CN112124583B - 一种带马格努斯减摇装置的h字型四旋翼两栖无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带马格努斯减摇装置的H字型四旋翼两栖无人机，包括主机体，所述主机体的两侧对称的设有若干第一支架和第二支架；每根所述第二支架的端部均设置有空中动力单元；所述第一支架上分别设有可转动的滚筒组件，所述滚筒组件包括套设在所述第一支架上的滚筒，以及连接并驱动所述滚筒转动的驱动电机；处于同侧的一对所述第一支架之间还设有水下推进器，所述水下推进器通过连杆组件连接在所述主机体上，所述连杆组件与所述第一支架平行设置；本无人机结构简单，功能强大，通过马格努斯效应控制无人机的机身横滚轴方向的稳定性，大幅减少机身摇晃，同时能够以较高的精度来控制俯仰与沉浮，在水下及空中有更加稳定的前行姿态。

Description

一种带马格努斯减摇装置的H字型四旋翼两栖无人机

技术领域

本发明涉及到无人机技术领域，具体涉及到一种带马格努斯减摇装置的H字型四旋翼两栖无人机。

背景技术

无人机是一种不要驾驶员登机进行任何手动驾驶操作，完全在电子设备的监控下可以自动完成全部飞行过程的飞行器，无人机以其生存能力较强、灵活性高、机动性好、使用非常方便和人员零伤亡风险等优点在现代战争中能够发挥极其重要的作用，同时在民用和商用领域无人机也有非常广阔的应用前景。无人机按飞行特点可以分为固定翼式、旋翼式和扑翼式无人机等种类，其中旋翼无人机具有体积较小、结构简单、控制比较灵活等特点，能够垂直起降、自由悬停，还能够适应各种自然环境，具备自主飞行和着陆能力等优点。

如中国实用新型专利(公开号：CN208325596U)在2019年公开了一种防水四旋翼无人机机架，包括机架本体、四个旋翼护臂和防水盒；其中，所述四个旋翼护臂之间设有至少一个连接杆，所述四个旋翼护臂与所述至少一个构成H型结构安装在所述机架本体上，所述四个旋翼护臂采用碳纤维圆形空心管制成；所述防水盒安装在所述机架本体上，用于安装给用电部件供电的电池和用于控制远程通讯的信息处理器。该无人机能够在雨天飞行，扩大了无机人的使用范围，但是并不能在水下航行。

这几年两栖无人机得到了快速发展，但是现有两栖可水下航行的无人机多为固定翼飞行器，虽然水下速度较快，但因速度较低时舵效较低，难以实现空中及水下低速情况下作业，因此使用较少。而旋翼无人机由于水下阻力大，采用空中的螺旋桨及电机，水中电机转速难以控制、水下旋翼反扭较大，姿态控制精度较差，容易晃动，偏航、前行等动作在水下难以实现，因此应用较少。

如中国实用新型专利(公开号：CN206914633U)在2018年公开了一种水空两栖无人机，包括无人机机体，其上设有至少一个机臂，每个机臂的末端分别有驱动部件，所述驱动部件的上端安装有旋翼，所述驱动部件的下端安装有船用螺旋桨，旋翼与螺旋桨通过单向轴承或者单向离合器连接；该无人机既能够通过旋翼在空中飞行，也能够通过螺旋桨在水下前行；但是该旋翼和螺旋桨共轴并通过同一驱动部件驱动，不利于飞行姿态的控制。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种带马格努斯减摇装置的H字型四旋翼两栖无人机。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种带马格努斯减摇装置的H字型四旋翼两栖无人机，包括主机体，所述主机体的两侧对称的设有若干第一支架，同侧的所述第一支架的端部分别连接有第二支架，一对所述第二支架对称设置；每根所述第二支架的端部均设置有空中动力单元；所述第一支架上分别设有可转动的滚筒组件，所述滚筒组件包括套设在所述第一支架上的滚筒，以及连接并驱动所述滚筒转动的驱动电机，所述驱动电机通过安装组件安装在所述第一支架上；处于同侧的一对所述第一支架之间还设有水下推进器，所述水下推进器通过连杆组件连接在所述主机体上，所述连杆组件与所述第一支架空间平行设置。

