CN112319161A - 一种可水下高速航行的旋翼无人机及其控制方法 - Google Patents

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李博
夏品奇
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Abstract

本发明公开一种可水下高速航行的旋翼无人机及其控制方法，无人机包括无人机机体、机体外壳，无人机机体包括电机、相机、电池、共轴双旋翼、侧旋翼和尾旋翼，其中，共轴双旋翼作为无人机的主旋翼，垂直安装，共轴双旋翼配置有主旋翼电机用于驱动其旋转；侧旋翼沿水平方向安装于共轴双旋翼的两侧，每个侧旋翼配有一小型电机；尾旋翼沿垂直方向安装于共轴双旋翼的后方，也配有一小型电机；机体外壳在旋翼处形成涵道。本发明提供的可水下高速航行的旋翼无人机其控制方法，通过独特的旋翼布局以及外形设计，能够兼顾空中飞行和水下航行，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飞行模式之间稳定切换，扩大工作领域，提高适用性。

Description

一种可水下高速航行的旋翼无人机及其控制方法
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种可水下高速航行的旋翼无人机及其控制方法。
背景技术
随着无人机技术的不断发展，我们对无人机的技术和功能也提出了更高的要求。常规无人机智能空中作业，基于对无人机活动空间、应用领域的扩大化，水空两栖无人机成为了一个重要的研究方向。水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，在海洋救援、勘测侦察和军事领域等方面有着很大的发展空间。
水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飞行模式之间稳定切换。目前已有的两栖无人机，缺少对无人机在空中和水中不同环境下工作的研究，工作效率低、稳定性差。因此设计一种能够兼顾空中飞行和水下航行高效稳定的无人机具有很大的意义。
发明内容
针对现有水空两栖无人机技术的不足，本发明的目的是提供一种可水下高速航行的旋翼无人机，能够兼顾空中飞行和水下航行，工作效率高、稳定性好，入水出水飞行模式切换稳定，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：
一种可水下高速航行的旋翼无人机，所述无人机包括无人机机体、机体外壳，所述无人机机体包括电机、相机、电池、共轴双旋翼、侧旋翼和尾旋翼，其中，所述共轴双旋翼作为无人机的主旋翼，垂直安装，所述共轴双旋翼配置有主旋翼电机用于驱动其旋转；所述侧旋翼沿水平方向安装于所述共轴双旋翼的两侧，每个侧旋翼配有一小型电机；所述尾旋翼沿垂直方向安装于所述共轴双旋翼的后方，也配有一小型电机；所述机体外壳在共轴双旋翼处形成上下贯通的涵道，侧旋翼位置处形成水平贯通的涵道，尾旋翼处也形成上下贯通的涵道。
进一步的，所述机体外壳为流线型空心结构，通过调节空心大小，保证水下整机浮力约等与其重力。
进一步的，所述主旋翼电机与所述共轴双旋翼相连接。
更进一步的，所述相机位于所述无人机机体行驶方向的前端，用于勘测侦察、摄影摄像功能，所述相机可拆卸安装于所述机体外壳上。
作为一种优选，所述电池为机载设备提供电能，其与所述主旋翼在无人机的长度方向上同轴，并且通过对电池位置进行设计，调整整机重心到共轴双旋翼轴线位置处。
进一步的，所述侧旋翼和尾旋翼分别独立控制其转速。
基于上述可水下高速航行的旋翼无人机，本发明还提供其控制方法，通过所述控制方法使无人机产生如下工作状态：
在水中航行时，所述主旋翼电机不输出，主旋翼保持静止状态，水中航行的前进动力全部由左右侧旋翼提供，尾旋翼用来调整无人机姿态，即调整俯仰姿态，调整航行器低头和抬头，来调整航行器的沉浮运动；
在出水过程中，通过调整尾旋翼调整无人机上升，使所述共轴双旋翼旋中的上旋翼先露出水面，然后启动主旋翼电机，高速旋转产生升力，带动无人机脱离水面，再切换至空中飞行模式；
在空中飞行时，主旋翼电机为共轴双旋翼旋转提供动力，产生飞行所需的升力，并通过控制共轴双旋翼反转来平衡反扭矩以及平衡前飞时候的滚转力矩；
空中悬停时候，升力来源是主旋翼，左右侧旋翼提供前飞的动力，同时尾旋翼用来调整飞行器姿态，使得主旋翼可以承担前飞动力。所述涵道分为主旋翼涵道和小旋翼涵道，在空中飞行以及水中航行时减少一定阻力，提高工作效率，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。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1. 本发明所述的一种可水下高速航行的旋翼无人机，设计了独特的旋翼布局，包括共轴双旋翼，左右两侧以及尾部三个小旋翼，空中飞行时依靠共轴双旋翼提供升力，并通过共轴反转平衡反扭矩和前飞时的滚转力矩，机体左右两个小旋翼提供前飞的动力，同时尾部小旋翼可以用来调整飞行器姿态，使得主旋翼可以承担前飞动力，实现高速前飞；在水下航行时，主旋翼停止转动，水中航行的前进动力全部由机体左右小旋翼提供，尾部小旋翼用来调整航行器姿态，即调整俯仰姿态，调整航行器低头和抬头，来调整航行器的沉浮运动；在出水过程中，由于独特的结构设计，小旋翼在水中推着机体浮出水面，当上旋翼露出水面后启动高速旋转，提供向上升力，小旋翼继续提供向上推力，共同将下旋翼从水中推出至空中，将无人机脱离出水面，然后调整成空中飞行的模式，完成出水过程。
