求改变环形气囊的充气量，同时实现对净浮力和姿态角的耦合控制。
4、本发明将固定翼与旋翼飞行器的设计理念进行融合，通过在固定翼海空多栖航行器上集成旋翼动力系统和固定翼动力系统，实现海空跨介质运动功能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为固定翼海空多栖航行器的结构图；
图2为固定翼海空多栖航行器的透视图；
图3为固定翼海空多栖航行器多模式运动与切换的示意图。
图中示出：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“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。
如图1所示，本发明提供的固定翼海空多栖航行器，其特征在于，包含外壳组件、飞行组件以及气动浮力组件。所述飞行组件包含固定翼3与旋翼组件，所述气动浮力组件包含气囊与充排气结构，气囊与充排气结构相连，充排气结构能够对气囊进行充气与排气，外壳组件内部形成容物空间，充排气结构部分或整体位于容物空间内。实施例中，外壳组件包含依次连接的底部密封端盖1、耐压密封壳体2、顶部密封舱盖7、顶部导流罩6。底部密封端盖1为球形，不仅用于对耐压密封壳体2的底端面进行耐压密封，还可利用其流线外形优势减小水下滑翔运动的水阻；顶部密封舱盖7用于对耐压密封壳体2的顶端密封耐压保护；椭球形顶部导流罩6有利于改善航行器在空气和水中前进时的首部流场，降低运动阻力；耐压密封壳体2用于对航行器的所有需进行隔水处理的部件进行防水耐压保护，同时提供主要的机体浮力。外壳组件上设置有机架固定板8与固定翼支撑环，旋翼组件、固定翼3分别通过机架固定板8、固定翼支撑环紧固连接在外壳组件上，多个固定翼支撑环包含沿外壳组件轴向方向布置的上固定翼支撑环9与下固定翼支撑环14。在水平飞行模式下，固定翼3可以提供升力以平衡机体重力，使发明保持平稳的飞行。所述气囊包含环形气囊4，环形气囊4套接在耐压密封壳体2的上端，在使用过程中，环形气囊4所在的位置也是水下滑翔模式与控控飞行模式的首部。通过对环形气囊4进行充气或排气，改变环形气囊4的排水体积，从而给本发明的机体提供不同的水下净浮力，进而驱动机体做锯齿形滑翔运动。所述旋翼组件包含依次连接的旋翼支撑杆5、电机固定基座10、电机、桨体，多个旋翼组件沿外壳组件周向方向布置，实施例中，机架固定板8位于耐压密封壳体2的上端，并使用了四个旋翼组件沿周向均匀布置，所述电机包含防水无刷电机11，所述桨体包含自折叠桨，自折叠桨包含自折叠桨桨毂12与自折叠空气桨13，所述自折叠空气桨13安装在自折叠桨桨毂12上，自折叠空气桨13的桨叶能够在张开状态与收缩状态这两种状态之间转换。防水无刷电机11则以向下倒置的朝向固定于电机固定基座10上，通过防水无刷电机11带动自折叠桨桨毂12进行高速旋转，产生机体垂直起降所需的升力以及水平飞行时所需的前进动力。
如图2所示，充排气结构包含气瓶、电磁阀15、充气管密封穿舱件19以及排气管密封穿舱件20，多个电磁阀15包含充气电磁阀与排气电磁阀。环形气囊4上设置有安全阀18，环形气囊4内设置有压力传感器22。所述容物空间内还设置有深度传感器21、接收机23、电调、电池以及控制器17。实施例中，所述气瓶为储存高压气体的高压气瓶16，所述电调为四合一电调24，电池为锂电池25。优选例中，所述电调也可以是四个单独的电调，所述电池类型也可以根据使用需求进行选择。控制器包含以下模块：信号获取模块：获取深度信号、压力信号以及远程控制信号；飞行控制模块：控制飞行组件的运行；浮力控制模块：控制气动浮力组件的运行。
