CN111439078A - 一种基于矢量推进器的双层旋翼海空两栖无人机 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞行器技术领域，具体涉及一种基于矢量推进器的双层旋翼海空两栖无人机，包括脚架与安装于脚架的舱体，舱体外壁沿其周向设有数个第一旋翼组件与数个第二旋翼组件；第一旋翼组件与第二旋翼组件均包括旋翼与无刷电机，无刷电机驱动与其对应的旋翼转动；第一旋翼组件对应的旋翼与第二旋翼组件对应的旋翼位于不同水平高度，形成双层旋翼结构；舱体外壁沿其周向还设有数个矢量推进组件，矢量推进组件包括水下推进器与驱动水下推进器转动的深水舵机。本发明有效保证无人机在水中空中自由切换，旋翼分成两层布置，保证无人机在空中实现重负载作业；水下推进器与深水舵机相结合保证无人机在水中完成重负载作业。

Description

一种基于矢量推进器的双层旋翼海空两栖无人机

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，具体涉及一种基于矢量推进器的双层旋翼海空两栖无人机。

背景技术

常规的水下机器人，如远程操控水下机器人，在周身布置3-8个小型无刷电机水下推进器，导致耗能大、影响了机器人内部空间布置，造成了空间和能量上的浪费，同时结构冗杂，重量较大，对于部分需要轻量化的水下机器人设计显然非常不利。除此之外，八旋翼无人机在生活中应用广泛。因此，现有技术中常见的无人机只能在空中飞行却无法实现在水面与陆地行进，水下机器人只能在水中行进却无法在空中运行。当水下通行受限的情况下需要转换成空中行进或同时有高空作业和深水作业的需求时，常规水下机器人或飞行器的应用就受到了限制。

八旋翼飞行器有进行长时间且重载的工作的需求，同时水下机器人也有长时间的作业需求，因此，在水空机器人结合方面的需求很广。

综上，需要制造一种结构简单，重量较轻的两栖无人机来满足生活中特定领域的需求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中常规水下机器人或飞行器的应用受到限制问题，提出了一种基于矢量推进器的双层旋翼海空两栖无人机。

为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于矢量推进器的双层旋翼海空两栖无人机，包括脚架与安装于脚架的舱体，舱体外壁沿其周向设有数个第一旋翼组件与数个第二旋翼组件；第一旋翼组件与第二旋翼组件均包括旋翼与无刷电机，无刷电机驱动与其对应的旋翼转动；第一旋翼组件对应的旋翼与第二旋翼组件对应的旋翼位于不同水平高度，形成双层旋翼结构；舱体外壁沿其周向还设有数个矢量推进组件，矢量推进组件包括水下推进器与驱动水下推进器转动的深水舵机。

进一步地，第一旋翼组件对应的旋翼与第二旋翼组件对应的旋翼旋转方向相反，所有旋翼产生的升力方向均相同；第一旋翼组件与第二旋翼组件均包括吊臂、第一安装架以及第二安装架；吊臂的一端通过第一安装架与舱体连接，另一端通过第二安装架与无刷电机连接；无刷电机远离第二安装架一端的输出轴与旋翼连接；第一旋翼组件的无刷电机的输出轴朝向与第二旋翼组件的无刷电机的输出轴朝向向反。

进一步地，所述舱体外套有安装环，舱体远离脚架的一端开口，开口由端盖覆盖，所述端盖边缘伸出舱体外；所述第一安装架为安装块，安装块位于端盖边缘与安装环之间；安装块的两端分别与端盖边缘、安装环连接，吊臂的一端贯穿安装块。

进一步地，第二安装架包括一安装板与两平行固定板，吊臂的另一端先后贯穿两固定板；两固定板均与吊臂的另一端连接，安装板与两固定板连接，无刷电机与安装板连接。

进一步地，吊臂采用碳纤维筒制作而成；吊臂的一端贯穿安装块后采用内堵头封堵，另一端贯穿两固定板后采用法兰堵头封堵。

进一步地，脚架、安装环以及端盖的材质均为防水的3D打印材料；舱体材质为有机玻璃。

进一步地，所述端盖设有通孔，所述通孔内设有穿线螺丝或水密接插头。

进一步地，第一旋翼组件与第二旋翼组件间隔设置且数量均为四个；第一旋翼组件的吊臂与第二旋翼组件的吊臂位于同一水平面，相邻的第一旋翼组件的吊臂与第二旋翼组件的吊臂之间的夹角为45°。

