CN111301079A - 一种跨介质海空两栖无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跨介质海空两栖无人机，该无人机包括空中飞行机构和水下潜航机构；所述空中飞行机构包括提供升力的共轴反桨升力结构和实现飞行器姿态控制的舵机倾转平台控制结构；所述水下潜航机构包括实现机身水平姿态、竖直姿态切换的姿态‑重心调节结构、实现水下运动姿态调节的姿态尾舵调节结构和提供水下潜航动力的水下动力结构；所述共轴反桨升力结构、舵机倾转平台控制结构、姿态‑重心调节结构、姿态尾舵调节结构和水下动力结构依次由上至下同轴排布。本发明机型整体呈现流线型设计，完美的将“竹蜻蜓”式无人机与水下AUV进行了结合，形成了一种全新的海空两栖无人机机型。

Description

一种跨介质海空两栖无人机

技术领域

本发明涉及无人机、水下机器人技术领域，具体涉及一种跨介质海空两栖无人机。

背景技术

未来信息化战场将是岸、海、空、天、潜多维一体的联合作战，在未来联合作战行动中，水下作战系统由于其地理隐蔽性，将占据重要的战略地位。当前，发达国家凭借其水下装备优异的隐蔽性能，使其免于其他国家反介入/区域拒止的限制，伴随着探测技术的不断提升，未来单纯依赖平台对抗模式的水下体系将逐步丧失优势，水下装备需要变革才能适应新的体系化作战样式。

要实现平台化作战向体系化作战目标的转变，水下作战将不应只依赖潜艇，而是要通过各式各样的无人系统来获得感知能力，并且具有作战功能，以达到水下协同作战的目标。潜射无人机就是一种由潜艇携带并能从水下发射的无人机，潜射无人机的出现，给未来潜艇作战增加了新的模式，也让旧有的潜艇抵近侦察、反舰、防空、对陆攻击等作战模式发生重大变化。

但是现阶段各国所研制的潜射无人机大多是通过鱼雷发射管或其他发射装置脱离潜艇，待其距离潜艇一定距离或到达水面时，无人机发射升空。这一过程通常是不可逆的，当无人机执行完特定任务后，落至水面等待回收。为了有效提高潜艇的海上侦察能力和与反潜力量对抗实力，海陆两栖跨介质航行无人机的研究热度与日俱增，但是当前两栖类无人机的灵活度和可控性能较差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种跨介质海空两栖无人机，以弥补现有技术的不足。

为此目的，本发明提出一种跨介质海空两栖无人机，该无人机包括空中飞行机构和水下潜航机构；所述空中飞行机构包括提供升力的共轴反桨升力结构和实现飞行器姿态控制的舵机倾转平台控制结构；所述水下潜航机构包括实现机身水平姿态、竖直姿态切换的姿态-重心调节结构、实现水下运动姿态调节的姿态尾舵调节结构和提供水下潜航动力的水下动力结构；所述共轴反桨升力结构、舵机倾转平台控制结构、姿态-重心调节结构、姿态尾舵调节结构和水下动力结构依次由上至下同轴排布。

进一步的，所述共轴反桨升力结构包括折叠螺旋桨、桨叶-连接驱动组件和共轴反桨电机；所述折叠螺旋桨通过桨叶-连接驱动组件与共轴反桨电机相连。

进一步的，所述共轴反桨电机为两个电机上下同轴设置，分为上电机和下电机；两个电机采取共轴反桨结构。

进一步的，所述折叠螺旋桨包括第一桨叶、第二桨叶、第三桨叶、第四桨叶；其中，第一桨叶和第三桨叶结构相同，第二桨叶和第四桨叶结构相同；上、下桨叶采取折叠结构 ，静止时，上、下桨叶由于自身重力、扭簧作用原因贴合与机身两侧，运动时，桨叶由于离心力作用被甩开。