两个电磁阀15以及高压气瓶16是气动浮力组件的主要执行元件，通过按需求调整两个电磁阀15的开闭，可实现利用高压气瓶16内部的高压气体对环形气囊4的充气或将环形气囊4内的气体排出外界，从而达到改变航行器在水下浮力的目的。控制器17是航行器的控制核心，依据所搭载的传感器对外界环境进行分析处理，并且依据操作者的控制指令指挥动力系统动作，使航行器达到指定的运动效果；安全阀18直接与环形气囊4连通，直接感知环形气囊4的充气状态，防止其过充发生爆炸；充气管密封穿舱件19和排气管密封穿舱件20均是将耐压密封壳体2内部的气路与外部环形气囊23连接的必需连接件；深度传感器21能够感知航行器当前所在的水深或海拔高度，为控制器17的控制决策提供必要的外界环境参数；气囊内部的气体压力传感器22用于实时感知环形气囊4内部的充气压力，反馈给控制器17生成浮力调节动作指令的判断依据；接收机23用于无限远程接收来自操作者的遥控指令，并将其传达给控制器17；四合一电调24用于控制防水无刷电机11的转速，从而产生不同的旋翼升力；锂电池25用于为所有设备的电能供给。
本发明还提供了一种使用上述的固定翼3海空多栖航行器的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：出水步骤：令充气电磁阀打开，环形气囊4中充气，当环形气囊4中气压到达设定值时，关闭充气电磁阀，令自折叠桨张开，令防水无刷电机11运行，自折叠桨转动；飞行姿态调节步骤：控制四合一电调24，控制对多个防水无刷电机11的输出电流，令多个自折叠桨之间产生转速差；入水步骤：令防水无刷电机11关闭，令自折叠桨收缩，令排气电磁阀打开，环形气囊4排气，当环形气囊4中气压到达设定值时，关闭排气电磁阀；水下滑翔步骤：控制充气电磁阀与排气电磁阀的打开或关闭，使环形气囊4体积变化。
如图3所示，本发明提供的固定翼海空多栖航行器，可实现空中大范围飞行观测，也可实现水下长航程滑翔观测，并且依靠所具备的垂直起降功能实现在水、空中不同运动模式的切换。当本发明从水下滑翔模式转为固定翼平飞模式时，首先控制器17会发出指令，使充气电磁阀打开，高压气瓶16内的气体通过气体管路流经充气电磁阀后到达环形气囊4，从而对环形气囊4进行充气动作，环形气囊4膨胀，机体的浮力增加。待浮力超过重力后，机体开始上浮，直至环形气囊4内压力达到设定值，也就是说环形气囊4膨胀到预设最大体积后，控制器17发出指令使充气电磁阀关闭，从而停止对环形气囊4的充气动作，最终环形气囊4一直保持在最大体积状态，直至机体浮出水面。在环形气囊4充气机体上浮的过程中，机体姿态也在不断发生变化，即机首不断抬高，机身逐渐接近竖直状态，当环形气囊4达到最大体积时，机身姿态角达到最大，接近竖直状态，为机体的垂直出水做好姿态准备。机体到达水面后，控制器17对四合一电调24发出油门指令，四合一电调24对油门指令进行处理，对四个防水无刷电机11输出控制电流使其高速转动，此时自折叠空气桨13在防水无刷电机11的带动下产生旋转，自折叠空气桨13的桨叶在离心力和因自身运动产生的升力作用下甩开升起，直至变为张开状态，最后能够稳定地为航行器的垂直起降和水平飞行提供所需的动力。当自折叠空气桨13提供的升力进一步增大至克服了机体重力和外部流场阻力后，航行器实现垂直升空出水。在航行器升空到达一定高度后，控制器17对四个自折叠空气桨13进行转速差控制，使每个自折叠空气桨13产生不同的拉力，最终产生使机体发生倾斜的俯仰力矩，使机身不断倾斜。由于自折叠空气桨13产生的拉力始终指向机首方向，所以在机体发生倾斜的同时，航行器能同时向前加速飞行。随着水平速度的增加，固定翼3的气动力学效应逐渐增加，其提供的升力逐渐加大。该升力弥补了四个自折叠空气桨13的拉力因逐渐指向水平方向而损失的垂向拉力，起到了平衡机身重力的作用。最终，航行器稳定在固定翼平飞模式。当航行器从固定翼平飞模式转为水下滑翔模式时，控制器17首先通过控制四合一电调24指挥四个防水无刷电机11产生转速差，从而使四个自折叠空气桨13产生合力产生一个使得机身由水平转为竖直的俯仰力矩，使得机身逐渐竖直。在此过程中，由于自折叠空气桨13的拉力逐渐向竖直朝上的方向转动，航行器的前向运动推力逐渐减小，在阻力的作用下，速度逐渐降低，导致固定翼3产生的升力下降。这个过程中，控制器17需要依据自身的传感器返回的状态数据，不断调整防水无刷电机11的转速，修正四个自折叠空气桨13提供的升力，使其在竖直方向的分力不断增加以同步克服固定翼3因速降损失的升力，已达到平衡重力的目的。待航行器在空中悬停稳定后，控制器17指挥空气自折叠桨13降低转速，减小升力，使航行器下降。