CN115339622B - 两栖航行器构型及航行器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两栖航行器构型及航行器控制方法，该航行器构型上采用双旋翼设计，两幅旋翼分别由两根旋转轴驱动，并都由两片桨叶组成，每片桨叶使用独立桨叶控制技术进行变距运动控制。在入水作业时，先保持一定的高度悬停，然后空中停机同时作动器带动桨叶实现90°变距运动，再在重力的作用下坠入水中；在出水作业时，航行器调整姿态垂直，下旋翼低速、低攻角旋转，并将上旋翼推出水面，然后上旋翼大攻角、高速旋转产生强大的拉力将下旋翼拉出水面，然后双旋翼共速反向旋转，实现双旋翼模式。通过新型的出水与入水模式切换，解决了飞行器或者航行器单一的工作模式，扩宽了传统的无人机或者航行器的应用场景。

Description

两栖航行器构型及航行器控制方法

技术领域

本发明涉及水下滑翔机技术、水空两栖无人机技术领域，具体是一种两栖航行器构型及航行器控制方法的设计。

背景技术

水下滑翔机作为无人水下航行器装备体系中的重要成员，融合了浮标技术、潜标技术及水下机器人技术，利用鱼鳔的工作原理，是一种依靠调节浮力实现升沉、借助水动力实现水中滑翔的新型水下机器人，具有尺寸小、功耗低、航速慢、航程远、续航时间长、自主性高、制造和维护成本低等特点，能够满足长时续、大范围、三维连续海洋探测的需求。相较于其他水下航行器，水下滑翔机最大的优点是续航持久，待机时间长，且水下滑翔机为无人运动平台，因此可深入到人类无法到达的恶劣环境中长时间执行任务，如可在南北极冰盖下方运动数月，也可在几千米的深海或者几十米的浅海区域执行任务，并不需要充足氧气或食物的支持。同时水下滑翔机本身并无螺旋桨等主动推进装置，其在滑翔时由于无动力推进噪音极低，这个重要的特点使得其在军事上也有很大的应用价值。

但是水下滑翔机水下机动性能弱，如与潜艇相比，水下滑翔机在水下的航行速度慢，影响了其机动能力，且水下滑翔机要产生前进的推力，其深度必须持续变化，难以在水中同一水平深度保持航行。它只能在水下这一单一场景使用，而且想要在一个任务点切换到另一个任务点，会耗费巨大的时间，影响了工作效率。同时它需要人为的抛掷和收回，抛掷和回收过程很麻烦，并且想要复杂海域精准的定位航行器回收位置也是一项复杂、困难的技术。而水空两栖无人机的技术却能解决这一问题，它可以满足空中与水下正常工作，同时也可以在空中飞行与水下航行两种模式之间稳定切换，但目前两栖无人机的出入水及高效工作的方案都不完善。目前已有的两栖无人机，缺少对入水和出水方案设计的有效研究，缺乏能够兼顾空中飞行性能和水下航行性能的方案，由于两种工作介质的物理差异，在两种介质中工作的动力装置差异巨大，空气桨叶一般细长实度较低而水中桨叶较宽，如果同时携带两种动力装置，需要配备两套动力设备，无形中增加了无人机的负载，且总有一套装置处于闲置状态工作效率极低，水下桨叶不可实现飞行，所以如果单用空中桨叶实现两栖，空气桨叶在水中工作受到的阻力较大，很容易损坏电机等设备，并且空气桨叶在水下产生的动力有限，推进效率低，姿态调整相对困难。

发明内容

针对现有水下滑翔机技术以及水空两栖无人机技术的不足，本发明的目的是提供一种两栖航行器构型及航行器控制方法，既解决了水下滑翔机水下机动性能弱、跨海域或者远任务点切换耗时耗力、抛掷与回收困难的缺点,又解决了水空两栖无人机跨介质切换缺少有效方案的问题，设计出了一个新的两栖航行器构型，及高效可靠的两栖航行器出入水方案。

本申请通过以下技术方案实现上述效果：

一种两栖航行器构型，所述构型包含两栖航行器本体，所述两栖航行器本体为对称结构，包含机身、与所述机身共轴线但由不同轴驱动的双旋翼、机身的首部设有传感器舱段、机身尾部设有姿态调节舱段、机身尾部还设有天线组件；

