CN109324629A

CN109324629A - 空中、水面和水下多栖航行器及其控制方法

Info

Publication number: CN109324629A
Application number: CN201710664342.7A
Authority: CN
Inventors: 连琏; 曾铮; 卢迪; 李戴维; 刘纯虎; 任平; 马厦飞
Original assignee: Shanghai Jiaotong University Ocean Underwater Engineering Research Institute Co Ltd; Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University Ocean Underwater Engineering Research Institute Co Ltd; Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2019-02-12

Abstract

本发明提供了一种空中、水面和水下多栖航行器及其控制方法，可通过岸基或船舶甲板进行飞行式布放和回收，具有空中飞行控制、定位、指定海域水面降落、自主水面巡航、自主水下航行和飞行返航的功能，可搭载两栖光学观测和水下物理化学传感器进行探测。海空多栖航行器将拓展当前自主水下观测系统和无人机在海洋观测采样应用中各自的局限，满足对特定海区同时进行空中、水面和水下的探测需求。

Description

空中、水面和水下多栖航行器及其控制方法

技术领域

本发明涉及海空多栖航行器，具体地，涉及空中、水面和水下多栖航行器及其控制方法。

背景技术

1、海洋移动观测系统研究现状。

目前国际上用于海洋移动观测的系统主要包括Argo，Glider，AUV等。1995年以来，美国先后研制出Slocum、Seaglider和Spray等多种水下滑翔机。此外，日本、法国、加拿大、新加坡等国家都开展了与水下滑翔机相关的研究工作。相对于水下滑翔机，AUV具有更好的机动性能，但是续航时间较短，目前国际上比较具有代表性AUV包括Bluefin，Remus，Hugin等。最近10年，在国家863计划以及其它部门计划的支持下，我国正大力发展Glider和AUV技术研究。目前国内开展水下航行器的研究主要有中国科学院沈阳自动化所、天津大学、西北工业大学、哈尔滨工程大学、浙江大学、中国海洋大学和上海交通大学等单位。基本掌握了Argo、Glider、AUV的核心技术，并开发出相应的产品，在相当大的程度上填补了国内的技术空白。然而各种传统的潜水器等海洋移动观测系统是水下运载平台，其主要功能是实现水下的观测、探测和作业，无法在同一平台上实现空中、水面和水下的探测，有些系统需要复杂的水面支持系统进行吊放和回收。实际上，在海洋科学、工程和军事需求中，要对特定海区同时进行空中、水面和水下的探测，如：边界流、上升流、涡旋、锋面等高时空变率海洋现象的空中观测，赤潮和石油泄漏等事件的水面监测以及水下水体剖面的物理化学参数及目标的探测。

2、海洋无人机应用现状

目前世界海洋大国都已经将无人机作为海洋监管的重要技术手段之一，海洋监测管理工作主要集中在海洋资源环境监测、海域动态监管、海洋维权执法、海洋突发情况应急响应等方面。美国于2002年提出了海岸警备队“深水计划”，通过采购包括各型无人机等各种装备与系统，提高应对海上威胁的能力。目前美国海岸警卫队根据近海和中远海不同监测范围、常规巡查和应急监测等不同应用场景，统一规划了岸基和船基两大类无人机系统，开展海上专属经济区海域空中影像采集、船舶与浮标等监测数据收集、应急条件下无人机进行海上石油平台溢油监测和海上搜救等。除美国外，欧洲海上安全局与欧洲航天局共同利用AR5“生命射线”无人机进行海上监视系统试验。将在大西洋和地中海等不同的场景下验证AR5无人机执行海上搜救、油污监测等任务的能力。

国内863计划在“十五”期间就设立了“无人机海洋遥感监测技术”课题，开展无人机海洋遥感监测领域的研究。近年来随着无人机系统技术能力的提高，以及海洋动态监测领域的现实需求，无人机在我国海洋遥感监测应用中进入了快速发展时期。国家海洋局、海事局、渔业局等海洋职能部门均在着手部署无人机海洋监视监测试点工作，通过引入灵活性和应急监测能力更强的无人机系统作为传统海洋监测手段的有效补充。无人机作为一种新的海洋遥感监测平台，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，实时提供遥感监测数据和低空视频，成为空间数据获取的重要手段，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。

