CN110775264B - 水空两栖无人航行器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水空两栖无人航行器及其控制方法，包括旋翼装置、动力装置、主体舱以及矢量台，所述矢量台与主体舱紧固连接，旋翼装置包括空桨和水浆，所述空桨、动力装置、水浆依次安装在矢量台上，其中，空桨包括上空桨叶以及下空桨叶，所述上空桨叶以及下空桨叶同轴布置，上空桨叶、下空桨叶分别以相同的角速度和相反的方向旋转，既消除了空桨旋转时的扭矩，同时也为航行器空中飞行提供升力；矢量台上设置有舵机，能够通过舵机的驱动调整航行器在水中或空中的姿态，水浆为航行器在水下提供了前行动力。本发明结构合理，体积小，具有水空两用、垂直起降、空中悬停的功能，飞行高度灵活、隐蔽性强、用途广泛。

Description

水空两栖无人航行器及其控制方法

技术领域

本发明涉及航空器技术领域，具体地，涉及一种水空两栖无人航行器及其控制方法。

背景技术

水空两栖无人航行器是一种穿越航行于空中、水面和水下高机动性跨介质运载平台。水空两栖无人机由于具备高机动性、高隐蔽性的特点受到越来越多的关注。其中旋翼水空两栖无人机与固定翼水空两栖无人机相比，具备垂直起降的功能，对起降场地的要求不高，因此更利于跨水面的稳定起降。近年来，多旋翼尤其是四旋翼无人机由于结构简单，维护方便等优点成为旋翼无人机的主流，但与共轴旋翼无人机相比，多旋翼无人机由于旋翼数量多，导致了体积过大，电能转换的效率低，续航能力差等缺点。此外，现有的多旋翼水空两栖无人机仅在起降、运动模式切换、空中或水下航行等部分运动中使用旋翼机构，需要额外的一套或多套动力装置才能实现全部运动，不仅增加了无人机运动控制的复杂度、还增加了其体积和负重，降低了机动性和续航能力。

专利文献CN108622342A公开了一种多级可分离式无人水下航行器，其特征在于：包括航行器外壳体，在航行器外壳体的两端分别设有航行器头部和航行器尾部，在航行器头部和尾部分别设有对接锁紧机构和柔性对接机构，所述柔性对接机构用于对接下一级的航行器头部，并通过对接锁紧机构锁紧，在航行器外壳体的尾部配置有无轴对转双浆推进器；但该航行器不适用于空中飞行。

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水空两栖无人航行器及其控制方法。

根据本发明提供的一种水空两栖无人航行器，包括旋翼装置、动力装置、主体舱11以及矢量台；

所述矢量台与主体舱11紧固连接；

旋翼装置包括空桨1和水浆7；

所述空桨1、动力装置、水浆7依次安装在矢量台上。

优选地，所述空桨1包括上空桨叶101以及下空桨叶102；

所述上空桨叶101和下空桨叶102同轴布置。

优选地，所述动力装置包括下空桨叶电机2、上空桨叶电机5以及水浆电机6；

所述下空桨叶电机2、上空桨叶电机5、水浆电机6依次设置在下空桨叶102与水浆7之间。

优选地，所述矢量台包括可旋转板3、舵机4、矢量台支架9以及两个碳板；

所述舵机4通过矢量台支架9紧固安装在主体舱11上；

其中一块与可旋转板3紧固连接的碳板形成可旋转板内板20；

其中另一块与可旋转板3紧固连接的碳板形成可旋转板外板10；

所述可旋转板内板20通过连接轴与矢量台支架9连接；

所述可旋转板内板20通过另一根连接轴与可旋转板外板10连接。

优选地，所述下空桨叶电机2包括下空桨叶转子18以及下空桨叶定子19；

所述下空桨叶转子18与下空桨叶102驱动连接；

所述下空桨叶定子19安装在可旋转板内板20的上面。

优选地，所述上空桨叶电机5包括上空桨叶定子21以及上空桨叶转子22；

所述上空桨叶转子22通过连接轴与上空桨叶101驱动连接；

所述上空桨叶定子21安装在可旋转板内板20的下面。

优选地，所述水浆电机6包括水浆定子23以及水浆转子24；

所述水浆转子24与水桨7驱动连接；

所述水浆定子23安装在可旋转板外板10的下面。

优选地，所述空桨1采用可折叠的空桨。

优选地，所述的主体舱11内设置有深度传感器8、电调12、飞控13、电源14、电磁阀15、主控板16以及接收机17；

所述飞控13分别与电调12、电源14、舵机4电连接；

所述主控板16分别与深度传感器8、电磁阀15电连接。

根据本发明提供的一种水空两栖无人航行器的控制方法，采用所述的水空两栖无人航行器，包含以下步骤：

入水步骤：令空桨1的电机关闭，令空桨1折叠收缩；

水下航行步骤：令水浆7的电机运行；

出水步骤：令水浆7的电机运行直至航行器接近水面，运行舵机4从而调整矢量台的轴向与水面垂直，令水桨7的电机关闭，空桨1的电机运行，自折叠空桨1在离心力作用下被甩开；