所述传感器舱段内设有导航、深度传感器，用于进行搜救、情报、监视和侦察任务；

在所述姿态调节舱段里安装有浮力变化发动机、陀螺仪用于姿态调节的装置；

所述天线组件向外发出其搭载传感器搜集到的数据，实现与空中及水面等平台的双向通信。

进一步的，所述机身外形结构呈圆柱形，外表光滑、圆滑，所述双旋翼的轴线与机身轴线相垂直。

进一步的，所述双旋翼包括沿机身轴向并列分布的两根旋转轴，所述旋转轴垂直于所述机身，在所述旋转轴上分别连接转向相反的两副旋翼，所述双旋翼由独立桨叶控制装置驱动；所述两副旋翼为两对四片关于机身对称的桨叶，所述桨叶由独立桨叶控制装置实现90°变距运动。

进一步的，所述独立桨叶控制装置包含固定座、旋转轴、作动器、作动器拉杆、距离感知器、变距杆、变距角度放大器、桨盘、桨叶；

所述作动器安装在作动器拉杆上，用来控制变距拉杆运动，发生变距运动；

所述旋转轴安装在固定座上，在发动机驱动下做旋转运动；

所述作动器拉杆下端与固定座以球铰接的形式连接，上端与变距杆铰接，并可在作动器控制下运动，并带动变距拉杆发生运动；

所述距离感知器安装在作动器拉杆上，安装在作动器与变距杆之间，其为一个距离传感器，通过感知作动器移动的距离，来解算出因作动器移动而使桨叶发生变距运动进而产生的变距角；

所述变距杆，一端与作动器拉杆上端连接，另一端与桨根连接，在作动器拉杆作用下发生运动，并带动桨根发生绕桨根轴的变距运动，即将作动器拉杆传来的直线运动，转化为桨根绕桨根轴的旋转运动；

所述变距角度放大器，安装在变距杆上，用于带动桨根轴旋转，将转化来的旋转运动的角度放大；

所述桨盘两端与桨叶的桨根连接，底部与旋转轴固连，在旋转轴带动下，带动桨叶发生旋转运动；

所述桨叶的桨根与桨盘相连，在桨盘带动下发生旋转运动，又受到变距杆的操纵，在变距杆驱动下发生变距运动，改变桨叶的攻角。

进一步的，所述双旋翼在独立桨叶控制装置单独控制下，发生变距运动，并单独的改变某一副的一片或者两片桨叶的攻角，获得滚转力矩，来实现航行器的滚转和偏航运动。

进一步的，所述浮力变化发动机通过做功改变航行器自身的浮力来实现上潜和下浮运动。

基于上述两栖航行器构型，本申请还提供其控制方法，所述控制方法用于实现航行器在空中和水中运动的切换：

所述航行器入水作业时，首先运动到指定任务点，先飞行并选悬停到距离水面的指定高度，然后空中停机即发动机停止运动，使得旋转轴停止旋转，导致旋翼停止旋转，航行器失去升力；然后控制固定座和桨根之间的作动器基于高阶谐波控制技术独立的对各片桨叶施加控制，带动桨叶发生变距运动，经过变距角度放大器放大变距运动，调整旋翼攻角为90°，然后航行器在重力作用下，实现入水；

所述航行器在出水作业时，首先在水下设定的深度通过独立桨叶控制技术控制靠近机头的桨叶发生变距运动，增大攻角从而增大浮力，产生一个抬头力矩，然后靠近机尾的桨叶在旋转轴的带动下发生旋转运动，产生前进的推力；配合陀螺仪进行垂直姿态感知，使得在出水前航行器姿态垂直向上；

在临近水面时，控制固定座和桨根之间的作动器基于高阶谐波控制技术独立的对各片桨叶施加控制，带动桨叶发生变距运动，然后经过变距角度放大器放大变距运动调整旋翼攻角为0°，即恢复入水前的运动状态；再在下旋翼的推进作用下，航行器的上部分连同上旋翼被推出水面，当上旋翼离开水面之后，上旋翼在高速的旋转，产生升力，将航行器的下部分连同下旋翼一起拉出水面，直到下旋翼被拉出水面后，增大下旋翼转速直到与上旋翼转速一致，实现双旋翼飞机功能，在空中完成运动。

进一步的，所述控制方法还包含实现航行器在空中的运动：所述航行器在空中的运动状态包含飞行模式、垂直运动模式、俯仰运动模式：

在飞行模式中，反向旋转的上、下两副旋翼产生向上的升力，通过调节旋翼的转速和迎角可以实现航行器的6个方向的运动，分别为:垂直、俯仰和滚转运动；所述航行器的上旋翼顺时针转动，下旋翼逆时针转动；

垂直运动时，增大旋转轴的转速来同时增大上、下旋翼的转速，使得航行器旋翼产生的总的升力增大，当升力大于航行器自重时，航行器垂直上升；反之，减小旋转轴的转速来同时减小上、下旋翼的转速，使得旋翼旋转产生总的升力减小，当升力小于航行器自重时，航行器垂直下降；在外界扰动量为零时，调整旋转轴的转速，使得旋转轴带动旋翼旋转产生总的升力等于航行器自重时，无人机保持悬停状态；

