CN113753233A - 一种基于差动传动系统的两栖无人机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于差动传动系统的两栖无人机及其控制方法，两栖无人机是指结合了飞行器与潜水艇的优势，既能在空中飞行，又能在水中航行的无人机。在无人机领域研究中，海空两栖无人机在海洋救援、勘测和军事侦察等方面有着广阔的应用前景。该无人机的关键技术在于动力稳定可靠和水空切换。由于两种介质粘性、密度相差较大，现有技术，即使是目前最广泛的共轴八旋翼结构，均无法满足在不同介质中提供稳定的动力。针对这一现状，设计了差动传动系统实现上层空气螺旋桨和下层水用螺旋桨交替工作的双动力航行器，简化了两栖无人机的结构、减轻了负重，在提高效率的同时还能拥有高机动性，对两栖无人机的发展具有重要的创新意义。

Description

一种基于差动传动系统的两栖无人机及其控制方法
技术领域
本发明涉及海空两栖无人机技术领域，具体是一种基于差动传动系统的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，由于两种介质粘性、密度相差较大，因此要产生满足需求的动力就需要使用不同类型的桨叶。目前现有技术中，均无法满足在不同介质中提供稳定的动力，即使目前最普遍的共轴八旋翼结构，也无法克服水中动力不足的缺陷，并且同一轴线上需要两个电机，带来了负重大、效率低的问题。
发明内容
针对两栖无人机在不同介质中的动力问题，设计一种基于差动传动系统的两栖无人机，该无人机是以四旋翼布局为基础，通过差动传动系统实现上层气桨和下层水桨交替工作的双推力系统航行器。
本申请通过以下技术方案实现上述效果：
一种基于差动传动系统的两栖无人机，所述无人机包括机身、差动传动系统、动力系统、双推力系统，其中，所述双推力系统包含水用和空气螺旋桨，各螺旋桨分别对应连接在差动传动系统上；
所述双推力系统、差动传动系统以及动力系统共同连接在机身周围。
进一步的，所述差动传动系统包含两个共轴棘轮装置，两个棘轮装置分别反向安装于电机上下两端，工作方向相反。
进一步的，所述共轴棘轮装置，包含一个棘齿、两个棘爪、两个弹簧和两个限位轴承，棘齿侧面有螺纹孔，可以与所述电机的转轴通过螺丝锁死；
所述棘轮外壳中设有弹簧安装槽和棘爪安装槽，弹簧安装于槽内支撑棘爪，棘爪安装于槽内与棘齿相配合；
所述棘轮外壳通过两个限位轴承与棘齿相连接，限位轴承嵌于棘齿和棘轮外壳中心的凹槽内，用于限制棘轮外壳的自由度。
进一步的，所述双推力系统包含空气螺旋桨与水用螺旋桨，所述气螺旋桨与水用螺旋桨通过共轴棘轮装置反向安装于电机上下两端。
更进一步的，所述动力系统包括双输出轴电机，所述电机包含位于同一轴线上的两个输出轴，两个输出轴分别连接到棘轮的棘齿上；所述电机的外壳通过电机支座固定于涵道内，所述涵道通过机臂连接在机身周围。
作为本申请的一种优选实施方案，所述无人机包含4个涵道，所述涵道呈“X”字形分布在机身周围，所述双推力系统、差动传动系统以及动力系统形成一个整体布置在涵道内。
进一步的，所述动力系统内设有电池和电调，所述电池与电调安装于机身内，所述电机安装于机臂上。
基于上述无人机，本申请提供一种基于差动传动系统的两栖无人机的控制方法，所述控制方法由双向的差动传动系统配合双输出轴电机实现对不同介质中的螺旋桨的独立控制；
当所述无人机在第一介质中悬停飞行时，所述差动传动系统驱动第一螺旋桨，提供升力，此时第二螺旋桨不给予动力；
当所述无人机在第一介质中悬停飞行时，所述差动传动系统仅驱动第一螺旋桨，提供升力，此时第二螺旋桨未分配动力；
当所述无人机从第一介质进入第二介质时，先停止电机转动，使所述无人机在自身重力作用下自然进入第二介质中，在进入第二介质后，改变所述电机转向，由所述第二螺旋桨为无人机在水提供所需动力；然后，所述第一螺旋桨未分配动力，所述差动传动系统仅将动力传输至所述第二螺旋桨，将无人机拉入第二介质中，通过操控第二螺旋桨完成在第二介质中的航行任务；
