CN112172425A - 一种水下多自由度航行的海空两栖无人机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下多自由度航行的海空两栖无人机及其控制方法,无人机包括无人机本体、机体外壳,所述无人机本体包括电机、相机、前后左右四个方向的外伸支臂,电机在中央位置连接主旋翼,外伸的四个支臂末端有步进电机与小型电机,小型电机分别连接小型旋翼;所述机体外壳在中央位置主旋翼处设有上下贯通的涵道,四个外伸支臂的外伸旋翼处也设有涵道。本发明的目的是提供一种水下多自由度航行的海空两栖无人机,以独特的结构设计实现空中飞行与水中航行的高效稳定,以及水、空环境过渡的工作稳定性,解决无人机出水入水飞行模式切换问题,扩大无人机工作领域,提高适用性。
Description
技术领域
本发明涉及海空两栖无人机技术领域,具体涉及一种水下多自由度航行的海空两栖无人机及其控制方法。
背景技术
海空两栖无人机是指既可以在空中飞行,又可以在水中航行的无人机,有机结合了飞行器与潜水艇的优势。在无人机领域研究中,海空两栖无人机是一个重要研究方向,更广阔的空间使得无人机有了更多的可能性,在海洋救援、勘测侦察等方面有着巨大的潜力。
海空两栖无人机的技术关键在于满足空中与水下正常工作,同时可以在空中飞行与水下航行两种模式之间稳定切换。目前已有的两栖无人机,缺少对入水和出水方案设计的研究,能够兼顾空中飞行和水下航行高效稳定。
发明内容
针对现有海空两栖无人机技术的不足,本发明的目的是提供一种水下多自由度航行的海空两栖无人机,能够兼顾空中飞行、水下航行以及入水出水高效稳定工作,提高无人机的适用性。
为了解决上述现有技术问题,本发明采用的技术方案如下:
一种水下多自由度航行的海空两栖无人机,包括无人机本体单元、外伸支臂,所述无人机本体单元包括电机、旋翼、外壳,所述电机在无人机本体单元的中央位置,其输出端连接旋翼,在所述旋翼的外部设有外壳,所述壳体为上下贯通的涵道;
所述无人机包含一个主本体单元以及若干对称分布的外伸本体单元,所述主本体单元与外伸本体单元结构相同,所述外伸本体单元通过外伸支臂悬挂在所述主本体单元上,伸出主本体单元,均匀分布于其外部圆周位置上;
所述外伸本体单元在所述外伸支臂的末端连接处设有步进电机。
所述无人机本体为圆形空心结构,用来调节整机的浮力约等与其重力。
所述无人机上课拆卸设有相机,所述相机安装于主本体单元中央位置,用于勘测侦察、摄影摄像功能。
所述外伸支臂,采用“L”形结构,在主旋翼下方,所述“L”形的短边连接在所述主本体单元上。所述外伸支臂“L”形的短边向下延伸,下伸的长度要大于相机所在位置,在陆地着陆时保护相机。
所述支臂末端的步进电机,用来控制连接的涵道结构以及外伸旋翼的旋转操纵。
所述无人机包含4个以主本体单元中央位置为中心对称的外伸本体单元。
所述外伸本体单元中的旋翼称为外伸旋翼,对所述外伸旋翼顺时针编号为1、2、3、4,各外伸旋翼独立控制其转速,并且对应的涵道结构分别与一个独立的步进电机相连,使其可以绕其支撑杆转动,提供额外的自由度。
基于上述水下多自由度航行的海空两栖无人机,本申请还提供其控制方法,所述控制方法用于无人机产生以下工作模式:
空中悬停时,升力来源为主旋翼,2号和4号外伸旋翼产生大小相等、方向相反的推力,用来平衡主旋翼的反扭矩;
前飞时,启动1号和3号外伸旋翼,同样产生大小相等、方向相反的推力,给飞行器添加一个俯仰力矩,从而实现前飞;在稳定前飞的时候,调节2号和4号外伸旋翼的旋转角度,使得在平衡主旋翼扭矩的同时可以使得系统能够平衡前飞时候的滚转力矩;
在水下航行时,无人机降落在水面上时停止主旋翼的转动,飞行器在水中的运动由4个外伸旋翼来控制,保持1号3号外伸旋翼偏转角度为0°,和主旋翼方向一致,1号和3号外伸旋翼用来调节飞行器的沉浮运动,2号和4号外伸旋翼的偏转角度为90°,提供飞行器前进的动力。
与现有技术相比,本发明具有以下优点和有益效果:
1. 本发明所述的一种水下多自由度航行的海空两栖无人机,设计了独特的旋翼布局,空中飞行时依靠中央位置的主旋翼提供动力,水中航行时依靠四个外伸旋翼提供动力,在出水过程中,由于独特的结构设计,外伸旋翼在水中推着机体浮出水面,当主旋翼露出水面后启动,提供向上升力,外伸旋翼仍在水中,继续提供向上推力,共同将无人机从水中推出至空中,完成出水过程。
