CN112339514A - 一种水空两栖变翼式无人机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水空两栖变翼式无人机，其包括机体、两个机臂、两个第一翻转部件、两个外涵道、两个第一驱动部件、两个第一螺旋桨、两个第二驱动部件和两个第二螺旋桨，其机体两侧伸出的两个机臂的端部都固定有第一翻转部件，第一翻转部件可以控制两个外涵道围绕相应的涵道转轴转动，从而调整两个外涵道内部的第一螺旋桨的朝向，当外涵道转动至竖直朝向时，第一螺旋桨转动可以控制无人机的起飞和降落，配合第二螺旋桨可以使无人机在空中飞行；当外涵道转动至水平朝向时，无人机潜入水中后可以通过第一螺旋桨转动带动无人机在水中潜行，并且配合第二螺旋桨可以使无人机在水中调整姿态，减小无人机在水中受到的限制，具备很好的实用性。

Description

一种水空两栖变翼式无人机

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种水空两栖变翼式无人机。

背景技术

无人机可以飞行到空中，对地面进行大面积探测。凭借其飞行高度的提升，我们可以获得视野更广阔的画面，无人机对于大范围搜索有着极其重要的意义。在空中，无人机有着广阔的应用。

潜水艇在海洋生物监测和海洋环境勘测等方面具有十分明显的优势。但是，要对海洋生物群进行监测，首先要追踪海洋生物群，而潜水艇在水中无法获得大范围的信息，因此会受到极大限制。

目前的无人机虽然有着大面积搜索的优势，但是对于水域，无人机的探索却受到极大的限制。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种既能够在水中工作，又能够在空中工作且能够在两种工作模式之间自如稳定地切换的水空两栖变翼式无人机。

本发明提供一种水空两栖变翼式无人机，包括：

机体；

两机臂，两机臂沿机体的宽度方向分别连接在机体的两侧；

两第一翻转部件，两第一翻转部件分别安装于两机臂背离机体的端部；

两外涵道，两外涵道的外壁分别通过涵道转轴转动连接于两机臂背离机体的端部，两涵道转轴分别与两第一翻转部件传动连接，两涵道转轴的轴线均平行于机体的宽度方向、垂直于外涵道的轴线方向；

两第一驱动部件，两第一驱动部件分别安装于两外涵道内部；

两第一螺旋桨，两第一螺旋桨分别传动连接于两第一驱动部件的输出端；

两第二驱动部件，两第二驱动部件分别安装于机体的首端和尾端；

两第二螺旋桨，两第二螺旋桨分别传动连接于两第二驱动部件的输出端。

可选的，机体包括机壳和控制箱，控制箱安装于机壳的内部，机壳的位于宽度方向上的两侧壁上均开设有第一通孔，两机臂穿过相应的第一通孔后与控制箱的位于机体的宽度方向上的两侧壁固定连接。

可选的，机体还包括两支撑臂，两支撑臂沿机体的长度方向分别与控制箱的位于机体的长度方向上的两侧壁固定连接；机体的首端和尾端均开设有第二通孔，两第二驱动部件分别安装于两支撑臂。

可选的，每一个第一翻转部件均包括第一舵机、第一舵机座和外涵道座，第一舵机座和外涵道座均固定于机臂，第一舵机固定于第一舵机座，涵道转轴转动连接于外涵道座，第一舵机的输出端连接涵道转轴。

可选的，水空两栖变翼式无人机还包括两第二翻转部件，两第二翻转部件分别穿过相应的第二通孔后安装于两支撑壁背离控制箱的端部；每一个第二翻转部件均包括第二舵机、第二舵机座和电机座，第二舵机座固定于支撑壁，第二舵机固定于第二舵机座，电机座连接于第二舵机的输出端，两第二驱动部件分别安装于相应的电机座。

可选的，第二螺旋桨的高度超过第一螺旋桨的高度。

可选的，第一驱动部件和第二驱动部件均为无刷电机，两第一螺旋桨分别固定连接于两第一驱动部件的输出端，两第二螺旋桨分别固定连接于两第二驱动部件的输出端。

可选的，水空两栖变翼式无人机还包括云台相机，云台相机固定于机体的首端；云台相机包括基座、二连杆机构、相机和第三驱动部件，基座固定于机体的首端，第三驱动部件为舵机，第三驱动部件固定于基座，相机的一端与基座铰接，相机的另一端通过二连杆机构与第三驱动部件的输出端连接。

