CN110588972B - 一种基于共轴式水空双动力无人机的水空转换装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于共轴式水空双动力无人机的水空转换装置及方法,一种基于共轴式水空双动力无人机的水空转换装置，其特征是：包括：无人机机体、机臂、水上螺旋桨、水上电机、水下螺旋桨、水下电机和水深传感器，其中：无人机机体上设置有多个机臂，每个机臂的末端对称安装有水上动力单元和水下动力单元；水上动力单元包括水上电机、水上螺旋桨；水下动力单元包括水下电机、水下螺旋桨；水上动力单元安装在机臂上侧，水下动力单元安装在机臂下侧。本发明采用水空两套动力系统分别独立实现了无人机的水下和水上运动，通过水空重叠区控制实现平稳的水空过渡，提高了无人机工作的灵活性和稳定性。

Description

一种基于共轴式水空双动力无人机的水空转换装置及方法
技术领域
本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种基于共轴式水空双动力无人机的水空转换装置及方法。
背景技术
无人机的发展和应用已经引起了各国的高度重视，人们对无人机的环境适应性、工作领域提出了更高的要求。常见的无人机只能在空中作业，水空两栖无人机多元化的活动空间极大的丰富了无人机的应用可能性。水空双动力无人机区别于仅可以漂浮在水面的水上无人机和需要借助其他装置实现水中发射的潜射无人机，是一种真正可以实现水下潜航和空中飞行的无人系统，其独立性和自主作业能力更为强大。
中国专利公开的《一种水空两栖无人机》发明专利，其申请号201710556614 .1，申请日期为2017年07月10日，具体描述了一种水空两栖无人机产品的驱动过程。可以看出单纯驱动水下螺旋桨难以实现下潜，其从水面到水下的控制较为困难。本文采用了不依靠浮力，完全自主的水下运动驱动方式，有效的克服了这些不足。
而中国专利公开的《一种采用旋翼倾转机构的自适应水空两栖无人机》，其申请号是：201910248361.0，申请日期为2019年03月29日的发明专利采用旋翼倾转机构的来提高无人机在水空不同介质中运动及介质切换时的稳定性，但是其没有考虑到水空介质下所适用的螺旋桨相差极大，其设计的无人机反而稳定性较差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种性能稳定、独立和自主作业能力强的基于共轴式水空双动力无人机的水空转换方法。以实现无人机平稳的水空过渡及灵活的水下、空中姿态控制和作业能力。
为实现以上目的，一种基于共轴式水空双动力无人机的水空转换装置，其特征是：包括：无人机机体、机臂、水上螺旋桨、水上电机、水下螺旋桨、水下电机和水深传感器，其中：
无人机机体上设置有多个机臂，每个机臂的末端对称安装有水上动力单元和水下动力单元；水上动力单元包括水上电机、水上螺旋桨；水下动力单元包括水下电机、水下螺旋桨；水上动力单元安装在机臂上侧，水下动力单元安装在机臂下侧；
无人机通过识别水空介质使无人机机体处于不同工作状态，当无人机识别到介质为空中时，由水上动力单元实现其在空中的正常飞行；当无人机识别到介质为水中和空中交界面时，水上螺旋桨和水下螺旋桨同时工作，实现其在水空交界面的平稳转换；当无人机识别到介质为水中时，由水下螺旋桨实现其在水下的正常运动。
所述的无人机通过识别水空介质是通过水深传感器实现；水深传感器安装在无人机机体下方，用于实时获取当前水深信息，水深传感器与惯性传感器的位置预估结果进行数据融合，得到准确的机体速度和位置。
所述的水上螺旋桨和水下螺旋桨的转向相同，两种螺旋桨产生的气流和水流旋转方向重叠，以保证无人机在水空交界面处的气流和水流干扰达到最小。
所述无人机机体的密度大于水的密度，无人机完全靠水下动力单元和水上动力单元实现机体的自主运动。
一种基于共轴式水空双动力无人机的水空转换方法，其特征在于：无人机在水中时，水下螺旋桨旋转，水上螺旋桨停止旋转；
无人机由水中上浮到水面上时，水上螺旋桨开始旋转，为无人机提供出水的动力，水下螺旋桨继续旋转；
当无人机完全出水时，水下螺旋桨停转，水上螺旋桨控制无人机的空中姿态。
无人机由空中落入水中时，水下螺旋桨开始旋转，水上螺旋桨继续旋转；当无人机完全沉入水中时，水上螺旋桨停转，水下螺旋桨控制无人机的水下姿态。
无人机通过水深传感器获取水空重叠区比例，控制水上电机、水上螺旋桨、水下电机、水下螺旋桨实现水空平稳的过渡，通过控制水上电机和水下电机的转速比实现无人机机体过渡的平稳性。
本发明采用水上、水下两套动力系统实现无人机在空中和水下的高效率飞行，通过水深传感器识别水空两种介质；通过水空重叠区控制实现平稳的水空过渡。与现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一，本发明通过水空重叠区控制实现平稳的水空过渡，介质转换平稳。
第二，本发明所述无人机跃出水面时，水下动力单元对水上动力单元产生助力，水空介质转换时可靠性高。
第三，本发明所述无人机分别采用水下、水上动力单元实现无人机在水下、水上的自主运动，螺旋桨的运动效率高。
第四，本发明所述无人机采用水深传感器识别水空两种介质，控制的稳定性高。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例控制流程图。
