CN108609176A - 一种共轴倾转海空航行器 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种共轴倾转海空航行器，涉及水下空中多用途航行器领域；航行器通过共轴的海空两用的组合电机与倾转组合电机的矢量配合，实现对共轴倾转航行器在水中、空中跨介质的全方位运动。主体舱与前连接法兰、后连接法兰通过胶圈密封固连，前连接法兰与球形罩螺纹连接，主体舱、前连接法兰、后连接法兰、球形罩组成密封减阻舱体；控制面板输出信号，驱使四个步进电机与空中电机和水下推进器工作；空中航行器、步进电机的部件构成组合电机与倾转组合结构，通过矢量动力输出，实现航行器在水中、空中的运动。航行器结构简单，重量较轻。航行器运动能力强、动作灵活便捷、快速，可执行水下空中航拍、测绘工作。

Description

一种共轴倾转海空航行器

技术领域

本发明涉及水下空中多用途航行器领域，具体地说，涉及一种共轴倾转海空航行器。

背景技术

倾转航行器具备多种推进模态：普通多旋翼模态、倾转多旋翼模态和固定翼模态，使串列翼倾转旋翼航行器具备随时急速前飞、随时悬停、随时后退飞行、姿态角飞行等多种飞行能力。在多旋翼模态、倾转多旋翼模态和固定翼模态之间切换时具备高度的敏捷性，模态切换迅速，具备了传统固定翼航行器、多旋翼航行器、单旋翼航行器的综合优势。同时，水下的共轴倾转航行器发展还处于起步阶段。因此，发展一款共轴倾转海空航行器是十分必要的。

发明专利CN201710821134.3公开了“可变角度共轴倾转八旋翼飞行机器人及其工作方法”。其中，机体的四周向外伸出四个支撑臂，每个支撑臂的末端均经角度调节器连接有一对共轴倾转旋翼对，每对共轴倾转旋翼对均包含同轴的上旋翼与下旋翼，同轴的上旋翼与下旋翼的转速相同、转向相反，任意两个相邻的所述上旋翼的转速相同、转向相反，任意两个相邻的所述下旋翼的转速相同、转向相反；该发明具有结构简单操作容易，易于使用的特点，具有良好的机动性和可控性。但其只能应用于空气介质中，不能跨介质运动。

发明内容、

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种共轴倾转海空航行器；该航行器通过共轴的海空两用组合电机与倾转组合电机的矢量配合，实现航行器在水中、空中的全方位运动，实现对共轴倾转航行器跨介质的应用。航行器结构简单，重量轻，可跨介质运动，执行水下空中航拍，测绘工作。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括主体舱、前连接法兰、后连接法兰、球形罩、控制面板、摄像头、电调，电池、机架、第一前悬翼、第二前悬翼、第一后悬翼、第二后悬翼、步进电机、电机固定架、联轴器、传动轴、电机罩、水下正桨推进器、水下反桨推进器、正转电机、反转电机、正三叶螺旋桨、反三叶螺旋桨、组合电机连接座，所述主体舱为中空圆筒结构，主体舱一端与前连接法兰通过胶圈密封连接，另一端与后连接法兰通过胶圈密封固连，前连接法兰与球形罩螺纹连接，主体舱、前连接法兰、后连接法兰、球形罩组成密封减阻舱体；控制面板、摄像头、电调，电池内置在密封的主体舱内，其中，摄像头固定在球形罩内部，通过控制线与控制面板连接，并通过电源线与电池相连；机架与主体舱固定，步进电机与电机固定架通过螺栓固连，电机固定架通过螺钉固定在机架上，步进电机与传动轴通过联轴器同轴连接；