在航行器稳定降落在水面上后，关闭防水无刷电机11，自折叠空气桨13的桨叶沿机身轴线方向向下收拢，以减小在水中运动的阻力。之后，控制器17通过控制充气电磁阀与排气电磁阀开闭，可有目的地控制环形气囊4的排水体积，从而实现航行器的浮力调节。由于环形气囊至于机首部，环形气囊4的膨胀，不单使得机体上浮，还使得浮心前移，产生一个艉倾的俯仰力矩，使得机身产生与滑翔机上浮运动相应的纵倾角，而环形气囊4的收缩，则会使得机体在下沉的同时，浮心后移，产生一个艏倾的俯仰力矩，使得机身产生与滑翔机下潜运动相应的纵倾角。最终，航行器产生锯齿状的水下滑翔运动。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种固定翼海空多栖航行器，其特征在于，包含外壳组件、飞行组件以及气动浮力组件；
所述飞行组件包含固定翼(3)与旋翼组件，固定翼(3)与旋翼组件均安装在外壳组件上；
所述气动浮力组件包含气囊与充排气结构，气囊与充排气结构相连，充排气结构能够对气囊进行充气与排气；
气囊安装在外壳组件上，外壳组件内部形成容物空间，充排气结构部分或整体位于容物空间内。
2.根据权利要求1所述的固定翼海空多栖航行器，其特征在于，所述旋翼组件包含依次连接的旋翼支撑杆(5)、电机固定基座(10)、电机、桨体；
多个旋翼组件沿外壳组件周向方向布置。
3.根据权利要求2所述的固定翼海空多栖航行器，其特征在于，所述桨体包含自折叠桨，自折叠桨包含自折叠桨桨毂(12)与自折叠空气桨(13)；
所述电机包含防水无刷电机(11)。
4.根据权利要求1所述的固定翼海空多栖航行器，其特征在于，充排气结构包含气瓶、电磁阀(15)、充气管密封穿舱件(19)以及排气管密封穿舱件(20)；
多个电磁阀(15)包含充气电磁阀与排气电磁阀；
气瓶、充气管密封穿舱件(19)、气囊、排气管密封穿舱件(20)依次连接。
5.根据权利要求4所述的固定翼海空多栖航行器，其特征在于，所述气囊包含环形气囊(4)，环形气囊(4)套接在外壳组件上；
环形气囊(4)上设置有安全阀(18)。
6.根据权利要求1所述的固定翼海空多栖航行器，其特征在于，所述容物空间内还设置有深度传感器(21)、接收机(23)、电调、电池以及控制器(17)；
所述电调包含四合一电调(24)，电池包含锂电池(25)；
所述气囊上设置有压力传感器(22)。
7.根据权利要求6所述的固定翼海空多栖航行器，其特征在于，所述控制器(17)包含以下模块：
信号获取模块：获取深度信号、压力信号以及远程控制信号；
飞行控制模块：控制飞行组件的运行；
浮力控制模块：控制气动浮力组件的运行。
8.根据权利要求1所述的固定翼海空多栖航行器，其特征在于，所述外壳组件包含依次连接的底部密封端盖(1)、耐压密封壳体(2)、顶部密封舱盖(7)、顶部导流罩(6)；
所述底部密封端盖(1)为球形，所述顶部导流罩(6)为椭球形。
9.根据权利要求8所述的固定翼海空多栖航行器，其特征在于，外壳组件上设置有机架固定板(8)与固定翼支撑环；
旋翼组件、固定翼(3)分别通过机架固定板(8)、固定翼支撑环紧固连接在外壳组件上；
多个固定翼支撑环包含沿外壳组件轴向方向布置的上固定翼支撑环(9)与下固定翼支撑环(14)。
10.一种使用权利要求1至9中任一项所述的固定翼海空多栖航行器的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：
出水步骤：令充气电磁阀打开，环形气囊(4)中充气，当环形气囊(4)中气压到达设定值时，关闭充气电磁阀，令防水无刷电机(11)运行，自折叠桨转动并张开；
飞行姿态调节步骤：控制四合一电调(24)，控制对多个防水无刷电机(11)的输出电流，令多个自折叠桨之间产生转速差；
入水步骤：令防水无刷电机(11)关闭，自折叠桨收缩，令排气电磁阀打开，环形气囊(4)排气，当环形气囊(4)中气压到达设定值时，关闭排气电磁阀；
水下滑翔步骤：控制充气电磁阀与排气电磁阀的打开或关闭，使环形气囊(4)体积变化。
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