图中：1-机臂，2-水上螺旋桨，3,-水上电机，4-水下螺旋桨，5-水上电机，6-水深传感器。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明进行详细说明。以下说明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。
如图1所示，一种基于共轴式水空双动力无人机的水空转换方法，包括：无人机机体、机臂1、水上螺旋桨2、水上电机3、水下螺旋桨4、水下电机5和水深传感器6，其中：
无人机机体上设置有多个机臂1，每个机臂1的末端对称安装有水上动力单元和水下动力单元；水上动力单元包括水上电机3、水上螺旋桨2；水下动力单元包括水下电机5、水下螺旋桨4；水上动力单元安装在机臂1上侧，水下动力单元安装在机臂1下侧；
无人机通过识别水空介质使无人机机体7处于不同工作状态，当无人机识别到介质为空中时，由水上动力单元实现其在空中的正常飞行；当无人机识别到介质为水中和空中交界面时，水上螺旋桨2和水下螺旋桨4同时工作，实现其在水空交界面的平稳转换；当无人机识别到介质为水中时，由水下螺旋桨4实现其在水下的正常运动。
无人机水空介质的识别通过水深传感器6实现；水深传感器6安装在无人机机体下方，用于实时获取当前水深信息，水深传感器6与惯性传感器的位置预估结果进行数据融合，得到准确的机体速度和位置。
无人机通过水深传感器6获取水空重叠区比例，控制水上电机3、水上螺旋桨2、水下电机5、水下螺旋桨4实现水空平稳的过渡，通过控制水上电机3和水下电机5的转速比实现无人机机体过渡的平稳性；
如图2所示，无人机在水中时，水下螺旋桨4旋转，水上螺旋桨2停止旋转；
无人机由水中上浮到水面上时，水上螺旋桨2开始旋转，为无人机提供出水的动力，水下螺旋桨4继续旋转；
当无人机完全出水时，水下螺旋桨4停转，水上螺旋桨2控制无人机的空中姿态。
无人机由空中落入水中时，水下螺旋桨4开始旋转，水上螺旋桨2继续旋转；当无人机完全沉入水中时，水上螺旋桨2停转，水下螺旋桨4控制无人机的水下姿态。
所述的水上螺旋桨2和水下螺旋桨4的转向相同，两种螺旋桨产生的气流和水流旋转方向重叠，以保证无人机在水空交界面处的气流和水流干扰达到最小。
无人机整体密度大于水的密度，无人机完全靠水下动力单元实现机体在水下的自主运动，靠水上动力单元实现机体的自主运动。
以上对本发明的具体实例进行了描述，本实例中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。本发明不限于上述特定的实施方式，以上实例并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是在本发明权利要求范围内的修改或变形均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于共轴式水空双动力无人机的水空转换装置，其特征是：包括：无人机机体、机臂（1）、水上螺旋桨（2）、水上电机（3）、水下螺旋桨（4）、水下电机（5）和水深传感器（6），其中：
无人机机体上设置有多个机臂（1），每个机臂（1）的末端对称安装有水上动力单元和水下动力单元；水上动力单元包括水上电机（3）、水上螺旋桨（2）；水下动力单元包括水下电机（5）、水下螺旋桨（4）；水上动力单元安装在机臂（1）上侧，水下动力单元安装在机臂（1）下侧；
无人机通过识别水空介质使无人机机体处于不同工作状态，当无人机识别到介质为空中时，由水上动力单元实现其在空中的正常飞行；当无人机识别到介质为水中和空中交界面时，水上螺旋桨（2）和水下螺旋桨（4）同时工作，实现其在水空交界面的平稳转换；当无人机识别到介质为水中时，由水下螺旋桨（4）实现其在水下的正常运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于共轴式水空双动力无人机的水空转换装置，其特征在于：所述的无人机通过识别水空介质是通过水深传感器（6）实现；水深传感器（6）安装在无人机机体下方，用于实时获取当前水深信息，水深传感器（6）与惯性传感器的位置预估结果进行数据融合，得到准确的机体速度和位置。
3.根据权利要求1所述的一种基于共轴式水空双动力无人机的水空转换装置，其特征在于：所述的水上螺旋桨（2）和水下螺旋桨（4）的转向相同，两种螺旋桨产生的气流和水流旋转方向重叠，以保证无人机在水空交界面处的气流和水流干扰达到最小。
4.根据权利要求1所述的一种基于共轴式水空双动力无人机的水空转换装置，其特征在于：所述无人机机体的密度大于水的密度，无人机完全靠水下动力单元和水上动力单元实现机体的自主运动。
5.基于权利要求1所述的一种基于共轴式水空双动力无人机的水空转换装置的水空转换方法，其特征在于：无人机在水中时，水下螺旋桨（4）旋转，水上螺旋桨（2）停止旋转；
无人机由水中上浮到水面上时，水上螺旋桨（2)开始旋转，为无人机提供出水的动力，水下螺旋桨(4)继续旋转；
当无人机完全出水时，水下螺旋桨(4)停转，水上螺旋桨(2)控制无人机的空中姿态；
无人机由空中落入水中时，水下螺旋桨(4)开始旋转，水上螺旋桨(2)继续旋转；当无人机完全沉入水中时，水上螺旋桨(2)停转，水下螺旋桨(4)控制无人机的水下姿态。
6.根据权利要求5所述的水空转换方法，其特征在于：无人机通过水深传感器(6)获取水空重叠区比例，控制水上电机(3)、水上螺旋桨(2)、水下电机(5)、水下螺旋桨(4)实现水空平稳的过渡，通过控制水上电机(3)和水下电机(5)的转速比实现无人机机体过渡的平稳性。
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