本H字型四旋翼两栖无人机结构简单，功能强大，通过在所述第一支架上设置滚筒，能够形成马格努斯效应，在低速及高速水平前行时通过马格努斯效应控制无人机的机身横滚轴方向的稳定性，大幅减少机身摇晃，同时能够以较高的精度来控制俯仰与沉浮，在水下及空中有更加稳定的前行姿态；能够克服旋翼无人机在水下阻力大、空中螺旋桨难以控制、水下旋翼反扭矩大、姿态不易控制的问题。

也就是说本方案的无人机在利用现有H字型四旋翼无人机的基础上，加装4个小型驱动电机驱动的滚筒来实现马格努斯效应，利用正反旋转产生向上或者向下的力实现俯仰轴、横滚轴方向的姿态控制，在同一侧的两个滚筒之间加入可正反转的所述水下推进器，产生水平的推力来提供水平前进或后退的速度，通过两边水下电机的差速推进实现偏航轴方向转向，相比使用空中动力单元来进行水下姿态控制，精度更高，晃动更小，更有利于检测设备的运作。

当需要调整深度时，先通过所述滚筒产生的力使机身向前或向后倾斜，所述水下推进器向前或向后推进来改变深度；当需要离开水面时，所述空中动力单元启动，快速上浮至水面，本无人机设计重心在浮力中心以下，可使所述空中动力单元的螺旋桨在空中提供较少推力，借助浮力可浮于水面，只需增大螺旋桨推力，便可完成出水，减少推力，即可完成入水。

进一步的，所述滚筒与所述第一支架之间至少设有一对轴承，一对所述轴承分别设置在滚筒的内壁两端。采用轴承的连接方式，结构简单，易于实现。

进一步的，所述安装组件包括套筒，所述套筒的一端设有径向延伸的连接板，所述连接板与所述套筒的外圆周之间还连接有斜肋板，所述连接板上设有若干安装孔；所述套筒套设并固定连接在所述第一支架上，所述连接板背向所述斜肋板的一面安装所述驱动电机，所述驱动电机的输出端通过传动皮带与所述滚筒张紧连接；所述驱动电机为无刷电机。

通过皮带进行传动，能够直接驱动所述滚筒转动，产生马格努斯效应，从而形成向上或向下的力，装置结构简单，重量较轻，可以降低整机重量；所述安装组件的结构也为轻便设计，而且通过所述斜肋板确保连接的稳定性和强度。

进一步的，所述第一支架与所述第二支架均为中空的管件，所述第一支架与所述第二支架的交汇处分别通过三通管连接器连接；每个所述三通管连接器的下方还分别设置有浮力配平块。

中空管件及所述三通管连接器的设置，形成了与所述主机体连通的管路，便于线路的布置和胶封防水的设置。

所述浮力配平块的设置能够调整整个装置的浮力，使整机的重力与浮力相当。

进一步的，所述空中动力单元均包括空用螺旋桨，所述空用螺旋桨安装并连接在第二无刷电机上，所述第二无刷电机固设在电机安装板上，所述电机安装板上螺接有管夹，所述管夹分别卡合固定在所述第二支架上。所述管夹可以胶接或焊接在所述第二支架上。

进一步的，所述主机体采用防水舱结构，所述主机体内胶封设置有控制设备、多种传感器和电池；多种所述传感器至少包括姿态仪、六轴加速度计、深度计、水压计。

当所述主机体前行遇到水流导致机体晃动，通过四个所述滚筒来控制水下机身姿态时，能够结合机身内的所述姿态仪、所述六轴加速度计等来增稳主机体保持姿态。在进行深度调节时，能够结合机载的所述深度计或水压计保持前行时所处深度。

