CN110406653A - 一种基于四旋翼的水下无人飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于四旋翼的水下无人飞行器，包括机身、双叶定距螺旋桨组件、无刷直流电动机组件、电子调速器、信号收发机、控制器、密封盖、锂离子聚合物电池和LED灯带，机身采用能分别承受空中大气压和水下10bar外部压力的丙烯酸材料，且通过四个无刷直流电机和双叶定距螺旋桨为其提供动力，并通过使用聚四氟乙烯胶及液体防水胶带对整个机体进行密封，实现了水中下潜和空中飞行的功能。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，具体为一种基于四旋翼的水下无人飞行器。
背景技术
作为一种基于四旋翼的水下无人飞行器，目前国内外尚无类似的机型面世。目前，通常意义上的“水空两栖”仅限于水面起飞或者是水面降落。几款现有的水下飞行器：2016年由深圳鳍源公司研发的一款水下机器人产品FIFISH，配有2000万像素SONYCOMS传感器，4000流明LED补光灯，续航方面，满足2小时不间断工作，下潜深度100米，双向十通道六姿态运行，可自由穿梭在珊瑚堡礁间及其他复杂的水下环境，但无法进行水面起飞和空中飞行；深之蓝发布的新型ROV系列产品“白鲨”，拥有独特的全固态推进系统与九轴全姿态平衡运动系统，同时攻克了电机在低转速下的闭环控制难题，可以实现ROV水下姿态的精确调整，无论从外观还是功能方面来讲，其更加相像于潜水艇，无法达到水空两栖的目的；约翰·霍普金斯大学应用物理实验室(APL)创造出的一款能够直接从水底起飞的无人机CRACUNS，它在不需要工作的时候，可以固定在最深几百英尺的水下基座上，并且能够在盐水中浸泡两个月后还能够正常工作，当需要它的时候，它便能挣脱支架的固定然后自动浮到水面上，并借助四旋翼升空，不过，它目前还并不能自动下潜，无法作为真正意义上的水下无人机。
因此，为解决上述水下飞行器在使用过程中出现的问题，本发明提供了一种基于四旋翼的水下无人飞行器，即可以实现水中下潜又能满足空中飞行的功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于四旋翼的水下无人飞行器，其能够解决上述现有技术中的问题。
为此，本发明采用了如下技术方案：一种基于四旋翼的水下无人飞行器，其特征在于，包括机身、双叶定距螺旋桨组件、无刷直流电动机组件、电子调速器、信号收发机、控制器、密封盖、锂离子聚合物电池和LED灯带，其中，所述双叶定距螺旋桨组件包括，双叶定距螺旋桨，螺旋桨适配器，所述双叶定距螺旋桨，通过螺旋桨适配器安装在无刷直流电动机上；所述无刷直流电动机组件包括，无刷直流电动机、电机底座和电机防水壳，所述无刷直流电动机涂抹疏水涂层后固定在电机底座上；所述电子调速器、信号收发机、控制器和锂离子聚合物电池安装在机身内部；所述无刷直流电动机、电子调速器、控制器和信号收发机均通过涂有膨胀泡沫密封胶的电线依次进行连接；所述锂离子聚合物电池通过密封后的电线分别与无刷直流电动机、电子调速器、控制器和信号收发机进行连接，并为其供电；所述密封盖过螺纹安装在圆柱形机身的上表面和下表面，并使用聚四氟乙烯胶带进行密封。
所述机身采用能分别承受空中和水下10bar外部压力的丙烯酸材料，使其能分别在空中和水下飞行100米以上。
所述无刷直流电动机和双叶定距螺旋桨组合提供动力，起飞所需推力预估值如下：其中：F表示单个无刷直流电动机与双叶定距螺旋桨的组合所产生的推力；W表示起飞时单个旋翼的负载；G表示一种基于四旋翼的水下无人飞行器总有效载荷，即一种基于四旋翼的水下无人飞行器总重量为29.4N；n表示电动机数量；k表示安全系数，根据《飞机设计手册》要求，k＝3。