所述水下正桨推进器为顺时针旋转的推进器，空中正转电机与正三叶螺旋桨相连，空中正转电机通过螺钉与电机罩固连，电机罩轴线与水下正桨推进器轴线重合，水下正桨推进器置于电机罩内部，通过定位螺孔、螺钉与组合电机连接座固连，电机罩、水下正桨推进器、空中正转电机、正三叶螺旋桨、组合电机连接座组合构成正组合电机；所述水下反桨推进器为逆时针旋转的推进器，空中反转电机与反三叶螺旋桨相连，空中反转电机通过螺钉与电机罩固连，电机罩轴线与水下反桨推进器轴线重合，水下反桨推进器置于电机罩内部，通过定位螺孔、螺钉与组合电机连接座固连，电机罩、水下反桨推进器、空中反转电机、反三叶螺旋桨、组合电机连接座组合构成反组合电机；组合电机通过顶丝与传动轴固连，两个正组合电机分别位于航行器前右，后右两个传动轴上，两个反组合电机分别位于航行器前左，后左两个传动轴上；

所述步进电机、水下正桨推进器、水下反桨推进器、空中正转电机、空中反转电机分别通过后连接法兰与电调连接，电调与控制面板和电池相连，实现对矢量电机的控制，第一前悬翼、第二前悬翼、第一后悬翼、第二后悬翼分别固定在机架的前左位置，前右位置，后左位置，后右位置，提供升力。

所述传动轴与轴承过盈配合。

有益效果

本发明提出的一种共轴倾转海空航行器，涉及水下空中多用途航行器领域；航行器通过共轴的海空两用的组合电机与倾转组合电机的矢量配合，实现对共轴倾转航行器在水中、空中跨介质的全方位运动。主体舱与前连接法兰、后连接法兰通过胶圈密封固连，前连接法兰与球形罩螺纹连接，主体舱、前连接法兰、后连接法兰、球形罩组成密封减阻舱体；控制面板输出信号，驱使四个步进电机与空中电机和水下推进器工作；空中航行器、步进电机的部件构成组合电机与倾转组合结构，通过矢量动力输出，实现航行器在水中、空中的运动。航行器结构简单，重量较轻。航行器运动能力强、动作灵活便捷、快速，可以执行水下空中航拍，测绘工作。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种共轴倾转海空航行器作进一步详细说明。

图1为本发明共轴倾转海空航行器结构示意图。

图2为本发明共轴倾转海空航行器的水下正桨推进器安装部位示意图。

图3为本发明共轴倾转海空航行器的水下反桨推进器安装部位示意图。

图4为本发明共轴倾转海空航行器的机架结构示意图。

图5为本发明共轴倾转海空航行器轴测图。

图中

1.主体舱 2.前连接法兰 3.后连接法兰 4.球形罩 5.控制面板 6.摄像头 7.电调 8.电池 9.机架 10.第一前悬翼 11.第二前悬翼 12.第一后悬翼 13.第二后悬翼 14.步进电机 15.电机固定架 16.联轴器 17.传动轴 18.轴承 19.电机罩 20.水下正桨推进器 21.水下反桨推进器 22.正转电机 23.反转电机 24.正三叶螺旋桨 25.反三叶螺旋桨26.组合电机连接座