可选的，水空两栖变翼式无人机还包括支架，支架固定于机体的底部。

可选的，机体的首端为圆钝头形，机体的尾端为水滴形，机体的底部和两侧通过圆角过渡。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种水空两栖变翼式无人机，由于其机体两侧伸出的两个机臂的端部都固定有第一翻转部件，第一翻转部件可以控制两个外涵道围绕相应的涵道转轴转动，从而调整两个外涵道内部的第一螺旋桨的朝向，当外涵道转动至竖直朝向时，第一螺旋桨转动可以控制无人机的起飞和降落，配合第二螺旋桨可以使无人机在空中飞行；当外涵道转动至水平朝向时，无人机潜入水中后可以通过第一螺旋桨转动带动无人机在水中潜行，并且配合第二螺旋桨可以使无人机在水中调整姿态，减小无人机在水中受到的限制，具备很好的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的水空两栖变翼式无人机的飞行状态下的立体图；

图2是本发明的水空两栖变翼式无人机拆去机壳的立体图；

图3是本发明的水空两栖变翼式无人机的潜行状态下的立体图；

图4是本发明的云台相机的立体图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

将理解的是，尽管在这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开来。

实施例一

结合图1至图4所示，本实施例公开的一种水空两栖变翼式无人机包括机体1、两个机臂2、两个第一翻转部件3、两个外涵道4、两个第一驱动部件5、两个第一螺旋桨6、两个第二驱动部件7和两个第二螺旋桨8。其中，机体1的外观为流线型，其上表面为平面，西面为曲面，并且机体1的首端为圆钝头形，机体1的尾端为水滴形，机体1的首端的厚度大于机体1的尾端的厚度，并且机体1的底部和机体1的两侧通过圆角过渡。由于航行器在水下航行时，阻力主要由形状阻力、摩擦阻力和附体阻力组成。而形状阻力与航行器的形体有关，尤其与头部和尾部的形状有关。因此，机体1的圆钝头形的首端让浸湿表面积最小，从而能够降低机体1在水中的形状阻力。由于无人机需要在空中和水中进行切换，因此当无人机从空中进入水中时，由于尾部逐渐减小时，其航行的阻力面积会后移，而随着尾部的面积减小，机体1受到的阻力也会减小。而且因为机体1的底部和机体1的两侧通过圆角过渡，机体1的底部会逐渐接触水面，接触水面时可以延长接触时间，降低应力，从而减少入水时的阻力和水花的产生，使无人机从空中到入水的切换更加平稳。

进一步地，本实施例的两个机臂2沿机体1的宽度方向分别连接在机体1的两侧，并且两个机臂2关于机体1长度方向上的中线对称布置，两个第一翻转部件3则分别安装于两机臂2背离机体1的端部；两个外涵道4的外壁则分别通过涵道转轴转动连接于两机臂2背离机体1的端部，两个涵道转轴分别与两第一翻转部件3传动连接，两涵道转轴的轴线均平行于机体1的宽度方向、垂直于外涵道4的轴线方向。也就是说，本实施例的两个第一翻转部件3分别用于驱动两个外涵道4围绕涵道转轴转动，从而改变两个外涵道4的朝向。而本实施例的两个第一驱动部件5分别安装于两外涵道4内部，两和第一螺旋桨6分别传动连接于两个第一驱动部件5的输出端；本实施例的两个第二驱动部件7分别安装于机体1的首端和尾端，两个第二螺旋桨8分别传动连接于两第二驱动部件7的输出端。值得注意的是，第一螺旋桨6的桨叶的数量和尺寸均比第二螺旋桨8的桨叶的数量和尺寸小，例如第一螺旋桨6的桨叶的数量为六个，而第二螺旋桨8的桨叶的数量为两个，减小叶片尺寸和转速从而降低翼尖线速度，减弱叶片的噪声辐射。

更进一步地，本实施例的每一个第一翻转部件3均包括第一舵机3a、第一舵机座3b和外涵道座3c，第一舵机座3b和外涵道座3c均固定于机臂2，第一舵机3a固定于第一舵机座3b，涵道转轴转动连接于外涵道座3c，第一舵机3a的输出端连接涵道转轴。并且本实施例的第一驱动部件5和第二驱动部件7均为无刷电机，两个第一螺旋桨6分别固定连接于两个第一驱动部件5的输出端，两个第二螺旋桨8分别固定连接于两个第二驱动部件7的输出端。当然，根据实际需要，第一翻转部件3、第一驱动部件5和第二驱动部件7均可以采用其他的电机作为动力元件来分别给外涵道4、两个第一螺旋桨6和两个第二螺旋桨8提供动力，并且传动方式可以是直接和电机输出端固定连接，也可以是采用变速箱传动等方式。