俯仰运动包括航行器的前飞、后飞和滚转运动，通过控制固定座和桨根之间的作动器独立的对各片桨叶施加高阶谐波控制量来实现；航行器前飞时，控制作动器对机尾方向的桨叶施加向上的高阶谐波，桨盘向前倾，旋翼的旋转平面也随之前倾，升力产生一个向前的分力，拉着航行器向前飞；航行器后飞时，控制作动器对机头方向的桨叶施加向上的高阶谐波，桨盘向后倾，旋翼的旋转平面也后倾，升力产生一个向后的分力，拉着航行器向后飞；

航行器左飞时，控制作动器对运动到桨盘右面的桨叶施加向上的高阶谐波控制，桨盘向右倾，旋翼的旋转平面也会右倾，升力产生一个向左的分力，拉着航行器向左飞；航行器右飞时，向相反方向施加向上的高阶谐波控制。

进一步的，所述控制方法还包含实现航行器在水中的运动：所述航行器在水中的运动状态包含潜行模式、上浮模式、下潜模式：

在潜行模式中，航行器在入水之后，通过姿态调节装置将姿态调节水平，并通过调节桨叶的攻角以实现航行器的上浮下潜和滚转偏航运动；或者，桨叶在作动器控制下独立的变距运动，使桨叶的攻角发生变换，对称的两片桨叶由对应的位于作动器上的距离感知器控制，同攻角变换，配合浮力变化发动机，形成俯仰力矩的同时增大或者减小浮力，实现上浮下潜运动；在机身同一侧的两片桨叶单独或者共同变换迎角，形成滚转力矩，实现滚转和偏航运动；

在上浮模式中，通过作动器控制全部的两副旋翼中的四片桨叶或者两副旋翼中的任一对关于机体对称的两片桨叶功角增大，使得航行器的浮力增大，实现航行器的上浮运动；

在下潜模式中，通过作动器控制全部的两副旋翼中的四片桨叶或者两副旋翼中的任一对关于机体对称的两片桨叶功角减小，使得航行器的浮力减小，实现航行器的下潜运动。

更进一步的，在遇到紧急情况，需要快速的上浮和下潜时，启用浮力变化发动机配合所述上浮模式、下潜模式的控制过程，当快速上浮时，启动浮力发动机运转，增大航行器自身的浮力，实现航行器快速上浮；当快速下潜时，启动浮力发动机运转，减小航行器自身的浮力，实现航行器快速下潜。

与现有技术相比，本发明有以下优点：

1.本发明所述的一种两栖航行器构型及航行器控制方法设计，采用新的两栖航行器构型，将直升机采用的双旋翼技术加到航行器中，使得航行器拥有了能在空中运动的能力。所以可以实现潜航、飞行两种模式的稳定自由切换，兼具两种用途的同时也简化了两栖航行器的结构。

2.本发明所述的一种两栖航行器构型及航行器控制方法设计，加入了独立桨叶IBC控制技术，单片桨叶控制是指用跟随各片桨叶一起旋转的作动器替代现有的对直升机进行操纵的自动倾斜器和变距拉杆，单独对各片桨叶桨距进行高阶谐波控制的技术。单片桨叶控制比传统的高阶谐波控制更加灵活，可以实现对桨叶施加任意阶次、幅值、相位的高阶谐波，它没有变距拉杆和自动倾斜器等复杂结构，可以补偿每片桨叶之间的差异，进行振动、噪声控制，可以有效的低旋翼振动载荷，简化直升机的操纵。

3.本发明所述的一种两栖航行器构型及航行器控制方法设计，设计了新的水空两栖无人机跨介质切换的有效方案，即航行器在空中到达距离水面一定高度，发动机停车，使得旋转轴、桨叶停止转动，作动器发生运动，带动桨叶发生变距运动的同时，带动旋翼攻角调整为90°，然后航行器在重力作用下潜入水中。在完成水下作业后，首先在水下一定的深度通过独立桨叶控制技术控制靠近机头的桨叶发生变距运动，增大攻角从而增大浮力，这样就会产生一个抬头力矩，然后靠近机尾的桨叶再在旋转轴的带动下，发生旋转运动，起到类似于水下螺旋桨的作用，产生前进的推力。这样通过一段时间的调整然后再配合陀螺仪进行垂直姿态感知，使得航行器姿态垂直向上。然后控制作动器基于高阶谐波控制技术独立的对各片桨叶施加控制，使得作动器发生运动，带动桨叶发生变距运动，带动旋翼攻角调整为0°，即恢复入水前的运动状态，然后继续在下旋翼的推进作用下，航行器的上部分连同上旋翼被推出水面，当上旋翼离开水面之后，上旋翼在高速的旋转，这时上旋翼产生很大的拉力，将航行器的下部分连同下旋翼一起拉出水面，等到下旋翼被拉出水面后，增大下旋翼转速直到与上旋翼转速一致，将航行器就变换为了一个双旋翼飞机。本设计为跨界质两期无人机的发展提供了新的方案，工作效率更高、稳定性更好。