3、海空两栖潜水器研究现状

国外研究机构近期开展了多项海空两栖航行器的研究。2015年11月，美国乔治亚理工大学率先发布首款海空两栖航行器GTQ-Cormorant的原理样机，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。2015年12月，美国罗格斯大学也随后发布首款海空两栖航行器Naviator的原理样机，该潜水器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海空两栖航行器在技术上还有两大难题需克服，首先，目前原理样机需连接通讯线，以线控方式操作，这样大大限制了潜航距离；另一个问题是，该原理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2016年1月也发布了海空两栖航行器Loon Copter的原理样机，Loon Copter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。该原理样机通过水池试验能够完成在空中、水面及水下数米的运动和拍摄任务。该研究仅提出航行器在空中和水下两栖运行模式，但是缺少水面运行模式。

经检索，专利文献CN105966617A、CN106828797A、CN104859391B分别公开了三种水面、水下、空中三栖无人飞行器，其给出了三栖无人飞行器的一种具体的结构。这些专利文献的不足之处在于没有对多栖航行器进行模块化设计，针对水面、水下、空中的不同需要没有明确且相对独立的功能单元，更没有总体集成单元对水面、水下、空中功能单元进行监测与控制，非常不利于多栖航行器的稳定控制与安全运行，也将影响多栖航行器维护和维修效率。这些专利文献所提出的航行器水下运动均采用螺旋桨推进，这种方式能耗较大，而航行器能携带的电能容量非常有限，这很大程度上限制了多栖航行器的续航能力，不能满足长时序观测采样需求。本发明设计的空中、水面和水下多栖航行器包括小型轻量化的水下运动单元，所述水下运动单元包括高压气瓶、气囊，通过采用高压气瓶对气囊充气及气囊对外排气完成浮力调节，通过高灵敏都压力传感器及鲁棒控制技术，实时控制排、放气体量，实现浮力及航速的精确控制，满足深海高压环境下安全准确工作的需求。此外这些专利文献的不足之处在于没有搭载光学观测和水下物理化学传感器，不能实现对特定水域同时进行空中、水面和水下的探测。

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空中、水面和水下多栖航行器及其控制方法。

根据本发明提供的一种空中、水面和水下多栖航行器，包括总体集成单元，还包括水下功能单元、空中功能单元以及水面功能单元这三种功能单元；

水下功能单元实现水下航行功能，并在水下航行过程中采集探测数据；

空中功能单元实现空中航行功能，并在空中航行过程中采集探测数据；

水面功能单元实现水面航行功能，并在水面航行过程中采集探测数据；

总体集成单元根据任务指令在水下功能单元、空中功能单元以及水面功能单元之间，切换执行动作的功能单元，并将水下功能单元采集的探测数据在空中航行或水面航行过程中发回基站或卫星。

优选地，所述总体集成单元包括：中控系统、能源供给模块、安全监测模块、通信定位模块、数据储存管理模块；

在中控系统的控制下：功能单元执行工作指令，能源供给模块提供能源分配，通信定位模块进行位置定位、工作指令接收以及探测数据回传，安全监测模块实施状态检测，数据储存管理模块存储探测数据。

优选地，所述水下功能单元包括：水下控制动力子系统、浮力调节模块、应急安全模块；水下控制动力子系统实现水下滑翔或自治航行，浮力调节模块实现水下自主浮潜，应急安全模块实现改变自重调节浮力。

优选地，所述空中功能单元包括：飞行控制动力子系统；飞行控制动力子系统实现自主飞行功能，包括从岸基或船舶甲板进行飞行式布放和回收，近海平面定高飞行与自主避障、摄像，指定海域降落以及自主返航。

优选地，所述水面功能单元包括：水面控制动力子系统；水面控制动力子系统实现水面的自主航行功能，包括水面漂浮、自主循迹。

根据本发明提供的一种上述的空中、水面和水下多栖航行器的控制方法，包括：

将任务指令上传至中控系统；其中，所述任务指令包括任务目标；任务开始后，由中控系统根据任务指令发出工作指令以激活空中功能单元，空中功能单元通过动作使多栖航行器从基站起飞升空；待多栖航行器上升到安全高度后，中控系统依据当前所处环境及接下来的任务目标的要求实施运动模式切换：

