CN114397912B - 一种海陆空三用无人机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种海陆空三用无人机的控制方法，所述无人机包括：旋翼、可变机臂、大机臂、机体、起落架、万向轮和控制器；旋翼包括旋翼叶片、旋翼转轴、伺服系统；伺服系统包括电子调速器、电机，大机臂包括转轴一；旋翼通过旋翼转轴安装在可变机臂一端，可变机臂的另一端与大机臂的一端通过转轴连接，大机臂另一端通过转轴一与机体连接，机体内部设置控制器，机体下方对称设置至少一对起落架，起落架下方安装万向轮,机体为发泡防水材料制备。可广泛应用于飞行器技术领域。

Description

一种海陆空三用无人机的控制方法

技术领域

本发明属于飞行器领域，特别涉及一种海陆空三用无人机的控制方法。

背景技术

现有技术中，常规旋翼无人机一般用于空中飞行，部分海陆两用无人机通过加装用于提供浮力的支架或其他装置来实现海上的漂浮，而针对海陆空全域使用的无人机设计几乎没有。由于无人机飞行相对于无人船航行或无人车行驶需时刻克服自身重力，耗能巨大，故无人机的续航能力较弱，难以长时间长距离执行。为解决这一难题，本发明提供了一种仅依靠旋翼提供动力，通过万向轮、漂浮机体为无人机提供地面和海上的重力支撑，通过太阳能板为无人机提供电能的补充，通过可变机臂改变无人机的姿态从而改变其不同工作环境的工作模式，来实现无人机的长距离、长时间工作。

本发明可通过改变可变机臂来调整桨距，从而在不同的工作模式下，选择最优的动力输出，本发明包括无人机的控制方法。

发明内容

本发明提供了一种海陆空三用无人机的控制方法，以至少解决上述技术问题。

具体的，第一方面，本发明提供了一种海陆空三用无人机的控制方法，所述控制方法包括：通过模态识别方法识别所述无人机的动作状态；所述动作状态包括：飞行状态、水上航行状态和陆地行驶状态；通过模态转换控制方法将无人机的当前动作状态转换至目标动作状态；通过自主航迹规划方法对无人机的航行路线进行自动规划；通过飞行模态变桨距控制方法对当无人机处于飞行状态时控制所述无人机的可变机臂与大机臂的夹角变化，使得所述无人机的飞行更加稳定；通过行驶模态臂翼协同控制方法用于当无人机处于陆地行驶状态时控制所述无人机的可变机臂与所述大机臂的夹角变化，使得所述无人机行驶状态更加稳定；通过航行模态臂翼协同控制方法使得当无人机处于水上航行状态时控制所述无人机的可变机臂与所述大机臂的夹角变化，使得所述无人机的航行更加稳定；通过脱困控制方法使得当无人机本身出现故障、电量不足或者处于陆地行驶状态侧翻时，控制无人机采用自救程序，使得无人机恢复正常的动作状态。

第一方面，通过所述模态识别方法识别所述无人机的动作状态包括，依据接收的所述水浸传感器传递的浸水信号，判断所述无人机的动作状态，具体条件如下： S1，若水浸传感器未传回浸水信号，且80°≤β-α≤100°，则判断无人机处于空中飞行工作模态；所述β为可变机翼与大机臂之间的角度；所述α为大机臂与机体水平面之间的角度；S2若水浸传感器未传回浸水信号，且170°≤α+β≤190°，则判断无人机处于地面行驶工作模态；S3若水浸传感器传回浸水信号，且170°≤α+ β≤190°，则判断无人机处于水面航行工作模态；S4若传回的角度信息α、β不满足80°≤β-α≤100°，或不满足170°≤α+β≤190°，则控制器判断机臂转动角度故障，设置故障代码E0；S5控制控中的寄存器记录工作模态信息。

第一方面，所述模态转换控制方法包括：依据无人机的当前动作状态切换至目标动作状态，若无人机的所述当前动作状态为飞行模态，且所述目标动作状态为行驶模态，则通过如下步骤进行切换：A1控制板确定当前工作模态为飞行模态，判断是否达到路径规划转换时机；A2则飞行器降高、降速，直至万向轮触地；A3降落后电调停机，螺旋桨停止转动；A4步进电机带动转轴一转动，进而调整-5°≤α≤5 °；A5步进电机带动转轴二转动，进而调整175°≤β≤185°；A6控制板控制电调启动，螺旋桨与可变机臂按照行驶模态臂翼协同控制方法控制无人机地面行驶；若无人机的所述当前动作状态为行驶模态，且所述目标动作状态为飞行模态，则通过如下步骤进行切换，则通过如下步骤进行切换：B1控制板确定当前工作模态为行驶模态，判断是否达到路径规划转换时机；B2无人机通过行驶模态臂翼协同控制方法寻找坡度不高于5°的地面停车；B3步进电机带动转轴二转动，进而调整130°≤β≤140°；B4步进电机带动转轴一转动，进而调整40°≤α≤50°；B5控制板通过传感器复检旋翼转轴是否与机体水平面垂直，若垂直，满足起飞条件，若不满足则继续调整角度，使其满足；B6控制板控制电调启动，螺旋桨与可变机臂按照飞行模态变桨距控制方法控制无人机空中飞行；若无人机的所述当前动作状态为飞行模态，且所述目标动作状态为航行模态，则通过如下步骤进行切换：C1控制板确定当前工作模态为飞行模态，判断是否达到路径规划转换时机；C2则飞行器降高、降速，直至机体下部触水漂浮；C3控制板控制电调停机，螺旋桨停止转动；C4步进电机带动转轴一转动，进而调整-45°≤α≤-35°；C5步进电机带动转轴二转动，进而调整175°≤β≤185°；C6机臂角度调整后，确保螺旋桨整体进入水面下方；C7控制板控制电调启动，螺旋桨与可变机臂按照航行模态臂翼协同控制方法控制无人机海面行驶；若无人机的所述当前动作状态为航行模态，且所述目标动作状态为飞行模态，则通过如下步骤进行切换：D1控制板确定当前工作模态为飞行模态，判断是否达到路径规划转换时机；D2无人机按照航行模态臂翼协同控制方法，使无人机在海面停车；D3步进电机带动转轴二转动，进而调整130°≤β≤140°；D4步进电机带动转轴一转动，进而调整40°≤α≤50°；D5无人机暂停动作1—10分钟，至机臂及旋翼上粘黏的液体完全蒸发；D6控制板控制电调启动，螺旋桨与可变机臂按照飞行模态变桨距控制方法控制无人机空中飞行；若无人机的所述当前动作状态为飞行模态，且所述目标动作状态为行驶模态，则通过如下步骤进行切换：E1按照航行模态转换为飞行模态的方法将无人机从航行模态转换为飞行模态；E2按照飞行模态转换为行驶模态的方法将无人机从飞行模态转换为行驶模式；若无人机的所述当前动作状态为行驶模态，且所述目标动作状态为飞行模态，则通过如下步骤进行切换：F1按照行驶模态转换为飞行模态的方法将无人机从行驶模态转换为飞行模态； F2按照飞行模态转换为航行模态的方法将无人机从飞行模态转换为航行模式。

