CN114771831A - 一种水、空两栖无人飞行器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水、空两栖无人飞行器及其控制方法，包括机架结构、转向组件、主螺旋桨、尾桨、水翼和垂直尾翼，其中机架结构包括船型壳体和支架，转向组件包括偏航舵机、俯仰舵机、变向盘、倾斜盘，水翼包括翼体和副翼。本发明采用偏航舵机改变主螺旋桨朝向和尾桨打舵或调节尾部螺旋桨转速相结合的控制方法，提高了无人飞行器在水面航行或空中巡航时的偏航角速度；通过微调俯仰舵机、偏航舵机改变主螺旋桨朝向，可克服风速对无人飞行器飞行轨迹的影响；本发明能在水面和空中实现跨领域工作，提高巡查和监控的效率。

Description

一种水、空两栖无人飞行器及其控制方法

技术领域

本发明属于无人飞行器技术领域，特别涉及一种水、空两栖无人飞行器及其控制方法。

背景技术

随着现代科技的快速发展，无人设备在日常生活、军事应用等领域的应用也越来越广泛。但随着应用领域的扩展，传统无人设备的局限性逐渐显现出来。传统的无人飞行器在飞行过程中需要持续克服重力做功，电量消耗迅速，在宽阔水域工作时的作业半径和作业时间受电池容量限制，且需考虑返航的电量消耗问题，若电量耗尽或出现机械故障则会坠入水中；而适用于水面巡检航行的无人舰艇仅限于在相互连通的水域内作业，无法进行跨域工作，且面临急流、暗礁等复杂水文环境时无法继续工作或容易翻船。

如何解决上述复杂环境下的使用问题，充分发挥无人飞行器的优势实现水空两栖工作，成为无人飞行器在更广阔领域应用推广的关键。水空两栖无人飞行器既能在空中飞行，又能在水面上巡检航行，它可以充分利用其速度快、探测覆盖面广、反应迅速、便于携带等优势，在水面和空中实现跨领域工作，能够弥补传统无人设备无法跨域工作的缺陷，提高巡查和监控的效率。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种水、空两栖无人飞行器及其控制方法，能兼顾空中飞行及水上巡航的工作要求，提高无人飞行器的适用性。

本发明提供的一种水、空两栖无人飞行器及其控制方法，通过以下技术方案得以实现：

一种水、空两栖无人飞行器，包括机架结构、转向组件、主螺旋桨、尾桨、水翼和垂直尾翼；所述机架结构包括船型壳体和支架。

所述船型壳体为中空密封结构，左右对称，用于存放两栖控制系统及电源等核心零部件；

所述支架包括三根空心支撑管及一块支撑台，所述支撑管两端设有螺纹，在所述船型壳体平面上呈等边三角状垂直分布，支撑管之间相互平行；所述支撑台上设有转向组件。

所述转向组件包括偏航舵机、俯仰舵机、变向盘、倾斜盘；所述倾斜盘与偏航舵机通过拉杆连接，所述倾斜盘上设有俯仰舵机；所述变向盘与俯仰舵机通过拉杆连接，所述变向盘上设有主螺旋桨；所述偏航舵机的旋转角度区间为[-90°,90°]，所述俯仰舵机旋转角度区间为[0°,90°]。

所述主螺旋桨由直流无刷电机驱动，所述直流无刷电机位于变向盘上。

所述尾桨通过活动转轴连接于船型壳体后部下方。

所述水翼包括翼体和副翼，位于船型壳体中下部，所述副翼通过轴承安装在所述翼体前缘，可以轴承为旋转轴进行旋转。

所述垂直尾翼设有一只，设在所述船型壳体平面后方；所述垂直尾翼的尾部安装有尾部螺旋桨，所述尾部螺旋桨的旋转面与水平面垂直，旋转面法线与船型壳体的横轴平行，桨叶直径比主螺旋桨的桨叶直径小。

基于上述水、空两栖无人飞行器，本发明还提供其控制方法，所述控制方法用于无人机产生以下工作模式：

空中悬停模式：保持俯仰舵机及偏航舵机旋转角度为0°，变向盘与倾斜盘平行，主螺旋桨提供升力，尾部螺旋桨产生大小相等、方向相反的推力，用来平衡主螺旋桨的反扭矩；

空中巡航模式：主螺旋桨提供水平方向的牵引力和垂直方向的升力，调节俯仰舵机旋转角度控制牵引力和升力大小，调节偏航舵机的旋转角度和尾部螺旋桨转速控制航向，调节水翼副翼的抬升角度平衡滚转力矩，尾部螺旋桨产生大小相等、方向相反的推力，用来平衡主螺旋桨的反扭矩；

