CN110775265A - 油电混合驱动两栖航行器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种油电混合驱动两栖航行器及其控制方法，包括外壳组件、飞行组件以及滑翔机组件，飞行组件、滑翔机组件安装在外壳组件上，通过改变滑翔机组件中浮力调节筒内空气体积调节浮力使航行器浮出水面或潜入水中；飞行时，飞行组件中的升力螺旋桨提供飞行所需要的大部分升力，姿态调节螺旋桨调节飞行时的姿态，保证航行器的平稳飞行。本发明将内燃机驱动和电动机驱动相结合使能耗最多的升空部分使用燃油驱动，而对转矩敏感的姿态调整通过电机控制，极大地提高了续航时间，实现了空中和水下长距离、高精度以及高速度的要求，具备垂直起降、水平飞行的能力，能够进行持久的监测与监视任务，性能优良，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及航空器技术领域，具体地，涉及一种油电混合驱动两栖航行器及其控制方法。
背景技术
海空两栖航行器是一种新型的跨介质运载平台，可同时进行空中、水面、水下探测等任务的高机动性运载平台。可以通过船载、岸基等形式进行布放与回收，能够进行远程遥控航行与自动航行，具备指定空域定位、定点航行、指定水域降落、自主水面航行、自主水下航行和飞行返航的功能，在海空立体观测、海洋环境调查、执行持久的情报收集和战场监视领域具备广泛的应用前景。
采用传统电动机作为动力的多栖航行器，续航时间普遍不超过半小时，限制了多栖航行器的承压深度、浮力调节能力以及续航时间。油电混合的长续航海空两栖航行器采用燃油发动机和电动机混合动力的形式为航行器提供能量，其中燃油发动机具有能量密度大，转换效率高的特点，可显著提高多栖航行器的载重和续航能力。油电混合动力技术已经在汽车工业得到了较广泛的研究与应用，但多栖航行器相比于汽车工况更加复杂、环境变化尺度更大，大大限制了油电混合技术在多栖航行器领域中的应用。
专利文献CN207015583U公开了一种可持续驻留水面的水空两栖太阳能驱动无人航行器，可持续驻留水面的水空两栖太阳能驱动无人航行器包括用于实现水上浮力产生和任务载荷安装的机身、用于实现水面浮力产生，太阳能电池板铺设且维持航行横向稳定性的机翼、推进系统，所述机翼连接于机身两侧，所述推进系统安装于机翼下方从翼根向外1/12～3/8的翼展之内，但该设计依靠太阳能驱动，影响了持续水下运行的续航能力。
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油电混合驱动两栖航行器及其控制方法。
根据本发明提供的一种油电混合驱动两栖航行器，包括外壳组件、飞行组件以及滑翔机组件；
所述飞行组件、滑翔机组件安装在外壳组件上。
优选地，所述滑翔机组件包括浮力调节筒1、两个固定翼2以及固定翼支撑环；
所述两个固定翼2通过固定翼支撑环紧固安装在浮力调节筒1的两侧并相对于浮力调节筒1对称布置；
所述浮力调节筒1中设置有推杆16。
优选地，所述外壳组件包括电器件舱11和燃油驱动舱7；
所述电器件舱11的上面安装燃油驱动舱7，所述电器件舱11的下面与浮力调节筒1紧固连接；
所述电器件舱11的内部设置有推杆电机15；
所述推杆电机15能够驱使推杆16沿浮力调节筒1轴向的方向运动。
优选地，所述飞行组件包括姿态调整旋翼组件以及升力旋翼组件；
所述姿态调整旋翼组件安装在电器件舱11上；
所述升力旋翼组件安装在燃油驱动舱7上。
优选地，所述升力旋翼组件包括油箱8、内燃机9以及升力螺旋桨10；
所述油箱8和内燃机9管路连接且都安装在燃油驱动舱7的内部；
