CN114644112B - 一种水空两用无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水空两用无人机，包括机体、多个旋翼、水推螺旋桨、空中尾推螺旋桨和气囊组件，其中：机体，包括机身、差动平尾和两个机翼，差动平尾位于机身的尾部，两机翼对称设置于机身上，且各机翼的上壁垂直开设有至少一个贯穿孔；旋翼，一一对应同轴设置于贯穿孔内；水推螺旋桨，安装于机身的尾部下方，并位于差动平尾的后方；空中尾推螺旋桨，安装于机身上，并位于差动平尾和机翼之间；气囊组件，位于机身内，包括相互连接的气囊和充放气机构，充放气机构用于实现气囊的充气或放气。该无人机可实现水下、水面和空中作业，操作敏捷、航行快速快、续航能力持久，并可搭载不同的探测设备，灵活性高，适用范围广，安全性高。
Description
技术领域
本发明属于无人机领域，具体涉及一种水空两用无人机。
背景技术
传统的人工水下作业十分复杂，而且人身安全也无法得到完全的保障。随着人类水下活动越来越广泛，水下无人系统的应用也越来越普及。而水下旋翼无人机因其可以在水面垂直起降、在水下航行及在空中飞行而得到应用，但是其续航及空中飞行或水下/水面航行速度限制了其应用领域。
在申请公布号为CN105799891A的中国专利提出一种水空两用无人机，包括：机壳，机壳上设置有4个驱动部以及控制驱动部的控制器，驱动部包括电机以及由电机驱动的螺旋桨，电机驱动螺旋桨正转或者反转来使水空两用无人机垂直方向移动，一侧的驱动部动力与另一侧驱动部动力不相等使水空两用无人机水平方向移动，对角的驱动部与另一对角的驱动部动力不等使水空两用无人机进行转向，能够用于水下行动以及拍摄。
但上述方案存在如下缺点：1)因其存在四个驱动部，且水下阻力相对空中更大，同时其无人机的运行同时靠四个驱动部作用，大大减少了无人机的续航时间；2)因有多个螺旋桨，使其在水下操作不够灵敏，且航行速度缓慢。因此，考虑到水空两用无人机的操作灵敏性、续航及速度而提出一种新型水空两用无人机。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提出一种水空两用无人机，可实现水下、水面和空中作业，操作敏捷、航行快速快、续航能力持久，并可搭载不同的探测设备，灵活性高，适用范围广，安全性高。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
本发明提出的一种水空两用无人机，包括机体、多个旋翼、水推螺旋桨、空中尾推螺旋桨和气囊组件，其中：
机体，包括机身、差动平尾和两个机翼，差动平尾位于机身的尾部，两机翼对称设置于机身上，且各机翼的上壁垂直开设有至少一个贯穿孔；
旋翼，一一对应同轴设置于贯穿孔内；
水推螺旋桨，安装于机身的尾部下方，并位于差动平尾的后方，且其转动轴线与旋翼的转动轴线垂直；
空中尾推螺旋桨，安装于机身上，并位于差动平尾和机翼之间，且其转动轴线与水推螺旋桨的转动轴线平行；
气囊组件，位于机身内，包括相互连接的气囊和充放气机构，充放气机构用于实现气囊的充气或放气；
在空中飞行模式下，通过空中尾推螺旋桨的转动实现机体的前进，通过差动平尾的调节作用实现机体的俯仰、偏航或滚转；
在水下潜航模式下，通过水推螺旋桨的正反转实现机体的前进或后退，通过差动平尾的调节作用实现机体的俯仰、偏航或滚转，通过气囊的充气或放气实现机体在水中的上浮或下沉；
在水面航行模式下，水推螺旋桨和差动平尾没入水中，机翼脱离水面，通过水推螺旋桨的正反转实现机体的前进或后退，通过差动平尾的调节作用实现机体的俯仰、偏航或滚转，其中，由水面航行模式转为空中飞行模式、以及由空中飞行模式转为水面航行模式的过程中，旋翼转动，当模式转换完成后旋翼停止转动。
