CN108656885A - 倾转旋翼海空两栖机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明属于飞行器控制工程及海洋工程领域，具体地说是一种倾转旋翼海空两栖机器人，机架为多个、沿防水电子舱的圆周方向均布，每个机架的一端均与防水电子舱连接，另一端安装有防水电机或舵机，每个舵机上均铰接有旋翼，旋翼的一端与舵机铰接，另一端安装有防水电机，各防水电机的输出端均连接有螺旋桨；防水电子舱安装有接收遥控器无线控制信号的无线收发模块，各防水电机及各舵机的电源线由各机架内部走线，并穿过防水电子舱与无线收发模块相连；安装于旋翼上的防水电机在两栖机器人处于水下姿态时随旋翼由舵机驱动倾转。本发明具有空中和水下两种介质的运动能力，具有稳定的跨界质运动能力。
Description
技术领域
本发明属于飞行器控制工程及海洋工程领域，具体地说是一种倾转旋翼海空两栖机器人，可应用于搜寻水面上或水下失踪人员，检查失事船只、水下桥梁、油井、码头等建筑的情况，勘探水下矿藏，监控海面漏油扩散情况等。
背景技术
随着国家海洋战略的颁布和实施，对海洋探测和作业载体的相关研究也更加受到各研究机构的重视。传统的水下机器人包括载人潜水器、有缆操控的遥控潜水器、可在水中自主航行的自治水下机器人等。随着无人飞行器和无人潜水器技术的发展，既能在空中飞行又能在水中潜航的海空两栖机器人具有了更大的作业范围。由于具有空中、水面、水下通行能力，因此该两栖机器人结合了飞行机器人和水下机器人两者的优点，既弥补了两种机器人各自的缺点又可以完成两者单独作业时无法完成的任务。因而研制出一种结构简单紧凑，性能稳定可靠，低成本的倾转旋翼海空两栖机器人已成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、性能稳定可靠、低成本的倾转旋翼海空两栖机器人。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明包括机架、防水电子舱、防水电机、舵机、螺旋桨及旋翼，该机架为多个、沿防水电子舱的圆周方向布置，每个所述机架的一端均与防水电子舱连接，其中两个机架的轴向中心线共线，且与所述防水电子舱的轴向中心线垂直相交，这两个机架的另一端分别安装有舵机，每个所述舵机上均铰接有旋翼，该旋翼的一端与舵机铰接，另一端安装有防水电机，其余机架的另一端直连有防水电机，各所述防水电机的输出端均连接有螺旋桨；所述防水电子舱安装有接收遥控器无线控制信号的无线收发模块，各所述防水电机及各所述舵机的电源线由各所述机架内部走线，并穿过所述防水电子舱与所述无线收发模块相连；各所述防水电机输出轴的轴向在两栖机器人处于空中姿态时为竖直方向，驱动各所述螺旋桨旋转、实现两栖机器人空中飞行，安装于所述旋翼上的两个所述防水电机在两栖机器人处于水下姿态时随旋翼由舵机驱动倾转至输出轴的轴向为水平方向，输出轴的轴向为水平方向的各所述防水电机驱动螺旋桨旋转、实现两栖机器人在水下运动；
其中：所述机架为大于或等于四的偶数个，两两一组，每组中的两个机架的轴向中心线共线，且与所述防水电子舱的轴向中心线垂直相交，其中一组的两个机架的另一端安装舵机；
所述机架为四个，呈“十”字型连接于所述防水电子舱上，该“十”字一条边的两个机架的另一端安装舵机，另一条边的两个机架的另一端直接安装防水电机；
所述机架为六个，一组的两个机架的另一端安装舵机，另外两组的四个机架的另一端直连防水电机；
所述机架为中空结构，所述防水电子舱包括彼此密封连接的舱盖和舱体，各所述机架的一端连接于该舱盖上，所述舱盖上沿圆周方向均匀开设有数量与机架相同的电缆穿壁孔，各所述防水电机及各所述舵机的电源线由各所述机架内部经过，并由所述电缆穿壁孔穿过；
各所述机架等高设置；
所述防水电机通过斯特封进行轴向密封，线圈引出线的端部采用环氧树脂封装；
所述无线收发模块的天线呈螺旋状缠绕在防水电子舱的内壁上。
本发明的优点与积极效果为：
1.本发明既可以在空中飞行，也可以在水面滑行，还可以在水中航行：本发明在执行完一个观测点的采样或观测任务后，可飞到空中，以飞行方式到达下一个任务点，而在空中飞行和水面滑行的状态下，可利用卫星定位系统进行导航定位，卫星导航定位系统体积小、功耗低、价格便宜，而精度远高于水下导航定位系统；在速度上，常规水下机器人水中潜行速度一般不超过5节(5节大概相当于9公里每小时)，而一般四旋翼飞行器的飞行速度都在20公里每小时以上。