所述升力螺旋桨10安装在沿燃油驱动舱7竖直方向的上方；
所述内燃机9与升力螺旋桨10通过驱动轴驱动连接。
优选地，所述升力螺旋桨10采用共轴的双层螺旋桨。
优选地，所述姿态调整旋翼组件包括多个姿态调节螺旋桨4、多个防水无刷电机5以及电源12；
所述防水无刷电机5的上部安装姿态调节螺旋桨4；
所述防水无刷电机5的下部安装在旋翼支撑杆3的一端；
旋翼支撑杆3的另一端安装在电器件舱11上；
多个姿态调节螺旋桨4以及相匹配的防水无刷电机5沿电器件舱11的周向均匀布置；
所述电源12安装在电器件舱11的内部，电源12与防水无刷电机5电连接。
优选地，所述电器件舱11上设置有电调6、控制模块17以及动态密封孔18；
所述电调6与防水无刷电机5电连接；
所述控制模块17能够控制电调6调节防水无刷电机5驱使姿态调节螺旋桨4自折叠并同时将动态密封孔18密封扣合。
优选地，所述控制模块17包括以下子模块：
信号获取子模块：获取深度信号、压力信号以及远程控制信号；
飞行控制子模块：控制飞行组件的运行；
浮力控制子模块：控制滑翔机组件的运行。
根据本发明提供的一种油电混合驱动两栖航行器的控制方法，采用所述的油电混合驱动两栖航行器控制，包括如下步骤：
出水步骤：控制器控制浮力调节筒1通过增加筒内空气体积增加浮力，航行器浮出水面，令防水无刷电机5运行，姿态调节螺旋桨4转动并张开，动态密封孔18打开；
飞行步骤：控制电调6，控制对多个防水无刷电机5的输出电流，令多个姿态调节螺旋桨4之间产生转速差来调节飞行姿态，同时内燃机9带动升力螺旋桨10产生主要的升力；
入水步骤：令防水无刷电机5关闭，姿态调节螺旋桨4收缩，关闭动态密封孔18，浮力调节筒1通过减少内部空气体积减少浮力；
水下滑翔步骤：通过浮力调节筒1内部的浮力调节来进行水下滑翔。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明将内燃机驱动和电动机驱动相结合，在能量消耗较多的驱使航行器升空的作业时使用燃油作为主要能量；在能量消耗较少、控制航行器性能要求较高的姿态调整用电能作为主要能量；既能够实现空中长距离、高精度、长续航时间以及高速度的要求，又能够实现水下长时间、低能耗、长距离航行，具备垂直起降、水平飞行，能够进行广阔天空和深海打样的海空联合观测，执行持久的监测与监视任务，性能优良，实用性强。
2、通过推杆16能够控制浮力调节筒1中充水多多少从而控制航行器浮出水面或潜进入水中的深度，结构简单，操作灵活。
3、升力螺旋桨10采用共轴的双层螺旋桨，两层螺旋桨在转动时朝相反的方向转动，消除了现有技术中单一螺旋桨在转动时产生的扭矩，结构合理，实用性强。
4、固定翼2对称的安装结构，在航行器在空中飞行或水中滑翔时都能够平衡姿态，减小了阻力，结构合理。
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为本发明的侧面透视示意图；
图3为本发明的不同的运动模式与运动模式切换示意图。
图中示出：
1-浮力调节筒 7-燃油驱动舱 13-上固定翼支撑环
2-固定翼 8-油箱 14-下固定翼支撑环
3-旋翼支撑杆 9-内燃机 15-推杆电机
4-姿态调节螺旋桨 10-升力螺旋桨 16-推杆
5-防水无刷电机 11-电器舱 17-控制模块
6-电调 12-电源 18-动态密封孔