2. 本发明所述的一种水下多自由度航行的海空两栖无人机,设计了独特的涵道,在空中飞行时减少一定诱导阻力,提高气动效率,另外也起保护作用,防止在水中航行时水流冲击,造成旋翼损坏。外伸旋翼涵道结构在着陆时充当起落架,减少了冗余结构。
3. 本发明所述的一种水下多自由度航行的海空两栖无人机,采用步进电机控制外伸旋翼以及涵道结构的角度,实现空中飞行与水中航行的高效稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案,下面将对本发明中所需要使用的附图进行简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明无人机整体结构示意图;
图中:1.1号外伸旋翼,2.2号外伸旋翼,3.3号外伸旋翼,4.4号外伸旋翼,5.主旋翼,6.主旋翼电机,7.相机,8.主旋翼涵道,9.外伸支臂,10.步进电机,11.外伸旋翼电机,12.外伸旋翼涵道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合说明书附图对本发明的实施方式做进一步地详细叙述。
实施例1
本申请提供一种水下多自由度航行的海空两栖无人机,包括无人机本体单元、外伸支臂,所述无人机本体单元包括电机、旋翼、外壳,所述电机在无人机本体单元的中央位置,其输出端连接旋翼,在所述旋翼的外部设有外壳,所述壳体为上下贯通的涵道;
所述无人机包含一个主本体单元以及若干对称分布的外伸本体单元,所述主本体单元与外伸本体单元结构相同,所述外伸本体单元通过外伸支臂悬挂在所述主本体单元上,伸出主本体单元,均匀分布于其外部圆周位置上;
所述外伸本体单元在所述外伸支臂的末端连接处设有步进电机。
以主本体单元为中心,称其组成部分为主旋翼电机、主旋翼和主外壳,伸出主本体单元的组成部分称为外伸旋翼电机、外伸旋翼和外伸旋翼外壳。所述支臂末端的步进电机,用来控制连接的涵道结构以及外伸旋翼的旋转操纵。
本实施例提供的无人机结构如图1所示,所述无人机包含4个以主本体单元中央位置为中心对称的外伸本体单元;所述外伸本体单元中的旋翼称为外伸旋翼,对所述外伸旋翼顺时针编号为1、2、3、4,各外伸旋翼独立控制其转速,并且对应的涵道结构分别与一个独立的步进电机相连,使其可以绕其支撑杆转动,提供额外的自由度。
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明的技术方案作进一步详细说明。如附图所示,一种采用水下多自由度航行的海空两栖无人机,包括无人机本体、外伸旋翼1-4、主旋翼5、主旋翼电机6、相机7、主旋翼涵道8、外伸支臂9、步进电机10、外伸旋翼电机11、外伸旋翼涵道12。
所述无人机本体作为载体,所述主旋翼5设置于机体中央位置,固定于所述主旋翼电机6的上端,并设有所述主旋翼涵道8,其下安装所述相机7,所述外伸支臂9有4只,呈“L”形并对称设置在机体上,末端与所述外伸旋翼涵道12通过所述不仅电机10连接,内设有所述外伸旋翼1-4分别与四个外伸旋翼电机11相连。所述外伸支臂,采用“L”形结构,在主旋翼下方,所述“L”形的短边连接在所述主本体单元上。所述外伸支臂“L”形的短边向下延伸,下伸的长度要大于相机所在位置,在陆地着陆时保护相机。
所述涵道分为主旋翼涵道和外伸旋翼涵道,在空中飞行时减少一定诱导阻力,提高气动效率,另外也起保护作用,防止在水中航行时水流冲击,造成旋翼损坏。外伸旋翼涵道结构在着陆时充当起落架,减少了冗余结构。
由于外伸旋翼1-4可以绕着支撑座旋转,因此给系统提供了额外的控制冗余,因此针对不同的空中飞行和水中航行姿态,有更多的调整方式。这里采用一种最简单的控制方式来展示空中飞行原理和水中航行原理。
实施例2
基于上述水下多自由度航行的海空两栖无人机,本申请还提供其控制方法,所述控制方法用于无人机产生以下工作模式:
当所述无人机在空中悬停飞行时,所述无人机的电机6驱动所述主旋翼5转动,提供主要升力,所述外伸旋翼2、4产生大小相等、方向相反的推力,用来平衡所述主旋翼5的反扭矩。由于所述外伸旋翼2、4旋转方向相反,因此其力矩可以相互抵消。此时所述外伸旋翼1、3不动。