进一步的，所述水下推进器具有环形的外壳，所述外壳内安装有水用螺旋桨；所述连杆组件包括与所述主机体连接的中空连杆，所述中空连杆的端部固设有半圆形的卡箍，所述卡箍通过连接片螺接有另一半卡箍；一对所述卡箍卡紧所述外壳。通过采用所述卡箍的紧固方式，连接简单易于装卸。

优选的，所述中空连杆在空间上与所述第一支架错开设置，低于所述第一支架在所述主机体上连接的位置，以降低所述主机体的中心。

进一步的，所述外壳的外圆周上设有至少一圈凸缘，所述外壳的外圆周上对称的设有凸耳；所述凸耳与所述卡箍上的所述连接片对应设置并螺接固定，所述卡箍的轴向端面抵接所述凸缘；与所述中空连杆连接的所述卡箍与所述中空连杆的外圆周之间设有若干筋板。

所述外壳的轴向长度略大于所述卡箍的轴向长度，便于增加与所述卡箍的接触面积，提高夹持力；所述凸缘的设置起到限位的作用，在安装时能够减少所述卡箍与所述外壳之间的轴向滑移；所述凸耳和所述连接片的配合设置，好于单纯的卡箍加紧紧固，能够有效避免所述外壳的周向移动，提升连接的稳定性，有利于提升整机操控的准确性。

进一步的，所述滚筒组件的至少一种控制逻辑如下：设定所述滚筒的滚转方向以所述滚筒前方水流向后流动滚筒产生向上升力为正，则同侧平行设置的一对所述滚筒正转和/或反转，所述主机体相对于水流方向向左或者向右倾斜；同轴设置的一对所述滚筒正转和/或反转，所述主机体在水流方向上仰头或者低头。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本H字型四旋翼两栖无人机结构简单，功能多，通过在所述第一支架上设置滚筒，能够形成马格努斯效应，在低速及高速水平前行时通过马格努斯效应控制无人机的机身横滚轴方向的稳定性，大幅减少机身摇晃，同时能够以较高的精度来控制俯仰与沉浮，在水下及空中有更加稳定的前行姿态；2、本H字型四旋翼两栖无人机能够克服旋翼无人机在水下阻力大、空中螺旋桨难以控制、水下旋翼反扭矩大、姿态不易控制的问题；3、通过两边水下电机的差速推进实现偏航轴方向转向，相比使用空中动力单元来进行水下姿态控制，精度更高，晃动更小，更有利于检测设备的运作；4、本无人机设计重心在浮力中心以下，可使所述空中动力单元的螺旋桨在空中提供较少推力，借助浮力可浮于水面，只需增大螺旋桨推力，便可完成出水，减少推力，即可完成入水。

附图说明

图1为本发明一种带马格努斯减摇装置的H字型四旋翼两栖无人机的整体结构立体示意图一；

图2为本发明一种带马格努斯减摇装置的H字型四旋翼两栖无人机的整体结构立体示意图二；

图3为本发明一种带马格努斯减摇装置的H字型四旋翼两栖无人机的滚筒组件连接结构示意图；

图4为本发明一种带马格努斯减摇装置的H字型四旋翼两栖无人机的空中动力单元连接结构示意图；

图5为本发明一种带马格努斯减摇装置的H字型四旋翼两栖无人机的水下推进器连接结构示意图；

图6为本发明一种带马格努斯减摇装置的H字型四旋翼两栖无人机的水下推进器爆炸结构示意图；

图7为本发明一种带马格努斯减摇装置的H字型四旋翼两栖无人机的控制示意图；

图中：1、主机体；2、第一支架；3、第二支架；4、三通管连接器；5、空中动力单元；501、第二无刷电机；502、空用螺旋桨；503、电机安装板；504、管夹；6、滚筒组件；601、滚筒；602、轴承；603、第一无刷电机；604、传动皮带；7、水下推进器；701、外壳；702、水用螺旋桨；703、凸耳；704、凸缘；8、安装组件；801、套筒；802、连接板；803、斜肋板；9、连杆组件；901、中空连杆；902、筋板；903、卡箍；904、连接片；10、左后滚筒；11、左前滚筒；12、右后滚筒；13、右前滚筒。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中间”、“上”、“下”、“左”、“右”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一：