水面航行模式：保持俯仰舵机旋转角度为90°，变向盘与倾斜盘垂直，主螺旋桨提供水平方向的牵引力，调节水翼副翼的抬升角度维持机体平衡，调节偏航舵机的旋转角度和尾桨的摆动方向控制航向。

本发明的有益效果在于：

1.采用偏航舵机改变主螺旋桨朝向和尾桨打舵或调节尾翼转速相结合的控制方法，能提高无人飞行器在水面航行或空中巡航时的偏航角速度；

2.通过微调俯仰舵机、偏航舵机改变主螺旋桨朝向，可克服风速对无人飞行器飞行轨迹的影响；

3.无人飞行器能在水面和空中实现跨领域工作，提高巡查和监控的效率。

附图说明

图1是无人飞行器机体结构示意图。

图2是水翼结构示意图。

图3是无人飞行器空中巡航模式结构示意图。

图4是无人飞行器水面航行模式结构示意图。

图中：1、船型壳体；2、支撑管；3、支撑台；4、偏航舵机；5、俯仰舵机；6、变向盘；7、倾斜盘；8、主螺旋桨；9、直流无刷电机；10、尾桨；11、翼体；12、副翼；13、垂直尾翼；14、尾部螺旋桨。

具体实施方式

以下通过实施例形式，对本发明的内容作进一步详细说明，但不应就此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下的实施例。

在本实施例的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“垂直”、“平行”、“底”、“角”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。

在本实施例中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“连接”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体；可以是机械连接,也可以是电连接；可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。

实施例1

本申请实施例公开一种水、空两栖无人飞行器。

参照图1，一种水、空两栖无人飞行器，包括机架结构、转向组件、主螺旋桨8、尾桨10、水翼和垂直尾翼13；所述机架结构包括船型壳体1和支架。

所述船型壳体1为中空密封结构，左右对称，用于存放两栖控制系统及电源等核心零部件，包括各类传感器；

所述支架包括三根空心支撑管2及一块支撑台3，所述支撑管2两端设有螺纹，在所述船型壳体1平面上呈等边三角状垂直分布，支撑管2之间相互平行；所述支撑台3上设有转向组件。

所述转向组件包括偏航舵机4、俯仰舵机5、变向盘6、倾斜盘7；所述倾斜盘7与偏航舵机4通过拉杆连接，所述倾斜盘7上设有俯仰舵机5；所述变向盘6与俯仰舵机5通过拉杆连接，所述变向盘6上设有主螺旋桨8；所述偏航舵机4的旋转角度区间为[-90°,90°]，所述俯仰舵机5旋转角度区间为[0°,90°]。

所述主螺旋桨8由直流无刷电机9驱动，所述直流无刷电机9位于变向盘6上。

所述尾桨10通过活动转轴连接于船型壳体1后部下方。

如图2所示，所述水翼包括翼体11和副翼12，位于船型壳体1中下部，所述副翼12通过轴承安装在所述翼体11前缘，以轴承为旋转轴进行旋转。

所述垂直尾翼13设有一只，设在所述船型壳体1平面后方；所述垂直尾翼13的尾部安装有尾部螺旋桨14，所述尾部螺旋桨14的旋转面与水平面垂直，旋转面法线与船型壳体1的横轴平行，桨叶直径比主螺旋桨8的桨叶直径小。

实施例2

本申请实施例公开一种水、空两栖无人飞行器的控制方法，所述控制方法用于无人机产生以下工作模式：

参照图1，空中悬停模式：保持俯仰舵机5及偏航舵机4旋转角度为0°，变向盘6与倾斜盘7平行，主螺旋桨8提供升力，尾部螺旋桨14产生大小相等、方向相反的推力，用来平衡主螺旋桨8的反扭矩；通过加速度传感器、气压传感器的反馈调节，控制主螺旋桨8转速，完成无人飞行器的高度控制；由风速传感器检测风速和风量，通过加速度传感器、角速度传感器、北斗/GPS接收机等的反馈调节，微调俯仰舵机5和偏航舵机4，使主螺旋桨8轻微偏向迎风面，克服风力，实现悬停。