第一方面，所述自主航迹规划方法用于对无人机的航行路线进行自动规划，所述自主航迹规划方法包括：G1、确定起始地与目的地，分析航程距离与路径中的地理环境；G2、若航程距离×2＜无人机飞行续航最大距离，则采用全程飞行模态完成行动任务；G3、若航程距离＜无人机的飞行续航最大距离＜航程距离×2，则采用全程飞行模态配合目的地充电模式完成行动任务，即从起始地到目的地全过程采用飞行模态工作，飞抵目的地后降落，并进入充电模式利用太阳能补充电能，电能补充完毕后起飞返航；G5、若航程距离远大于无人机的续航最大距离，则进一步判断直线飞行路程中是否经过水面，若存在水面，则可令无人机在水面以航行模态臂翼协同控制方法进行航行，且在航行过程中利用太阳能对电池电能进行补充，根据需求亦可在水面停车，利用太阳能补充电池储存电能，直至抵达目的地并根据需要返程；其中，若直线飞行路程中没有经过水面，则可令无人机在陆地以行驶模态臂翼协同控制方法进行行驶，且在行驶过程中利用太阳能对电池电能进行补充，根据需求亦可在陆地停车，利用太阳能补充电池储存电能；地面行驶条件不好时，可转换为飞行模态越障至地形较好处降落继续地面行驶，直至抵达目的地并根据需要返程。

在第一方面中，所述通过飞行模态变桨距控制方法控制当无人机处于飞行状态时控制所述无人机的可变机臂与大机臂的夹角变化，使得所述无人机的飞行更加稳定；所述飞行模态变桨距控制方法包括：H1、常规飞行工作模态时，螺旋桨旋转面与机体纵轴垂直，大机臂与机身水平面夹角α为45°，可变机臂与大机臂夹角β为 135°，在变桨距飞行控制方法中，大机臂与机身水平面夹角α保持不变，输入量为可变机臂与大机臂夹角β，设135°为飞行模态参考角度，实际Δβ＝β-135°，V 为无人机的平飞速度，H为无人机的飞行高度，设置Δβ，V，H为变桨距飞行模态的输入信号量；H2、根据不同的飞行器，通过模拟飞行时及飞行实验时有气动参数得到气动模型，设置不同的飞行性能目标，构建不同飞行参数无人机的变桨距控制量c与V、H、Δβ之间的关系，此关系可通过神经网络迭代计算得到；H3、建立不同无人机变桨距控制方程，c＝f(V、H、Δβ)；H4、将计算得出变桨距螺旋桨的输出量(桨距的变化量)通过变桨距电机实施在无人机螺旋桨上，得以实现能效更高的飞行动态过程。

第一方面，所述行驶模态臂翼协同控制方法用于当无人机处于陆地行驶状态时控制所述无人机的可变机臂与所述大机臂的夹角变化，使得所述无人机行驶状态更加稳定；所述行驶模态臂翼协同控制方法包括：I1、通过模态识别方法判断此时是否处于地面行驶工作模态，若处于地面行驶工作模态，则可开启行驶模态臂翼协同控制流程；I2、将机臂顺时针编号为一、二、三、四，设置一、二号机臂为拉动臂，提供拉力，三四号机臂为推进臂，提供推力；I3、一号机臂中的可变机臂在水平方向以轴体二为中心转动角顺时针旋转45°，即设置β＝45°，二号机臂中的可变机臂在水平方向以轴体二为中心转动角逆时针旋转45°，即设置β＝-45°，一号机臂旋翼叶片平面与二号机臂旋翼叶片平面为同一平面；I4、三号机臂中的可变机臂在水平方向以轴体二为中心转动角顺时针旋转45°，即设置β＝45°，四号机臂中的可变机臂在水平方向以轴体二为中心转动角逆时针旋转45°，即设置β＝-45°，三号机臂旋翼叶片平面与四号机臂旋翼叶片平面为同一平面；I5、可采用前驱驱动、后驱驱动和四驱模式三种前进模式：所述前驱驱动：仅由一二号机臂旋翼正转产生的拉力带动无人机前进；所述后驱驱动：仅由三四号机臂旋翼反转产生的推力带动无人机前进；所述四驱模式：由一二号机臂旋翼正转产生的拉力与三四号机臂旋翼反转产生的推力共同作用带动无人机前进；无人机的转向控制，通过调整同侧机臂的Δγ的值，即同时调整推进臂或拉动臂的Δγ，且转向一致、大小相同，来带动无人机地面行驶时的转向。

