CN110696574A - 一种可切换航行姿态的旋翼海空两栖机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可切换航行姿态的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，另一端均安装有防水电机，各防水电机的输出端均连接有螺旋桨；防水电子舱的侧面安装有姿态调节装置，底部安装有浮力调节装置；防水电子舱内部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；两栖机器人可以通过姿态调节装置自如切换空中航行姿态和水中航行姿态，安装于机器人底部的浮力调节装置可以调节机器人在水中工作时的深度，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，具体地说是一种可切换航行姿态的旋翼海空两栖机器人。
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，低成本的可切换航行姿态的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、低成本的可切换航行姿态的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、姿态调节装置、浮力调节装置、防水电机、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，另一端均直连有防水电机，各所述防水电机的输出端均连接有螺旋桨；各所述机架中的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；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，各所述防水电机的电源线由各所述机架内部走线，直接连接于所述防水电子舱；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，所述防水电子舱上分别安装有姿态调节装置和浮力调节装置，通过该姿态调节装置将两栖机器人调节为水下工作状态，各所述防水电机输出轴的轴向在两栖机器人处于水下姿态时为水平方向，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；所述两栖机器人在水中的浮力通过浮力调节装置调节，进而调节两栖机器人在水中的深度；
其中：所述姿态调节装置包括姿态调节舱、水袋A及双向水泵A，该姿态调节舱安装在防水电子舱的侧面，内部容置有可伸缩的水袋A，所述双向水泵A安装于防水电子舱的内部，分别与所述水袋A及防水电子舱外部的外界水相连通；通过所述双向水泵A对水袋A进水或排水来改变两栖机器人的重心，进而调节所述两栖机器人的姿态；
所述浮力调节装置包括浮力调节舱、水袋B及双向水泵B，该浮力调节舱安装于防水电子舱的底部，内部容置有可伸缩的水袋B，所述双向水泵B安装于防水电子舱的内部，分别与所述水袋B及防水电子舱外部的外界水相连通；通过所述双向水泵B对水袋B进水或排水来改变该水袋B中的水量，从而调节所述两栖机器人在水中的浮力，进而调节该两栖机器人在水中的深度；
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；
所述机架为四个，呈“十”字型连接于所述防水电子舱上，该“十”字两条条边的四个机架的另一端均直接安装防水电机；
所述机架为六个，六个机架的另一端均直接安装防水电机；
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：本发明的两栖机器人在水下采用水下航行姿态，在水面或者水下执行完一个观测点的采样或观测任务后，可迅速切换空中航行姿态，飞到空中后，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，从而简单有效标注出水下目标物体的经纬度坐标，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.本发明通过在两栖机器人的侧面添加姿态调节装置来改变机器人的工作姿态：由于两栖机器人在水中受到的阻力远大于空气中的阻力，因此两栖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，这将使得对两栖机器人机身的姿态控制很难完成；本发明通过对两栖机器人整体的精确计算以后，在机器人的侧面设置了姿态调节装置，通过调节两栖机器人的重心，从而改变两栖机器人的运动姿态，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.本发明通过在两栖机器人底部安装浮力调节装置来调节两栖机器人在水中的深度，由于两栖机器人的探测需求，我们需要控制两栖机器人在水中的工作深度，本发明通过对两栖机器人整体的精确计算以后，在两栖机器人底部设计一个浮力调节装置，通过调节两栖机器人在水中的工作深度，加大两栖机器人探测范围。
4.本发明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。
5.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的立体结构示意图；
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；
图11为本发明姿态调节装置的结构示意图；
图12为本发明浮力调节装置的结构示意图；
其中：1为机架，2为防水电子舱，3为姿态调节装置，301为姿态调节舱，302为水袋A，303为双向水泵A，4为浮力调节装置，401为浮力调节舱，402为水袋B，403为双向水泵B，5为防水电机，6为螺旋桨，7为天线，8为旋翼，9为舱盖，10为斯特封，11为外界水。
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、姿态调节装置3、浮力调节装置4、防水电机5、螺旋桨6、天线7、旋翼8、舱盖9、斯特封10，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，另一端均直连有防水电机5，各防水电机5的输出端均连接有螺旋桨6。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5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5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6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5在两栖机器人处于水下姿态时随旋翼8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。防水电子舱2上分别安装有姿态调节装置3和浮力调节装置4，通过该姿态调节装置3可以将两栖机器人调节为水下工作状态，各防水电机5输出轴的轴向在两栖机器人处于水下姿态时为水平方向，各防水电机5驱动螺旋桨6旋转、实现两栖机器人在水下运动。通过浮力调节装置4可以改变两栖机器人在水中的浮力，从而调节两栖机器人在水中的深度。
