CN115891529A - 一种可分离式无人机本体及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可分离式无人机本体及其控制方法，包括承载体机身、肋式双螺旋桨、无人机电磁锁定系统、四旋翼无人机。经过多年国内外研究，跨介质无人机仍存在由水下到空中能量消耗过大等问题。旨在解决上述问题，设计了一款仿航母形态的可分离式无人机本体，其拥有可独立运作的双部件，可完成空中、水面、水下多环境下的任务，大大提高了无人机的工作效率并拓宽了无人机的发展方向。

Description

一种可分离式无人机本体及其控制方法

技术领域

本发明设计海空两栖无人机领域，具体涉及一种可分离式无人机本体及其控制方法。

背景技术

跨界质无人航行器是一种能同时拥有水中，空中运动能力且能通过自身能量多次跨越水空两种介质的无人航行器。国内外对于跨界质无人机的研究从09年至今，出现了仿“飞鱼”，仿“鲣鱼”，双层八旋翼等设计^[3]。但跨介质无人机仍存在由水下到空中能量消耗过大；入水有一定的抨击，不适合对一些入水位置要求精确到任务；耗能大导致能量来源获取难度高，要考虑载重对飞行器的影响；水中和空中物理性质相差较大，水下和空中推进器各司其职，难以互相取代，需要研究出一个既可以在空气中也可以在水中的推进器等一系列问题。

发明内容

针对现阶段中两栖无人机在实验中所暴露出来的难以多次并且高效率的完成跨介质任务的技术难点，本发明提供一种能够进行水下、水面、空中三种场景的新型无人机本体，以航母外形为基础，设计兼备水下与水面两种场景航行的承载体，并增加可分离式四旋翼无人机以实现空中场景的应用。

本申请通过以下技术方案实现上述效果：

一种可分离式无人机本体，所述无人机本体包含承载体、肋式双螺旋桨、无人机电磁锁定系统、无人机；

所述承载体包含仿航母稳定结构外壳，所述仿航母稳定结构外壳顶部为减阻弧形曲面，其包含前半部分，所述前半部分为T字形结构；还包含后半部分，后半部分为流线型设计；所述仿航母稳定结构外壳两侧设有贯穿外壳的螺旋桨涵道，用于安装肋式双螺旋桨；

所述仿航母稳定结构外壳内为浮力系统，所述浮力系统作为配重，用于降低整体的机体重心；

所述无人机电磁锁定系统设置于承载体十字凹槽底端与无人机十字起落架中空结构内，结合红光配合视觉系统构成无人机电磁锁定系统；

所述无人机上设有位于十字起落架中空结构内的一字型电磁体，使无人机与承载体完成连接、锁定以及释放操作。

进一步的，所述肋式双螺旋桨位于机体曲面腋贯穿式结构中，由两个可自由控制转速的螺旋桨组成，两螺旋桨在水下与水面航行时提供前进的动力以及转向的转向力。

进一步的，所述浮力系统由柱塞、螺旋副、电机、瓣膜结构，其中，所述电机位于蓄水仓尾部，由螺旋副连接电机与柱塞，推动柱塞使柱塞能够在蓄水仓中前后移动，位于蓄水仓头部两侧的瓣膜结构，即蓄水仓滤水孔，防止在自然条件下液体的通过，以保证蓄水仓中的水量可精准地由柱塞位置来操控。

进一步的，通过机载视觉系统实时采集图像，在机载处理器中利用图像处理技术通过对舰船目标特征信息的提取和匹配得到承载体位姿信息，进而得到机舰的相对姿态和位置，为直升机飞行控制系统提供着舰引导参数实现着舰任务。

进一步的，在无人机位于距离承载体设定的位置时启动承载体上的一字电磁铁，吸引位于无人机十字起落架中空结构内的一字型电磁体使无人机最终与承载体完成连接操作；控制承载体电磁锁定系统，利用电磁换向器结构改变承载体上位于十字凹槽处流经电磁铁的电流方向，使无人机与承载体各自的磁极相同，从而产生排斥力使无人机与承载体分离。

进一步的，负载两端的导线分别连接半圆弧形导电片，两导电片不相连，通过控制导电片旋转使流过负载的电流反向。

进一步的，所述无人机的十字起落架与十字凹槽间隙配合，十字凹槽与十字起落架棱边进行倒圆角光滑处理并利用磁力和红外配合视觉系统使无人机与承载体顺利连接。

基于上述可分离式无人机本体，本申请还提供其控制方法，包含以下步骤：

步骤1，无人机带着承载体从陆地到达工作地点；

步骤2，无人机与承载体分离及回收无人机；

步骤3，承载体通过浮力系统调节承载体的上升下降，使承载体在水面和水下独立工作；

步骤4，承载体浮出水面以船体的姿态在水面上独立工作；

步骤5，回收承载体。

基于上述可分离式无人机本体，本申请还提供其控制方法，包含以下步骤：

步骤1，水陆两栖无人机本体的启动，根据特殊地形选择一种相对使用方便的启动方式作为推进器到达指定地点。若为水下和水面作业，则选择将承载体作为动力推进器，负责整体的动力供应；而无人机作为工作体,开启自身的工作设备；若为空中作业，则以无人机作为动力推进器，同理承载体需要开启设备作为工作体完成相关的工作；；