第一方面，所述航行模态臂翼协同控制方法用于当无人机处于水上航行状态时控制所述无人机的可变机臂与所述大机臂的夹角变化，使得所述无人机的航行更加稳定；所述航行模态臂翼协同控制方法包括：J1、通过模态识别方法判断此时是否处于水面航行工作模态，若处于水面航行工作模态，则可开启航行模态臂翼协同控制流程；J2、将机臂顺时针编号为一、二、三、四，设置一、二号机臂为拉动臂，提供拉力，三四号机臂为推进臂，提供推力；J3、一号机臂中的可变机臂在水平方向以轴体二为中心转动角顺时针旋转45°，即设置Δγ1＝45°，二号机臂中的可变机臂在水平方向以轴体二为中心转动角逆时针旋转45°，即设置Δγ2＝-45°，一号机臂旋翼叶片平面与二号机臂旋翼叶片平面为同一平面；J4、三号机臂中的可变机臂在水平方向以轴体二为中心转动角顺时针旋转45°，即设置Δγ3＝45°，四号机臂中的可变机臂在水平方向以轴体二为中心转动角逆时针旋转45°，即设置Δγ4＝-45°，三号机臂旋翼叶片平面与四号机臂旋翼叶片平面为同一平面；J5、可采用前驱驱动、后驱驱动和四驱模式三种前进模式；所述前驱驱动：仅由一二号机臂旋翼正转产生的拉力带动无人机前进；所述后驱驱动包括：仅由三四号机臂旋翼反转产生的推力带动无人机前进；所述四驱模式包括：由一二号机臂旋翼正转产生的拉力与三四号机臂旋翼反转产生的推力共同作用带动无人机前进；J6、无人机的转向控制，通过调整同侧机臂的Δγ的值，即同时调整推进臂或拉动臂的Δγ，且转向一致、大小相同，来带动无人机水面航行时的转向。

第一方面，所述脱困控制方法用于当无人机本身出现故障、电量不足或者处于陆地行驶状态侧翻时，控制无人机采用自救程序，使得无人机恢复正常的动作状态；所述脱困控制方法包括：K1、当无人机自身电量低于百分之二十时，此时无人机控制板进行模态识别，若识别自身处于水面航行或地面行驶工作模态，则就地停车，太阳能电池板进行充电，若识别自身处于空中飞行工作模态，则进行模态转换动作，调整为地面行驶状态或海面航行状态，然后停车，太阳能电池板进行充电；K2、地面行驶工作模态若因地形问题导致侧翻，则无人机可进行模态转换动作，将地面行驶工作模态转换为空中飞行工作模态，并起飞，将侧翻的姿态调整成飞行姿态，短暂拉起机身越障后转换为地面行驶工作模态，继续工作；K3、E0报错的故障时，无人机自动重启，恢复初始状态，继续检测机臂角度能否达标，若依然不符合标准，则判断无人故障，不具备执行行动任务；若无人机在行动任务过程中出线E0故障，且通过重启恢复初始状态依然无法解决该故障，则无人机向控制中心发出呼救信号，并传输位置信号，等待控制中心救援。

有益效果：

本发明的一种海陆空三用无人机，通过在机体上设置旋翼，以实现无人机的空中飞行，同时，在无人机的底部设置至少一对起落架，以及在每一起落架上设置有万向轮，以实现无人机降落至地面并通过该万向轮进行地面行驶的目的，以及无人机的机体采用发泡防水材质制备而成，且该材质的密度大大高于水的密度，所以可以实现水上漂浮功能，进一步地，无人机包括大机臂和可变机臂，大机臂的一端与机体连接，大机臂的另一端与可变机臂连接，可变机臂远离大机臂的一端设置有旋翼叶片，可变机臂可相对于大机臂进行角度调节，进而改变旋翼叶片的空间方向，当旋翼叶片的旋转方向与机体的水平面方向垂直时，即可实现推进机体朝远离旋翼叶片的方向移动，例如，当无人机处于地面行驶状态或者水上行驶状态时，即可调整可变机臂使其与机体保持水平，进而使旋翼叶片的旋转方向与机体的水平面方向垂直，以推动机体在水平向发生位移。

附图说明

图1为本发明实施例提供的海陆空三用无人机的控制方法的流程图；

图2海陆空三用无人机示意图；

图3可变机臂方案一示意图；

图4可变机臂方案二示意图；

图5可变机臂方案二万向节细节图；

图6海陆空三用无人机空中姿态示意图；

图7海陆空三用无人机陆地姿态示意图；

图8海陆空三用无人机海上姿态示意图；

附图标记说明：

1、旋翼；

11、旋翼转轴；

12、旋翼叶片；

2、可变机臂；

21、转轴二；

22、转轴三；

23、机臂一；

24、机臂二；

211、轴体一；

221、轴体二；

241、连接块二；

25、万向节；

251、块体；

252、轴体三；

253、轴体四；

26、小机臂；

3、大机臂；

31、转轴一；

4、机体；

5、起落架；

6、万向轮。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明中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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

同时，本说明书实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本说明书实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本发明。