2.有一对角旋翼可以改变倾转角度：由于四旋翼机体在水中受到的阻力远大于空气中的阻力，因此四旋翼机器人在水中进行前进、后退及平移运动时，机身需要倾斜很大角度，由于海流的影响，这将使得对旋翼机器人机身的姿态控制很难完成；本发明采用舵机改变一对旋翼的倾斜角度，当两栖机器人水中航行时，可以将这对旋翼改变成水平推进方向，而其机架上安装的防水电机仍垂直推进，可以控制两栖机器人在水中的深度，使得两栖机器人在水中航行时姿态更加稳定、航行速度更快。
3.本发的防水电机通过采用斯特封进行轴向密封，并将线圈引出线的端部采用环氧树脂封装，防水电机和舵机的电源线均穿过机架中心，相比于传统推进器，体积更小，重量更轻，进而使得两栖机器人续航能力大大提高。
4.本发明采用3D打印技术制作防水电子舱，不用制作模具，成本低，易实现。
附图说明
图1为本发明实施例一空中姿态的结构主视图；
图2为本发明实施例一空中姿态的结构俯视图；
图3为本发明实施例一空中姿态产立体结构示意图；
图4为本发明实施例一水下姿态的结构俯视图；
图5为本发明实施例一水下姿态的立体结构示意图；
图6为本发明防水电机的内部结构剖视图；
图7为本发明防水电机的外部立体结构示意图；
图8为本发明无线收发模块的天线安装示意图；
图9为本发明实施例二空中姿态的结构俯视图；
图10为本发明实施例二水下姿态的结构俯视图；
其中：1为机架，2为防水电子舱，3为防水电机，4为舵机，5为螺旋桨，6为斯特封，7为天线，8为旋翼，9为舱盖。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
本发明包括机架1、防水电子舱2、防水电机3、舵机4、螺旋桨5及旋翼8，其中防水电子舱2整体呈圆柱状，包括彼此密封连接的舱盖9和舱体；机架1为多个沿防水电子舱2的舱盖9的圆周方向布置，各机架1等高设置；防水电子舱2位于各机动性架1正中间的下方，可以保证两栖机器人的重心稳定。每个机架1的一端均与舱盖9连接，其中两个机架1的轴向中心线共线，且与防水电子舱2的轴向中心线垂直相交，这两个机架1的另一端分别安装有舵机4，每个舱机4上均铰接有旋翼8，该旋翼8的一端与舵机4铰接，另一端再安装防水电机3。其余机架1的另一端直连有防水电机3，各防水电机3的输出端均连接有螺旋桨5。防水电子舱2内安装有接收遥控器无线控制信号的无线收发模块，各防水电机3及各舵机4的电源线由各机架1内部走线，并穿过防水电子舱2与无线收发模块相连；各防水电机3输出轴的轴向在两栖机器人处于空中姿态时为竖直方向，驱动各螺旋桨5旋转、实现两栖机器人空中飞行，安装于旋翼8上的各防水电机3在两栖机器人处于水下姿态时随旋翼8由舵机4驱动倾转至输出轴的轴向为水平方向，输出轴的轴向为水平方向的各防水电机3驱动螺旋桨5旋转、实现两栖机器人在水下运动。
实施例一
机架1为大于或等于四的偶数个，两两一组；如图1～8所示，本实施例的机架1为四个、分成两组，每组两个机架1，呈“十”字型连接于防水电子舱2的舱盖9上，每个机架1的一端均固接于舱盖9上，“十”字一条边的两个机架1的另一端安装舵机4，舵机4再通过旋翼8连接防水电机3；“十字”另一条边的两个机架1的另一端通过螺丝直接安装防水电机3。机架1为中空结构，舱盖9上沿圆周方向均匀开设有数量与机架1相同的电缆穿壁孔，可以方便地引出防水电机3及舵机4的电源线；本实施例的电缆穿壁孔为四个，与四个机架1一一对应；四个防水电机3及两个舵机4的电源线由各机架1内部经过，并由对应的舱盖9上的电缆穿壁孔穿过，与防水电子舱2内的电子器件相连，保证防水并且降低两栖机器人体积。
为了不影响无线信号传输，并且能够降低防水电子舱2的重量，本实施例的防水电子舱2采用透波光敏树脂材料，可以保证两栖机器人在水深20米的水中运动时操控的实时性与稳定性；防水电子舱2经过3D打印、一次成圆柱型，具有轻便、耐压、可透过无线信号的特点。防水电子舱2内安装有两栖机器人核心控制器、电机驱动板、电池、无线收发模块等电子器件，为了增强低频无线电信号的传输距离，将无线收发模块的天线7以螺旋状缠绕在防水电子舱2的内壁上。大功率低频遥控器的无线控制信号可以透过水和防水电子舱2的舱体传输给无线收发模块。
本发明的防水电机3通过防水处理后，既可以在空中飞行，也可以在水面上滑行，还可以在水下航行；防水电机3的内部通过斯特封进行轴向密封，线圈引出线的端部采用环氧树脂封装。本发明的舵机4为市购产品，购置于珠海海太克电子科技有限公司，型号为HS—646WP。
本实施例的工作原理为：