2. 本发明所述的一种可水下高速航行的旋翼无人机，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。
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.左侧旋翼，2.右侧旋翼，3.尾旋翼，4.机体外壳，5.相机，6.共轴双旋翼，7.主旋翼电机，8.小旋翼电机，9.小旋翼涵道，10.主旋翼涵道，11.电池。
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
如附图所示，本申请提供一种可水下高速航行的旋翼无人机，所述无人机包括无人机机体、机体外壳4，所述无人机机体包括电机、相机5、电池11、共轴双旋翼6、侧旋翼和尾旋翼3，其中，所述共轴双旋翼6作为无人机的主旋翼，垂直安装，所述共轴双旋翼6配置有主旋翼电机7用于驱动其旋转；所述侧旋翼沿水平方向安装于所述共轴双旋翼6的两侧，每个侧旋翼配有一小型电机；所述尾旋翼3沿垂直方向安装于所述共轴双旋翼6的后方，也配有一小型电机；所述机体外壳4在共轴双旋翼6处形成上下贯通的涵道，侧旋翼位置处形成水平贯通的涵道，尾旋翼3处也形成上下贯通的涵道。
本发明所述的一种可水下高速航行的旋翼无人机，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。
上述侧旋翼与尾旋翼3均比共轴双旋翼6尺寸小，下也称小旋翼。
进一步的，所述机体外壳4为流线型空心结构，通过调节空心大小，保证水下整机浮力约等与其重力。
进一步的，所述主旋翼电机7与所述共轴双旋翼6相连接。
更进一步的，所述相机5位于所述无人机机体行驶方向的前端，用于勘测侦察、摄影摄像功能，所述相机5可拆卸安装于所述机体外壳4上。
作为一种优选，所述电池11为机载设备提供电能，其与所述主旋翼在无人机的长度方向上同轴，并且通过对电池11位置进行设计，调整整机重心到共轴双旋翼6轴线位置处。
进一步的，所述侧旋翼和尾旋翼3分别独立控制其转速。
由于小旋翼分别由不同电机控制，转速是独立可控的，同时主旋翼采用共轴双旋翼6设计，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。这里展示一般空中飞行原理和水中航行原理。
本发明所述的一种可水下高速航行的旋翼无人机，设计了独特的旋翼布局，包括共轴双旋翼6，左右两侧以及尾部三个小旋翼，空中飞行时依靠共轴双旋翼6提供升力，并通过共轴反转平衡反扭矩和前飞时的滚转力矩，机体左右两个小旋翼提供前飞的动力，同时尾部小旋翼可以用来调整飞行器姿态，使得主旋翼可以承担前飞动力，实现高速前飞；在水下航行时，主旋翼停止转动，水中航行的前进动力全部由机体左右小旋翼提供，尾部小旋翼用来调整航行器姿态，即调整俯仰姿态，调整航行器低头和抬头，来调整航行器的沉浮运动；在出水过程中，由于独特的结构设计，小旋翼在水中推着机体浮出水面，当上旋翼露出水面后启动高速旋转，提供向上升力，小旋翼继续提供向上推力，共同将下旋翼从水中推出至空中，将无人机脱离出水面，然后调整成空中飞行的模式，完成出水过程。
实施例2
基于上述可水下高速航行的旋翼无人机，本发明还提供其控制方法，通过所述控制方法使无人机产生如下工作状态：
在水中航行时，所述主旋翼电机7不输出，主旋翼保持静止状态，水中航行的前进动力全部由左右侧旋翼提供，尾旋翼3用来调整无人机姿态，即调整俯仰姿态，调整航行器低头和抬头，来调整航行器的沉浮运动；
在出水过程中，通过调整尾旋翼3调整无人机上升，使所述共轴双旋翼6旋中的上旋翼先露出水面，然后启动主旋翼电机7，高速旋转产生升力，带动无人机脱离水面，再切换至空中飞行模式；
在空中飞行时，主旋翼电机7为共轴双旋翼6旋转提供动力，产生飞行所需的升力，并通过控制共轴双旋翼6反转来平衡反扭矩以及平衡前飞时候的滚转力矩；
空中悬停时候，升力来源是主旋翼，左右侧旋翼提供前飞的动力，同时尾旋翼3用来调整飞行器姿态，使得主旋翼可以承担前飞动力。所述涵道分为主旋翼涵道10和小旋翼涵道，在空中飞行以及水中航行时减少一定阻力，提高工作效率，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。
转向时，控制一侧旋翼降低转速或保持不变，相应增大另一侧旋翼转速，使得两侧推力差产生的力矩作用在无人机上，完成转向；
俯仰时，通过控制尾旋翼的转速，改变其推力大小，增加转速使机体低头，减小转速使机体抬头。
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 (7)