4. 本发明所述的一种两栖航行器构型及航行器控制方法设计，缓解了水下滑翔机机动性弱的缺点，传统的水下滑翔机在水下的航行速度慢，影响了其机动能力，且水下滑翔机要产生前进的推力，其深度必须持续变化，难以在水中同一水平深度保持航行。而本设计两栖航行器构型，可以通过不断的调节全部的两副旋翼中的四片桨叶或者两副旋翼中的任一对关于机体对称的两片桨叶迎角同时增大或减小侧翼的攻角，来达到更快的实现航行器的上浮和下潜；通过不断的调节航行器机身同一侧的一片或者全部两片桨叶的攻角同时增大或者减小，来达到更快的实现航行器的滚转及偏航运动。

5. 本发明所述的一种两栖航行器构型及航行器控制方法设计，解决了传统水下滑翔机实时通信能力弱的缺点，水下滑翔机与外界的通信基本依靠周期性浮出海面时的卫星通信进行，在一个上浮下潜周期内，所消耗的时间很长，而本设计可以快速的实现航行器的上浮、下潜，并且可以切换为飞行模式进行快速转移，因此大大改善了实时通信能力较弱的问题。

6. 本发明所述的一种可空中悬停的水下滑翔两栖航行器构型设计，解决了只能在水下这一单一场景使用，或者想要在一个任务点切换到另一个任务点，耗费巨大的时间的问题，航行器可以采用潜航模式，完成水下任务。在需要快速或者较远的更换任务点时，可以切换到飞行模式，在空中快速的到达任务点，在切换到潜航模式去完成任务。同时本设计也可以完成简单的如空中侦察等的简单空中任务。

7. 本发明所述的一种两栖航行器构型及航行器控制方法设计，具备有限深度航行的能力。有限深度航行的能力，是指水下滑翔机可在特定水深范围内进行长途航行。本设计的航行器待机时间长，在水下滑翔机工作过程中，仅在调整自身姿态时才启动独立桨叶IBC技术操纵桨叶改变攻角，也只有在紧急状态下需要快速的上浮、下潜时，才启动调整机构—浮力发动机，其余绝大部分时间只需要保持其姿态稳定，并且对前进的速度要求并不高，耗费的能量极少。

8. 本发明所述的一种两栖航行器构型及航行器控制方法设计，可以有效地避免像传统的航行器那样，需要人为的抛掷和回收的过程，它可以自主的飞到任务点上空，或者飞到目标海域附近切换潜航模式进入工作海域，在完成任务之后，航行器也可以由潜航模式切换为飞行模式，飞回到指定的回收地点。避免了人为的靠近任务点或者打捞点，减小了抛掷、回收定位难度，减少了工作人员暴露的风险，更好的保护了工作人员的安全。

9. 本发明所述的一种两栖航行器构型及航行器控制方法设计，能够适应恶劣复杂的水下环境。其本身为无人运动平台，因此可深入到人类无法到达的恶劣环境中长时间执行任务，如可在南北极冰盖下方运动数月，也可在几千米的深海或者几十米的浅海区域执行任务，并不需要充足氧气或食物的支持。

附图说明：

图1为两栖航行器的潜航模式的示意图；

图中，1.首部舱段，2.第一桨叶，3.第二桨叶， 4.第三桨叶， 5.第四桨叶，6.姿态调节舱段，7.天线组件；

图2为两栖航行器的潜航模式的侧视图；

图3为两栖航行器的飞行模式的示意图；

图4为两栖航行器的飞行模式的侧视图；

图5为两栖航行器的独立桨叶控制装置的示意图；

图中，8.固定座，9.作动器拉杆，10.作动器，11.距离感知器，12.变距杆，13.桨盘14.球铰接，15.旋转轴。

图6为两栖航行器的独立桨叶控制装置的侧视图；

图7为两栖航行器的独立桨叶控制装置单桨叶独立变距示意图；

图8为两栖航行器的独立桨叶控制装置单桨叶独立变距侧视图；

图9为两栖航行器的独立桨叶控制装置单桨叶独立变距俯视图；

图10为两栖航行器的独立桨叶控制装置双桨叶独立变距示意图；

图11为两栖航行器的独立桨叶控制装置双桨叶独立变距俯视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实例中的附图，对本发明的技术方案作进一步详细说明。如附图1所示，本申请通过一种两栖航行器构型及航行器控制方法设计，设计了一种新的两栖航行器构型，如附图1、2所示本申请通过一种两栖航行器构型及航行器控制方法设计，有两种工作模式，如附图5所示，本申请通过一种可空中悬停两栖航行器构型设计，加入了一种新的独立桨叶变距装置，如附图5、7、10所示，本申请通过一种两栖航行器构型及航行器控制方法设计，加入的独立桨叶变距装置，可以实现桨叶的独立变距运动。