参照图3，空中巡航模式：主螺旋桨8提供水平方向的牵引力和垂直方向的升力，调节俯仰舵机5旋转角度控制牵引力和升力大小，调节偏航舵机4的旋转角度和尾部螺旋桨14转速控制航向，调节水翼副翼12的抬升角度平衡滚转力矩，尾部螺旋桨14产生大小相等、方向相反的推力，用来平衡主螺旋桨8的反扭矩；通过角速度传感器、地磁传感器反馈调节，稳定偏航角；由风速传感器检测风速和风量，通过微调俯仰舵机5、偏航舵机4改变主螺旋桨8的朝向，克服风速对无人飞行器飞行轨迹的影响；高速飞行时，通过角速度传感器反馈调节，控制副翼12稳定机身滚转角；空中巡航时，可支持无线电通信控制航行和航迹规划航行，由北斗/GPS接收机辅助完成航迹控制。

参照图4，水面航行模式：保持俯仰舵机5旋转角度为90°，变向盘6与倾斜盘7垂直，主螺旋桨8提供水平方向的牵引力，调节水翼副翼12的抬升角度维持机体平衡，调节偏航舵机4的旋转角度和尾桨10的摆动角度控制航向；水面航行时，可支持无线电通信控制航行和航迹规划航行，由北斗/GPS接收机辅助完成航迹控制。

Claims (9)

1.一种水、空两栖无人飞行器，其特征在于：所述无人飞行器包括机架结构、转向组件、主螺旋桨、尾桨、水翼和垂直尾翼，所述机架结构包括船型壳体和支架。

2.根据权利要求1所述的一种水、空两栖无人飞行器，其特征在于：所述船型壳体为中空密封结构，左右对称，用于存放两栖控制系统及电源等核心零部件；所述支架包括三根空心支撑管及一块支撑台，所述支撑管两端设有螺纹，在所述船型壳体平面上呈等边三角状垂直分布，支撑管之间相互平行；所述支撑台上设有转向组件。

3.根据权利要求1所述的一种水、空两栖无人飞行器，其特征在于：所述转向组件包括偏航舵机、俯仰舵机、变向盘、倾斜盘；所述倾斜盘与偏航舵机通过拉杆连接，所述倾斜盘上设有俯仰舵机；所述变向盘与俯仰舵机通过拉杆连接，所述变向盘上设有主螺旋桨。

4.根据权利要求3所述的一种水、空两栖无人飞行器，其特征在于：所述偏航舵机的旋转角度区间为[-90°,90°]，所述俯仰舵机旋转角度区间为[0°,90°]。

5.根据权利要求3所述的一种水、空两栖无人飞行器，其特征在于：所述主螺旋桨由直流无刷电机驱动，所述直流无刷电机位于变向盘上。

6.根据权利要求1所述的一种水、空两栖无人飞行器，其特征在于：所述尾桨通过活动转轴连接于船型壳体后部下方。

7.根据权利要求1所述的一种水、空两栖无人飞行器，其特征在于：所述水翼包括翼体和副翼，位于船型壳体中下部，所述副翼通过轴承安装在所述翼体前缘，可以轴承为旋转轴进行旋转。

8.根据权利要求1所述的一种水、空两栖无人飞行器，其特征在于：所述垂直尾翼设有一只，设在所述船型壳体平面后方；所述垂直尾翼的尾部安装有尾部螺旋桨，所述尾部螺旋桨的旋转面与水平面垂直，旋转面法线与船型壳体的横轴平行，桨叶直径比主螺旋桨的桨叶直径小。

9.根据权利要求1-8的任何一项权利要求所述的水、空两栖无人飞行器的控制方法，其特征在于：所述控制方法用于无人机产生以下工作模式：

空中悬停模式：保持俯仰舵机及偏航舵机旋转角度为0°，变向盘与倾斜盘平行，主螺旋桨提供升力，尾部螺旋桨产生大小相等、方向相反的推力，用来平衡主螺旋桨的反扭矩；

空中巡航模式：主螺旋桨提供水平方向的牵引力和垂直方向的升力，调节俯仰舵机旋转角度控制牵引力和升力大小，调节偏航舵机的旋转角度和尾部螺旋桨转速控制航向，调节水翼副翼的抬升角度平衡滚转力矩，尾部螺旋桨产生大小相等、方向相反的推力，用来平衡主螺旋桨的反扭矩；

水面航行模式：保持俯仰舵机旋转角度为90°，变向盘与倾斜盘垂直，主螺旋桨提供水平方向的牵引力，调节水翼副翼的抬升角度维持机体平衡，调节偏航舵机的旋转角度和尾桨的摆动方向控制航向。

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