优选地，旋翼对称分布。
优选地，旋翼为四个并呈梯形分布。
优选地，空中尾推螺旋桨安装于机身的上方。
优选地，机身包括相互连接的前舱和尾杆，两机翼对称设置于前舱上，气囊组件位于前舱内，空中尾推螺旋桨位于前舱和尾杆的连接处。
优选地，机翼为平直翼。
优选地，充放气机构包括通过管路连通的充气泵和气路换向阀。
优选地，气囊填充的气体为氦气。
优选地，水推螺旋桨和空中尾推螺旋桨设有保护罩。
优选地，机身上搭载有雷达、声呐探测器、摄像机至少其一。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)该无人机采用复合翼模式，可实现水下、水面和空中作业，相比现有技术中的纯旋翼模式，在不同运动模式下仅采用单个螺旋桨作用，并通过旋翼辅助机体脱离水面或进入水面，在水中操作更敏捷、航行快速更快且续航能力得到很大的提高，可搭载不同的探测设备，灵活性高，适用范围广；
2)采用差动平尾，可减少作动器的数量，使无人机不管是在水中、水面还是空中航行都可以通过差动平尾调节姿态，从而可以取消现有技术中固定翼的方向舵和副翼部分，减少电量损耗、重量和成本；
3)将旋翼置于机翼内，可以减少无人机快速航行时水流对旋翼的冲击，并通过保护罩对螺旋桨保护，延长使用寿命，并提高安全性；
4)通过气囊组件实现无人机在水中的沉浮，操作方便，能耗低。
附图说明
图1为本发明的水空两用无人机结构示意图。
附图标记说明：1、机体；2、旋翼；3、水推螺旋桨；4、空中尾推螺旋桨；11、机身；12、差动平尾；13、机翼。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为与另一个组件“连接”时，它可以直接与另一个组件连接或者也可以存在居中的组件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。
如图1所示，一种水空两用无人机，包括机体1、多个旋翼2、水推螺旋桨3、空中尾推螺旋桨4和气囊组件，其中：
机体1，包括机身11、差动平尾12和两个机翼13，差动平尾12位于机身11的尾部，两机翼13对称设置于机身11上，且各机翼13的上壁垂直开设有至少一个贯穿孔；
旋翼2，一一对应同轴设置于贯穿孔内；
水推螺旋桨3，安装于机身11的尾部下方，并位于差动平尾12的后方，且其转动轴线与旋翼2的转动轴线垂直；
空中尾推螺旋桨4，安装于机身11上，并位于差动平尾12和机翼13之间，且其转动轴线与水推螺旋桨3的转动轴线平行；
气囊组件，位于机身11内，包括相互连接的气囊和充放气机构，充放气机构用于实现气囊的充气或放气；
在空中飞行模式下，通过空中尾推螺旋桨4的转动实现机体1的前进，通过差动平尾12的调节作用实现机体1的俯仰、偏航或滚转；
在水下潜航模式下，通过水推螺旋桨3的正反转实现机体1的前进或后退，通过差动平尾12的调节作用实现机体1的俯仰、偏航或滚转，通过气囊的充气或放气实现机体1在水中的上浮或下沉；
在水面航行模式下，水推螺旋桨3和差动平尾12没入水中，机翼13脱离水面，通过水推螺旋桨3的正反转实现机体1的前进或后退，通过差动平尾12的调节作用实现机体1的俯仰、偏航或滚转，其中，由水面航行模式转为空中飞行模式、以及由空中飞行模式转为水面航行模式的过程中，旋翼2转动，当模式转换完成后旋翼2停止转动。