实施例1

本实施例为一种两栖航行器构型，所述构型包含两栖航行器本体，所述两栖航行器本体为对称结构，包含机身、与所述机身共轴线但由不同轴驱动的双旋翼、机身的首部设有传感器舱段、机身尾部设有姿态调节舱段、机身尾部还设有天线组件；

所述传感器舱段内设有导航、深度传感器，用于进行搜救、情报、监视和侦察任务；

在所述姿态调节舱段里安装有浮力变化发动机、陀螺仪用于姿态调节的装置；

所述天线组件向外发出其搭载传感器搜集到的数据，实现与空中及水面等平台的双向通信。

所述双旋翼包括沿机身轴向并列分布的两根旋转轴，所述旋转轴垂直于所述机身，在所述旋转轴上分别连接转向相反的两副旋翼，所述双旋翼由独立桨叶控制装置驱动；所述两副旋翼为两对四片关于机身对称的桨叶，所述桨叶由独立桨叶控制装置实现90°变距运动。

本实施例中所提供的两副四片桨叶都由独立桨叶控制装置控制，并在航行器飞行模式和潜航模式都由独立桨叶IBC控制装置控制变换成不同的攻角。

所述的独立桨叶控制装置，由固定座8，作动器拉杆9，作动器10，距离感知器11，变距杆12，桨盘13、球铰接14，旋转轴15和两片桨叶组成；所述旋转轴15安装在固定座8上，在发动机驱动下做旋转运动；所述作动器10安装在作动器9拉杆上，控制变距杆运动，发生变距运动；所述作动器9拉杆下端与固定座8以球铰接14的形式连接，上端与变距杆12铰接，在作动器控制下运动，带动变距杆发生运动；所述变距杆12一端与作动器拉杆上端连接，另一端与桨根连接，在作动器拉杆作用下发生运动，并带动桨根发生绕桨根轴的变距运动，即将作动器拉杆传来的直线运动，转化为桨根绕桨根轴的旋转运动；所述桨盘13两端与桨叶的桨根连接，底部与旋转轴固连，在旋转轴带动下，带动桨叶发生旋转运动；

所述桨叶的桨根与桨盘相连，可在桨盘带动下发生旋转运动，又受到变距杆的操纵，在变距杆驱动下发生变距运动；所述的距离感知控制器11安装在作动器拉杆上，安装在作动器与变距杆之间；图中的第一桨叶2，第二桨叶3，第三桨叶4，第四桨叶5两对四片桨叶可由独立桨叶控制装置实现90°变距运动，首先控制作动器10运动带动作动器9拉杆运动，作动器拉杆运动的同时会带动距离感知器11和变距杆12运动，变距杆的运动带动桨叶发生变距运动，改变桨叶的攻角，进而改变航行器的运动状态，距离感知器记录作动器拉杆运动的距离来解算出桨叶在变距杆作用下变距的角度。

实施例2

本申请还提供了上述的两栖航行器构型的航行器控制方法，设计了该航行器的出入水策略：

所述航行器在入水作业时，航行器先飞行并选悬停到距离水面的指定高度，然后空中停机即发动机停止运动，使得旋转轴15停止旋转，导致旋翼停止旋转，航行器失去升力。然后控制作动器10独立的对各片桨叶施加控制，带动桨叶发生变距运动的同时，带动旋翼攻角调整为90°，这时航行器在重力作用下扎进水里，实现航行器的入水作业。