更进一步地，本实施例的机体1包括机壳1a、两个支撑臂1b和控制箱1c，控制箱1c安装于机壳1a的内部，控制箱1c和无人机上的第一翻转部件3、第一驱动部件5和第二驱动部件7电连接，用于控制其转动。而机壳1a的位于宽度方向上的两侧壁上均开设有第一通孔，两个机臂2穿过相应的第一通孔后与控制箱1c的位于机体1的宽度方向上的两侧壁固定连接。而两个支撑臂1b则沿机体1的长度方向分别与控制箱1c的位于机体1的长度方向上的两侧壁固定连接；机体1的首端和尾端均开设有第二通孔，两第二驱动部件7穿过第二通孔后分别安装于两个支撑臂1b。具体来说，两个支撑臂1b连接在控制箱1c的上部，而两个机臂2则连接在控制箱1c的下部，那么，第二螺旋桨8的高度超过第一螺旋桨6的高度。两组螺旋桨之间具有高度差，那么无人机由水下升空时，第一螺旋桨6转至竖直，第一螺旋桨6和第二螺旋桨8协同带动整个无人机在水中上升，而当第二螺旋桨8露出水面之后，第二螺旋桨8的转速逐渐提高，从而带动整个无人机离开水面，第一螺旋桨6和第二螺旋桨8之间存在高度差保证动力连续，减小入水冲击和保证出水。需要说明的是，机臂2和支撑壁的形变会导致其上的电机异步振动，振动会影响加速度传感器等测量数据的传输，对无人机飞行状态信息和飞行坐标产生很大影响。所以机臂2的刚度越大越好，因此机臂2和支撑臂1b选用抗扭矩和抗弯曲特性较好的复合材料来作为机身的材料。

本实施例的水空两栖变翼式无人机还包括两个第二翻转部件9，两第二翻转部件9分别穿过相应的第二通孔后安装于两支撑壁背离控制箱1c的端部；每一个第二翻转部件9均包括第二舵机9a、第二舵机座9b和电机座9c，第二舵机座9b固定于支撑壁，第二舵机9a固定于第二舵机座9b，电机座9c连接于第二舵机9a的输出端，两第二驱动部件7分别安装于相应的电机座9c。需要说明的是，第一翻转部件3用于调整第一螺旋桨6在水中的朝向，而第二翻转部件9则用于调整第二螺旋桨8在水中的姿态，从而保证无人机在水中行走时，能够通过第二螺旋桨8控制整个无人机在水中的平稳性，使无人机不会在水流的冲击下发生偏移。

值得注意的是，第一翻转部件3、第二翻转部件9、机臂2和支撑壁的连接方式实现了模块化组装，使得本无人机不仅拆装方便快捷，同时在快速飞行中、在水下压力航行中，均可维持整机结构和功能的稳定。

更进一步地，水空两栖变翼式无人机还包括云台相机10，云台相机10固定于机体1的首端；云台相机10包括基座10a、二连杆机构10b、相机10c和第三驱动部件10d，基座10a固定于机体1的首端，第三驱动部件10d为云台舵机，第三驱动部件10d固定于基座10a，相机10c的一端与基座10a铰接，相机10c的另一端通过二连杆机构10b与第三驱动部件10d的输出端连接。相机10c采用的是OV5640_CMOS摄像头，OV5640_CMOS摄像头是一款CMOS类型的数字图像传感器，OV5640_CMOS摄像头模块以SCCB协议通过DCMI(数字摄像头接口)外设与无人机飞控进行数据传输，实现对图像的实时采集。该传感器支持输出最大为500万像素的图像，支持使用VGA时序输出图像数据，输出图像的数据格式支持YUV(422/420)、YCbCr422、RGB565以及JPEG格式。摄像头可以对采集的图像进行补偿，支持伽玛曲线、白平衡、饱和度、色度等基础处理。根据不同的分辨率配置，传感器输出图像数据的帧率从15～60帧可调，工作时功率在150mW～200mW之间。云台相机10c10能将拍摄到的图像传给外部的显示器，为本无人机在水下的运行与避障提供了基础，防止发生碰撞、被水草等缠绕的风险。

更进一步地，水空两栖变翼式无人机还包括支架11，支架11固定于机体1的底部，方便无人机在不使用时稳定的放置在平面上。

值得注意的是，本实施例的无人机采用的是两级防水体系，其中一级防水体系是在电子元器件表面均经过PCB纳米涂层处理，并密封于控制箱1c中。该涂层会在PCB表面形成一张极薄的网，有效降低PCB表面能量，形成荷叶效应，防水等级可以达到IPX-5，基本满足无人机内部元器件的防水标准。此外，该涂层还具有散热性能好，不影响连接器正常导电，防腐蚀，抗酸碱盐的优点。而二级防水体系中是在机壳1a上使用纳米硅防水胶进行密封。纳米硅防水胶是采用高科技纳米技术研制而成，是一种刚柔相济的环境友好型防水产品，其具有优良的渗透结晶防水性能，又具有丙烯酸酯类聚合物防水乳液的高弹性涂膜防水性能。