其中，机体1内可设有主板和用于供电的电源，旋翼2、水推螺旋桨3、空中尾推螺旋桨4和充放气机构均与主板电连接，飞机控制中心远程发送信号至主板，主板接收到信号时控制无人机运动，为本领域技术人员熟知技术，在此不再赘述。采用差动平尾12的形式来设计无人机固定翼操作部分，可减少无人机作动器的数量，使无人机不管是在水中、水面还是空中航行都可以通过差动平尾12调节姿态，从而可以取消现有技术中固定翼的方向舵和副翼部分，以减少作动器数量，减少电量损耗、重量和成本。将旋翼2置于机翼13内，可以减少无人机快速航行时水流对旋翼2的冲击，对旋翼2起到保护作用，大大延长旋翼2的使用寿命。旋翼2、水推螺旋桨3和空中尾推螺旋桨4的叶片数量为多个。
在空中飞行模式下，仅空中尾推螺旋桨4转动实现机体1的前进，并配合差动平尾12的调节作用实现机体1的俯仰、偏航或滚转，如当接收到飞机控制中心发出的俯仰信号时，差动平尾12的两个平尾会沿相同的方向偏转，当接收到飞机控制中心发出的偏航或滚转信号时，差动平尾12的两个平尾会沿相反方向偏转，差动平尾的运用为现有技术，在此不再赘述，此时无人机的升力主要依靠机体1的机翼13和差动平尾12，动力依靠空中尾推螺旋桨4来提供。
在水下潜航模式下，仅水推螺旋桨3转动，包括正反转以实现机体1的前进或后退，并配合差动平尾12和水介质的接触来调节实现机体1的俯仰、偏航或滚转，通过差动平尾12实现俯仰、偏航或滚转的操作同空中飞行模式，通过气囊的充气或放气实现机体1在水中的上浮或下沉，即充气时无人机上浮，放气时无人机下沉。
在水面航行模式下，水推螺旋桨3和差动平尾12没入水中，机翼13脱离水面，通过水推螺旋桨3的正反转实现机体1的前进或后退，通过差动平尾12和水介质的接触来调节实现机体1的俯仰、偏航或滚转，通过差动平尾12实现俯仰、偏航或滚转的操作同空中飞行模式，无人机可以通过差动平尾12的偏转来自由潜入水中或上升至水面。
其中，由水面航行模式转为空中飞行模式、以及由空中飞行模式转为水面航行模式的过程中，旋翼2转动，即依靠气囊使得无人机机翼13脱离水面时，此时转变为旋翼模式，旋翼2开始工作直到将无人机拉离水面并保持离水面一定高度，无人机机翼13入水的过程也是依靠旋翼2来完成，即无人机准备入水时，此时转变为旋翼模式，旋翼2开始工作慢慢降到水面完成入水工作，当模式转换完成后旋翼2停止转动。
该无人机在不同运动模式下仅采用单个螺旋桨作用，且旋翼2仅在辅助机体1脱离水面或进入水面时作用，通过采用复合翼模式，相比现有技术中的纯旋翼模式，该无人机在水中操作更敏捷，航行更快速，且续航能力得到很大的提高。
在一实施例中，旋翼2对称分布。需要说明的是，两个机翼13上所设置的旋翼2数量相等，具体数量可根据实际需求调整，其分布方式还可为不对称分布，通过主板对应调整使其协调配合即可。
在一实施例中，旋翼2为四个并呈梯形分布。四个旋翼2对称分布，分列于梯形的四角，如靠近机身11头部的两个旋翼的间距小于靠近机身11尾部的两个旋翼的间距，且旋翼2的型号可相同或不同。
在一实施例中，空中尾推螺旋桨4安装于机身11的上方。需要说明的是，空中尾推螺旋桨4还可安装于机身11的下方。
在一实施例中，机身11包括相互连接的前舱和尾杆，两机翼13对称设置于前舱上，气囊组件位于前舱内，空中尾推螺旋桨4位于前舱和尾杆的连接处。机身11为对称结构，其前舱为水滴状，前舱的头部和机翼13的前端采用流线型设计，有助于减少风阻或水流阻力，尾杆可为任意形状，如为圆柱状或圆锥状等，尾杆与前舱的小端连接。机身11还可为现有技术中的结构。
在一实施例中，机翼13为平直翼。或还可为现有技术中的其他形状的机翼。
在一实施例中，充放气机构包括通过管路连通的充气泵和气路换向阀。气路换向阀内具有可相互切换的充气气路和放气气路，充气泵通过气路换向阀内的气路切换实现充气或放气，为现有技术，在此不再赘述。且充放气机构还为现有技术中的其他机构。