实施例一：

如图1至图8所示，针对现有技术中无人机的局限性，本发明提供一种海陆空三用无人机，无人机包括：旋翼1、可变机臂2、大机臂3、机体4、起落架5、万向轮6和控制器；旋翼1包括旋翼叶片12、旋翼转轴11、伺服系统；伺服系统包括电子调速器、电机，大机臂3包括转轴一31；旋翼1通过旋翼转轴11安装在可变机臂2一端，可变机臂2的另一端与大机臂3的一端通过转轴连接，大机臂3另一端通过转轴一31与机体4连接，机体4内部设置控制器，机体4下方对称设置至少一对起落架5，起落架5下方安装万向轮6,机体4为发泡防水材料制备。

在上述实施例一的技术方案中，通过在机体上设置旋翼，以实现无人机的空中飞行，同时，在无人机的底部设置至少一对起落架，以及在每一起落架上设置有万向轮，以实现无人机降落至地面并通过该万向轮进行地面行驶的目的，以及无人机的机体采用发泡防水材质制备而成，且该材质的密度大大高于水的密度，所以可以实现水上漂浮功能，进一步地，无人机包括大机臂和可变机臂，大机臂的一端与机体连接，大机臂的另一端与可变机臂连接，可变机臂远离大机臂的一端设置有旋翼叶片，可变机臂可相对于大机臂进行角度调节，进而改变旋翼叶片的空间方向，当旋翼叶片的旋转方向与机体的水平面方向垂直时，即可实现推进机体朝远离旋翼叶片的方向移动，例如，当无人机处于地面行驶状态或者水上行驶状态时，即可调整可变机臂使其与机体保持水平，进而使旋翼叶片的旋转方向与机体的水平面方向垂直，以推动机体在水平向发生位移。

进一步的，旋翼1包括旋翼叶片12、旋翼转轴11、伺服电机；旋翼叶片12中心对称安装在旋翼转轴11上，旋翼叶片12的数量可设置为二、三或四个，旋翼转轴11与伺服电机连接，控制板通过电子调速器调节伺服电机的转速及转动方向，从而调节旋翼叶片11的转速与转动方向；伺服电机安装在可变机臂内部。伺服电机包括电子调速器、电机，电子调速器与控制器连接，向控制器反馈转速信息，控制器通过电调向电机下达转速指令及旋转方向。

具体来说，对于上述实施例一中的可变机臂而言，其可以包括如下实施方式，该实施方式包括：可变机臂2包括转轴二21，机臂一23，转轴三22、机臂二24；转轴二21包括了轴体一211，机臂一23包括连接块一231；转轴三22包括轴体二 221，机臂二24包括连接块二241；大机臂3与可变机臂2连接处设置两个对称通孔，孔径与转轴二21相匹配，机臂一23与大机臂3连接端设有连接块一31，连接块一31固定连接轴体一211，机臂一23与大机臂3通过轴体一211与通孔的孔轴配合连接，轴体一211处设置步进电机，步进电机的转动可带动机臂一23以轴体一211 为中心转动，步进电机的转动控制由控制板控制；机臂一23的另一端与机臂二24 的连接处设置两个对称通孔，孔径与转轴三22相匹配，机臂二24与机臂一23连接端设有连接块二241，连接块二241固定连接轴体二221，机臂二24与机臂一23通过轴体二221与通孔的孔轴配合连接，轴体二221处设置步进电机，步进电机的转动可带动机臂二以轴体二为中心转动，步进电机的转动控制由控制板控制。

对于上述实施例一中的可变机臂来说，对于可变机翼的另一种实现方式而言，本实施例一提出另一种实施方式，该实施方式包括：可变机臂2包括万向节25、小机臂26，其中万向节包括块体251、轴体三252、轴体四253，轴体四253固定连接在块体上，轴体四253中心轴方向上安装步进电机，步进电机驱动轴体四253转动，块体内设置通孔，孔径与轴体三252直径一致，轴体三252与块体251孔轴配合安装，轴体三252中心轴方向上安装步进电机，步进电机驱动轴体三252转动小机臂与大机臂连接处设置通孔，孔径与轴体三252匹配，轴体三252与小机臂26固定连接；轴体四253转动带动小机臂26垂直方向转动，轴体三252转动带动小机臂26 水平方向转动，块体251起限位作用。

对于上述实施例一中的大机臂来说，对于大机臂的一种实现方式而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：大机臂3包括转轴一31，大机臂3一端与可变机臂2连接，另一端通过转轴一31与机体4连接，机体4内安装大机臂3处设置匹配的孔，大机臂3与转轴一31固定连接；轴体一31中心轴方向安装步进电机，步进电机的转动带动大机臂3在垂直方向上以转轴一31为中心转动。

进一步的，上述由步进电机带动转轴转动处均设置角度传感器，可将大机臂3 与机身4夹角、可变机臂2与大机臂3夹角，可变机臂2水平方向转动角的角度信息传递给控制板；为便于说明，设大机臂3与机身4水平面夹角α、可变机臂2与大机臂3夹角β，可变机臂2水平方向转动角γ，大机臂3与机身4水平面夹角可转动角度为-45°—45°，可变机臂2绕大机臂3转动的夹角为80°—280°(顺时针转动角度)，可变机臂2水平方向转动角度为90°—270°。

具体来说，对于万向轮的安装位置而言，其可以包括如下实施方式：万向轮6 通过起落架5与机体4下方以无人机重心为中心对称连接，万向轮6自身可不设置制动装置，也可设置制动装置；万向轮6在无人机地面行驶时起支撑作用，且在无人机地面起飞时起到起落架作用。