1.一种可水下高速航行的旋翼无人机，其特征在于：所述无人机包括无人机机体、机体外壳，所述无人机机体包括电机、相机、电池、共轴双旋翼、侧旋翼和尾旋翼，其中，所述共轴双旋翼作为无人机的主旋翼，垂直安装，所述共轴双旋翼配置有主旋翼电机用于驱动其旋转；所述侧旋翼沿水平方向安装于所述共轴双旋翼的两侧，每个侧旋翼配有一小型电机；所述尾旋翼沿垂直方向安装于所述共轴双旋翼的后方，也配有一小型电机；所述机体外壳在共轴双旋翼处形成上下贯通的涵道，侧旋翼位置处形成水平贯通的涵道，尾旋翼处也形成上下贯通的涵道。
2.根据权利要求1所述的可水下高速航行的旋翼无人机，其特征在于：所述机体外壳为流线型空心结构，通过调节空心大小，保证水下整机浮力约等与其重力。
3.根据权利要求1所述的可水下高速航行的旋翼无人机，其特征在于：所述主旋翼电机与所述共轴双旋翼相连接。
4.根据权利要求1所述的可水下高速航行的旋翼无人机，其特征在于：所述相机位于所述无人机机体行驶方向的前端，用于勘测侦察、摄影摄像功能，所述相机可拆卸安装于所述机体外壳上。
5.根据权利要求1所述的可水下高速航行的旋翼无人机，其特征在于：所述电池为机载设备提供电能，其与所述主旋翼在无人机的长度方向上同轴，并且通过对电池位置进行设计，调整整机重心到共轴双旋翼轴线位置处。
6.根据权利要求1所述的可水下高速航行的旋翼无人机，其特征在于：所述侧旋翼和尾旋翼分别独立控制其转速。
7.根据权利要求1所述的可水下高速航行的旋翼无人机的控制方法，其特征在于：通过所述控制方法使无人机产生如下工作状态：
在水中航行时，所述主旋翼电机不输出，主旋翼保持静止状态，水中航行的前进动力全部由左右侧旋翼提供，尾旋翼用来调整无人机姿态，即调整俯仰姿态，调整航行器低头和抬头，来调整航行器的沉浮运动；
在出水过程中，通过调整尾旋翼调整无人机上升，使所述共轴双旋翼旋中的上旋翼先露出水面，然后启动主旋翼电机，高速旋转产生升力，带动无人机脱离水面，再切换至空中飞行模式；
在空中飞行时，主旋翼电机为共轴双旋翼旋转提供动力，产生飞行所需的升力，并通过控制共轴双旋翼反转来平衡反扭矩以及平衡前飞时候的滚转力矩；
空中悬停时候，升力来源是主旋翼，左右侧旋翼提供前飞的动力，同时尾旋翼用来调整飞行器姿态，使得主旋翼可以承担前飞动力。
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