进一步地，水下推进器与其对应的深水舵机连接，深水舵机远离水下推进器的一端通过第三安装架与舱体连接；第三安装架包括与舱体外壁贴合的连接板；脚架与舱体连接的一端为脚板，脚板边缘位于舱体外；连接板位于安装环与脚板边缘之间，连接板的两端分别与安装环、脚板边缘连接；连接板设有向舱体外突出支撑板，深水舵机与支撑板连接；矢量推进组件的数量为两个。

进一步地，舱体外壁沿其周向还设有浮体配重块。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：

(1)本发明有效保证无人机在水中空中自由切换，实现不连续水域的快速飞行穿越或障碍物空中环境实现水中快速穿越；旋翼分成两层布置，能够使两层旋翼部分在高度上能够相叠加，保证每个旋翼都可以使用大尺寸的桨叶，保证无人机在空中实现重负载作业；水下推进器保证无人机转向灵活，水下推进器与深水舵机相结合保证无人机在水中完成重负载作业；

(2)本发明不同转向的电机产生的正反扭矩相互抵消，保证了无人机的姿态稳定；

(2)本发明通过减少水下推进器数量，实现了空间与能量上的节约，重量的减少使无人机在水下运行时具备轻量化设计；

(4)本发明能够漂浮于水面；

(5)本发明使用飞行控制器与主控制器两种控制设计，通过主控制器有效提高无人机的接口拓展能力。

附图说明

图1为本实施例一种基于矢量推进器的双层旋翼海空两栖无人机整体结构图；

图2为本实施例一种基于矢量推进器的双层旋翼海空两栖无人机俯视图；

图3为本实施例旋翼旋转方向示意图；

图4为本实施例第一旋翼组件结构图；

图5为本实施例矢量推进组件结构图；

图6为本实施例吊臂、连接板分别与舱体连接的示意图；

图7为本实施例水下推进器的转动方向Ⅰ示意图；

图8为本实施例水下推进器的转动方向Ⅱ示意图；

图9为本实施例控制系统示意图。

图中，1脚架、2舱体、3安装环、4端盖、8内堵头、9安装块、10法兰堵头、11固定板、12吊臂、13安装板、14无刷电机、15防松螺母、16第一旋翼组件、161第一前侧旋翼，162第一右侧旋翼，163第一后侧旋翼，164第一左侧旋翼，17第二旋翼组件、171第二右前旋翼，172第二右后旋翼，173第二左后旋翼，174第二左前旋翼，18水下推进器、19连接板、20深水舵机、21浮体配重块、22旋翼。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步地描述，但本发明的保护范围并不仅仅限于此。

如图1、图2所示，本实施例一种基于矢量推进器的双层旋翼海空两栖无人机，包括脚架1与安装于脚架1的舱体2。舱体2外壁沿其周向设有数个第一旋翼组件16与数个第二旋翼组件17。第一旋翼组件16与第二旋翼组件17均包括旋翼22与无刷电机14，无刷电机14驱动与其对应的旋翼22转动。第一旋翼组件16对应的旋翼22与第二旋翼组件17对应的旋翼22位于不同水平高度，形成双层旋翼结构。舱体2形状为圆筒形，大小以实际电池尺寸作为基本设计参考尺寸。脚架1中部设有与舱体2底端相适配的凹槽，用以安装舱体2。脚架1落地部分为井字形结构。本实施例无人机空中航行模式时，依靠无刷电机14和两层旋翼航行，通过将旋翼22分成两层布置，能够使两层旋翼部分在高度上相叠加，保证每个旋翼22都可以使用大尺寸的桨叶，保证无人机在空中实现完成重负载作业。舱体2外壁沿其周向还设有数个矢量推进组件，矢量推进组件包括水下推进器18与驱动水下推进器18转动的深水舵机20。本实施例无人机水中和水面航行模式时，依靠矢量推进组件推进方式，采用水下推进器18差速推进。水下推进器18解决了传统水下推进器转向困难的技术问题，赋予无人机更强灵活性。水下推进器与深水舵机20相结合，保证无人机在水中完成重负载作业。因此，本实施例能够在水中空中自由切换，实现无人机和水下机器人的功能，不受水体环境或者空中环境限制，水中空中均能够重负载作业，并利用其两栖的特点，实现不连续水域的快速飞行穿越或障碍物空中环境实现水中快速穿越。