空中航行步骤：飞控13接受远程控制信号，控制电机使空桨1和舵机4运行。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明结构合理，体积小，具有水空两用、垂直起降、灵活度高、隐蔽性强、用途广泛等优点。

2、共轴旋翼和矢量台的设计，使航行器在空中和水下共用一种方式调整运动方向，极大的简化了设备，结构合理，实用性强。

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为本发明的结构示意图；

图2为驱动电机及矢量台的结构示意图；

图3为的主体舱11的结构示意图；

图4为多模式运动与切换的示意图；

图5为水下模式到升空的示意图。

图中示出：

空桨1 深度传感器8 接收机17

上空桨叶101 矢量台的支架9 下空桨叶转子18

下空桨叶102 可旋转板外板10 下空桨叶定子19

下空桨叶电机2 主体舱11 可旋转版内板20

可旋转板3 电调12 上空桨叶定子21

舵机4 飞控13 上空桨叶转子22

上空桨叶电机5 电源14 水浆定子23

水浆电机6 电磁阀15 水浆转子24

水桨7 主控板16

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。

根据本发明提供的一种水空两栖无人航行器及其控制方法，如图1所示，包括旋翼装置、动力装置、主体舱11以及矢量台，所述矢量台与主体舱11紧固连接，旋翼装置包括空桨1和水浆7，所述空桨1、动力装置、水浆7依次安装在矢量台上。在一个优选例中，空桨1包括上空桨叶101以及下空桨叶102，所述上空桨叶101以及下空桨叶102同轴布置，上空桨叶101的中心轴和下空桨叶102的中心轴重合，上空桨叶101、下空桨叶102分别包括一对旋翼，当航行器潜入到水下时旋翼能够竖直向下自然折叠，浮出水面时能够在空桨转动离心力的驱动下旋转展开，航行器浮出水面后，在上空桨叶电机5、下空桨叶电机2的控制下，上空桨叶101上的旋翼、下空桨叶102上的旋翼分别以相同的角速度和相反的方向旋转，为航行器提供升力，并使单片旋翼旋转时产生的扭矩相互抵消，从而实现了垂直起降和空中悬停的飞行功能。

进一步地，如图1、图2所示，所述的水桨7在空桨1的下方，入水后水桨7在水浆电机6的驱使下通过旋转提供行进的动力。其中上空桨叶电机5、下空桨叶电机2、水浆电机6都采用直流电机，上空桨叶电机5、下空桨叶电机2、水浆电机6的电源线分别与主体舱11中的电源14电连接，飞控13输出控制指令从而控制上空桨叶101旋翼、下空桨叶102旋翼的运动。三个直流电机位于空桨1和水桨7之间，三个直流电机的中心轴分别与上空桨叶101旋翼、下空桨叶102的中心轴重合。本发明结构合理，体积小，具有水空两用、垂直起降的功能，飞行高度灵活、隐蔽性强、用途广泛。

更进一步地，如图1、图2所示，所述的矢量台包括可旋转板3、舵机4、矢量台支架9以及两个碳板，所述舵机4通过矢量台支架9紧固安装在主体舱11上；在一个优选例中，矢量台支架9通过螺栓紧固安装在主体舱11上，矢量台支架9的中心轴与主体舱11的中心轴重合，同时又分别与上空桨叶101旋翼、下空桨叶102旋翼的中心轴重合，从而使航行器整体各部分的中心轴重合。其中一块与可旋转板3粘接的碳板形成可旋转板内板20，另一块与可旋转板3通过螺栓连接的碳板形成可旋转板外板10，所述可旋转板内板20通过连接轴与矢量台支架9连接；所述可旋转板内板20通过另一根连接轴与可旋转板外板10连接，这两个连接轴相互垂直，使得可旋转板内板20可以在可旋转板外板10和可旋转板内板20的共同作用下实现三维空间的旋转。矢量台支架9上固定有两个舵机4，它们通过连杆分别与可旋转板内板20和可旋转板外板10相连，使得可旋转板内板20能够绕连接可旋转板内板20和可旋转板外板10的轴转动，可旋转板外板10能够绕连接可旋转板外板10和矢量台支架9的轴转动，从而能够控制共轴旋翼的俯仰角，使共轴旋翼可以在以主体舱11的中轴线为旋转轴的不同角度的圆锥面内转动。所述的主体舱11为密封结构，在水下一定深度内能够阻止外界液体进入内部，从而使航行器能够携带电源14等其他无防水功能的设备。本发明通过共轴旋翼和矢量台的设计，使航行器在空中和水下共用一种方式调整运动方向，极大地简化了设备。