-若任务目标的要求执行空中行为，则中控系统保持唤醒空中功能单元并使空中功能单元执行相应动作；

-若任务目标的要求执行水面行为，则中控系统命令空中功能单元动作将多栖航行器移动到目标水域水面上，而后切换水面运动模式并使水面功能单元执行相应动作；

-若任务目标的要求执行水下行为，则待空中功能单元将多栖航行器移动到目标水域水面后，由水下功能单元执行相应动作。

优选地，如若执行空中任务，则在多栖航行器升空后，中控系统一直保持空中功能单元的唤醒，并保持空中功能单元工作直至任务结束；空中任务执行过程中，通信定位模块通过GPS信号，辅助以其他定位技术，如多信息源及RTK技术等，时刻获取自身所处位置的位置信息；位置信息经过处理加工反馈至中控系统，由中控系统的位置及姿态控制模块实时将反馈的位置信息与目标路径进行对比，反馈控制器依据偏差信号生成纠偏指令，下行传输给空中功能单元，执行具体的航迹纠偏动作，保证多栖航行器能够沿着预定轨迹飞行；

执行空中任务过程中，中控系统启动空中探测设备，在空中飞行过程中，实时采集所需的目标信息，将需要与基站进行实时传输的数据整理打包通过通信定位系统反向传输至基站，而将不需要实时传输的数据经处理后存入数据储存管理模块；安全监测模块实时地监控多栖航行器飞行状态，对出现的异常状况及时进行报警，安全监测模块将状态异常信号反馈至中控系统，并同时通过通信定位系统将危险信号反馈给基站；中控系统依据当前状态异常信息进行逻辑分析与处理，并自主地做出相应的应急动作，然后依据优化路径返航或原地下降至海面漂浮以等待后续救援措施。

优选地，如若执行水面任务，则在多栖航行器升空后，中控系统首先指挥空中功能单元动作，使多栖航行器飞行至目标水域上空；待到达目标位置后，中控系统指挥空中功能单元执行降落动作，使多栖航行器降落在目标水域水面；待安全监测模块检测到多栖航行器落至水面后，触发运动模式切换指令，由中控系统进行逻辑选择，主动停止空中功能单元工作并保持休眠状态，而后唤醒水面功能单元；执行水面任务过程中，水面功能单元中的水面控制动力子系统模块通过接收中控系统依据任务要求而生成的运动目标指令，生成相应的水面运动执行信号并下行传输至水面动力模块，驱使水面动力模块动作使多栖航行器在水面沿预定目标轨迹航行；中控系统启动水面探测设备，对沿途目标信息进行采集，并将数据处理加工后存储于数据存储模块或通过通信定位模块实时地反向传输至基站；安全监测模块实时地监控多栖航行器水面巡航状态，对出现的异常状况及时进行报警，安全监测模块将状态异常信号反馈至中控系统，并同时通过通信定位系统将危险信号反馈给基站；中控系统依据当前状态异常信息进行逻辑分析与处理，并自主地做出相应的应急动作，然后依据优化路径返航或原地停机漂浮以等待后续救援措施。