当航行器完成了水下任务，需要出水作业时，首先在水下一定的深度通过独立桨叶控制技术控制靠近第一桨叶2和第三桨叶4发生变距运动，增大攻角从而增大浮力，这样就会产生一个抬头力矩，然后第二桨叶3和第四桨叶5再在旋转轴的带动下，发生旋转运动，起到类似于水下螺旋桨的作用，产生前进的推力。这样通过一段时间的调整然后再配合姿态调节舱段6里的陀螺仪进行垂直姿态感知，最后在出水前使得航行器姿态垂直向上。然后控制所述作动器10基于高阶谐波控制技术独立的对各片桨叶施加控制，使得作动器向下运动，带动桨叶发生变距运动，带动旋翼攻角调整为0°，即恢复入水前的运动状态，然后发动机开始运转，带动旋转轴15转动，旋转轴转动的同时，带动下旋翼也就是第二和第四桨叶低速、低攻角旋转，这时，下旋翼就起到了类似于水下推进螺旋桨的作用，在下旋翼的推进作用下，航行器的上部分连同上旋翼也就是第一和第三旋翼被推出水面，当上旋翼离开水面之后，上旋翼在大攻角、高速的旋转，这时上旋翼产生很大的拉力，将航行器的下部分连同下旋翼一起拉出水面，等到下旋翼被拉出水面后，作动器在控制下旋翼的独立变距运动，增大下旋翼攻角达到与上旋翼攻角一致，这时航行器就变换为了一个双旋翼飞机，平衡了上下旋翼选装带来的反扭距，切换为航行器的飞行模式。

该策略还包含航行器在空中飞行以及在水中潜行的两种工作模式：

飞行模式，在所述飞行模式中，所述航行器与双旋翼直升机类似，如附图3和附图4所示，绕15.旋转轴旋转的旋翼产生向上的升力，且由于转向相反，两副旋翼产生的扭矩在航向不变的飞行状态下相互平衡旋翼扭矩，因此不需尾桨来平衡反扭距。通过调节旋翼的转速和迎角可以实现航行器的6个方向的运动，分别为:垂直、俯仰和滚转运动。所述航行器的上旋翼顺时针转动，下旋翼逆时针转动。垂直运动时，增大旋转轴的转速来同时增大上、下旋翼的转速，使得航行器旋翼产生的总的升力增大，当升力大于航行器自重时，航行器垂直上升；反之，减小旋转轴的转速来同时减小上、下旋翼的转速，使得旋翼旋转产生总的升力减小，当升力小于航行器自重时，航行器垂直下降；在外界扰动量为零时，调整旋转轴的转速，使得旋转轴带动旋翼旋转产生总的升力等于航行器自重时，无人机保持悬停状态。俯仰运动也就是航行器的前飞、后飞和滚转运动也就是航行器的左飞和右飞是通过控制固定座8和变距杆12之间的作动器10独立的对各片桨叶施加高阶谐波控制来实现的。航行器前飞时，控制作动器对运动到桨盘后面也就是机尾方向的桨叶施加向上的高阶谐波控制，这时桨盘13向前倾，旋翼的旋转平面也会前倾，那么升力会产生一个向前的分力，就拉着航行器向前飞。航行器后飞时，控制作动器10对运动到桨盘13前面也就是机头方向的桨叶施加向上的高阶谐波控制，这时桨盘向后倾，旋翼的旋转平面也会后倾，那么升力会产生一个向后的分力，就拉着航行器向后飞。航行器左飞时，控制作动器10对运动到桨盘13右面的桨叶施加向上的高阶谐波控制，这时桨盘向右倾，旋翼的旋转平面也会右倾，那么升力会产生一个向左的分力，就拉着航行器向左飞。航行器右飞时，控制作动器10对运动到桨盘13左面的桨叶施加向上的高阶谐波，这时桨盘向左倾，旋翼的旋转平面也会左倾，那么升力会产生一个向右的分力，就拉着航行器向右飞。

潜行模式，如附图1和附图2所示，在所述潜行模式中，所述航行器在入水之后，通过6.姿态调节舱段携带的姿态调节机构调节机身水平，并通过调节桨叶的迎角可以实现航行器的上浮下潜和滚转偏航运动。在航行器需要上浮运动时，通过所述的独立变距机构，带动第一和第二桨叶、第三和第四桨叶分别发生变距运动或者第一和第二桨叶、第三和第四桨叶一起发生变距运动，带动所述桨叶的攻角变大，这时，所述桨叶受到的浮力增大，也就时机身所受到的浮力增大，带动航行器实现上浮运动。在航行器需要下潜运动时，通过所述的独立变距机构，带动第一和第二桨叶、第三和第四桨叶分别发生变距运动或者第一和第二桨叶、第三和第四桨叶一起发生变距运动，带动所述桨叶的攻角变小，这时，所述桨叶受到的浮力减小，也就时机身所受到的浮力减小，带动航行器实现下潜运动。在遇到紧急情况或者需要快速的上浮下潜时，可以启动机身尾段的姿态调节舱段6里的浮力发动机，来配合增大或者减小航行器的浮力大小，实现航行器的快速上浮下潜。在航行器需要向右滚动时，通过所述的独立变距机构，带动第一桨叶或者第二桨叶或者第一和第二桨叶一起发生变距运动，带动所述桨叶的攻角变大，这时，所述桨叶受到的浮力增大，也就时机身右侧所受到的浮力大于机身左侧所受到的浮力，产生向右的偏航力矩。反之，在航行器需要向左滚动时，通过所述的独立变距机构，带动第三桨叶或者第四桨叶或者第三和第四桨叶一起发生变距运动，带动所述桨叶的攻角变大，这时，所述桨叶受到的浮力增大，也就时机身左侧所受到的浮力大于机身右侧所受到的浮力，产生向左的偏航力矩。每片桨叶的攻角的大小可由距离感应器11解算得到，这样可以保证精准的实现桨叶的变距运动。