具体来说，对于控制器而言，其包括控制板，控制板安装在机体内部，控制程序烧录在控制板内，具体可实现工作模态的转换，不同模态的控制方法，自主协同飞行路径设置。

对于无人机的续航功能而言，本实施例一提出一种实施方式，该方式包括：机体4上部分设置太阳能板，在无人机充电模态下可利用太阳能为无人机电池充电；同时，机体下半部分为发泡防水材料，其密度远低于水的密度，使无人机可在水面漂浮；以及，机体下半部分安装水浸传感器，可以感知机体下半部分是否浸水，并将信号传递给控制板；机体4与各装置的连接处均设置高标号防水密封圈，以避免浮停水面时内部电路板受潮。

实施例二：

本发明提供了一种如上述任一项所述的海陆空三用无人机的控制方法，该方法包括：模态识别方法、模态转换控制方法、自主航迹规划方法、飞行模态变桨距控制方法、行驶模态臂翼协同控制方法、航行模态臂翼协同控制方法、脱困控制方法；模态识别方法用于识别无人机的动作状态；动作状态包括：飞行状态、水上航行状态和陆地行驶状态；模态转换控制方法用于将无人机的当前动作状态转换至目标动作状态；自主航迹规划方法用于对无人机的航行路线进行自动规划；飞行模态变桨距控制方法用于当无人机处于飞行状态时控制无人机的可变机臂与大机臂的夹角变化，使得无人机的飞行更加稳定；行驶模态臂翼协同控制方法用于当无人机处于陆地行驶状态时控制无人机的可变机臂与大机臂的夹角变化，使得无人机行驶状态更加稳定；航行模态臂翼协同控制方法用于当无人机处于水上航行状态时控制无人机的可变机臂与大机臂的夹角变化，使得无人机的航行更加稳定；脱困控制方法用于当无人机本身出现故障、电量不足或者处于陆地行驶状态侧翻时，控制无人机采用自救程序，使得无人机恢复正常的动作状态。

对于模态识别方法而言，其具体包括如下步骤：控制板通过传感器传回信号，判断工作模态，具体判断条件如下：①若水浸传感器未传回浸水信号，且80°≤β -α≤100°，则判断无人机处于空中飞行工作模态；②若水浸传感器未传回浸水信号，且170°≤α+β≤190°，则判断无人机处于地面行驶工作模态；③若水浸传感器传回浸水信号，且170°≤α+β≤190°，则判断无人机处于水面航行工作模态；④若传回的角度信息α、β不满足80°≤β-α≤100°，或不满足170°≤α+β≤190°，则控制器判断机臂转动角度故障，设置故障代码E0；控制控中的寄存器记录工作模态信息。

对于模态转换控制方法而言，其包括如下转换方式：

一、飞行模态与行驶模态的转换

(1)飞行模态转换为行驶模态：其包括如下步骤：①控制板确定当前工作模态为飞行模态，判断是否达到路径规划转换时机；②则飞行器降高、降速，直至万向轮触地；③降落后电调停机，螺旋桨停止转动；④步进电机带动转轴一转动，进而调整-5°≤α≤5°；⑤步进电机带动转轴二转动，进而调整175°≤β≤185°；⑥控制板控制电调启动，螺旋桨与可变机臂按照行驶模态臂翼协同控制方法控制无人机地面行驶。

(2)行驶模态转换为飞行模态；其包括如下步骤：①控制板确定当前工作模态为行驶模态，判断是否达到路径规划转换时机；②无人机通过行驶模态臂翼协同控制方法寻找坡度不高于5°的地面停车；③步进电机带动转轴二转动，进而调整130°≤β≤140°；④步进电机带动转轴一转动，进而调整40°≤α≤50°；⑤控制板通过传感器复检旋翼转轴是否与机体水平面垂直，若垂直，满足起飞条件，若不满足则继续调整角度，使其满足；⑥控制板控制电调启动，螺旋桨与可变机臂按照飞行模态变桨距控制方法控制无人机空中飞行。

二、飞行模态与航行模态的转换

(1)飞行模态转换为航行模态；其包括如下步骤：①控制板确定当前工作模态为飞行模态，判断是否达到路径规划转换时机；②则飞行器降高、降速，直至机体下部触水漂浮；③控制板控制电调停机，螺旋桨停止转动；④步进电机带动转轴一转动，进而调整-45°≤α≤-35°；⑤步进电机带动转轴二转动，进而调整175°≤β≤185°；⑥机臂角度调整后，确保螺旋桨整体进入水面下方；⑦控制板控制电调启动，螺旋桨与可变机臂按照航行模态臂翼协同控制方法控制无人机海面行驶。

(2)航行模态转换为飞行模态；其包括如下步骤：①控制板确定当前工作模态为飞行模态，判断是否达到路径规划转换时机；⑤无人机按照航行模态臂翼协同控制方法，使无人机在海面停车；⑥步进电机带动转轴二转动，进而调整130°≤β≤ 140°。

①步进电机带动转轴一转动，进而调整40°≤α≤50°；

②无人机暂停动作1—10分钟，至机臂及旋翼上粘黏的液体完全蒸发；

③控制板控制电调启动，螺旋桨与可变机臂按照飞行模态变桨距控制方法控制无人机空中飞行。

三、航行模态与行驶模态的转换，

(1)航行模态转换为行驶模态，其包括如下步骤：①按照航行模态转换为飞行模态的方法将无人机从航行模态转换为飞行模态；②按照飞行模态转换为行驶模态的方法将无人机从飞行模态转换为行驶模式；