具体实施方式

本实施例是一种共轴倾转海空航行器。

参阅图1～图5，本实施例共轴倾转海空航行器由主体舱1、前连接法兰2、后连接法兰3、球形罩4、控制面板5、摄像头6、电调7、电池8、机架9、第一前悬翼10、第二前悬翼11、第一后悬翼12、第二后悬翼13、步进电机14、电机固定架15、联轴器16，传动轴17、轴承18、电机罩19、水下正桨推进器20、水下反桨推进器21、正转电机22、反转电机23、正三叶螺旋桨24、反三叶螺旋桨25和组合电机连接座26组成；主体舱1是外直径为110mm、长为400mm、厚度为5mm的亚克力圆筒，主体舱1一端与前连接兰2通过胶圈密封连接，主体舱1另一端与后连接法兰3通过胶圈密封连接，前连接法兰2与球形罩4进行固连，主体舱1、前连接法兰2、后连接法兰3、球形罩4组成密封减阻的舱体。控制面板5、摄像头6、电调7，电池8内置在密封的主体舱内，其中，摄像头6固定于球形罩4内部，通过控制线与控制面板5相连，通过电源线与电池8相连。控制面板5、电调7、电池8固定于主体舱1内部。机架9与密封减阻的舱体进行固定，步进电机14与电机固定架15固定连接，电机固定架15通过螺钉与机架9进行固定。步进电机14与传动轴17通过联轴器16进行同轴心固连，传动轴17与轴承18进行过盈配合，轴承18与机架9相应位置固定连接，步进电机14、电机固定架15、联轴器16、传动轴17、轴承18五个零件共四组分别安装在机架9对应位置的前左，前右，后左，后右四个位置上，控制组合电机的倾转运动。水下正桨推进器20是桨叶顺时针旋转的推进器，空中正转电机22与正三叶螺旋桨24通过螺钉相连，空中正转电机22通过螺钉与电机罩19进行固连，电机罩19轴线与水下正桨推进器20轴线重合，水下正桨推进器20置于电机罩19内部，两者四个定位螺钉孔重合与组合电机连接座26通过螺钉进行固连，电机罩19、水下正桨推进器20、空中正转电机22、正三叶螺旋桨24、组合电机连接座26组合构成正组合电机。水下反桨推进器21是桨叶逆时针旋转的推进器，空中反转电机23与反三叶螺旋桨25通过螺钉相连，空中反转电机23通过螺钉与电机罩19固定连接，电机罩19轴线与水下反桨推进器21轴线重合，水下反桨推进器21置于电机罩19内部，两者四个定位螺钉孔重合与组合电机连接座26通过螺钉进行固连，电机罩19、水下反桨推进器21、空中反转电机23、反三叶螺旋桨25、组合电机连接座26组合构成反组合电机。组合电机通过顶丝与传动轴17连接，两个正组合电机分别安装在航行器前右，后右两个传动轴17上，两个反组合电机分别安装在航行器前左，后左两个传动轴17上。步进电机14，水下正桨推进器20、水下反桨推进器21、空中正转电机22、空中反转电机23通过后法兰盘3与电调7相连，电调7与控制面板5和电池8相连，实现对矢量电机的控制。第一前悬翼10、第二前悬翼11、第一后悬翼12、第二后悬翼13分别固定在机架9的前左位置，前右位置，后左位置，后右位置，实现减阻并提供升力。

控制运动过程:

航行器整体密度略小于水的密度，在无动力输出时可以浮于水面之上。控制面板输出信号，驱使四个步进电机与空中电机和水下推进器工作，通过矢量动力输出，实现航行器在水中、空中的立体运动。

水中运动

(1)垂直运动:航行器在垂直运动时，步进电机旋转，使组合电机的轴线竖直，步进电机锁死，通过水下推进器的工作，将水向上或向下排出产生推力，实现航行器在水中的竖直运动。

(2)俯仰运动:航行器在俯仰运动时，步进电机旋转，使组合电机的轴线竖直，步进电机锁死，一对角线上两水下推进器分别实现转速上升和转速下降，另一对角线上的两个水下推进器的转速保持不变；为了不因为旋翼转速的改变引起航行器整体扭矩及总拉力改变，转速改变量的大小应相等。转速改变产生的不平衡力矩使机身发生偏转，进而实现俯仰运动。

(3)前后运动:航行器在前后运动时，步进电机旋转，使组合电机的轴线倾斜，步进电机锁死，四个水下推进器产生相同斜向下的力，竖直分量抵消重力，水平分量克服阻力实现前进与后退。

(4)转向运动:航行器在前后运动时，步进电机旋转，使组合电机的轴线倾斜，步进电机锁死，转向侧两个水下推进器产生较小的斜向下的力，与转向侧两个水下推进器产生较大的斜向下的力，竖直分量抵消重力，水平分量克服阻力实现前进与后退。两侧力的差产生扭矩实现转向。

空中运动

(1)垂直运动:航行器在垂直运动时，步进电机旋转，使组合电机的轴线竖直，步进电机锁死，通过空中电机的工作，将空气向上或向下排出产生推力，实现航行器在空中的竖直运动。