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油电混合驱动两栖航行器，包括外壳组件、飞行组件以及滑翔机组件，所述飞行组件、滑翔机组件安装在外壳组件上；如图1所示，在水下滑翔的过程中，浮力调节筒1通过改变浮力调节筒1内空气体积调节浮力使航行器浮出水面或者潜入水下，固定翼2能让升降过程转换为水下滑翔的运动。飞行时，由内燃机9带动升力螺旋桨10提供飞行所需要的大部分升力，四周的防水无刷电机5带动姿态调节螺旋桨4调节飞行时的姿态，保证航行器的平稳飞行。本发明将内燃机驱动和电动机驱动相结合，在能量消耗较多航行器升空作业使用燃油作为主要动力；在能量消耗较少且性能要求较高飞行姿态变换使用电能作为主要动力；极大地提高了续航时间，既能够实现空中长距离、高精度、长续航时间以及高速度的要求，又能够实现水下长时间、低能耗、长距离航行，具备垂直起降、水平飞行，能够进行广阔天空和深海打样的海空联合观测，执行持久的监测与监视任务，性能优良，实用性强。
进一步地，如图1、图2所示，所述滑翔机组件包括浮力调节筒1、两个固定翼2以及固定翼支撑环；两个固定翼2通过固定翼支撑环紧固安装在浮力调节筒1的两侧并相对于浮力调节筒1对称布置；在一个优选例中，固定翼支撑环的数量为2个，包括上固定翼支撑环13以及下固定翼支撑环14，两个固定翼2分别通过上固定翼支撑环13、下固定翼支撑环14紧固安装在浮力调节筒1的两侧并相对于浮力调节筒1呈轴对称分布，在航行器在空中飞行或水中滑翔时都能够平衡姿态，减小了阻力，结构合理。
更进一步地，如图1、图2所示，外壳组件包括电器件舱11和燃油驱动舱7，电器件舱11的上面安装燃油驱动舱7，所述电器件舱11的下面与浮力调节筒1紧固连接；所述浮力调节筒1中设置有推杆16，所述电器件舱11的内部设置有推杆电机15，推杆电机15能够驱使推杆16沿浮力调节筒1轴向的方向运动，通过推杆电机15控制推杆16能够控制浮力调节筒1中充满空气或充满水从而控制整个航行器的浮力，当浮力调节筒1中充满空气时，此时航行器浮力大于重力，航行器浮出水面；当浮力调节筒1中空气逐渐减少时，浮力逐渐变小，当航行器重力大于浮力时，航行器开始下潜进入水中，通过控制浮力调节筒1中水的多少，从而能够控制航行器下潜进水的深度，结构简单，操作灵活。
具体地，如图1、图2所示，飞行组件包括姿态调整旋翼组件以及升力旋翼组件，姿态调整旋翼组件安装在电器件舱11上，所述升力旋翼组件安装在燃油驱动舱7上，在一个优选例中，升力旋翼组件包括油箱8、内燃机9以及升力螺旋桨10，油箱8和内燃机9都安装在燃油驱动舱7的内部，升力螺旋桨10安装在沿燃油驱动舱7竖直方向的上方，内燃机9与升力螺旋桨10通过驱动轴连接，当内燃机9转动时能够带动升力螺旋桨10转动，从而能够实现航行器垂直起降，油箱8和内燃机9管路连接，油箱8为内燃机9燃料提供存储空间，航行器垂直起降采用内燃机9作为动力，使航行器起降动力十足，同时，升力螺旋桨10采用共轴的双层螺旋桨，且两层螺旋桨在转动时朝相反的方向转动同时为航行器的升高驱动，消除了单一螺旋桨在转动时产生的扭矩，结构合理，实用性强。
具体地，如图1、图2所示，所述姿态调整旋翼组件包括多个姿态调节螺旋桨4、多个防水无刷电机5以及电源12，防水无刷电机5的下部通过旋翼支撑杆3安装在电器件舱11上，所述防水无刷电机5的上部安装姿态调节螺旋桨4，在一个优选例中，旋翼支撑杆3的一端垂直安装在电器件舱11上，旋翼支撑杆3的另一端上安装有防水无刷电机5，姿态调节螺旋桨4安装在防水无刷电机5上，防水无刷电机5能够驱使姿态调节螺旋桨4转动。
进一步的，如图1、图2所示，多个姿态调节螺旋桨4以及相匹配的防水无刷电机5沿电器件舱11的周向均匀布置，在一个优选例中，姿态调节螺旋桨4的数量为4个，防水无刷电机5的数量为4个，4给姿态调节螺旋桨4均匀布置在电器件舱11的周向，通过控制模块17能够控制各个姿态调节螺旋桨4的转动速度，从而实现航行器飞行姿态的调整。