(2)行驶模态转换为航行模态，其包括如下步骤：①按照行驶模态转换为飞行模态的方法将无人机从行驶模态转换为飞行模态；②按照飞行模态转换为航行模态的方法将无人机从飞行模态转换为航行模式；

对于上述实施例二中自主航迹规划方法来说，该方法是在无人机执行任务前在控制计算机上完成的航迹规划运算，其作用是为无人机自主行动提供飞行、行驶及航行的路径规划，使得无人机行动可以顺利完成既定任务。且自主航迹规划方法具体包括：先确定起始地与目的地，分析航程距离与路径中的地理环境；若航程距离×2＜无人机飞行续航最大距离，则采用全程飞行模态完成行动任务；若航程距离＜无人机的飞行续航最大距离＜航程距离×2，则采用全程飞行模态配合目的地充电模式完成行动任务，即从起始地到目的地全过程采用飞行模态工作，飞抵目的地后降落，并进入充电模式利用太阳能补充电能，电能补充完毕后起飞返航；若航程距离远大于无人机的续航最大距离，则进一步判断直线飞行路程中是否经过水面，若存在水面，则可令无人机在水面以航行模态臂翼协同控制方法进行航行，且在航行过程中利用太阳能对电池电能进行补充，根据需求亦可在水面停车，利用太阳能补充电池储存电能，直至抵达目的地并根据需要返程；

进一步的，若直线飞行路程中没有经过水面，则可令无人机在陆地以行驶模态臂翼协同控制方法进行行驶，且在行驶过程中利用太阳能对电池电能进行补充，根据需求亦可在陆地停车，利用太阳能补充电池储存电能；地面行驶条件不好时，可转换为飞行模态越障至地形较好处降落继续地面行驶，直至抵达目的地并根据需要返程。

对于上述实施例二中飞行模态变桨距控制方法来说，该方法是无人机处于飞行模态下的一种飞行控制方法，控制板以机臂角度变化为参考输入，以变桨距螺旋桨为执行器，实现螺旋桨桨距与机臂角度协同变化，从而促使无人机飞行过程中稳定性和能效比提升。具体而言，飞行模态变桨距控制方法包括：常规飞行工作模态时，螺旋桨旋转面与机体纵轴垂直，大机臂与机身水平面夹角α为45°，可变机臂与大机臂夹角β为135°，在变桨距飞行控制方法中，大机臂与机身水平面夹角α保持不变，输入量为可变机臂与大机臂夹角β，设135°为飞行模态参考角度，实际Δβ＝β-135°，V为无人机的平飞速度，H为无人机的飞行高度，设置Δβ，V，H为变桨距飞行模态的输入信号量；根据不同的飞行器，通过模拟飞行时及飞行实验时有气动参数得到气动模型，设置不同的飞行性能目标，构建不同飞行参数无人机的变桨距控制量c与V、H、Δβ之间的关系，此关系可通过神经网络迭代计算得到；建立不同无人机变桨距控制方程，c＝f(V、H、Δβ)；将计算得出变桨距螺旋桨的输出量(桨距的变化量)通过变桨距电机实施在无人机螺旋桨上，得以实现能效更高的飞行动态过程。

对于上述实施例二中行驶模态臂翼协同控制方法来说，该方法指的是无人机在陆地行驶模态下，通过改变无人机旋翼转速改变推力大小，通过改变机臂角度改变垂直方向推力分量，通过改变可变机臂水平转动角度改变水平推力方向，控制板利用这三个变量来实现行驶模态下的加速、刹车、转向；进一步的，还可以利用对称旋翼机臂转向为垂直角度来提供升力以期在复杂路况下的小范围越野脱困。具体而言，对于行驶模态臂翼协同控制方法描述如下：通过模态识别方法判断此时是否处于地面行驶工作模态，若处于地面行驶工作模态，则可开启行驶模态臂翼协同控制流程；将机臂顺时针编号为一、二、三、四，设置一、二号机臂为拉动臂，提供拉力，三四号机臂为推进臂，提供推力；一号机臂中的可变机臂在水平方向以轴体二为中心转动角顺时针旋转45°，即设置β＝45°，二号机臂中的可变机臂在水平方向以轴体二为中心转动角逆时针旋转45°，即设置β＝-45°，一号机臂旋翼叶片平面与二号机臂旋翼叶片平面为同一平面；三号机臂中的可变机臂在水平方向以轴体二为中心转动角顺时针旋转45°，即设置β＝45°，四号机臂中的可变机臂在水平方向以轴体二为中心转动角逆时针旋转45°，即设置β＝-45°，三号机臂旋翼叶片平面与四号机臂旋翼叶片平面为同一平面；可根据需要采用三种前进模式：①前驱驱动：仅由一二号机臂旋翼正转产生的拉力带动无人机前进；②后驱驱动：仅由三四号机臂旋翼反转产生的推力带动无人机前进；③四驱模式：由一二号机臂旋翼正转产生的拉力与三四号机臂旋翼反转产生的推力共同作用带动无人机前进；无人机的转向控制，通过调整同侧机臂的Δγ的值，即同时调整推进臂或拉动臂的Δγ，且转向一致、大小相同，来带动无人机地面行驶时的转向。