如图1和图2所示，一种带马格努斯减摇装置的H字型四旋翼两栖无人机，包括主机体1，所述主机体1的两侧对称的设有两对平行设置的第一支架2，同侧的所述第一支架2的端部分别连接有第二支架3，一对所述第二支架3平行设置；每根所述第二支架3的端部均设置有空中动力单元5；所述第一支架2上分别设有可转动的滚筒组件6，所述滚筒组件6包括套设在所述第一支架2上的滚筒601，以及连接并驱动所述滚筒601转动的第一无刷电机603，所述第一无刷电机603通过安装组件8安装在所述第一支架2上；处于同侧的一对所述第一支架2之间还设有水下推进器7，所述水下推进器7通过连杆组件9连接在所述主机体1上，所述连杆组件9与所述第一支架2平行设置。

本H字型四旋翼两栖无人机结构简单，功能强大，通过在所述第一支架2上设置滚筒601，能够形成马格努斯效应，在低速及高速水平前行时通过马格努斯效应控制无人机的机身横滚轴方向(轴线方向)的稳定性，大幅减少机身摇晃，同时能够以较高的精度来控制俯仰与沉浮，在水下及空中有更加稳定的前行姿态；能够克服旋翼无人机在水下阻力大、空中螺旋桨难以控制、水下旋翼反扭矩大、姿态不易控制的问题。

也就是说本方案的无人机在利用现有H字型四旋翼无人机的基础上，加装4个小型第一无刷电机603驱动的滚筒601来实现马格努斯效应，利用正反旋转产生向上或者向下的力实现俯仰轴、横滚轴方向的姿态控制，在同一侧的两个滚筒601之间加入可正反转的所述水下推进器7，产生水平的推力来提供水平前进或后退的速度，通过两边水下电机的差速推进实现偏航轴方向转向，相比使用空中动力单元来进行水下姿态控制，精度更高，晃动更小，更有利于检测设备的运作。

当需要调整深度时，先通过所述滚筒601产生的力使机身向前或向后倾斜，所述水下推进器7向前或向后推进来改变深度；当需要离开水面时，所述空中动力单元5启动，快速上浮至水面，本无人机设计重心在浮力中心以下，可使所述空中动力单元5的螺旋桨在空中提供较少推力，借助浮力可浮于水面，只需增大螺旋桨推力，便可完成出水，减少推力，即可完成入水。

进一步的，如图3所示，所述滚筒601与所述第一支架2之间设有一对轴承602，一对所述轴承602分别设置在滚筒601的内壁两端。采用轴承602的连接方式，结构简单，易于实现。

进一步的，所述安装组件8包括套筒801，所述套筒801的一端设有径向延伸的连接板802，所述连接板802与所述套筒801的外圆周之间还连接有斜肋板803，所述连接板802上设有若干安装孔；所述套筒801套设并固定连接在所述第一支架2上，所述连接板802背向所述斜肋板803的一面安装所述第一无刷电机603，所述第一无刷电机603的输出端通过传动皮带604与所述滚筒601张紧连接。

通过传动皮带604进行传动，能够直接驱动所述滚筒601转动，产生马格努斯效应，从而形成向上或向下的力，装置结构简单，重量较轻，可以降低整机重量；所述安装组件8的结构也为轻便设计，而且通过所述斜肋板803确保连接的稳定性和强度。

进一步的，所述第一支架2与所述第二支架3均为中空的管件，所述第一支架2与所述第二支架3的交汇处分别通过三通管连接器4连接；每个所述三通管连接器4的下方还分别设置有浮力配平块。