更进一步地，如图1、图2所示，电源12安装在电器件舱11的内部，电源12与防水无刷电机5电连接，电器件舱11上还设置有电调6和控制模块17，控制模块17能够控制电调6调节防水无刷电机5的转动速度。在一个优选例中，所述控制模块17包括3个子模块：信号获取子模块、飞行子控制模块以及浮力子控制模块，其中，信号获取模块中设置有深度传感器和压力传感器，从而能够获取航行器的深度信号、压力信号，同时还设置有接收机，从而能够获得远程控制信号；同时还设置有控制器，从而实现控制飞行组件的运行和控制滑翔机组件的运行。
具体地，如图1、图2所示，当航行器需要潜入水下时，通孔控制模块调节驱使姿态调节螺旋桨4自折叠并同时将动态密封孔18密封扣合，此时动态密封孔18密封关闭能够防止水进入到电器件舱11内部；当航行器浮出水面需要升空时，通孔控制模块调节驱使姿态调节螺旋桨4自动伸展并同时将动态密封孔18打开，此时动态密封孔18能够作为散热孔散热；
根据本发明提供的一种油电混合驱动两栖航行器的控制方法，可以理解为本发明的一个具体实施例，具体如下：
出水步骤：控制器控制浮力调节筒1通过增加筒内空气体积增加浮力，航行器浮出水面，令防水无刷电机5运行，姿态调节螺旋桨4转动并张开，动态密封孔18打开；
飞行步骤：控制电调6，控制对多个防水无刷电机5的输出电流，令多个姿态调节螺旋桨4之间产生转速差来调节飞行姿态，同时内燃机9带动升力螺旋桨10产生主要的升力，此时打开的动态密封孔18能够起到散热的作用。
入水步骤：令防水无刷电机5关闭，姿态调节螺旋桨4收缩，关闭动态密封孔18，浮力调节筒1通过减少内部空气体积减少浮力，当航行器重力大于浮力时航行器潜入水中。
水下滑翔步骤：通过浮力调节筒1内部的浮力调节来进行水下滑翔。
如图1、图2所示，燃油驱动舱7中装有油箱8和内燃机9，为升力螺旋桨10提供动力。电器舱11中，分为两层，上层用于放置姿态调节螺旋桨4和推杆电机15的电源12，下层用于放置控制模块17。浮力调节筒1中设置有推杆16，通过推杆电机15驱动推杆16上下运动能够调节浮力调节筒1中空气的体积大小，从而改变航行器在水中的浮力。
如图3所示，由于航行器的浮力调节筒1上设置有固定翼2，因此航行器能够进行水下上下往复运动，同时能够实现M型轨迹不断向前的滑翔运动。在需要出水时，调节浮力调节筒1中空气的体积，使空气体积变大，浮力变大从而使航行器漂浮在水面上，到达水面后，展开旋翼支撑杆3，通过调节姿态调节螺旋桨4调节航行器的姿态，当航行器的姿态平稳时，发动升力螺旋桨10让航行器升空，并通过姿态调节螺旋桨4能够逐渐调整姿态至水平飞行模式实现固定翼2平飞；当需要潜入水中时，收起旋翼螺旋杆3，将浮力调节筒1内的空气体积压缩至航行器的浮力小于航行器重力的状态，使航行器缓慢沉入水中变换至水下航行状态。
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。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
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 (10)
1.一种油电混合驱动两栖航行器，其特征在于，包括外壳组件、飞行组件以及滑翔机组件；
所述飞行组件、滑翔机组件安装在外壳组件上。
2.根据权利要求1所述的油电混合驱动两栖航行器，其特征在于，所述滑翔机组件包括浮力调节筒(1)、两个固定翼(2)以及固定翼支撑环；
所述两个固定翼(2)通过固定翼支撑环紧固安装在浮力调节筒(1)的两侧并相对于浮力调节筒(1)对称布置；