当所述无人机向上离开第二介质时，首先减小所述第二螺旋桨拉力，使所述无人机漂浮至第二介质的表面；再次改变所述电机的转向，使得差动传动系统仅将动力传输至所述第一螺旋桨，将无人机带离第二介质，随即进入在第一介质中飞行的模式。
进一步的，所述第一介质为空气，第二介质为水，第一螺旋桨为空气螺旋桨，第二螺旋桨为水用螺旋桨。
进一步的，所述差动传动系统包含两个共轴棘轮装置，两个棘轮装置分别反向安装于电机上下两端，工作方向相反；
所述电机包含位于同一轴线上的两个输出轴，两个输出轴分别连接到棘轮的棘齿上；所述电机的外壳通过电机支座固定于涵道内，所述涵道通过机臂连接在机身周围。
作为本申请的一种优选实施方案，所述无人机包含4个涵道，所述涵道呈“X”字形分布在机身周围。
与现有技术相比，本发明有以下优点：
1、本发明所述的一种可用于两栖无人机的差动传动系统，两栖无人机单轴仅需使用一套电机、电调等动力装置，即可为无人机在空、水两种介质中工作提供动力，且功率损失小，自重轻；在相同动力源的情况下由于降低了机体自重，该构型相比于共轴八旋翼构型，空中理论航程提高了30%；且该差动系统可以广泛应用于各种构型无人机。
2、本发明所述的能实现两栖无人机专时专用的需求，在空中，电机仅将动力传输至空气螺旋桨；在水中，电机仅将动力传输至水下螺旋桨；保证了动力的输出的同时保存了无人机拥有的操控灵活性。
3、本发明所述的两栖无人机可以实现水、空两种介质的自由切换，无需类似于潜艇的增压舱等装置，简化了两期无人机的结构。
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2为本发明无人机旋翼示意图；
图3为共轴棘轮装置及其剖面图；
图4为棘轮外壳细节图；
图5为棘齿细节图；
图中，1.空气螺旋桨，2.水下螺旋桨，3.防水机身，4.电机支座，5.差动传动系统，6.旋翼涵道，7.双输出轴防水电机，8.棘轮外壳，9.棘齿，10.棘爪，11.弹簧槽，12.棘轮外壳固定孔，13.限位轴承，14.限位轴承槽，15.棘爪槽，16.棘齿固定孔，17.电机轴安装孔。
具体实施方式
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。
实施例1
如附图所示，本申请通过一种基于棘轮装置的无人机差动传动系统简化了两栖无人机的结构，降低了负重且应用广泛。差动传动系统包含两个共轴棘轮装置，两个棘轮装置分别反向安装于电机上下两端，工作方向相反，每个棘轮装置包含一个棘齿、两个棘爪、两个弹簧和两个限位轴承，棘齿侧面有螺纹孔，可以与所述电机的转轴通过螺丝锁死，棘轮外壳中设有弹簧安装槽和棘爪安装槽，弹簧安装于槽内支撑棘爪，棘爪安装于槽内与棘齿相配合，棘轮外壳通过两个限位轴承与棘齿相连接，限位轴承嵌于棘齿和棘轮外壳中心的凹槽内，用于限制棘轮外壳的自由度。根据电机转向确定工作状态，一个棘轮工作时另一个处于滑动状态不会损耗电机动力。该两栖无人机包括防水机身、动力系统、差动传动系统、双推力系统等装置，其中动力系统包括双输出轴防水电机、电调和电源；其中双推力系统由空气螺旋桨、水用螺旋桨组成。
下面结合附图详细阐述本发明无人机的具体结构，一种基于差动传动系统的两栖无人机，所述无人机包括机身、差动传动系统、动力系统、双推力系统，其中，所述双推力系统包含水用和空气用螺旋桨，各螺旋桨分别对应连接在差动传动系统上；
所述双推力系统、差动传动系统以及动力系统共同连接在机身周围。