本实施例的水空两栖变翼式无人机的外涵道4转动至竖直朝向时，第一螺旋桨6转动可以控制无人机的起飞和降落，配合第二螺旋桨8可以使无人机在空中飞行；当外涵道4转动至水平朝向时，无人机潜入水中后可以通过第一螺旋桨6转动带动无人机在水中潜行，并且配合第二螺旋桨8可以使无人机在水中调整姿态，减小无人机在水中受到的限制，具备很好的实用性。并且本实施例的水空两栖变翼式无人机获得了国家级大学生创新创业训练计划资助S202010497202，得到了广泛的认可，取得了商业上的成功。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水空两栖变翼式无人机，其特征在于，包括：

机体；

两机臂，两所述机臂沿所述机体的宽度方向分别连接在所述机体的两侧；

两第一翻转部件，两所述第一翻转部件分别安装于两所述机臂背离所述机体的端部；

两外涵道，两所述外涵道的外壁分别通过涵道转轴转动连接于两所述机臂背离所述机体的端部，两所述涵道转轴分别与两所述第一翻转部件传动连接，两所述涵道转轴的轴线均平行于所述机体的宽度方向、垂直于所述外涵道的轴线方向；

两第一驱动部件，两所述第一驱动部件分别安装于两所述外涵道内部；

两第一螺旋桨，两所述第一螺旋桨分别传动连接于两所述第一驱动部件的输出端；

两第二驱动部件，两所述第二驱动部件分别安装于所述机体的首端和尾端；

两第二螺旋桨，两所述第二螺旋桨分别传动连接于两所述第二驱动部件的输出端。

2.根据权利要求1所述的水空两栖变翼式无人机，其特征在于，所述机体包括机壳和控制箱，所述控制箱安装于所述机壳的内部，所述机壳的位于宽度方向上的两侧壁上均开设有第一通孔，两所述机臂穿过相应的所述第一通孔后与所述控制箱的位于所述机体的宽度方向上的两侧壁固定连接。

3.根据权利要求2所述的水空两栖变翼式无人机，其特征在于，所述机体还包括两支撑臂，两支撑臂沿所述机体的长度方向分别与所述控制箱的位于所述机体的长度方向上的两侧壁固定连接；所述机体的首端和尾端均开设有第二通孔，两所述第二驱动部件分别安装于两所述支撑臂。

4.根据权利要求3所述的水空两栖变翼式无人机，其特征在于，每一个所述第一翻转部件均包括第一舵机、第一舵机座和外涵道座，所述第一舵机座和所述外涵道座均固定于所述机臂，所述第一舵机固定于所述第一舵机座，所述涵道转轴转动连接于所述外涵道座，所述第一舵机的输出端连接所述涵道转轴。

5.根据权利要求3所述的水空两栖变翼式无人机，其特征在于，还包括两第二翻转部件，两所述第二翻转部件分别穿过相应的所述第二通孔后安装于两所述支撑壁背离所述控制箱的端部；每一个所述第二翻转部件均包括第二舵机、第二舵机座和电机座，所述第二舵机座固定于所述支撑壁，所述第二舵机固定于所述第二舵机座，所述电机座连接于所述第二舵机的输出端，两所述第二驱动部件分别安装于相应的所述电机座。

6.根据权利要求1～5任一项所述的水空两栖变翼式无人机，其特征在于，所述第二螺旋桨的高度超过所述第一螺旋桨的高度。

7.根据权利要求1～5任一项所述的水空两栖变翼式无人机，其特征在于，所述第一驱动部件和所述第二驱动部件均为无刷电机，两所述第一螺旋桨分别固定连接于两所述第一驱动部件的输出端，两所述第二螺旋桨分别固定连接于两所述第二驱动部件的输出端。

8.根据权利要求1～5任一项所述的水空两栖变翼式无人机，其特征在于，还包括云台相机，所述云台相机固定于所述机体的首端；所述云台相机包括基座、二连杆机构、相机和第三驱动部件，所述基座固定于所述机体的首端，所述第三驱动部件为舵机，所述第三驱动部件固定于所述基座，所述相机的一端与所述基座铰接，所述相机的另一端通过所述二连杆机构与所述第三驱动部件的输出端连接。

9.根据权利要求1～5任一项所述的水空两栖变翼式无人机，其特征在于，还包括支架，所述支架固定于所述机体的底部。

10.根据权利要求1～5任一项所述的水空两栖变翼式无人机，其特征在于，所述机体的首端为圆钝头形，所述机体的尾端为水滴形，所述机体的底部和两侧通过圆角过渡。

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