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”的两条边的四个机架1的另一端均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5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5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。
如图11所示，姿态调节装置3包括姿态调节舱301、水袋A302及双向水泵A303，该姿态调节舱301安装在防水电子舱2的侧面；优选地，可安装于任意两个机架1的正中间位置。姿态调节舱301的内部容置有可伸缩的水袋A302，双向水泵A303安装于防水电子舱2的内部，通过水管分别与水袋A302及防水电子舱2外部的外界水11相连通。通过控制双向水泵A303对水袋A302进水或排水来控制姿态调节舱301内部水袋A302的水量，从而改变两栖机器人的重心，使得两栖机器人在水中可无缝切换竖直姿态与水平姿态，进而改变两栖机器人的工作模式。
如图12所示，浮力调节装置4包括浮力调节舱401、水袋B402及双向水泵B403，该浮力调节舱401安装于防水电子舱2的底部中心位置，内部容置有可伸缩的水袋B402，双向水泵B403安装于防水电子舱2的内部，通过水管分别与水袋B402及防水电子舱2外部的外界水11相连通。通过控制双向水泵B403对水袋B402进水或排水来控制浮力调节舱401内部水袋B402的水量，从而调节两栖机器人在水中的浮力，进而调节该两栖机器人在水中的深度。
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200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5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5的内部通过斯特封10进行轴向密封，线圈引出线的端部采用环氧树脂封装。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。在空中飞行和在水面滑行时，两栖机器人的防水电机5以及防水电子舱2均为竖直状态，四个防水电机5驱动螺旋桨旋转实现空中和水面航行。当需要在水下航行时，通过控制姿态调节装置3来改变机器人的姿态(倾转90°)，由垂直推进改为水平推进，使用四个防水电机5提供推进能力，以实现机器人在水中的直线航行和转弯等运动状态，通过控制底部的浮力调节装置4，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，六个机架1的另一端均直接安装防水电机5。其余均与实施例一完全相同。
本发明的机架1也可为大于六的偶数，即各个机架1沿圆周方向均匀分布在防水电子仓2的外侧，另一端直连有防水电机5。
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 (10)
1.一种可切换航行姿态的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)、姿态调节装置(3)、浮力调节装置(4)、防水电机(5)、螺旋桨(6)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，另一端均直连有防水电机(5)，各所述防水电机(5)的输出端均连接有螺旋桨(6)；各所述机架(1)中的其中两个机架(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；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(5)的电源线由各所述机架(1)内部走线，直接连接于所述防水电子舱(2)；各所述防水电机(5)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(6)旋转、实现两栖机器人空中飞行，所述防水电子舱(2)上分别安装有姿态调节装置(3)和浮力调节装置(4)，通过该姿态调节装置(3)将两栖机器人调节为水下工作状态，各所述防水电机(5)输出轴的轴向在两栖机器人处于水下姿态时为水平方向，各所述防水电机(5)驱动螺旋桨(6)旋转、实现两栖机器人在水下运动；所述两栖机器人在水中的浮力通过浮力调节装置(4)调节，进而调节两栖机器人在水中的深度。
2.根据权利要求1所述可切换航行姿态的旋翼海空两栖机器人，其特征在于：所述姿态调节装置(3)包括姿态调节舱(301)、水袋A(302)及双向水泵A(303)，该姿态调节舱(301)安装在防水电子舱(2)的侧面，内部容置有可伸缩的水袋A(302)，所述双向水泵A(303)安装于防水电子舱(2)的内部，分别与所述水袋A(302)及防水电子舱(2)外部的外界水(11)相连通；通过所述双向水泵A(303)对水袋A(302)进水或排水来改变两栖机器人的重心，进而调节所述两栖机器人的姿态。
3.根据权利要求1所述可切换航行姿态的旋翼海空两栖机器人，其特征在于：所述浮力调节装置(4)包括浮力调节舱(401)、水袋B(402)及双向水泵B(403)，该浮力调节舱(401)安装于防水电子舱(2)的底部，内部容置有可伸缩的水袋B(402)，所述双向水泵B(403)安装于防水电子舱(2)的内部，分别与所述水袋B(402)及防水电子舱(2)外部的外界水(11)相连通；通过所述双向水泵B(403)对水袋B(402)进水或排水来改变该水袋B(402)中的水量，从而调节所述两栖机器人在水中的浮力，进而调节该两栖机器人在水中的深度。
4.根据权利要求1所述可切换航行姿态的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。
5.根据权利要求2所述可切换航行姿态的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”字两条条边的四个机架(1)的另一端均直接安装防水电机(5)。
6.根据权利要求2所述可切换航行姿态的旋翼海空两栖机器人，其特征在于：所述机架(1)为六个，六个机架(1)的另一端均直接安装防水电机(5)。
7.根据权利要求1所述可切换航行姿态的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(5)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。
8.根据权利要求1所述可切换航行姿态的旋翼海空两栖机器人，其特征在于：各所述机架(1)等高设置。
9.根据权利要求1所述可切换航行姿态的旋翼海空两栖机器人，其特征在于：所述防水电机(5)通过斯特封(10)进行轴向密封，线圈引出线的端部采用环氧树脂封装。
10.根据权利要求1所述可切换航行姿态的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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