进一步的，所述差动传动系统包含两个共轴棘轮装置，两个棘轮装置分别反向安装于电机上下两端，工作方向相反，棘轮装置包含一个棘齿、两个棘爪、两个弹簧和两个限位轴承，棘齿侧面有螺纹孔，可以与所述电机的转轴通过螺丝锁死，棘轮外壳中设有弹簧安装槽和棘爪安装槽，弹簧安装于槽内支撑棘爪，棘爪安装于槽内与棘齿相配合，棘轮外壳通过两个限位轴承与棘齿相连接，限位轴承嵌于棘齿和棘轮外壳中心的凹槽内，用于限制棘轮外壳的自由度。
进一步的，所述双推力系统包含空气螺旋桨与水用螺旋桨，所述气螺旋桨与水用螺旋桨通过共轴棘轮装置反向安装。
更进一步的，所述动力系统包括双输出轴电机，所述电机包含位于同一轴线上的两个输出轴，两个输出轴分别连接到棘轮的棘齿上；所述电机的外壳通过电机支座固定于涵道内，所述涵道通过机臂连接在机身周围。
作为本申请的一种优选实施方案，所述无人机包含4个涵道，所述涵道呈“X”字形分布在机身周围，所述双推力系统、差动传动系统以及动力系统形成一个整体布置在涵道内。
进一步的，所述动力系统内设有电池和电调，所述电池与电调安装于机身内，所述电机安装于机臂上。
述无人机机体作为载体，四个所述旋翼涵道6对称分布于机身3周围，通过四根固定杆与机身相连，所述空气螺旋桨1与水用螺旋桨2通过一个共轴棘轮装置反向安装，棘轮装置安装方式如图2所示，所述差动传动系统5分别与所述空气螺旋桨1和所述水用螺旋桨2对应相连，最后通过所述防水电机7相联系起来，所述防水电机7则通过三根所述电机支座4固定安装。
由差动传动系统可以实现单独向空气螺旋桨或水下螺旋桨传输动力，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。
实施例2
基于上述无人机，本实施例为一种基于差动传动系统的两栖无人机的控制方法，所述控制方法由双向的差动传动系统实现对不同介质中的螺旋桨的独立控制；
当所述无人机在第一介质中悬停飞行时，所述差动传动系统仅驱动第一螺旋桨，提供升力，此时第二螺旋桨未分配动力；
当所述无人机从第一介质进入第二介质时，先停止电机转动，使所述无人机在自身重力作用下自然进入第二介质中，在进入第二介质后，改变所述电机转向，由所述第二螺旋桨为无人机在水提供所需动力；然后，所述第一螺旋桨未分配动力，所述差动传动系统仅将动力传输至所述第二螺旋桨，将无人机拉入第二介质中，通过操控第二螺旋桨完成在第二介质中的航行任务；
当所述无人机向上离开第二介质时，首先减小所述第二螺旋桨拉力，使所述无人机漂浮至第二介质的表面；再次改变所述电机7的转向，使得差动传动系统仅将动力传输至所述第一螺旋桨，将无人机脱离出第二介质，随即进入在第一介质中飞行的模式。
进一步的，所述第一介质为空气，第二介质为水，第一螺旋桨为空气螺旋桨，第二螺旋桨为水用螺旋桨。
更进一步的，所述两个棘轮装置分别反向安装于电机上下两端，工作方向相反，棘轮装置包含一个棘齿、两个棘爪、两个弹簧和两个限位轴承，棘齿侧面有螺纹孔，可以与所述电机的转轴通过螺丝锁死，棘轮外壳中设有弹簧安装槽和棘爪安装槽，弹簧安装于槽内支撑棘爪，棘爪安装于槽内与棘齿相配合，棘轮外壳通过两个限位轴承与棘齿相连接，限位轴承嵌于棘齿和棘轮外壳中心的凹槽内，用于限制棘轮外壳的自由度；
所述电机包含位于同一轴线上的两个输出轴，两个输出轴分别连接到棘轮的棘齿上；所述电机的外壳通过电机支座固定于涵道内，所述涵道通过机臂连接在机身周围。
作为本申请的一种优选实施方案，所述无人机包含4个涵道，所述涵道呈“X”字形分布在机身周围。
当所述无人机在空中悬停飞行时，所述无人机的防水电机7通过差动传动系统驱动所述空气螺旋桨1，提供升力，此时所述水用螺旋桨2不给予动力，通过操控四个气动旋翼完成空中的飞行指标。