进一步的，所述桨叶-连接驱动组件包括有相互平行且共同垂直于电机连接轴的上桨叶连接盘A盘和下桨叶连接盘B盘；所述第一桨叶和所述第二桨叶分别通过桨叶折叠固定结构固定于所述上桨叶连接盘A盘，所述第三桨叶和所述第四桨叶分别通过桨叶折叠固定结构固定于所述下桨叶连接盘B盘。

进一步的，所述桨叶折叠固定结构形似h形，端部为U型槽，用于安装桨叶，头部与桨叶连接盘固定，起限位卡扣的作用；所述U型槽中套90度拉簧，该拉簧的另一端系于所述折叠螺旋桨的桨叶，使其在水介质中能够贴附于无人机身侧，降低水中阻力。

进一步的，所述上桨叶连接盘A通过支撑筒固定于所述共轴反桨电机的电机输出轴上，所述支撑筒的顶部与上桨叶连接盘A中心固定，所述支撑筒的底部套接于所述电机输出轴；套接部分设有销钉孔，通过在销钉孔中放置销钉实现支撑筒与电机输出轴连接固定；所述下桨叶连接盘B盘中心位置设有6个通孔，其与所述上电机端面上6个螺纹孔一一对应，并通过M3螺丝紧固。

进一步的，所述姿态-重心调节结构和姿态尾舵调节结构为无人机的主体结构，所述姿态-重心调节结构一内部中空的圆筒体结构，所述姿态尾舵调节结构为一碗状结构体且位于所述姿态-重心调节结构的下部；所述空中飞行机构、姿态-重心调节结构、姿态尾舵调节结构之间采用三段式径向密封安装结构，以实现无人机在水下的密封要求。

进一步的，所述姿态-重心调节结构的内部设有：分别位于上下部的上盖板和下盖板，两端设有电池夹板的动力电池包能够在上盖板和下盖板之间上下活动；所述动力电池包设于无人机的重心轴上，通过调节配重块的移动距离来改变机身的重心位置。

进一步的，所述上盖板的上端和下盖板的下端分别安装有光电限位器，用于获得动力电池包靠近上盖板和下盖板时的反馈，控制丝杆步进电机停止运动；贯穿于电池夹板于上盖板和下盖板之间设有轴线丝杆，其两端带螺纹通过M8螺栓实现对上盖板和下盖板之间的固定；所述直线轴承安装于电池夹板两端内侧，所述轴线丝杆贯穿其中，用于实现动力电池包运动过程的减震、顺滑效果。

进一步的，所述舵机倾转平台控制结构位于所述姿态-重心调节结构的上部，包括有俯仰平台、横滚平台、横滚舵机、俯仰舵机；机身筒体顶部对称排布固定有俯仰支撑组件，俯仰平台固定在俯仰支撑组件的顶端；所述俯仰平台顶部对称排布有横滚支撑组件，横滚平台固定于所述横滚支撑组件的顶部；所述俯仰舵机固定在机身筒体顶部上，通过连接轴连接俯仰平台，实现俯仰平台的俯仰控制；所述横滚舵机固定于俯仰平台的底部，通过连接轴连接横滚平台，实现对横滚平台的横滚控制；所述共轴反桨电机固定在俯仰平台上，整个倾转平台固定于机身筒体顶部上。

进一步的，所述姿态尾舵调节结构位于所述姿态-重心调节结构的下部，包括尾舵舵机、轴承组件和舵片，所述舵片位于无人机外侧，且通过轴承组件与尾舵舵机相连。

进一步的，所述轴承组件包括轴承丝杆、滚动轴承、固定法兰、咬合齿轮、舵机支架，所述轴承丝杆穿过圆筒体壁，通过滚动轴承旋转完成运动件轴承丝杆和静止件圆筒体壁之间的接触式动密封结构实现水密，咬合齿轮安装于轴承丝杆的一端与尾舵舵机相连，另一端与舵片相连，由此通过舵机的转动实现舵片的摆动；所述尾舵舵机、轴承组件、舵片以90度的间隔分四组均匀分布在姿态-重心调节结构的下部。