中空管件及所述三通管连接器4的设置，形成了与所述主机体1连通的管路，便于线路的布置和胶封防水的设置。

所述浮力配平块的设置能够调整整个装置的浮力，使整机的重力与浮力相当。

进一步的，如图4所示，所述空中动力单元5均包括空用螺旋桨502，所述空用螺旋桨502安装并连接在第二无刷电机501上，所述第二无刷电机501固设在电机安装板503上，所述电机安装板503上螺接有管夹504，所述管夹504分别卡合固定在所述第二支架3上。

进一步的，如图5和图6所示，所述水下推进器7具有环形的外壳701，所述外壳701内安装有水用螺旋桨702；所述连杆组件9包括与所述主机体1连接的中空连杆901，所述中空连杆901的端部固设有半圆形的卡箍903，所述卡箍903通过连接片904螺接有另一半卡箍；一对所述卡箍903卡紧所述外壳701。通过采用所述卡箍的紧固方式，连接简单易于装卸。

优选的，所述中空连杆901在空间上与所述第一支架2错开设置，低于所述第一支架2在所述主机体1上连接的位置，以降低所述主机体的中心。

进一步的，所述外壳701的外圆周上设有至少一圈凸缘704，所述外壳701的外圆周上对称的设有凸耳703；所述凸耳703与所述卡箍903上的所述连接片904对应设置并螺接固定，所述卡箍903的轴向端面抵接所述凸缘704；与所述中空连杆901连接的所述卡箍与所述中空连杆901的外圆周之间设有若干筋板902。

所述外壳701的轴向长度略大于所述卡箍903的轴向长度，便于增加与所述卡箍903的接触面积，提高夹持力；所述凸缘704的设置起到限位的作用，在安装时能够减少所述卡箍903与所述外壳701之间的轴向滑移；所述凸耳703和所述连接片904的配合设置，好于单纯的卡箍加紧紧固，能够有效避免所述外壳701的周向移动，提升连接的稳定性，有利于提升整机操控的准确性。

进一步的，所述主机体1采用防水舱结构，所述主机体1内胶封设置有控制设备、多种传感器和电池；多种所述传感器至少包括姿态仪、六轴加速度计、深度计、水压计。

当所述主机体1前行遇到水流导致机体晃动，通过四个所述滚筒601来控制水下机身姿态时，能够结合机身内的所述姿态仪、所述六轴加速度计等来增稳主机体保持姿态。在进行深度调节时，能够结合机载的所述深度计或水压计保持前行时所处深度。

实施例二：

本实施例提供了实施例一中无人机的至少一种控制逻辑。

如图7所示，为了便于描述将四个滚筒按照方位分别标记为左后滚筒10、左前滚筒11、右后滚筒12和右前滚筒13。

假设图中箭头方向为无人机的运动方向，滚筒滚转方向以滚筒前方水流向后流动滚筒产生向上升力为正。

在水下前行时，两侧水下推进器向前推进：

所述左前滚筒11、所述左后滚筒10正转，在左边产生向上推力，所述右前滚筒13、所述右后滚筒12反转，在右边产生向下推力，从而使机身向右倾斜；所述右前滚筒13、所述右后滚筒12正转，在右边产生向上推力，所述左前滚筒11、所述左后滚筒10反转，在左边产生向下推力，从而使机身向左倾斜；所述左前滚筒11、所述右前滚筒13正转，在前方产生向上推力，所述左后滚筒10、所述右后滚筒12反转，在后方产生向下推力，从而使机体仰头；所述左后滚筒10、所述右后滚筒12正转，在后方产生向上推力，所述左前滚筒11、所述右前滚筒13反转，在前方产生向下推力，从而使机体低头；向上、向下的推力可以通过控制带动滚筒的第一无刷电机603的转速来控制。当机体前行遇到水流导致机体晃动时可以通过控制四个滚筒来实现水下机身姿态的控制，结合机身内的传感器如姿态仪、六轴加速度计等来增稳机体保持姿态。