当所述无人机在空中前飞时,在悬停动力控制基础上启动所述外伸旋翼1、3,同样产生大小相等、方向相反的推力,给所述无人机添加一个俯仰力矩,从而实现前飞。在稳定前飞的时候,需要适当调节所述外伸旋翼2、4的旋转角度,使其平衡所述主旋翼5扭矩的同时可以使得系统能够平衡前飞时候的滚转力矩。
当所述无人机从空中入水时,降落在水面上的时候停止所述主旋翼5的转动,所述无人机升力不足以平衡自身重力进入水中,在水中的运动主要是由所述外伸旋翼1-4来控制。
当所述无人机在水中航行时,保持所述外伸旋翼1、3偏转角度为0°,和所述主旋翼5方向一致。所述外伸旋翼1、3的功能主要是用来调节飞行器的沉浮运动,所述外伸旋翼2、4的偏转角度为90°,主要提供所述无人机前进的动力。
当所述无人机出水时,所述外伸旋翼1-4的角度全部调整为0°,全功率给所述无人机提供向上的升力,将所述主旋翼5托出水面,之后启动所述电机6驱动主旋翼5转动,产生升力,此时所述主旋翼5反扭矩大部分由水的阻力提供。当所述无人机的升力由主旋翼5承担后,所述外伸旋翼1-4调整为空中飞行配置,加大主旋翼升力,无人机脱离水面,进入空中飞行。
上述仅为本申请的较佳实施例,并不用以限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种水下多自由度航行的海空两栖无人机,其特征在于:包括无人机本体单元、外伸支臂,所述无人机本体单元包括电机、旋翼、外壳,所述电机在无人机本体单元的中央位置,其输出端连接旋翼,在所述旋翼的外部设有外壳,所述壳体为上下贯通的涵道;
所述无人机包含一个主本体单元以及若干对称分布的外伸本体单元,所述主本体单元与外伸本体单元结构相同,所述外伸本体单元通过外伸支臂悬挂在所述主本体单元上,伸出主本体单元,均匀分布于其外部圆周位置上;
所述外伸本体单元在所述外伸支臂的末端连接处设有步进电机。
2.根据权利要求1所述的水下多自由度航行的海空两栖无人机,其特征在于:所述无人机本体为圆形空心结构,用来调节整机的浮力约等与其重力。
3.根据权利要求1所述的水下多自由度航行的海空两栖无人机,其特征在于:所述无人机上课拆卸设有相机,所述相机安装于主本体单元中央位置,用于勘测侦察、摄影摄像功能。
4.根据权利要求3所述的水下多自由度航行的海空两栖无人机,其特征在于:所述外伸支臂,采用“L”形结构,在主旋翼下方,所述“L”形的短边连接在所述主本体单元上。
5.根据权利要求4所述的水下多自由度航行的海空两栖无人机,其特征在于:所述外伸支臂“L”形的短边向下延伸,下伸的长度要大于相机所在位置,在陆地着陆时保护相机。
6.根据权利要求1所述的水下多自由度航行的海空两栖无人机,其特征在于:所述支臂末端的步进电机,用来控制连接的涵道结构以及外伸旋翼的旋转操纵。
7.根据权利要求1所述的水下多自由度航行的海空两栖无人机,其特征在于:所述无人机包含4个以主本体单元中央位置为中心对称的外伸本体单元。
8.根据权利要求7所述的水下多自由度航行的海空两栖无人机,其特征在于:所述外伸本体单元中的旋翼称为外伸旋翼,对所述外伸旋翼顺时针编号为1、2、3、4,各外伸旋翼独立控制其转速,并且对应的涵道结构分别与一个独立的步进电机相连,使其可以绕其支撑杆转动,提供额外的自由度。
9.根据权利要求7所述的水下多自由度航行的海空两栖无人机控制方法,其特征在于:所述控制方法用于无人机产生以下工作模式:
空中悬停时,升力来源为主旋翼,2号和4号外伸旋翼产生大小相等、方向相反的推力,用来平衡主旋翼的反扭矩;
前飞时,启动1号和3号外伸旋翼,同样产生大小相等、方向相反的推力,给飞行器添加一个俯仰力矩,从而实现前飞;在稳定前飞的时候,调节2号和4号外伸旋翼的旋转角度,使得在平衡主旋翼扭矩的同时可以使得系统能够平衡前飞时候的滚转力矩;
在水下航行时,无人机降落在水面上时停止主旋翼的转动,飞行器在水中的运动由4个外伸旋翼来控制,保持1号3号外伸旋翼偏转角度为0°,和主旋翼方向一致,1号和3号外伸旋翼用来调节飞行器的沉浮运动,2号和4号外伸旋翼的偏转角度为90°,提供飞行器前进的动力。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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