Claims (8)

1.一种两栖航行器构型，其特征在于：所述构型包含两栖航行器本体，所述两栖航行器本体为对称结构，包含机身、与所述机身共轴线但由不同轴驱动的双旋翼、机身的首部设有传感器舱段、机身尾部设有姿态调节舱段、机身尾部还设有天线组件；

所述传感器舱段内设有导航、深度传感器，用于进行搜救、情报、监视和侦察任务；

在所述姿态调节舱段里安装有浮力变化发动机、陀螺仪用于姿态调节的装置；

所述天线组件向外发出其搭载传感器搜集到的数据，实现与空中及水面平台的双向通信；

所述机身外形结构呈圆柱形，外表光滑、圆滑，所述双旋翼的轴线与机身轴线相垂直；

所述双旋翼包括沿机身轴向并列分布的两根旋转轴，所述旋转轴垂直于所述机身，在所述旋转轴上分别连接转向相反的两副旋翼，靠近航行器上部的为上旋翼，靠近航行器下部的为下旋翼，所述双旋翼由独立桨叶控制装置驱动；

所述两副旋翼为两对四片关于机身对称的桨叶，所述桨叶由独立桨叶控制装置实现90°变距运动；

当所述两栖航行器在水下时，下旋翼起水下推进螺旋桨的作用；

当需要从水下上升到空中时，先通过下旋翼推进航行器直到航行器上部分离开水面，下旋翼独立变距运动，增大下旋翼攻角达到与上旋翼攻角一致，两栖航行器切换为飞行模式；

当所述两栖航行器在空中时，与双旋翼直升机工作模式相同。

2.根据权利要求1所述的一种两栖航行器构型，其特征在于：所述独立桨叶控制装置包含固定座、旋转轴、作动器、作动器拉杆、距离感知器、变距杆、变距角度放大器、桨盘、桨叶；

所述作动器安装在作动器拉杆上，用来控制变距拉杆运动，发生变距运动；

所述旋转轴安装在固定座上，在发动机驱动下做旋转运动；

所述作动器拉杆下端与固定座以球铰接的形式连接，上端与变距杆铰接，并在作动器控制下运动，并带动变距拉杆发生运动；

所述距离感知器安装在作动器拉杆上，安装在作动器与变距杆之间，其为一个距离传感器，通过感知作动器移动的距离，来解算出因作动器移动而使桨叶发生变距运动进而产生的变距角；

所述变距杆，一端与作动器拉杆上端连接，另一端与桨根连接，在作动器拉杆作用下发生运动，并带动桨根发生绕桨根轴的变距运动，即将作动器拉杆传来的直线运动，转化为桨根绕桨根轴的旋转运动；

所述变距角度放大器，安装在变距杆上，用于带动桨根轴旋转，将转化来的旋转运动的角度放大；

所述桨盘两端与桨叶的桨根连接，底部与旋转轴固连，在旋转轴带动下，带动桨叶发生旋转运动；

所述桨叶的桨根与桨盘相连，在桨盘带动下发生旋转运动，又受到变距杆的操纵，在变距杆驱动下发生变距运动，改变桨叶的攻角。

3.根据权利要求1所述的一种两栖航行器构型，其特征在于：所述双旋翼在独立桨叶控制装置单独控制下，发生变距运动，并单独的改变某一副的一片或者两片桨叶的攻角，获得滚转力矩，来实现航行器的滚转和偏航运动。

4.根据权利要求1所述的一种两栖航行器构型，其特征在于：所述浮力变化发动机通过做功改变航行器自身的浮力来实现上潜和下浮运动。

5.一种两栖航行器的控制方法，其特征在于：所述控制方法用于实现如权利要求1至4任一项所述两栖航行器构型在空中和水中运动的切换：

所述航行器入水作业时，首先运动到指定任务点，先飞行并选悬停到距离水面的指定高度，然后空中停机即发动机停止运动，使得旋转轴停止旋转，导致旋翼停止旋转，航行器失去升力；然后控制固定座和桨根之间的作动器基于高阶谐波控制技术独立的对各片桨叶施加控制，带动桨叶发生变距运动，经过变距角度放大器放大变距运动，调整旋翼攻角为90°，然后航行器在重力作用下，实现入水；