水下需要控制小幅度的水平方向的左右横向移动，通过控制机身姿态为向右或向左倾斜，从而获得水平向右或水平向左的分力，从而完成运动。

水下需要快速控制所处深度时，能够通过向前抬头的前行实现上浮，向下低头的前行实现下沉；小幅度控制深度时，水下推进器向前推进并且四个所述滚筒601正转产生升力，也能够应用于水下的深度控制，结合机载深度计或水压计用于保持前行时所处深度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种带马格努斯减摇装置的H字型四旋翼两栖无人机，包括主机体，其特征在于，所述主机体的两侧对称的设有两对平行设置的第一支架，同侧的所述第一支架的端部分别连接有第二支架，一对所述第二支架对称设置；每根所述第二支架的端部均设置有空中动力单元；所述第一支架上分别设有可转动的滚筒组件，所述滚筒组件包括套设在所述第一支架上的滚筒，以及连接并驱动所述滚筒转动的驱动电机，所述驱动电机通过安装组件安装在所述第一支架上；处于同侧的一对所述第一支架之间还设有水下推进器，所述水下推进器通过连杆组件连接在所述主机体上，所述连杆组件与所述第一支架空间平行设置；

在水下前行时，假设前进方向为无人机的运动方向，滚筒滚转方向以滚筒前方水流向后流动滚筒产生向上升力为正，两侧水下推进器向前推进，这些滚筒的至少一种控制方式如下：左前的滚筒、左后的滚筒正转，在左边产生向上推力，右前的滚筒、右后的滚筒反转，在右边产生向下推力，以使所述主机体向右倾斜；右前的滚筒、右后的滚筒正转，在右边产生向上推力，左前的滚筒、左后的滚筒反转，在左边产生向下推力，以使所述主机体向左倾斜；左前的滚筒、右前的滚筒正转，在前方产生向上推力，左后的滚筒、右后的滚筒反转，在后方产生向下推力，以使所述主机体仰头；左后的滚筒、右后的滚筒正转，在后方产生向上推力，左前的滚筒、右前的滚筒反转，在前方产生向下推力，以使所述主机体低头。

2.根据权利要求1所述的带马格努斯减摇装置的H字型四旋翼两栖无人机，其特征在于，所述滚筒与所述第一支架之间至少设有一对轴承，一对所述轴承分别设置在滚筒的内壁两端。

3.根据权利要求1所述的带马格努斯减摇装置的H字型四旋翼两栖无人机，其特征在于，所述安装组件包括套筒，所述套筒的一端设有径向延伸的连接板，所述连接板与所述套筒的外圆周之间还连接有斜肋板，所述连接板上设有若干安装孔；所述套筒套设并固定连接在所述第一支架上，所述连接板背向所述斜肋板的一面安装所述驱动电机，所述驱动电机的输出端通过传动皮带与所述滚筒张紧连接；所述驱动电机为无刷电机。

4.根据权利要求1所述的带马格努斯减摇装置的H字型四旋翼两栖无人机，其特征在于，所述第一支架与所述第二支架均为中空的管件，所述第一支架与所述第二支架的交汇处分别通过三通管连接器连接；每个所述三通管连接器的下方还分别设置有浮力配平块。

5.根据权利要求1所述的带马格努斯减摇装置的H字型四旋翼两栖无人机，其特征在于，所述空中动力单元均包括空用螺旋桨，所述空用螺旋桨安装并连接在第二无刷电机上，所述第二无刷电机固设在电机安装板上，所述电机安装板上螺接有管夹，所述管夹分别卡合固定在所述第二支架上。

6.根据权利要求1所述的带马格努斯减摇装置的H字型四旋翼两栖无人机，其特征在于，所述主机体采用防水舱结构，所述主机体内胶封设置有控制设备、多种传感器和电池；多种所述传感器至少包括姿态仪、六轴加速度计、深度计、水压计。

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