本发明既可以在空中飞行，也可以在水面上滑行，还可以在水下航行。在空中飞行时，四个防水电机3输出轴的轴向均为竖直方向，分别驱动四个螺旋桨5旋转，实现两栖机器人的空中飞行。当需要在水面滑行或水下航行时，两个舵机4可以将一对旋翼8的推进角度进行改变(倾转90°)，由垂直推进改为水平推进，另一对防水电机3仍保持竖直方向，可以调节机器人在水中的深度，这样将提高两栖机器人在水中运动的稳定性、可操纵性和抗流能力，并显著地提高两栖机器人在水中的运动速度。
大功率低频遥控器通过将无线收发模块的发射频率进行降低，经过大量实验，找到了最优的传输频率10kHz，使得无线信号在水中的传输距离更远，而且不影响无线信号的实时性。
实施例二
如图9、图10所示，本实施例与实施例一的区别在于：本实施例的机架1为六个，一组的两个机架1的另一端安装舵机4，另外两组的四个机架1的另一端直接安装防水电机3。其余均与实施例一完全相同。
本发明的机架1也可为大于三的奇数，即其中两个机架1的另一端安装舵机4、舵机4上铰接旋翼8，防水电机3再安装在旋翼8上；其余的机架1分布在这两个机架1的周围，另一端直连有防水电机3。
本发明可满足不同深度(0～200米)的水下航行深度要求，具有在空中、水面、水下自由运动的能力，性能稳定，成本低廉，针对两栖工作需求的情况提供了廉价方案。
本发明具有空中和水下两种介质的运动能力，具有稳定的跨界质运动能力，因此本发明结合了飞行机器人和水下机器人两者的优点，既弥补了两种机器人各自的缺点又可以完成两者单独作业时无法完成的任务。
Claims (8)
1.一种倾转旋翼海空两栖机器人，其特征在于：包括机架(1)、防水电子舱(2)、防水电机(3)、舵机(4)、螺旋桨(5)及旋翼(8)，该机架(1)为多个、沿防水电子舱(2)的圆周方向布置，每个所述机架(1)的一端均与防水电子舱(2)连接，其中两个机架(1)的轴向中心线共线，且与所述防水电子舱(2)的轴向中心线垂直相交，这两个机架(1)的另一端分别安装有舵机(4)，每个所述舵机(4)上均铰接有旋翼(8)，该旋翼(8)的一端与舵机(4)铰接，另一端安装有防水电机(3)，其余机架(1)的另一端直连有防水电机(3)，各所述防水电机(3)的输出端均连接有螺旋桨(5)；所述防水电子舱(2)安装有接收遥控器无线控制信号的无线收发模块，各所述防水电机(3)及各所述舵机(4)的电源线由各所述机架(1)内部走线，并穿过所述防水电子舱(2)与所述无线收发模块相连；各所述防水电机(3)输出轴的轴向在两栖机器人处于空中姿态时为竖直方向，驱动各所述螺旋桨(5)旋转、实现两栖机器人空中飞行，安装于所述旋翼(8)上的两个所述防水电机(3)在两栖机器人处于水下姿态时随旋翼(8)由舵机(4)驱动倾转至输出轴的轴向为水平方向，输出轴的轴向为水平方向的各所述防水电机(3)驱动螺旋桨(5)旋转、实现两栖机器人在水下运动。
2.根据权利要求1所述的倾转旋翼海空两栖机器人，其特征在于：所述机架(1)为大于或等于四的偶数个，两两一组，每组中的两个机架(1)的轴向中心线共线，且与所述防水电子舱(2)的轴向中心线垂直相交，其中一组的两个机架(1)的另一端安装舵机(4)。
3.根据权利要求2所述的倾转旋翼海空两栖机器人，其特征在于：所述机架(1)为四个，呈“十”字型连接于所述防水电子舱(2)上，该“十”字一条边的两个机架(1)的另一端安装舵机(4)，另一条边的两个机架(1)的另一端直接安装防水电机(3)。
4.根据权利要求2所述的倾转旋翼海空两栖机器人，其特征在于：所述机架(1)为六个，一组的两个机架(1)的另一端安装舵机(4)，另外两组的四个机架(1)的另一端直连防水电机(3)。
5.根据权利要求1所述的倾转旋翼海空两栖机器人，其特征在于：所述机架(1)为中空结构，所述防水电子舱(2)包括彼此密封连接的舱盖(9)和舱体，各所述机架(1)的一端连接于该舱盖(9)上，所述舱盖(9)上沿圆周方向均匀开设有数量与机架(1)相同的电缆穿壁孔，各所述防水电机(3)及各所述舵机(4)的电源线由各所述机架(1)内部经过，并由所述电缆穿壁孔穿过。
6.根据权利要求1所述的倾转旋翼海空两栖机器人，其特征在于：各所述机架(1)等高设置。
7.根据权利要求1所述的倾转旋翼海空两栖机器人，其特征在于：所述防水电机(3)通过斯特封进行轴向密封，线圈引出线的端部采用环氧树脂封装。
8.根据权利要求1所述的倾转旋翼海空两栖机器人，其特征在于：所述无线收发模块的天线(7)呈螺旋状缠绕在防水电子舱(2)的内壁上。
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