在一实施例中，气囊填充的气体为氦气。氦气化学性质稳定，受温度影响小，安全性高。或还可填充现有技术中常用的其他密度小于空气的气体，如氮气等。
在一实施例中，水推螺旋桨3和空中尾推螺旋桨4设有保护罩。通过设置保护罩可提高螺旋桨的使用寿命并减少维修次数，使无人机在水中或空中运行的安全性得到提高。
在一实施例中，机身11上搭载有雷达、声呐探测器、摄像机至少其一。可根据实际使用需求搭载不同的探测设备，灵活性高。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种水空两用无人机，其特征在于：所述水空两用无人机包括机体(1)、多个旋翼(2)、水推螺旋桨(3)、空中尾推螺旋桨(4)和气囊组件，其中：
所述机体(1)，包括机身(11)、差动平尾(12)和两个机翼(13)，所述差动平尾(12)位于所述机身(11)的尾部，两所述机翼(13)对称设置于所述机身(11)上，且各所述机翼(13)的上壁垂直开设有至少一个贯穿孔；
所述旋翼(2)，一一对应同轴设置于所述贯穿孔内；
所述水推螺旋桨(3)，安装于所述机身(11)的尾部下方，并位于所述差动平尾(12)的后方，且其转动轴线与所述旋翼(2)的转动轴线垂直；
所述空中尾推螺旋桨(4)，安装于所述机身(11)上，并位于所述差动平尾(12)和机翼(13)之间，且其转动轴线与所述水推螺旋桨(3)的转动轴线平行；
所述气囊组件，位于所述机身(11)内，包括相互连接的气囊和充放气机构，所述充放气机构用于实现所述气囊的充气或放气；
在空中飞行模式下，通过所述空中尾推螺旋桨(4)的转动实现所述机体(1)的前进，通过所述差动平尾(12)的调节作用实现所述机体(1)的俯仰、偏航或滚转；
在水下潜航模式下，通过所述水推螺旋桨(3)的正反转实现所述机体(1)的前进或后退，通过所述差动平尾(12)的调节作用实现所述机体(1)的俯仰、偏航或滚转，通过所述气囊的充气或放气实现所述机体(1)在水中的上浮或下沉；
在水面航行模式下，所述水推螺旋桨(3)和差动平尾(12)没入水中，所述机翼(13)脱离水面，通过所述水推螺旋桨(3)的正反转实现所述机体(1)的前进或后退，通过所述差动平尾(12)的调节作用实现所述机体(1)的俯仰、偏航或滚转，其中，由水面航行模式转为空中飞行模式、以及由空中飞行模式转为水面航行模式的过程中，所述旋翼(2)转动，当模式转换完成后所述旋翼(2)停止转动。
2.如权利要求1所述的水空两用无人机，其特征在于：所述旋翼(2)对称分布。
3.如权利要求2所述的水空两用无人机，其特征在于：所述旋翼(2)为四个并呈梯形分布。
4.如权利要求1所述的水空两用无人机，其特征在于：所述空中尾推螺旋桨(4)安装于所述机身(11)的上方。
5.如权利要求1所述的水空两用无人机，其特征在于：所述机身(11)包括相互连接的前舱和尾杆，两所述机翼(13)对称设置于所述前舱上，所述气囊组件位于所述前舱内，所述空中尾推螺旋桨(4)位于所述前舱和尾杆的连接处。
6.如权利要求1所述的水空两用无人机，其特征在于：所述机翼(13)为平直翼。
7.如权利要求1所述的水空两用无人机，其特征在于：所述充放气机构包括通过管路连通的充气泵和气路换向阀。
8.如权利要求1所述的水空两用无人机，其特征在于：所述气囊填充的气体为氦气。
9.如权利要求1所述的水空两用无人机，其特征在于：所述水推螺旋桨(3)和空中尾推螺旋桨(4)设有保护罩。
10.如权利要求1所述的水空两用无人机，其特征在于：所述机身(11)上搭载有雷达、声呐探测器、摄像机至少其一。
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