进一步的，所述水下动力结构包括水下推进器，该推进器安装于机身尾部的中心轴线上，为无人机提供水动力。

进一步的，所述控制尾舵舵片通过动密封轴承杆贯穿筒体，实现筒体内部舵机转动，驱动筒体外侧舵片摆动；所述水下推进器通过水密密封法兰安装于所述姿态-重心调节结构的筒体底部，实现无人机在水下的前进与后退。

本发明的优点和有益效果：

本发明提供一种跨介质海空两栖无人机，机型整体呈现流线型设计，完美的将“竹蜻蜓”式无人机与水下AUV进行了结合，形成了一种全新的海空两栖无人机机型。本发明由于体型流线型，便于从潜艇鱼雷口发射。本发明通过采取倾转平台结构的方式，在水上模式，可以实现在空中的俯仰、横滚方向的改变，偏航方向通过上下电机差速实现；在水下模式，控制尾舵实现水下动作的微调，倾转平台结构，通过改变机头的方向，实现对水下机身运动方式的大幅度调整；采用折叠翼结构，在水下模式时，由于拉簧结构迫使螺旋桨叶折叠贴合于机身两侧，机身整体呈现流线型，大大减小了水阻；同时机身的尺寸也为后期可能的军事用途提供的可能性；本发明采用独特的能源、配重调姿复用系统，通过调节电池包在轴线上的移动范围，实现对无人机机体重心的调节，以完成两栖无人机上浮、下潜的运动。

本发明与传统意义上“潜水飞机”不同，本发明由潜艇鱼雷发射管、飞机诱饵弹发射管或其他发射装置发射，可在水中和空中自由穿梭，包含潜射无人机部分，更融合了水下潜航器的功能，可作为潜艇触角的延伸，同时可携带武器，用于目标打击，为潜艇防空和反潜打开新的思路，有效提高潜艇的海上侦察能力和与反潜力量对抗的实力，具有重大的应用前景，极有可能催生未来“潜艇革命”。

附图说明

图1为本发明实施例的立体图。

图2为本发明实施例的主视图。

图3为本发明实施例的电机及折叠桨盘结构示意图。

图4为本发明实施例的舵机倾转平台结构示意图。

图5为本发明实施例的水下动力及调姿结构示意图。

图6为本发明实施例的重心调节系统结构示意图。

图7为本发明实施例的轴承组件的结构示意图。

其中，1. 上桨盘A盘；2. 下桨盘B盘；3. 折叠螺旋桨；4. 支撑筒；5.桨叶折叠固定结构；6.共轴反桨电机；7.俯仰平台；8.横滚平台；9.横滚舵机；10.俯仰舵机；11.连接轴；12.筒体顶部；13.姿态-重心调节结构；14. 姿态调节尾舵结构；15. 水下推进器；16.舵片；17.固定法兰；18.滚动轴承；19.轴承丝杆；20.咬合齿轮；21.舵机支架；22.电池夹板；23.直线轴承；24.动力电池包；25.光电限位器；26-1.上盖板；26-2.下盖板；27.轴线丝杆；28.丝杆步进电机29.尾舵舵机；30.俯仰支撑组件；31.横滚支撑组件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1-2所示，一种跨介质海空两栖无人机，包括：4片可折叠结构螺旋桨3、电池包24、水下推进器15、4片水下姿态调节尾舵16、重心调节能源复用系统13、2个光电限位器25、共轴反桨电机6和双舵机控制平台，其中：折叠桨叶通过长螺栓与桨盘连接，通过拉簧，使得桨叶折叠于机身两侧；上桨盘中心位置有四个螺纹通孔，通过M3螺丝实现与共轴双桨电机输出轴固定配件的连接，下桨盘中心位置的四个通孔与上电机相固定；共轴反桨电机6通过4个螺栓安装于横滚平台7上端面，倾转平台底部与筒体顶部12相固定；控制电路、电池包安装于机身内部；4个尾舵控制舵片17通过轴承丝杆19贯穿于机身尾部，通过齿轮20传动装置，使得舵机驱动尾舵舵片摆动；水下潜航动力推进器通过法兰环固定于机身筒体底部。