具体地，如图1、图2所示，所述动力装置包括下空桨叶电机2、上空桨叶电机5以及水浆电机6；所述下空桨叶电机2、上空桨叶电机5、水浆电机6依次设置在下空桨叶102与水浆7之间，所述下空桨叶电机2包括下空桨叶转子18以及下空桨叶定子19，所述下空桨叶转子18与下空桨叶102驱动连接。上空桨叶电机5包括上空桨叶定子21以及上空桨叶转子22；所述上空桨叶转子22通过连接轴与上空桨叶101驱动连接，所述水浆电机6包括水浆定子23以及水浆转子24；所述水浆转子24与水桨7驱动连接；其中，下空桨叶定子19安装在可旋转板内板20的上面；所述上空桨叶定子21安装在可旋转板内板20的下面；所述水浆定子23安装在可旋转板外板10的下面，从而实现三个电机的定子在矢量台上的固定，充分利用空间，设计合理，结构紧凑。

具体地，如图3所示，所述的主体舱11内设置有深度传感器8、电调12、飞控13、电源14、电磁阀15、主控板16以及接收机17，主体舱11内的飞控13是一款集成了单片机、陀螺仪等设备的电子设备，接收机17用于接受远程控制信号并处理，同时将接收到的信号传送给飞控13，并在已写入程序的控制下发出信号控制舵机4和直流电机的电调12，进一步控制直流电机，飞控13的电源线也与主体舱11内的电源14相连，从而使控制电路和驱动电路共地；主控板16分别与深度传感器8、电磁阀15电连接，深度传感器8通过信号线向主控板16输出深度信息，当深度超过预设值后，主控板16发出信号，通过电磁阀15将控制电路由常规控制电路切换到返航电路。

进一步地，如图4、图5所示，本发明提供的水空两栖无人航行器，能够实现空中大范围飞行观测，在任意高度悬停飞行观测，也可实现水下长航程航行观测，并且能够在短时间内自由实现水中、空中不同运动模式的切换，除此之外无需切换其他运动模式，且保持自身姿态始终不变。当航行器从空中航行模式转为水下航行模式时，飞控13首先通过控制电调12降低自折叠空桨1的转速，从而使航行器进入入水阶段接近水面，当主体舱11接触或部分进入水面后，飞控13控制空桨1的电调，使自折叠空桨1逐渐停止旋转并折叠，由于航行器的重力大于浮力，航行器会逐渐下沉，当航行器完全浸没在水中后，飞控13控制水浆7的电调，使水桨7开始旋转，通过进一步控制舵机4和水浆7的电调可以实现水下航行。当航行器从水下航行模式切换到空中航行模式时，飞控13首先通过控制水浆7的电调，使水浆7旋转从而控制舵机4使航行器的姿态保持竖直。当航行器的空桨1部分露出水面后，飞控13控制水浆7的电调，使水桨7停止旋转，控制空桨1的电调，使空桨1开始旋转，在这一过程中，飞控13还会控制舵机4，使空桨1的中心轴保持竖直。空桨1开始旋转后会在短时间内产生相对重力的巨大升力，使航行器迅速离开水面，之后可通过飞控13控制空桨1和舵机4，从而实现空中航行。

本发明提供了一种水空两栖无人航行器的控制方法，可以理解为所述的水空两栖无人航行器的一个实施例，具体地，在航行器需要进入水下时，首先将航行器飞行至水面，令空桨1的电机关闭并且令空桨1的旋翼折叠收缩，同时令水浆7的电机运行，此时通过控制水浆7与舵机4从而实现航行器的水下运行；当航行器需要浮出水面并飞向空中时：令水浆7的电机运行直至航行器接近水面，此时运行舵机4从而调整矢量台的轴向与水面垂直，令水桨7的电机关闭，空桨1的电机运行，此时空桨1上自折叠的旋翼在离心力作用下被甩开转动，从而实现了航行器飞向空中，航行器在空中的飞行中，飞控13接受远程控制信号，控制电机使空桨1和舵机4运行，从而实现航行器的空中飞行。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

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 (6)