所述浮力调节筒(1)中设置有推杆(16)。
3.根据权利要求2所述的油电混合驱动两栖航行器，其特征在于，所述外壳组件包括电器件舱(11)和燃油驱动舱(7)；
所述电器件舱(11)的上面安装燃油驱动舱(7)，所述电器件舱(11)的下面与浮力调节筒(1)紧固连接；
所述电器件舱(11)的内部设置有推杆电机(15)；
所述推杆电机(15)能够驱使推杆(16)沿浮力调节筒(1)轴向的方向运动。
4.根据权利要求3所述的油电混合驱动两栖航行器，其特征在于，所述飞行组件包括姿态调整旋翼组件以及升力旋翼组件；
所述姿态调整旋翼组件安装在电器件舱(11)上；
所述升力旋翼组件安装在燃油驱动舱(7)上。
5.根据权利要求4所述的油电混合驱动两栖航行器，其特征在于，所述升力旋翼组件包括油箱(8)、内燃机(9)以及升力螺旋桨(10)；
所述油箱(8)和内燃机(9)管路连接且都安装在燃油驱动舱(7)的内部；
所述升力螺旋桨(10)安装在沿燃油驱动舱(7)竖直方向的上方；
所述内燃机(9)与升力螺旋桨(10)通过驱动轴驱动连接。
6.根据权利要求5所述的油电混合驱动两栖航行器，其特征在于，所述升力螺旋桨(10)采用共轴的双层螺旋桨。
7.根据权利要求5所述的油电混合驱动两栖航行器，其特征在于，所述姿态调整旋翼组件包括多个姿态调节螺旋桨(4)、多个防水无刷电机(5)以及电源(12)；
所述防水无刷电机(5)的上部安装姿态调节螺旋桨(4)；
所述防水无刷电机(5)的下部安装在旋翼支撑杆(3)的一端；
旋翼支撑杆(3)的另一端安装在电器件舱(11)上；
多个姿态调节螺旋桨(4)以及相匹配的防水无刷电机(5)沿电器件舱(11)的周向均匀布置；
所述电源(12)安装在电器件舱(11)的内部，电源(12)与防水无刷电机(5)电连接。
8.根据权利要求7所述的油电混合驱动两栖航行器，其特征在于，所述电器件舱(11)上设置有电调(6)、控制模块(17)以及动态密封孔(18)；
所述电调(6)与防水无刷电机(5)电连接；
所述控制模块(17)能够控制电调(6)调节防水无刷电机(5)驱使姿态调节螺旋桨(4)自折叠并同时将动态密封孔(18)密封扣合。
9.根据权利要求8所述的油电混合驱动两栖航行器，其特征在于，所述控制模块(17)包括以下子模块：
信号获取子模块：获取深度信号、压力信号以及远程控制信号；
飞行控制子模块：控制飞行组件的运行；
浮力控制子模块：控制滑翔机组件的运行。
10.一种油电混合驱动两栖航行器的控制方法，其特征在于，采用权利要求1至9任一项所述的油电混合驱动两栖航行器，包括如下步骤：
出水步骤：控制器控制浮力调节筒(1)通过增加筒内空气体积增加浮力，航行器浮出水面，令防水无刷电机(5)运行，姿态调节螺旋桨(4)转动并张开，动态密封孔(18)打开；
飞行步骤：控制电调(6)，控制对多个防水无刷电机(5)的输出电流，令多个姿态调节螺旋桨(4)之间产生转速差来调节飞行姿态，同时内燃机(9)带动升力螺旋桨(10)产生主要的升力；
入水步骤：令防水无刷电机(5)关闭，姿态调节螺旋桨(4)收缩，关闭动态密封孔(18)，浮力调节筒(1)通过减少内部空气体积减少浮力；
水下滑翔步骤：通过浮力调节筒(1)内部的浮力调节来进行水下滑翔。
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2019
- 2019-10-28 CN CN201911032038.6A patent/CN110775265A/zh active Pending
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