采用便于拆卸的模块化设计，通过自主选择所述无刷直流电动机和双叶定距螺旋桨组合，且根据无刷直流电动机和双叶定距螺旋桨组合计算飞行器的有效载荷；通过手动更换不同长度的双叶定距螺旋桨以此来改变双叶定距螺旋桨长度，用以获得不同的水下或空中推力。
所述无刷直流电动机的数量为4个，无刷直流电动机上均涂有疏水涂层。所述密封盖部分使用聚四氟乙烯胶带密封，最后使用液体防水胶对整个机体进行彻底密封；飞行器密封盖厚度的安全系数是飞行器气缸厚度系数的2倍。
本发明的有益效果是：通过本发明提供的一种基于四旋翼的水下无人飞行器，很好的解决了现有飞行器功能单一的弊端，具有以下优势：
(1)本发明是一种基于四旋翼的水下无人飞行器，提供一种机身采用能分别承受空中大气压和水下10bar外部压力的丙烯酸材料，且通过四个无刷直流电机和双叶定距螺旋桨为其提供动力，并通过使用聚四氟乙烯胶及液体防水胶带对整个机体进行密封，实现了水中下潜和空中飞行的功能。
(2)本发明采用便于拆卸的模块化设计，因此可以通过手动更换双叶定距螺旋桨来改变双叶定距螺旋桨长度以此获得不同的水下和空中推力。
(3)本发明采用4台无刷直流电动机提供推力，无刷电机上均涂有疏水涂层，在提供充足动力的同时也防止了液体对动力源的腐蚀。
(4)本发明无人飞行器设有密封盖，密封盖厚度的安全系数是飞行器气缸厚度的2倍，密封盖部分使用聚四氟乙烯胶带，在保证密封性的同时也保证了足够的抗压能力。
附图说明
图1为本发明的三维模型线框图；
图2为本发明机身结构图；
图3为本发明中无刷直流电动机安装结构图；
图4为本发明中螺旋桨安装图。
图中符号说明：1、机身，12机身壳体，14电机支架；2、双叶定距螺旋桨组件，22、双叶定距螺旋桨，24、螺旋桨适配器；3、无刷直流电动机组件，32、无刷直流电动机，34、电机底座；36、电机防水壳；4、电子调速器；5、信号收发机；6、控制器；7、密封盖，72上端盖，74下端盖；8、锂离子聚合物电池。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
下面参照图1-4来描述根据本发明的实施例提供的一种基于四旋翼的水下无人飞行器。
如图1所示，本发明由机身1、双叶定距螺旋桨组件2、无刷直流电动机组件3、电子调速器4、信号收发机5、控制器6、密封盖7、锂离子聚合物电池8和LED灯带各部分组成，本发明能有效防止杂物进入产品工作部分，也避免产品在使用过程中受到环境因素而停止工作，同时也极其便于各部分的清洗及保养。
如图2所示，机身1结构由机身壳体12、电机支架14、上端盖72和下端盖74组成。按照设计的尺寸切割直径为160mm的丙烯酸管，作为机身壳体12，并在相同的位置形成4个孔，在4个孔处分别安装规格相同的4根管作为电机支架14。上端盖72和下端盖74采用均丙烯酸块加工而成，密封盖7厚度的安全系数是飞行器气缸厚度系数的2倍，并且端盖72和下端盖74都是启闭型。密封盖7与机身壳体12采用螺纹连接后，再用聚四氟乙烯胶带进行密封。
如图3所示，无刷直流电动机组件3包括，无刷直流电动机32、电机底座34和电机防水壳36。将涂有疏水涂层的无刷直流电动机32固定在电机底座34上，使用膨胀泡沫密封胶密封电机电线部件以保证飞行器在水下环境中使用。控制部件为四个电机，两个电机顺时针旋转，另外两个电机逆时针旋转。电机由电子速度控制器(ESC、Electrical SpeedController)控制。ESC与飞行控制器连接，通过2.4ghz信号发射器和接收器控制飞行器飞行。