优选地，如若执行水下任务，则在多栖航行器升空后，中控系统首先指挥空中功能单元动作，使多栖航行器飞行至目标水域上空；待到达目标位置后，中控系统指挥空中功能单元执行降落动作，使多栖航行器降落在目标水域水面；待安全监测模块检测到多栖航行器落至水面后，触发运动模式切换指令，由中控系统进行逻辑选择，主动停止空中功能单元工作并保持休眠状态，而后唤醒水下功能单元；执行水下任务过程中，水下功能单元接收由中控系统依据任务要求生成运动目标指令，从而生成驱动水下动力模块动作的指令，水下动力模块动作，使多栖航行器在水下运动；执行水下任务过程中，中控系统启动用于水下环境探测的水下观测仪器，并使通信定位模块休眠；在多栖航行器在目标水域运动过程中，各水下观测仪器实时探测并获取沿途海洋环境数据，并将数据加工处理再存入数据存储模块；如若在出现突发紧急情况，则安全监测模块立即发出危险信号，中控系统立即指挥水下功能单元执行应急动作，确保多栖航行器在危险情况发生后自行上浮至水面，等待后续搜救措施；当完成水下采样任务后，中控系统发出上浮出水动作指令，多栖航行器的水下动力模块通过执行相应动作上浮至水面；出水后，中控系统重新唤醒通信定位模块，把在水下采集的需要及时反馈至基站的数据反向传回基站，同时还要重新进行定位校正。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明是一种全新的海空多栖航行器，可通过岸基或船舶甲板进行飞行式布放和回收，具有空中飞行控制、定位、指定海域水面降落、自主水面和水下航行和飞行返航的功能，可搭载多重传感器，进行空中、水面和水下探测。尤其是，本发明提供的空中、水面和水下多栖航行器，针对水面、水下、空中的不同需要具有明确且相对独立的功能单元，并且通过总体集成单元对水面、水下、空中功能单元进行监测与控制，极有利于多栖航行器的稳定控制与安全运行，提供多栖航行器维护和维修效率。进一步地，本发明还搭载有光学观测传感器和水下物理化学传感器，能够实现对特定水域同时进行空中、水面和水下的探测。

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为本发明提供的空中、水面和水下多栖航行器的总系统图。

图2为本发明提供的空中、水面和水下多栖航行器的工作原理结构框图。

图3为本发明提供的空中、水面和水下多栖航行器的工作流程图。

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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提出一种全新的海空多栖航行器，这是一种可同时进行空中、水面和水下探测的高机动性跨介质运载平台。可通过岸基或船舶甲板进行飞行式布放和回收，具有空中飞行控制、定位、指定海域水面降落、自主水面巡航、自主水下航行和飞行返航的功能，可搭载两栖光学观测和水下物理化学传感器进行探测。海空多栖航行器将拓展当前自主水下观测系统和无人机在海洋观测采样应用中各自的局限，满足对特定海区同时进行空中、水面和水下的探测需求。

本发明是一种可同时进行空中、水面和水下探测的高机动性跨介质运载平台，能够实现对特定海区高时空变化海洋现象同时进行立体且高精度的空中、水面和水下的探测。所述空中、水面和水下多栖航行器包括总体集成单元、水下功能单元、空中功能单元以及水面功能单元。所述总体集成单元，包括中控系统、能源供给模块、安全监测模块、通信定位模块、数据储存管理模块。

中控系统是多栖航行器的核心单元，中控系统实现对多栖航行器的总体控制，对水下、空中以及水面三大功能单元的集成、电能分配、数据存储管理、状态检测、异常处理等进行总体的调控。

水下功能单元、空中功能单元以及水面功能单元这三大功能单元可使用单种或多种能源，包括电、油、气等，并通过环境能源可进行补充。能源供给模块实现多系统多种类型耗电设备控制的能源分配控制与监控。

安全监测模块对系统状态进行实时检测，准确自主判断系统运行是否正常，并对非正常运行状态做出相应反应。非正常的运行状态包括：关键设备电量不足、超时、超深、漏水、通讯异常、供电故障以及其他不可预计故障。

通信定位模块用于定位多栖航行器的位置信息，实现地面站和飞行控制系统间的数据交互，将地面站的控制指令传输给飞行控制动力子系统，同时将航姿参考与导航系统的测量数据传输给地面站供地面站分析处理。定位技术包括但不限于GPS定位、利用多信息源定位，以及实时动态差分法RTK定位技术等；通信技术包括但不限于微波通信技术、5G通信等。

数据储存管理模块：空中、水面和水下观测采样系统将产生大量的数据，数据储存与管理模块包括多种类传感器的数据存储协议、数据集成储存模块和数据可控发送子模块。实现对观测传感器采集到的数据进行合理分类、安全储存、可控传输等功能。