如图3、4所示，所述空中飞行机构部分包括共轴反桨电机6、上桨盘1、下桨盘2、折叠桨叶机构5，所述共轴反桨电机通过螺栓固定在横滚平台上7，所述倾转平台固定于机身筒体顶部12，电机线、舵机线、调试下载线、天线通过水密穿线螺栓贯穿筒体，实现密封筒体内外的联通；所述控制电路板、蓄电池24分别置于筒体内部的控制仓和电池舱中；所述控制舱通过上盖板26实现与电池舱的隔离；所述电池舱通过上下两块电池夹板22固定电池包；所述控制尾舵舵片16通过动密封轴承杆19贯穿筒体，实现筒体内部舵机转动，驱动筒体外侧舵片摆动；所述水下潜航动力系统的推进器15通过水密密封法兰安装于筒体底部，实现无人机在水下的前进与后退；所述筒体采用三段式安装结构，机身上部与机身中部，机身中部与机身尾部采用径向密封的方式，实现无人机在水下的密封要求。

如图5所示，所述姿态-重心调节结构和姿态尾舵调节结构为无人机的主体结构，所述姿态-重心调节结构13一内部中空的圆筒体结构，所述姿态尾舵调节结构为一碗状结构体且位于所述姿态-重心调节结构13的下部；所述空中飞行机构、姿态-重心调节结构、姿态尾舵调节结构之间采用三段式径向密封安装结构，以实现无人机在水下的密封要求。

如图6所示，所述姿态-重心调节结构13的内部设有：分别位于上下部的上盖板26-1和下盖板26-2，两端设有电池夹板22的动力电池包24能够在上盖板26-1和下盖板26-2之间上下活动；所述动力电池包24设于无人机的重心轴上，通过调节配重块的移动距离来改变机身的重心位置。

如图7所示，所述轴承组件包括轴承丝杆19、滚动轴承18、固定法兰17、咬合齿轮20、舵机支架21，所述轴承丝杆19穿过圆筒体壁，通过滚动轴承18旋转完成运动件轴承丝杆19和静止件圆筒体壁之间的接触式动密封结构实现水密，咬合齿轮20安装于轴承丝杆19的一端与尾舵舵机相连，另一端与舵片16相连，由此通过舵机的转动实现舵片的摆动；所述尾舵舵机、轴承组件、舵片6以90度的间隔分四组均匀分布在姿态-重心调节结构13的下部。

处于空中飞行模式时，所述无人机在空中时，共轴反桨电机采取上电机逆时针旋转、下电机顺时针旋转的“上逆下顺”的工作机制，上下折叠桨叶由于旋转产生的离心力，在驱动部件的驱动下旋转起来。当无人机倾转平台完全水平时，电机旋转，机身获得向上爬升力，实现在空中的垂直上升；若控制端需要无人机进行俯仰运动，机器收到控制指令后，倾转平台的俯仰舵机开始转动，驱使无人机机头向需求方向偏转，致使产生所需方向的拉力分量，实现机身整体的俯仰运动；若控制端需要无人机进行偏航运动，机器收到指令后，上下电机进行差速控制，以实现机身的偏航运动；在此过程中，水下潜航部分的动力系统的推进器、尾舵舵片、配重调姿系统处于关机状态，不工作。

机身内置十轴传感器，时刻监测机身的飞行状态，并将数据传递至无人机最小系统中进行处理解算；对无人机飞行姿态进行矫正，以实现对无人机稳定控制。

处于水下潜航模式时，所述尾舵舵片在尾舵姿态调节舵机的驱动下转动，实现在水中潜航姿态的控制，所述动力水下推进器通过法兰与机身尾部相连，实现无人机在水下的前进与后退；此时空中飞行部分的螺旋桨叶折叠贴合与机身周围，不提供水下运动所需的效率，不工作。所述无人机在实现出入水姿态切换时，所述动力电池包24在配重姿态调节结构中丝杆步进电机28的驱动下，实现无人机重心位置在轴线上的上下移动，实现无人机机头的上浮或者下潜。通过配重调姿系统将机身调至水平漂浮于水面。潜航动力推进器实现机身的前进和后退，控制尾舵舵片实现机身水下姿态的微调，实现偏航和俯仰运动；此时，空中飞行机构的电机处于关机状态，不工作。折叠桨叶贴合于机身两侧，减少了水下阻力，整体运动方式于AUV相似。