如图4所示，双叶定距螺旋桨组件包括，双叶定距螺旋桨22，螺旋桨适配器24，双叶定距螺旋桨22作为独立的组件安装在无刷直流电动机32上，通过螺旋桨适配器24进行连接。首次搭载型号为T-MOTOR18×6.1CF的双叶定距螺旋桨22，在电机转速达到6358(RPM，转每分)时，单机推力可达42.7N，本次无人机总重量G为29.4N，电动机数量n为4个，k为安全系数3，无人机所需推力预估值因此，无人机起飞所需单个无刷直流电动机与双叶定距螺旋桨组合为其提供的推力F为22.05N，其数值小于本次选用的无刷直流电动机和双叶定距螺旋桨组合所能产生的动力42.7N。因此，保证了无人机具有充足的动力进行起飞和飞行，适用于空中和水下条件。
本发明的工作原理：在地面上，飞手操控遥控器通过无线电波将飞行指令传给信号收发机，信号收发机将指令解码后传给控制器，控制器通过飞控算法计算出控制量并传输给电子调速器，电子调速器对信号进行处理和放大，从而驱动电机旋转。这时无人机开始在地面启动，通过遥控器加快电机转速，当转速达到一定值后，无人机开始启动并在空中飞行。无人机飞至水面上空时，通过遥控使电机转速不断下降，无人机开始悬停在水面后逐渐潜入水中，通过改变单机转速，使其开始在水下飞行并完成一些侦查、监视等任务。
Claims (6)
1.一种基于四旋翼的水下无人飞行器，其特征在于，包括机身(1)、双叶定距螺旋桨组件(2)、无刷直流电动机组件(3)、电子调速器(4)、信号收发机(5)、控制器(6)、密封盖(7)、锂离子聚合物电池(8)和LED灯带，其中，所述双叶定距螺旋桨组件(2)包括，双叶定距螺旋桨(22)，螺旋桨适配器(24)，所述双叶定距螺旋桨(22)通过螺旋桨适配器(24)安装在无刷直流电动机(32)上；所述无刷直流电动机组件(3)包括，无刷直流电动机(32)、电机底座(34)和电机防水壳(36)，所述无刷直流电动机(32)涂抹疏水涂层后固定在电机底座(34)上；所述电子调速器(4)、信号收发机(5)、控制器(6)和锂离子聚合物电池(8)安装在机身(1)内部；所述无刷直流电动机(32)、电子调速器(4)、控制器(6)和信号收发机均通过涂有膨胀泡沫密封胶的电线依次进行连接；所述锂离子聚合物电池(8)通过密封后的电线分别与无刷直流电动机(32)、电子调速器(4)、控制器(6)和信号收发机进行连接，并为其供电；所述密封盖(7)通过螺纹安装在圆柱形机身(1)的上表面和下表面，并使用聚四氟乙烯胶带进行密封。
2.根据权利要求1所述一种基于四旋翼的水下无人飞行器，其特征在于，所述机身(1)采用能分别承受空中和水下10bar外部压力的丙烯酸材料，使其能分别在空中和水下飞行100米以上。
3.根据权利要求1所述一种基于四旋翼的水下无人飞行器，其特征在于，所述无刷直流电动机(32)和双叶定距螺旋桨(22)组合提供动力，起飞所需推力预估值如下：其中：F表示单个无刷直流电动机与双叶定距螺旋桨的组合所产生的推力；W表示起飞时单个旋翼的负载；G表示一种基于四旋翼的水下无人飞行器总有效载荷，即一种基于四旋翼的水下无人飞行器总重量为29.4N；n表示电动机数量；k表示安全系数，k＝3。
4.根据权利要求1所述的一种基于四旋翼的水下无人飞行器，其特征在于，通过自主选择所述无刷直流电动机(32)和双叶定距螺旋桨(22)组合，且通过手动更换不同长度的双叶定距螺旋桨(22)以此来改变双叶定距螺旋桨(22)长度，用以获得不同的水下或空中推力。
5.根据权利要求1所述的一种基于四旋翼的水下无人飞行器，其特征在于，所述无刷直流电动机(32)的数量为4个，无刷直流电动机(32)上均涂有疏水涂层。
6.根据权利要求1所述的一种基于四旋翼的水下无人飞行器，其特征在于，所述密封盖(7)部分使用聚四氟乙烯胶带密封，最后使用液体防水胶对整个机体进行彻底密封；飞行器密封盖厚度的安全系数是飞行器气缸厚度系数的2倍。
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