1.一种水空两栖无人航行器，其特征在于，包括旋翼装置、动力装置、主体舱(11)以及矢量台；

所述矢量台与主体舱(11)紧固连接；

旋翼装置包括空桨(1)和水浆(7)；

所述空桨(1)、动力装置、水浆(7)依次安装在矢量台上；

所述空桨(1)包括上空桨叶(101)以及下空桨叶(102)；

所述上空桨叶(101)和下空桨叶(102)同轴布置；

所述动力装置包括下空桨叶电机(2)、上空桨叶电机(5)以及水浆电机(6)；

所述下空桨叶电机(2)、上空桨叶电机(5)、水浆电机(6)依次设置在下空桨叶(102)与水浆(7)之间；

所述矢量台包括可旋转板(3)、舵机(4)、矢量台支架(9)以及两个碳板；

所述舵机(4)通过矢量台支架(9)紧固安装在主体舱(11)上；

其中一块与可旋转板(3)紧固连接的碳板形成可旋转板内板(20)；

其中另一块与可旋转板(3)紧固连接的碳板形成可旋转板外板(10)；

所述可旋转板内板(20)通过连接轴与矢量台支架(9)连接；

所述可旋转板内板(20)通过另一根连接轴与可旋转板外板(10)连接；

所述上空桨叶(101)、下空桨叶(102)分别包括一对旋翼，当航行器潜入到水下时旋翼能够竖直向下自然折叠，浮出水面时能够在空桨(1)转动离心力的驱动下旋转展开，航行器浮出水面后，在上空桨叶电机(5)、下空桨叶电机(2)的控制下，上空桨叶(101)上的旋翼、下空桨叶(102)上的旋翼分别以相同的角速度和相反的方向旋转，为航行器提供升力，并使单片旋翼旋转时产生的扭矩相互抵消进而实现垂直起降和空中悬停的飞行功能；

当航行器从空中航行模式转为水下航行模式时，飞控(13)首先通过控制电调(12)降低自折叠空桨(1)的转速，从而使航行器进入入水阶段接近水面，当主体舱(11)接触或部分进入水面后，飞控(13)控制空桨(1)的电调，使自折叠空桨(1)逐渐停止旋转并折叠，由于航行器的重力大于浮力，航行器会逐渐下沉，当航行器完全浸没在水中后，飞控(13)控制水浆(7)的电调并通过控制舵机(4)使水桨(7)开始旋转实现水下航行；当航行器从水下航行模式切换到空中航行模式时，飞控(13)首先通过控制水浆(7)的电调，使水浆(7)旋转从而控制舵机(4)使航行器的姿态保持竖直；

当航行器的空桨(1)部分露出水面后，飞控(13)控制水浆(7)的电调，使水桨(7)停止旋转，控制空桨(1)的电调，使空桨(1)开始旋转，在这一过程中，飞控(13)还会控制舵机(4)，使空桨(1)的中心轴保持竖直；空桨(1)开始旋转后产生相对重力的巨大升力使航行器离开水面进而通过飞控(13)控制空桨(1)和舵机(4)实现空中航行。

2.根据权利要求1所述的水空两栖无人航行器，其特征在于，所述下空桨叶电机(2)包括下空桨叶转子(18)以及下空桨叶定子(19)；

所述下空桨叶转子(18)与下空桨叶(102)驱动连接；

所述下空桨叶定子(19)安装在可旋转板内板(20)的上面。

3.根据权利要求1所述的水空两栖无人航行器，其特征在于，所述上空桨叶电机(5)包括上空桨叶定子(21)以及上空桨叶转子(22)；

所述上空桨叶转子(22)通过连接轴与上空桨叶(101)驱动连接；

所述上空桨叶定子(21)安装在可旋转板内板(20)的下面。

4.根据权利要求1所述的水空两栖无人航行器，其特征在于，所述水浆电机(6)包括水浆定子(23)以及水浆转子(24)；

所述水浆转子(24)与水桨(7)驱动连接；

所述水浆定子(23)安装在可旋转板外板(10)的下面。

5.根据权利要求1所述的水空两栖无人航行器，其特征在于，所述主体舱(11)内设置有深度传感器(8)、电调(12)、飞控(13)、电源(14)、电磁阀(15)、主控板(16)以及接收机(17)；

所述飞控(13)分别与电调(12)、电源(14)、舵机(4)电连接；

所述主控板(16)分别与深度传感器(8)、电磁阀(15)电连接。

6.一种水空两栖无人航行器的控制方法，其特征在于，采用权利要求1至5任一项所述的水空两栖无人航行器，包含以下步骤：

入水步骤：令空桨(1)的电机关闭，令空桨(1)折叠收缩；

水下航行步骤：令水浆(7)的电机运行；

出水步骤：令水浆(7)的电机运行直至航行器接近水面，运行舵机(4)从而调整矢量台的轴向与水面垂直，令水桨(7)的电机关闭，空桨(1)的电机运行，自折叠空桨1在离心力作用下被甩开；

空中航行步骤：飞控(13)接受远程控制信号，控制电机使空桨(1)和舵机(4)运行。

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