在空中，差动传动系统使得电机仅将动力传输至气动螺旋桨；入水时，航行器悬停于水面水浆自然沉浸于水中，改变电机转向，差动传动系统仅将动力传输至水桨，此时，航行器的工作原理与普通叉字型四旋翼飞行器相同，将无人机拉入水中；出水时，航行器减小水浆拉力，在浮力作用下航行器漂浮至水面，只需再次改变电机转向即可实现飞行。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于差动传动系统的两栖无人机，其特征在于：所述无人机包括机身、差动传动系统、动力系统、双推力系统，其中，所述双推力系统包含水用和空气螺旋桨，各螺旋桨分别对应连接在差动传动系统上；
所述双推力系统、差动传动系统以及动力系统共同连接在机身周围。
2.根据权利要求1所述的一种基于差动传动系统的两栖无人机，其特征在于：所述差动传动系统包含两个共轴棘轮装置，两个棘轮装置分别反向安装于电机上下两端，工作方向相反。
3.根据权利要求2所述的一种基于差动传动系统的两栖无人机，其特征在于：所述共轴棘轮装置，包含一个棘齿、两个棘爪、两个弹簧和两个限位轴承，棘齿侧面有螺纹孔，可以与所述电机的转轴通过螺丝锁死；
所述棘轮外壳中设有弹簧安装槽和棘爪安装槽，弹簧安装于槽内支撑棘爪，棘爪安装于槽内与棘齿相配合；
所述棘轮外壳通过两个限位轴承与棘齿相连接，限位轴承嵌于棘齿和棘轮外壳中心的凹槽内，用于限制棘轮外壳的自由度。
4.根据权利要求1所述的一种基于差动传动系统的两栖无人机，其特征在于：所述双推力系统包含空气螺旋桨与水用螺旋桨，所述气螺旋桨与水用螺旋桨通过共轴棘轮装置反向安装于电机上下两端。
5.根据权利要求1所述的一种基于差动传动系统的两栖无人机，其特征在于：所述动力系统包括双输出轴电机，所述电机包含位于同一轴线上的两个输出轴，两个输出轴分别连接到棘轮的棘齿上；所述电机的外壳通过电机支座固定于涵道内，所述涵道通过机臂连接在机身周围。
6.根据权利要求1所述的一种基于差动传动系统的两栖无人机，其特征在于：所述无人机包含4个涵道，所述涵道呈“X”字形分布在机身周围，所述双推力系统、差动传动系统以及动力系统形成一个整体布置在涵道内。
7.根据权利要求1所述的一种基于差动传动系统的两栖无人机，其特征在于：所述动力系统内设有电池和电调，所述电池与电调安装于机身内，所述电机安装于机臂上。
8.一种基于差动传动系统的两栖无人机的控制方法，其特征在于：所述控制方法由双向的差动传动系统配合双输出轴电机实现对不同介质中的螺旋桨的独立控制；
当所述无人机在第一介质中悬停飞行时，所述差动传动系统驱动第一螺旋桨，提供升力，此时第二螺旋桨不给予动力；
当所述无人机在第一介质中悬停飞行时，所述差动传动系统仅驱动第一螺旋桨，提供升力，此时第二螺旋桨未分配动力；
当所述无人机从第一介质进入第二介质时，先停止电机转动，使所述无人机在自身重力作用下自然进入第二介质中，在进入第二介质后，改变所述电机转向，由所述第二螺旋桨为无人机在水提供所需动力；然后，所述第一螺旋桨未分配动力，所述差动传动系统仅将动力传输至所述第二螺旋桨，将无人机拉入第二介质中，通过操控第二螺旋桨完成在第二介质中的航行任务；
当所述无人机向上离开第二介质时，首先减小所述第二螺旋桨拉力，使所述无人机漂浮至第二介质的表面；再次改变所述电机的转向，使得差动传动系统仅将动力传输至所述第一螺旋桨，将无人机带离第二介质，随即进入在第一介质中飞行的模式。
9.根据权利要求8所述的一种基于差动传动系统的两栖无人机的控制方法，其特征在于：所述第一介质为空气，第二介质为水，第一螺旋桨为空气螺旋桨，第二螺旋桨为水用螺旋桨。
10.根据权利要求8所述的一种基于差动传动系统的两栖无人机的控制方法，其特征在于：所述差动传动系统包含两个共轴棘轮装置，两个棘轮装置分别反向安装于电机上下两端，工作方向相反；
所述电机包含位于同一轴线上的两个输出轴，两个输出轴分别连接到棘轮的棘齿上；所述电机的外壳通过电机支座固定于涵道内，所述涵道通过机臂连接在机身周围。
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