所述航行器在出水作业时，首先在水下设定的深度通过独立桨叶控制技术控制靠近机头的桨叶发生变距运动，增大攻角从而增大浮力，产生一个抬头力矩，然后靠近机尾的桨叶在旋转轴的带动下发生旋转运动，产生前进的推力；配合陀螺仪进行垂直姿态感知，使得在出水前航行器姿态垂直向上；

在临近水面时，控制固定座和桨根之间的作动器基于高阶谐波控制技术独立的对各片桨叶施加控制，带动桨叶发生变距运动，然后经过变距角度放大器放大变距运动调整旋翼攻角为0°，即恢复入水前的运动状态；再在下旋翼的推进作用下，航行器的上部分连同上旋翼被推出水面，当上旋翼离开水面之后，上旋翼在高速的旋转，产生升力，将航行器的下部分连同下旋翼一起拉出水面，直到下旋翼被拉出水面后，增大下旋翼转速直到与上旋翼转速一致，实现双旋翼飞机功能，在空中完成运动。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述控制方法还包含实现航行器在空中的运动：所述航行器在空中的运动状态包含飞行模式、垂直运动模式、俯仰运动模式：

在飞行模式中，反向旋转的上、下两副旋翼产生向上的升力，通过调节旋翼的转速和迎角实现航行器的6个方向的运动，分别为:垂直、俯仰和滚转运动；所述航行器的上旋翼顺时针转动，下旋翼逆时针转动；

垂直运动时，增大旋转轴的转速来同时增大上、下旋翼的转速，使得航行器旋翼产生的总的升力增大，当升力大于航行器自重时，航行器垂直上升；反之，减小旋转轴的转速来同时减小上、下旋翼的转速，使得旋翼旋转产生总的升力减小，当升力小于航行器自重时，航行器垂直下降；在外界扰动量为零时，调整旋转轴的转速，使得旋转轴带动旋翼旋转产生总的升力等于航行器自重时，无人机保持悬停状态；

俯仰运动包括航行器的前飞、后飞和滚转运动，通过控制固定座和桨根之间的作动器独立的对各片桨叶施加高阶谐波控制量来实现；航行器前飞时，控制作动器对机尾方向的桨叶施加向上的高阶谐波，桨盘向前倾，旋翼的旋转平面也随之前倾，升力产生一个向前的分力，拉着航行器向前飞；航行器后飞时，控制作动器对机头方向的桨叶施加向上的高阶谐波，桨盘向后倾，旋翼的旋转平面也后倾，升力产生一个向后的分力，拉着航行器向后飞；

航行器左飞时，控制作动器对运动到桨盘右面的桨叶施加向上的高阶谐波控制，桨盘向右倾，旋翼的旋转平面也会右倾，升力产生一个向左的分力，拉着航行器向左飞；航行器右飞时，向相反方向施加向上的高阶谐波控制。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述控制方法还包含实现航行器在水中的运动：所述航行器在水中的运动状态包含潜行模式、上浮模式、下潜模式：

在潜行模式中，航行器在入水之后，通过姿态调节装置将姿态调节水平，并通过调节桨叶的攻角以实现航行器的上浮下潜和滚转偏航运动；或者，桨叶在作动器控制下独立的变距运动，使桨叶的攻角发生变换，对称的两片桨叶由对应的位于作动器上的距离感知器控制，同攻角变换，配合浮力变化发动机，形成俯仰力矩的同时增大或者减小浮力，实现上浮下潜运动；在机身同一侧的两片桨叶单独或者共同变换迎角，形成滚转力矩，实现滚转和偏航运动；

在上浮模式中，通过作动器控制全部的两副旋翼中的四片桨叶或者两副旋翼中的任一对关于机体对称的两片桨叶功角增大，使得航行器的浮力增大，实现航行器的上浮运动；

在下潜模式中，通过作动器控制全部的两副旋翼中的四片桨叶或者两副旋翼中的任一对关于机体对称的两片桨叶功角减小，使得航行器的浮力减小，实现航行器的下潜运动。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：在遇到紧急情况，需要快速的上浮和下潜时，启用浮力变化发动机配合所述上浮模式、下潜模式的控制过程，当快速上浮时，启动浮力发动机运转，增大航行器自身的浮力，实现航行器快速上浮；当快速下潜时，启动浮力发动机运转，减小航行器自身的浮力，实现航行器快速下潜。

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