(2)俯仰运动:航行器在俯仰运动时，步进电机旋转，使组合电机的轴线竖直，步进电机锁死，一对角线上两空中电机分别实现转速上升和转速下降，另一对角线上的两个空中电机的转速保持不变；为了不因为旋翼转速的改变引起航行器整体扭矩及总拉力改变，转速改变量的大小应相等。转速改变产生的不平衡力矩使机身发生偏转，进而实现俯仰运动。

(3)前后、左右运动:实现航行器在水平面内前后、左右运动，必须在水平面内对航行器施加一定的力；当实现俯仰运动后，航行器姿态发生改变，进而加大功率，则航行器由此姿态所对应的方向前进。

(4)转向运动:航行器在前后运动时，步进电机旋转，使组合电机的轴线倾斜，步进电机锁死，转向侧两个水下推进器产生较小的斜向下的力，与转向侧两个水下推进器产生较大的斜向下的力，竖直分量抵消重力，水平分量克服阻力实现前进与后退。两侧力的差产生扭矩实现转向。

(5)滑翔运动:航行器在滑翔运动时，步进电机旋转，使组合电机的轴线水平，步进电机锁死，通过产生克服阻力的推力前进，同时依靠气动力产生升力克服大部分重力，实现在空中的长时间低能耗滑翔运动。

Claims (2)

1.一种共轴倾转海空航行器，其特征在于:包括主体舱、前连接法兰、后连接法兰、球形罩、控制面板、摄像头、电调，电池、机架、第一前悬翼、第二前悬翼、第一后悬翼、第二后悬翼、步进电机、电机固定架、联轴器、传动轴、电机罩、水下正桨推进器、水下反桨推进器、正转电机、反转电机、正三叶螺旋桨、反三叶螺旋桨、组合电机连接座，所述主体舱为中空圆筒结构，主体舱一端与前连接法兰通过胶圈密封连接，另一端与后连接法兰通过胶圈密封固连，前连接法兰与球形罩螺纹连接，主体舱、前连接法兰、后连接法兰、球形罩组成密封减阻舱体；控制面板、摄像头、电调，电池内置在密封的主体舱内，其中，摄像头固定在球形罩内部，通过控制线与控制面板连接，并通过电源线与电池相连；机架与主体舱固定，步进电机与电机固定架通过螺栓固连，电机固定架通过螺钉固定在机架上，步进电机与传动轴通过联轴器同轴连接；

所述水下正桨推进器为顺时针旋转的推进器，空中正转电机与正三叶螺旋桨相连，空中正转电机通过螺钉与电机罩固连，电机罩轴线与水下正桨推进器轴线重合，水下正桨推进器置于电机罩内部，通过定位螺孔、螺钉与组合电机连接座固连，电机罩、水下正桨推进器、空中正转电机、正三叶螺旋桨、组合电机连接座组合构成正组合电机；所述水下反桨推进器为逆时针旋转的推进器，空中反转电机与反三叶螺旋桨相连，空中反转电机通过螺钉与电机罩固连，电机罩轴线与水下反桨推进器轴线重合，水下反桨推进器置于电机罩内部，通过定位螺孔、螺钉与组合电机连接座固连，电机罩、水下反桨推进器、空中反转电机、反三叶螺旋桨、组合电机连接座组合构成反组合电机；组合电机通过顶丝与传动轴固连，两个正组合电机分别位于航行器前右，后右两个传动轴上，两个反组合电机分别位于航行器前左，后左两个传动轴上；

所述步进电机、水下正桨推进器、水下反桨推进器、空中正转电机、空中反转电机分别通过后连接法兰与电调连接，电调与控制面板和电池相连，实现对矢量电机的控制，第一前悬翼、第二前悬翼、第一后悬翼、第二后悬翼分别固定在机架的前左位置，前右位置，后左位置，后右位置，提供升力。

2.根据权利要求1所述的共轴倾转海空航行器，其特征在于:所述传动轴与轴承过盈配合。