机身内置十轴传感器，时刻监测机身的潜航状态，并将数据传递至机身最小系统中进行处理解算；对机身的潜航姿态进行矫正，以应对不同潜航环境都能稳定运行。

处于出水状态时，即从水下潜航模式切换到空中飞行模式，首先，推进器停止工作，配重调姿系统开始工作，使电池包沿着轴线丝杆27向机身尾部运动，改变机身的重心位置，致使机头上浮直至竖直向上；电机开始旋转产生向上的爬升力，将机身拉出水面。

本实施例中，通过设计能源、配重调姿复用系统，调整机身中重心的位置，实现对机头的上浮、下潜；通过设计折叠桨叶和倾转平台结构，实现对无人机的矢量控制，同时也减小了在水下潜航的水阻力，具备两栖性。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种跨介质海空两栖无人机，其特征在于，该无人机包括空中飞行机构和水下潜航机构；所述空中飞行机构包括提供升力的共轴反桨升力结构和实现飞行器姿态控制的舵机倾转平台控制结构；所述水下潜航机构包括实现机身水平姿态、竖直姿态切换的姿态-重心调节结构、实现水下运动姿态调节的姿态尾舵调节结构和提供水下潜航动力的水下动力结构；所述共轴反桨升力结构、舵机倾转平台控制结构、姿态-重心调节结构、姿态尾舵调节结构和水下动力结构依次由上至下同轴排布。

2.如权利要求1所述的跨介质海空两栖无人机，其特征在于，所述共轴反桨升力结构包括折叠螺旋桨（3）、桨叶-连接驱动组件和共轴反桨电机（6）；所述折叠螺旋桨（3）通过桨叶-连接驱动组件与共轴反桨电机（6）相连；所述共轴反桨电机（6）为两个电机上下同轴设置，分为上电机和下电机；两个电机采取共轴反桨结构。

3.如权利要求2所述的跨介质海空两栖无人机，其特征在于，所述折叠螺旋桨（3）包括第一桨叶（3-1）、第二桨叶（3-2）、第三桨叶（3-3）、第四桨叶（3-4）；其中，第一桨叶和第三桨叶结构相同，第二桨叶和第四桨叶结构相同；上、下桨叶采取折叠结构 ，静止时，上、下桨叶由于自身重力、拉簧作用原因贴合与机身两侧，运动时，桨叶由于离心力作用被甩开；所述桨叶-连接驱动组件包括有相互平行且共同垂直于电机连接轴的上桨叶连接盘A盘（1）和下桨叶连接盘B盘（2）；所述第一桨叶（3-1）和所述第二桨叶（3-2）分别通过桨叶折叠固定结构（5）固定于所述上桨叶连接盘A盘（1），所述第三桨叶（3-3）和所述第四桨叶（3-4）分别通过桨叶折叠固定结构（5）固定于所述下桨叶连接盘B盘（2）；所述桨叶折叠固定结构（5）形似h形，端部为U型槽，用于安装桨叶，头部与桨叶连接盘固定，起限位卡扣的作用；所述U型槽中套90度拉簧，该拉簧的另一端系于所述折叠螺旋桨（3）的桨叶，使其在水介质中能够贴附于无人机身侧，降低水中阻力。

4.如权利要求1所述的跨介质海空两栖无人机，其特征在于，所述姿态-重心调节结构和姿态尾舵调节结构为无人机的主体结构，所述姿态-重心调节结构（13）一内部中空的圆筒体结构，所述姿态尾舵调节结构为一碗状结构体且位于所述姿态-重心调节结构（13）的下部；所述空中飞行机构、姿态-重心调节结构、姿态尾舵调节结构之间采用三段式径向密封安装结构，以实现无人机在水下的密封要求。