第一旋翼组件16对应的旋翼22与第二旋翼组件17对应的旋翼22旋转方向相反。所有旋翼22产生的升力方向均向上。第一旋翼组件16与第二旋翼组件17的数量相等，无人机悬停时，各个无刷电机14转速相同，不同转向的无刷电机14产生的正反扭矩相互抵消，保证了无人机的姿态稳定。第一旋翼组件16与第二旋翼组件17均包括吊臂12、第一安装架以及第二安装架。吊臂12的一端通过第一安装架与舱体2连接，另一端通过第二安装架与无刷电机14连接。无刷电机14远离第二安装架一端的输出轴与旋翼22连接。第一旋翼组件16的无刷电机14的输出轴朝向与第二旋翼组件17的无刷电机14的输出轴朝向向反。第一旋翼组件16的无刷电机14朝上放置，无刷电机14朝上的部分通过防松螺母15安装位于无刷电机14之上的旋翼，无刷电机14与旋翼22均位于吊臂12之上。第二旋翼组件17的无刷电机14朝下放置，无刷电机14朝下的部分通过防松螺母15安装位于无刷电机14之下的旋翼，无刷电机14与旋翼22均位于吊臂12之下。无刷电机14的参数应于电池和旋翼22尺寸相适应。无刷电机14朝上的第一旋翼组件16与无刷电机14朝下的第二旋翼组件17的安装方式相同。

为便于固定第一安装架，舱体2外套有安装环3。舱体2远离脚架1的一端开口，开口由端盖4覆盖，端盖4边缘伸出舱体2外。如图4所示，第一安装架为安装块9，安装块9位于端盖4边缘与安装环3之间。安装块9的两端分别与端盖4边缘、安装环3连接，吊臂12的一端贯穿安装块9。为防止吊臂12脱出，可以在吊臂12与安装块9之间用胶水固定。安装块9在安装时，使用螺钉先后贯穿端盖4边缘，安装块9以及安装环3后，安装块9便固定于舱体2外壁。端盖4边缘、安装块9以及安装环3均设有与螺钉对应的通孔，通孔设有与螺钉匹配的套丝。通孔内不能套丝的情况下，安装块9使用的螺钉可调整为螺杆。安装块可由两块相同的结构块相互拼接而成。第二安装架包括一安装板13与两平行固定板11，吊臂12的另一端先后贯穿两固定板11。两固定板11与吊臂12的另一端连接，安装板13通过螺丝分别与两固定板11连接，无刷电机14通过螺丝与安装板13连接。固定板可由两块相同的结构板相互拼接而成。

吊臂12为降低重量保证强度，采用碳纤维筒制作而成。为防止吊臂12内部渗水，吊臂12外侧可喷薄漆，同时吊臂12的一端贯穿安装块9后采用内堵头8封堵，另一端贯穿两固定板11后采用法兰堵头10封堵。脚架1、安装环3以及端盖4的材质均为3D打印材料，并且防水耐蚀。舱体2材质选择有机玻璃或其他防水耐蚀材料。端盖4设有数个通孔，每一通孔内设有穿线螺丝或水密接插头。第一旋翼组件16、第二旋翼组件17以及矢量推进组件所包含的电线可通过端盖4上安装的穿线螺丝连接到舱体2内部的电子元件上。某些需要插拔的部件如通用接口的传感器、电池充电器等通过端盖4上安装的水密接插头连接到舱体2内部的电子元件上。

第一旋翼组件16与第二旋翼组件17间隔设置且数量均为四个，形成八旋翼结构。第一旋翼组件16的吊臂12与第二旋翼组件17的吊臂12位于同一水平面，相邻的第一旋翼组件16的吊臂12与第二旋翼组件17的吊臂12之间的夹角为45°。八个吊臂12各安装一个无刷电机14，其中位于前、后、左、右四个方位的无刷电机14向上，位于左前、右前、左后、右后四个方位的无刷电机14向下，向上的四个无刷电机14的输出轴上各安装一个顺时针方向旋转的旋翼，向下的四个无刷电机14的输出轴上各安装一个逆时针方向旋转的旋翼，处于相对位置的旋翼中心距离为650mm。如图3所示，无人机上层四个旋翼从前方顺时针方向依次为第一前侧旋翼161、第一右侧旋翼162、第一后侧旋翼163、第一左侧旋翼164，下层四个旋翼从前方顺时针方向依次为第二右前旋翼171、第二右后旋翼172、第二左后旋翼173、第二左前旋翼174。上层四个旋翼均为顺时针旋转且为反桨，下层四个旋翼均为逆时针旋转且为正桨，所有旋翼产生的升力都向上。无人机悬停时，各个无刷电机14转速相同，不同转向的无刷电机14产生的正反扭矩相互抵消，保证了无人机的姿态稳定。