对于上述实施例二中航行模态臂翼协同控制指的是在水面航行模态下，通过改变无人机旋翼转速改变推力大小，通过改变机臂角度改变垂直方向推力分量，通过改变可变机臂水平转动角度改变水平推力方向，控制板利用这三个变量来实现航行模态下的加速、刹车、转向。具体而言，航行模态臂翼协同控制方法描述如下：通过模态识别方法判断此时是否处于水面航行工作模态，若处于水面航行工作模态，则可开启航行模态臂翼协同控制流程；将机臂顺时针编号为一、二、三、四，设置一、二号机臂为拉动臂，提供拉力，三四号机臂为推进臂，提供推力；一号机臂中的可变机臂在水平方向以轴体二为中心转动角顺时针旋转45°，即设置γ＝45°，二号机臂中的可变机臂在水平方向以轴体二为中心转动角逆时针旋转45°，即设置γ＝-45°，一号机臂旋翼叶片平面与二号机臂旋翼叶片平面为同一平面；三号机臂中的可变机臂在水平方向以轴体二为中心转动角顺时针旋转45°，即设置γ＝45°，四号机臂中的可变机臂在水平方向以轴体二为中心转动角逆时针旋转45°，即设置γ＝-45°，三号机臂旋翼叶片平面与四号机臂旋翼叶片平面为同一平面；可根据需要采用三种前进模式：①前驱驱动：仅由一二号机臂旋翼正转产生的拉力带动无人机前进；②后驱驱动：仅由三四号机臂旋翼反转产生的推力带动无人机前进；③四驱模式：由一二号机臂旋翼正转产生的拉力与三四号机臂旋翼反转产生的推力共同作用带动无人机前进；无人机的转向控制，通过调整同侧机臂的Δγ的值，即同时调整推进臂或拉动臂的Δγ，且转向一致、大小相同，来带动无人机水面航行时的转向。

对于上述实施例二中的脱困控制方法来说，无人机在执行行动任务时若出现电量不足、侧翻、E0报错的故障时，控制板采取脱困程序，具体而言，脱困控制方法描述如下：电量不足的应对策略：当无人机自身电量低于百分之二十时，此时无人机控制板进行模态识别，若识别自身处于水面航行或地面行驶工作模态，则就地停车，太阳能电池板进行充电，若识别自身处于空中飞行工作模态，则进行模态转换动作，调整为地面行驶状态或海面航行状态，然后停车，太阳能电池板进行充电；地面行驶工作模态若因地形问题导致侧翻，则无人机可进行模态转换动作，将地面行驶工作模态转换为空中飞行工作模态，并起飞，将侧翻的姿态调整成飞行姿态，短暂拉起机身越障后转换为地面行驶工作模态，继续工作；E0报错的故障时，无人机自动重启，恢复初始状态，继续检测机臂角度能否达标，若依然不符合标准，则判断无人故障，不具备执行行动任务；若无人机在行动任务过程中出线E0故障，且通过重启恢复初始状态依然无法解决该故障，则无人机向控制中心发出呼救信号，并传输位置信号，等待控制中心救援。

最后所应说明的是，尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种海陆空三用无人机的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

通过模态识别方法识别所述无人机的动作状态；所述动作状态包括：飞行状态、水上航行状态和陆地行驶状态；

通过模态转换控制方法将无人机的当前动作状态转换至目标动作状态；

通过自主航迹规划方法对无人机的航行路线进行自动规划；

通过飞行模态变桨距控制方法对当无人机处于飞行状态时控制所述无人机的可变机臂与大机臂的夹角变化，使得所述无人机的飞行更加稳定；

通过行驶模态臂翼协同控制方法用于当无人机处于陆地行驶状态时控制所述无人机的可变机臂与所述大机臂的夹角变化，使得所述无人机行驶状态更加稳定；

通过航行模态臂翼协同控制方法使得当无人机处于水上航行状态时控制所述无人机的可变机臂与所述大机臂的夹角变化，使得所述无人机的航行更加稳定；

通过脱困控制方法使得当无人机本身出现故障、电量不足或者处于陆地行驶状态侧翻时，控制无人机采用自救程序，使得无人机恢复正常的动作状态；

通过所述模态识别方法识别所述无人机的动作状态包括，依据接收的水浸传感器传递的浸水信号，判断所述无人机的动作状态，具体条件如下：

S1，若水浸传感器未传回浸水信号，且80°≤β-α≤100°，则判断无人机处于空中飞行工作模态；所述β为可变机翼与大机臂之间的角度；所述α为大机臂与机体水平面之间的角度；

S2若水浸传感器未传回浸水信号，且170°≤α+β≤190°，则判断无人机处于地面行驶工作模态；

S3若水浸传感器传回浸水信号，且170°≤α+β≤190°，则判断无人机处于水面航行工作模态；

S4若传回的角度信息α、β不满足80°≤β-α≤100°，或不满足170°≤α+β≤190°，则控制器判断机臂转动角度故障，设置故障代码E0；

S5控制控中的寄存器记录工作模态信息。

2.根据权利要求1所述的海陆空三用无人机的控制方法，其特征在于，所述模态转换控制方法包括：依据无人机的当前动作状态切换至目标动作状态，若无人机的所述当前动作状态为飞行模态，且所述目标动作状态为行驶模态，则通过如下步骤进行切换：

A1控制板确定当前工作模态为飞行模态，判断是否达到路径规划转换时机；

A2则飞行器降高、降速，直至万向轮触地；

A3降落后电调停机，螺旋桨停止转动；

A4步进电机带动转轴一转动，进而调整-5°≤α≤5°；

A5步进电机带动转轴二转动，进而调整175°≤β≤185°；

A6控制板控制电调启动，螺旋桨与可变机臂按照行驶模态臂翼协同控制方法控制无人机地面行驶；

若无人机的所述当前动作状态为行驶模态，且所述目标动作状态为飞行模态，则通过如下步骤进行切换：

B1控制板确定当前工作模态为行驶模态，判断是否达到路径规划转换时机；

B2无人机通过行驶模态臂翼协同控制方法寻找坡度不高于5°的地面停车；

B3步进电机带动转轴二转动，进而调整130°≤β≤140°；

B4步进电机带动转轴一转动，进而调整40°≤α≤50°；

B5控制板通过传感器复检旋翼转轴是否与机体水平面垂直，若垂直，满足起飞条件，若不满足则继续调整角度，使其满足；

B6控制板控制电调启动，螺旋桨与可变机臂按照飞行模态变桨距控制方法控制无人机空中飞行。

3.根据权利要求1所述的海陆空三用无人机的控制方法，其特征在于，所述模态转换控制方法包括：依据无人机的当前动作状态切换至目标动作状态，若无人机的所述当前动作状态为飞行模态，且所述目标动作状态为航行模态，则通过如下步骤进行切换：