所述水下功能单元，包括水下控制动力子系统、浮力调节模块、应急安全模块、水下传感器模块。水下功能单元主要通过水下控制动力子系统实现多栖航行器水下航行功能，使得多栖航行器可以在水下自主浮潜、滑翔或自治航行、可搭载多种传感器进行综合观测。水下控制动力子系统的技术方案包括但不限于通过抛载调节浮力的方式、通过抽排油改变排水体积的方式、通过充放气改变排水体积的方式、通过抽排压载水改变自重的方式等。尤其是，水下传感器模块包括水下物理化学传感器，能够对特定水域进行水面、水下的探测。

所述空中功能单元，包括飞行控制动力子系统、飞行功能模块、空中状态感知模块、视觉模块。空中功能单元主要通过飞控和动力系统实现多栖航行器的自主飞行功能，使得多栖航行器可以从岸基或船舶甲板进行飞行式布放和回收，近海平面定高飞行与自主避障、摄像，实时提供遥感监测数据，指定海域降落以及自主返航。飞行控制方式可兼具遥控式、半主动式、自主式且三种方式可自由切换。动力系统的形式包括固定翼、多旋翼、无人伞翼、扑翼式等。尤其是，所述视觉模块包括光学观测传感器，进一步结合水下物理化学传感器能够实现对特定水域同时进行空中、水面和水下的探测。

所述水面功能单元，包括水面控制动力子系统、水面运动功能模块、出入水自主感知模块。水面功能单元主要通过控制和动力系统实现多栖航行器于水面的自主航行功能，使得多栖航行器可以在水面长期漂浮，自主循迹，摄像，实时数据传输。控制方式同样可兼具遥控式、半主动式、自主式且三种方式可自由切换。动力系统的技术方案包括但不限于电机螺旋桨推进，涵道风扇螺旋桨推进，喷水喷气推进等。

在一个优选的具体实施方式中，本发明的工作过程如下：

1、根据本发明提供的多栖航行器在基站完成能源补给，设备更换并完成各项性能指标异常检测。待多栖航行器的基础准备工作全部完成后，操作员通过有线或无线通讯形式，将任务指令上传至中控系统。

2、任务开始，由中控系统发出工作指令激活空中功能单元，空中功能单元通过动作使多栖航行器从基站起飞升空。

3、待多栖航行器上升到安全高度后，中控系统依据当前所处环境及接下来的任务目标要求实施运动模式切换。若任务要求执行空中行为，则中控系统保持唤醒空中功能单元并使空中功能单元执行相应动作；若任务要求执行水面行为，则中控系统命令空中功能单元动作将多栖航行器移动到目标水域水面上，而后切换水面运动模式并使水面功能单元执行相应动作；若任务要求执行水下行为，则待空中功能单元将多栖航行器移动到目标水域水面后，由水下功能单元执行相应动作。

4、如若执行空中任务，则在多栖航行器升空后，中控系统一直保持空中功能单元的唤醒，并保持空中功能单元工作直至任务结束。空中任务执行过程中，机载通信定位模块通过GPS信号，辅助以其他定位技术，如多信息源及RTK等技术，时刻获取自身所处位置的地理坐标信息。位置信息经过处理加工反馈至中控系统，由中控系统的位置及姿态控制程序实时将反馈的位置信息与目标路径进行对比，反馈控制器依据偏差信号生成纠偏指令，下行传输给空中功能单元，执行具体的航迹纠偏动作，保证多栖航行器能够精确沿着预定轨迹飞行。

5、执行空中任务过程中，中控系统启动机上携带的空中探测设备，在空中飞行过程中，实时采集所需的目标信息，将需要与基站进行实时传输的数据整理打包通过通信定位系统反向传输至基站，而将不需要实时传输的数据经处理后存入数据储存管理模块。

6、执行空中任务过程中，安全监测模块实时地监控多栖航行器飞行状态，对出现的异常状况及时进行报警，安全监测模块将状态异常信号反馈至中控系统，并同时通过通信定位系统将危险信号反馈给基站。中控系统依据当前状态异常信息进行逻辑分析与处理，并自主地做出相应的应急动作，如立即切断数据存储设备的读写操作并断电保护，然后依据优化路径返航或原地下降至海面漂浮以等待后续救援措施。