如图5所示，水下推进器18与其对应的深水舵机20可通过螺丝连接。深水舵机20可以带动其上固定的水下推进器18转动。如图6所示，深水舵机20远离水下推进器18的一端通过第三安装架与舱体2连接。第三安装架包括与舱体2外壁贴合的连接板19。脚架1与舱体2连接的一端为脚板，脚板边缘位于舱体2外。连接板19位于安装环3与脚板边缘之间，连接板19的两端通过螺钉分别与安装环3、脚板边缘连接。位于连接板19顶部的螺钉贯穿安装环3后伸入连接板19内，位于连接板19底部的螺钉贯穿脚板边缘后伸入连接板19内。脚板边缘、安装环3均设有与螺钉对应的通孔，通孔设有与螺钉匹配的套丝。通孔内不能套丝的情况下，连接板19使用的螺钉可调整为螺杆。连接板19设有向舱体2外突出的支撑板，深水舵机20通过螺钉与支撑板连接，提高摩擦力，防止深水舵机20脱开。深水舵机20与支撑板也可以选择胶接粘合。深水舵机20的安装块9采用3D打印的制造方式。如图7、图8所示，通过调整水下推进器18的方向以及调整水下推进器18的转速，以达到无人机的不同行进方向和行进速度。为实现了空间与能量上的节约，减少重量以使无人机在水下运行时具备轻量化设计，本实施例矢量推进组件的数量设置为两个，改善了传统水下及机器人需要多个水下推进器18转向的技术问题。

如图1所示，为使无人机漂浮于水面，舱体2外壁沿其周向还设有浮体配重块21，浮体配重块21位于吊臂12下方。浮力配重块采用浮体材料与配重材料。浮力材料与配重材料根据实际制作情况分别用胶水粘合在舱体2两侧，用于平衡浮心与重心。浮体配重块21位于安装环3与脚板边缘之间，浮体配重块21的固定方式也可与连接板19的固定方式相同。

本实施例既可以在空中行进，又可以漂浮于水面，也可以潜入水中行进，三种航行模式可以快速自由切换。水中和水面航行模式依靠两个矢量推进组件推进方式，采用水下推进器18差速推进；空中航行模式依靠无刷电机14和八旋翼航行。本发明可以同时实现无人机和水下机器人的主要功能，同时还可以进行重负载作业，并利用其两栖的特点，实现不连续水域的快速飞行穿越或障碍物空中环境实现水中快速穿越。

如图9所示，本实施例还包括还包括控制系统，控制系统包括飞行控制部分、飞行控制器、水中控制部分、主控制器、人机交互部分以及挂载传感器部分。其中，飞行控制部分包括与旋翼一一对应的无刷电机14与电子调速器。本实施例飞行控制部分共包括八个无刷电机14与八个电子调速器，无刷电机14与其对应的电子调速器电线连接，电子调速器主要用于对无刷电机14的转速进行控制，每一电子调速器均与飞行控制器电线连接。飞行控制器主要用于无人机的状态运算并利用电子调速器控制飞行部分的无刷电机14的转速，整体控制无人机在空中的运行姿态。水中控制部分包括水下推进器18以及与水下推进器18一一对应的电子调速器与深水舵机20。本实施例水中控制部分包括两个电子调速器、两个水下推进器18以及两个深水舵机20，电子调速器控制水下推进器18的转速，深水舵机20控制水下推进器18的方向，水下推进器18与其对应的电子调速器电线连接，水下推进器18通过电子调速器与主控制器连接，电子调速器、深水舵机20均与主控制器直接电线连接。主控制器用于水面部分的状态运算并利用电子调速控制水中部分两个水下推进器18的转速、深水舵机控制水下推进器的方向，整体控制无人机在水中的运行姿态。挂载传感器部分包括多种传感器，多种传感器均与主控制器电线连接。主控制器连接其他多种传感器，用于获取水中和空中的特定资料数据。人机交互部分包括地面控制器与无线通讯，地面控制器与无线通讯电线连接，无线通讯分别与飞行控制器、主控制器电线连接。无线通讯包括蓝牙通讯、wifi通讯以及Sbus通讯中的一种或几种。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于矢量推进器的双层旋翼海空两栖无人机，包括脚架(1)与安装于脚架(1)的舱体(2)，其特征在于：