C1控制板确定当前工作模态为飞行模态，判断是否达到路径规划转换时机；

C2则飞行器降高、降速，直至机体下部触水漂浮；

C3控制板控制电调停机，螺旋桨停止转动；

C4步进电机带动转轴一转动，进而调整-45°≤α≤-35°；

C5步进电机带动转轴二转动，进而调整175°≤β≤185°；

C6机臂角度调整后，确保螺旋桨整体进入水面下方；

C7控制板控制电调启动，螺旋桨与可变机臂按照航行模态臂翼协同控制方法控制无人机海面行驶；

若无人机的所述当前动作状态为航行模态，且所述目标动作状态为飞行模态，则通过如下步骤进行切换：

D1控制板确定当前工作模态为飞行模态，判断是否达到路径规划转换时机；

D2无人机按照航行模态臂翼协同控制方法，使无人机在海面停车；

D3步进电机带动转轴二转动，进而调整130°≤β≤140°；

D4步进电机带动转轴一转动，进而调整40°≤α≤50°；

D5无人机暂停动作1—10分钟，至机臂及旋翼上粘黏的液体完全蒸发；

D6控制板控制电调启动，螺旋桨与可变机臂按照飞行模态变桨距控制方法控制无人机空中飞行。

4.根据权利要求1所述的海陆空三用无人机的控制方法，其特征在于，所述模态转换控制方法包括：依据无人机的当前动作状态切换至目标动作状态，若无人机的所述当前动作状态为飞行模态，且所述目标动作状态为行驶模态，则通过如下步骤进行切换：

E1按照航行模态转换为飞行模态的方法将无人机从航行模态转换为飞行模态；

E2按照飞行模态转换为行驶模态的方法将无人机从飞行模态转换为行驶模式；

若无人机的所述当前动作状态为行驶模态，且所述目标动作状态为飞行模态，则通过如下步骤进行切换：

F1按照行驶模态转换为飞行模态的方法将无人机从行驶模态转换为飞行模态；

F2按照飞行模态转换为航行模态的方法将无人机从飞行模态转换为航行模式。

5.根据权利要求1所述的海陆空三用无人机的控制方法，其特征在于：

所述自主航迹规划方法用于对无人机的航行路线进行自动规划，所述自主航迹规划方法包括：

G1、确定起始地与目的地，分析航程距离与路径中的地理环境；

G2、若航程距离×2＜无人机飞行续航最大距离，则采用全程飞行模态完成行动任务；

G3、若航程距离＜无人机的飞行续航最大距离＜航程距离×2，则采用全程飞行模态配合目的地充电模式完成行动任务，即从起始地到目的地全过程采用飞行模态工作，飞抵目的地后降落，并进入充电模式利用太阳能补充电能，电能补充完毕后起飞返航；

G5、若航程距离远大于无人机的续航最大距离，则进一步判断直线飞行路程中是否经过水面，若存在水面，则可令无人机在水面以航行模态臂翼协同控制方法进行航行，且在航行过程中利用太阳能对电池电能进行补充，根据需求亦可在水面停车，利用太阳能补充电池储存电能，直至抵达目的地并根据需要返程；

其中，若直线飞行路程中没有经过水面，则可令无人机在陆地以行驶模态臂翼协同控制方法进行行驶，且在行驶过程中利用太阳能对电池电能进行补充，根据需求亦可在陆地停车，利用太阳能补充电池储存电能；地面行驶条件不好时，可转换为飞行模态越障至地形较好处降落继续地面行驶，直至抵达目的地并根据需要返程。

6.根据权利要求1所述的海陆空三用无人机的控制方法，其特征在于：

所述通过飞行模态变桨距控制方法控制当无人机处于飞行状态时控制所述无人机的可变机臂与大机臂的夹角变化，使得所述无人机的飞行更加稳定；所述飞行模态变桨距控制方法包括：

H1、常规飞行工作模态时，螺旋桨旋转面与机体纵轴垂直，大机臂与机身水平面夹角α为45°，可变机臂与大机臂夹角β为135°，在变桨距飞行控制方法中，大机臂与机身水平面夹角α保持不变，输入量为可变机臂与大机臂夹角β，设135°为飞行模态参考角度，实际Δβ＝β-135°，V为无人机的平飞速度，H为无人机的飞行高度，设置Δβ，V，H为变桨距飞行模态的输入信号量；

H2、根据不同的飞行器，通过模拟飞行时及飞行实验时有气动参数得到气动模型，设置不同的飞行性能目标，构建不同飞行参数无人机的变桨距控制量c与V、H、Δβ之间的关系，此关系可通过神经网络迭代计算得到；

H3、建立不同无人机变桨距控制方程，c＝f(V、H、Δβ)；

H4、将计算得出变桨距螺旋桨的输出量,通过变桨距电机实施在无人机螺旋桨上，得以实现能效更高的飞行动态过程。