7、若执行水面任务，则在多栖航行器升空后，中控系统首先指挥空中功能单元动作，使多栖航行器飞行至目标水域上空。待到达目标位置后，中控系统指挥空中功能单元执行降落动作，使多栖航行器缓慢平稳地降落在目标水域水面。待安全监测模块检测到多栖航行器落至水面后，触发运动模式切换指令，由中控系统进行逻辑选择，主动停止空中功能单元工作并保持其休眠状态，而后唤醒水面功能单元。

8、执行水面任务过程中，水面功能单元中的水面控制动力子系统模块通过接收中控系统依据任务要求而生成的运动目标指令，生成相应的水面运动执行信号，信号下行传输至底层水面动力模块，驱使动力模块动作使多栖航行器在水面沿预定目标轨迹航行。

9、执行水面任务过程中，中控系统启动机上携带的水面探测设备，对沿途目标信息进行采集，并将数据处理加工后存储于数据存储模块或通过通信定位模块实时地反向传输至基站。

10、执行水面任务过程中，安全监测模块实时地监控多栖航行器水面巡航状态，对出现的异常状况及时进行报警，安全监测模块将状态异常信号反馈至中控系统，并同时通过通信定位系统将危险信号反馈给基站。中控系统依据当前状态异常信息进行逻辑分析与处理，并自主地做出相应的应急动作，如立即切断数据存储设备的读写操作并断电保护，然后依据优化路径返航或原地停机漂浮以等待后续救援措施。

11、若执行水下任务，则在多栖航行器升空后，中控系统首先指挥空中功能单元动作，使多栖航行器飞行至目标水域上空。待到达目标位置后，中控系统指挥空中功能单元执行降落动作，使多栖航行器缓慢平稳地降落在目标水域水面。待安全监测模块检测到多栖航行器落至水面后，触发运动模式切换指令，由中控系统进行逻辑选择，主动停止空中功能单元工作并保持其休眠状态，而后唤醒水下功能单元。

12、执行水下任务过程中，水下功能单元接收由中控系统依据任务要求生成运动目标指令，水下控制子模块据此生成驱动底层水下动力模块动作的指令，水下动力设备接受此指令并动作，使多栖航行器在水下依据上层传来的指令运动。

13、执行水下任务过程中，中控系统启动用于水下环境探测的数据采集设备，并使通讯定位模块休眠，以节省电量。在多栖航行器在目标水域运动过程中，各水下观测仪器实时探测并获取沿途海洋环境数据，并将数据加工处理再存入数据存储模块。

14、执行水下任务过程中，如若在出现突发紧急情况，导致如下潜超深、电量不足、舱体进水等危险时，安全监测模块立即发出危险信号，中控系统立即指挥水下功能单元执行应急动作，如应急抛载等，确保多栖航行器在危险情况发生后自行上浮至水面，等待后续搜救措施。

15、当完成水下采样任务后，中控系统发出上浮出水动作指令，多栖航行器的水下动力模块通过执行相应动作上浮至水面。出水后，中控系统重新唤醒通信定位模块，把在水下采集的需要及时反馈至基站的数据反向传回基站，同时还要重新进行定位校正。

16、多栖航行器在每次执行完任务后，如剩余能源仍足够支撑新的任务，则可原地接收新的任务指令继续工作。

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化或修改，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

1.一种空中、水面和水下多栖航行器，其特征在于，包括总体集成单元，还包括水下功能单元、空中功能单元以及水面功能单元这三种功能单元；

2.根据权利要求1所述的空中、水面和水下多栖航行器，其特征在于，所述总体集成单元包括：中控系统、能源供给模块、安全监测模块、通信定位模块、数据储存管理模块；

3.根据权利要求1所述的空中、水面和水下多栖航行器，其特征在于，所述水下功能单元包括：水下控制动力子系统、浮力调节模块、应急安全模块；水下控制动力子系统实现水下滑翔或自治航行，浮力调节模块实现水下自主浮潜，应急安全模块实现改变自重调节浮力。

4.根据权利要求1所述的空中、水面和水下多栖航行器，其特征在于，所述空中功能单元包括：飞行控制动力子系统；飞行控制动力子系统实现自主飞行功能，包括从岸基或船舶甲板进行飞行式布放和回收，近海平面定高飞行与自主避障、摄像，指定海域降落以及自主返航。