舱体(2)外壁沿其周向设有数个第一旋翼组件(16)与数个第二旋翼组件(17)；第一旋翼组件(16)与第二旋翼组件(17)均包括旋翼(22)与无刷电机(14)，无刷电机(14)驱动与其对应的旋翼(22)转动；第一旋翼组件(16)对应的旋翼(22)与第二旋翼组件(17)对应的旋翼(22)位于不同水平高度，形成双层旋翼结构；

舱体(2)外壁沿其周向还设有数个矢量推进组件，矢量推进组件包括水下推进器(18)与驱动水下推进器(18)转动的深水舵机(20)。

2.根据权利要求1所述的基于矢量推进器的双层旋翼海空两栖无人机，其特征在于：

第一旋翼组件(16)对应的旋翼(22)与第二旋翼组件(17)对应的旋翼(22)旋转方向相反，所有旋翼(22)产生的升力方向均相同；

第一旋翼组件(16)与第二旋翼组件(17)均包括吊臂(12)、第一安装架以及第二安装架；吊臂(12)的一端通过第一安装架与舱体(2)连接，另一端通过第二安装架与无刷电机(14)连接；无刷电机(14)远离第二安装架一端的输出轴与旋翼(22)连接；

第一旋翼组件(16)的无刷电机(14)的输出轴朝向与第二旋翼组件(17)的无刷电机(14)的输出轴朝向向反。

3.根据权利要求2所述的基于矢量推进器的双层旋翼海空两栖无人机，其特征在于：所述舱体(2)外套有安装环(3)，舱体(2)远离脚架(1)的一端开口，开口由端盖(4)覆盖，所述端盖(4)边缘伸出舱体(2)外；所述第一安装架为安装块(9)，安装块(9)位于端盖(4)边缘与安装环(3)之间；安装块(9)的两端分别与端盖(4)边缘、安装环(3)连接，吊臂(12)的一端贯穿安装块(9)。

4.根据权利要求2所述的基于矢量推进器的双层旋翼海空两栖无人机，其特征在于：第二安装架包括一安装板(13)与两平行固定板(11)，吊臂(12)的另一端先后贯穿两固定板(11)；两固定板(11)均与吊臂(12)的另一端连接，安装板(13)与两固定板(11)连接，无刷电机(14)与安装板(13)连接。

5.根据权利要求2-4任一项所述的基于矢量推进器的双层旋翼海空两栖无人机，其特征在于：吊臂(12)采用碳纤维筒制作而成；吊臂(12)的一端贯穿安装块(9)后采用内堵头(8)封堵，另一端贯穿两固定板(11)后采用法兰堵头(10)封堵。

6.根据权利要求3所述的基于矢量推进器的双层旋翼海空两栖无人机，其特征在于：脚架(1)、安装环(3)以及端盖(4)的材质均为防水的3D打印材料；舱体(2)材质为有机玻璃。

7.根据权利要求3或6所述的基于矢量推进器的双层旋翼海空两栖无人机，其特征在于：所述端盖(4)设有通孔，所述通孔内设有穿线螺丝或水密接插头。

8.根据权利要求2所述的基于矢量推进器的双层旋翼海空两栖无人机，其特征在于：第一旋翼组件(16)与第二旋翼组件(17)间隔设置且数量均为四个；第一旋翼组件(16)的吊臂(12)与第二旋翼组件(17)的吊臂(12)位于同一水平面，相邻的第一旋翼组件(16)的吊臂(12)与第二旋翼组件(17)的吊臂(12)之间的夹角为45°。

9.根据权利要求1所述的基于矢量推进器的双层旋翼海空两栖无人机，其特征在于：

水下推进器(18)与其对应的深水舵机(20)连接，深水舵机(20)远离水下推进器(18)的一端通过第三安装架与舱体(2)连接；

第三安装架包括与舱体(2)外壁贴合的连接板(19)；脚架(1)与舱体(2)连接的一端为脚板，脚板边缘位于舱体(2)外；连接板(19)位于安装环(3)与脚板边缘之间，连接板(19)的两端分别与安装环(3)、脚板边缘连接；连接板设有向舱体外突出支撑板，深水舵机(20)与支撑板连接；

矢量推进组件的数量为两个。

10.根据权利要求1所述的基于矢量推进器的双层旋翼海空两栖无人机，其特征在于：舱体(2)外壁沿其周向还设有浮体配重块(21)。

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