5.如权利要求4所述的跨介质海空两栖无人机，其特征在于，所述姿态-重心调节结构（13）的内部设有：分别位于上下部的上盖板（26-1）和下盖板（26-2），两端设有电池夹板（22）的动力电池包（24）能够在上盖板（26-1）和下盖板（26-2）之间上下活动；所述动力电池包（24）设于无人机的重心轴上，通过调节配重块的移动距离来改变机身的重心位置。

6.如权利要求5所述的跨介质海空两栖无人机，其特征在于，所述上盖板（26-1）的上端和下盖板（26-2）的下端分别安装有光电限位器（25），用于获得动力电池包（24）靠近上盖板（26-1）和下盖板（26-2）时的反馈，控制丝杆步进电机（28）停止运动；贯穿于电池夹板（22）于上盖板（26-1）和下盖板（26-2）之间设有轴线丝杆（27），其两端带螺纹通过M8螺栓实现对上盖板（26-1）和下盖板（26-2）之间的固定；所述直线轴承（23）安装于电池夹板（22）两端内侧，所述轴线丝杆（27）贯穿其中，用于实现动力电池包（24）运动过程的减震、顺滑效果。

7.如权利要求1所述的跨介质海空两栖无人机，其特征在于，所述舵机倾转平台控制结构位于所述姿态-重心调节结构（13）的上部，包括有俯仰平台（7）、横滚平台（8）、横滚舵机（9）、俯仰舵机（10）；机身筒体顶部（12）对称排布固定有俯仰支撑组件（30），俯仰平台（7）固定在俯仰支撑组件（30）的顶端；所述俯仰平台（7）顶部对称排布有横滚支撑组件（31），横滚平台固定于所述横滚支撑组件（31）的顶部；所述俯仰舵机（10）固定在机身筒体顶部（12）上，通过连接轴（11）连接俯仰平台（7），实现俯仰平台（7）的俯仰控制；所述横滚舵机（9）固定于俯仰平台（7）的底部，通过连接轴（11）连接横滚平台（8），实现对横滚平台（8）的横滚控制；所述共轴反桨电机（6）固定在俯仰平台上（7），整个倾转平台固定于机身筒体顶部（12）上。

8.如权利要求7所述的跨介质海空两栖无人机，其特征在于，所述姿态尾舵调节结构（14）位于所述姿态-重心调节结构（13）的下部，包括尾舵舵机、轴承组件和舵片（16），所述舵片（16）位于无人机外侧，且通过轴承组件与尾舵舵机相连。

9.如权利要求8所述的跨介质海空两栖无人机，其特征在于，所述轴承组件包括轴承丝杆（19）、滚动轴承（18）、固定法兰（17）、咬合齿轮（20）、舵机支架（21），所述轴承丝杆（19）穿过圆筒体壁，通过滚动轴承（18）旋转完成运动件轴承丝杆（19）和静止件圆筒体壁之间的接触式动密封结构实现水密，咬合齿轮（20）安装于轴承丝杆（19）的一端与尾舵舵机相连，另一端与舵片（16）相连，由此通过舵机的转动实现舵片的摆动；所述尾舵舵机、轴承组件、舵片（6）以90度的间隔分四组均匀分布在姿态-重心调节结构（13）的下部。

10.如权利要求1所述的跨介质海空两栖无人机，其特征在于，所述水下动力结构包括水下推进器（15），该推进器安装于机身尾部的中心轴线上，为无人机提供水动力；述控制尾舵舵片（16）通过动密封轴承杆（19）贯穿筒体，实现筒体内部舵机转动，驱动筒体外侧舵片摆动；所述水下推进器（15）通过水密密封法兰安装于所述姿态-重心调节结构（13）的筒体底部，实现无人机在水下的前进与后退。

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