5.根据权利要求1所述的空中、水面和水下多栖航行器，其特征在于，所述水面功能单元包括：水面控制动力子系统；水面控制动力子系统实现水面的自主航行功能，包括水面漂浮、自主循迹。

6.一种权利要求1至5中任一项所述的空中、水面和水下多栖航行器的控制方法，其特征在于，包括：

-若任务目标的要求执行水下行为，则待空中功能单元将多栖航行器移动到目标水域水面后，切换水下运动模式并由水下功能单元执行相应动作。

7.根据权利要求6所述的空中、水面和水下多栖航行器的控制方法，其特征在于，如若执行空中任务，则在多栖航行器升空后，中控系统一直保持空中功能单元的唤醒，并保持空中功能单元工作直至任务结束；空中任务执行过程中，通信定位模块通过GPS信号，时刻获取自身所处位置的位置信息；位置信息经过处理加工反馈至中控系统，由中控系统的位置及姿态控制模块实时将反馈的位置信息与目标路径进行对比，反馈控制器依据偏差信号生成纠偏指令，下行传输给空中功能单元，执行具体的航迹纠偏动作，保证多栖航行器能够沿着预定轨迹飞行；

8.根据权利要求6所述的空中、水面和水下多栖航行器的控制方法，其特征在于，如若执行水面任务，则在多栖航行器升空后，中控系统首先指挥空中功能单元动作，使多栖航行器飞行至目标水域上空；待到达目标位置后，中控系统指挥空中功能单元执行降落动作，使多栖航行器降落在目标水域水面；待安全监测模块检测到多栖航行器落至水面后，触发运动模式切换指令，由中控系统进行逻辑选择，主动停止空中功能单元工作并使其保持休眠状态，而后唤醒水面功能单元；执行水面任务过程中，水面功能单元中的水面控制动力子系统模块通过接收中控系统依据任务要求而生成的运动目标指令，生成相应的水面运动执行信号并下行传输至水面动力模块，驱使水面动力模块动作使多栖航行器在水面沿预定目标轨迹航行；中控系统启动水面探测设备，对沿途目标信息进行采集，并将数据处理加工后存储于数据存储模块或通过通信定位模块实时地反向传输至基站；安全监测模块实时地监控多栖航行器水面巡航状态，对出现的异常状况及时进行报警，安全监测模块将状态异常信号反馈至中控系统，并同时通过通信定位系统将危险信号反馈给基站；中控系统依据当前状态异常信息进行逻辑分析与处理，并自主地做出相应的应急动作，然后依据优化路径返航或原地停机漂浮以等待后续救援措施。

9.根据权利要求6所述的空中、水面和水下多栖航行器的控制方法，其特征在于，如若执行水下任务，则在多栖航行器升空后，中控系统首先指挥空中功能单元动作，使多栖航行器飞行至目标水域上空；待到达目标位置后，中控系统指挥空中功能单元执行降落动作，使多栖航行器降落在目标水域水面；待安全监测模块检测到多栖航行器落至水面后，触发运动模式切换指令，由中控系统进行逻辑选择，主动停止空中功能单元工作并保持休眠状态，而后唤醒水下功能单元；执行水下任务过程中，水下功能单元接收由中控系统依据任务要求生成运动目标指令，从而生成驱动水下动力模块动作的指令，水下动力模块动作，使多栖航行器在水下运动；执行水下任务过程中，中控系统启动用于水下环境探测的水下观测仪器，并使通信定位模块休眠；在多栖航行器在目标水域运动过程中，各水下观测仪器实时探测并获取沿途海洋环境数据，并将数据加工处理再存入数据存储模块；如若在出现突发紧急情况，则安全监测模块立即发出危险信号，中控系统立即指挥水下功能单元执行应急动作，确保多栖航行器在危险情况发生后自行上浮至水面，等待后续搜救措施；当完成水下采样任务后，中控系统发出上浮出水动作指令，多栖航行器的水下动力模块通过执行相应动作上浮至水面；出水后，中控系统重新唤醒通信定位模块，把在水下采集的需要及时反馈至基站的数据反向传回基站，同时还要重新进行定位校正。