步骤2，水陆两栖无人机的回收，作业完毕后，按照原来工作时运动状态直接返航。

基于上述可分离式无人机本体，本申请还提供其控制方法，包含以下步骤：

步骤1，承载体带着无人机到达工作地点，在陆地上时将无人机与承载体通过无人机电磁锁定系统固定，将无人机与承载体整体从岸边放入水面，通过控制活塞系统调节蓄水仓中的水量，使承载体稳定于水面上，同时开启肋式螺旋桨提供动力，使无人机与承载体整体竖直方向上受力平衡，使无人机与承载体整体稳在水面，操纵承载体的电机功率来控制两侧的肋式螺旋桨，使无人机与承载体整体以船体姿态行进至距离工作地点最近的水域；

步骤2，无人机与承载体分离及回收承载体，无人机与承载体整体到达工作地点周围后，先使无人机的旋翼开始旋转；而后控制无人机电磁锁定系统，待无人机到达精确工作地点进行工作后，调节承载体的反转电机使承载体转向，以船体姿态原路返航到达距离操作人最近的岸边，进行回收承载体；

步骤3，回收无人机，在分离后承载体在水面稳定的情况下，在原地等待无人机工作完毕后，再次通过无人机电磁锁定系统锁定为一个整体后返航回收无人机；或者在无人机工作完成后，操纵无人机飞控系统直接返回岸边，从而实现无人机的回收工作。

有益效果：

①本设计下的无人机本体可以在多重环境下工作，适应不同物理性质的介质，水底空中同频工作，解决了原先的跨界质低效的问题。

②本设计通过蓄水箱的吸放水作为浮力装置，调整浮力与重力，无人机本体与水的密度的关系，做到比原先的无人机更低耗，更平稳的入水。

③本设计创新性地利用航母的形状与性能，无人机锁定在以船舶形态为出发点设计的承载体上，结合了各种环境下进行作业的机器的优点，大大提高了跨界质无人机的用途广泛性。

附图说明

图 1 本发明一种可分离式无人机本体中承载体连接上椭圆顶示意图；

图 2 本发明一种可分离式无人机本体中承载体剖视图；

图 3 本发明一种可分离式无人机本体俯视图；

图 4 本发明一种可分离式无人机本体中无人机示意图；

图 5 本发明电磁换向器示意图；

图中，1.承载体机体，2.椭圆顶，3.无人机，4.螺旋桨涵道，5.蓄水箱滤水孔，6.蓄水仓，7.排水孔，8.十字凹槽，9.十字凸起磁体，10.柱塞，11.螺旋副，12.电机，13.电磁换向器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

实施例1

本申请提供一种可分离式无人机本体，所述无人机本体包含承载体、肋式双螺旋桨、无人机电磁锁定系统、无人机；

所述承载体包含仿航母稳定结构外壳，所述仿航母稳定结构外壳顶部为减阻弧形曲面，其包含前半部分，所述前半部分为T字形结构；还包含后半部分，后半部分为流线型设计；所述仿航母稳定结构外壳两侧设有贯穿外壳的螺旋桨涵道，用于安装肋式双螺旋桨；

所述仿航母稳定结构外壳内为浮力系统，所述浮力系统作为配重，用于降低整体的机体重心；

所述无人机电磁锁定系统设置于承载体十字凹槽底端与无人机十字起落架中空结构内，结合红光配合视觉系统构成无人机电磁锁定系统；

所述无人机上设有位于十字起落架中空结构内的一字型电磁体，使无人机与承载体完成连接、锁定以及释放操作。

进一步的，所述肋式双螺旋桨位于机体曲面腋贯穿式结构中，由两个可自由控制转速的螺旋桨组成，两螺旋桨在水下与水面航行时提供前进的动力以及转向的转向力。

进一步的，所述浮力系统由柱塞、螺旋副、电机、瓣膜结构，其中，所述电机位于蓄水仓尾部，由螺旋副连接电机与柱塞，推动柱塞使柱塞能够在蓄水仓中前后移动，位于蓄水仓头部两侧的瓣膜结构，即蓄水仓滤水孔，防止在自然条件下液体的通过，以保证蓄水仓中的水量可精准地由柱塞位置来操控。

进一步的，通过机载视觉系统实时采集图像，在机载处理器中利用图像处理技术通过对舰船目标特征信息的提取和匹配得到承载体位姿信息，进而得到机舰的相对姿态和位置，为直升机飞行控制系统提供着舰引导参数实现着舰任务。

进一步的，在无人机位于距离承载体设定的位置时启动承载体上的一字电磁铁，吸引位于无人机十字起落架中空结构内的一字型电磁体使无人机最终与承载体完成连接操作；控制承载体电磁锁定系统，利用电磁换向器结构改变承载体上位于十字凹槽处流经电磁铁的电流方向，使无人机与承载体各自的磁极相同，从而产生排斥力使无人机与承载体分离。

进一步的，负载两端的导线分别连接半圆弧形导电片，两导电片不相连，通过控制导电片旋转使流过负载的电流反向。

进一步的，所述无人机的十字起落架与十字凹槽间隙配合，十字凹槽与十字起落架棱边进行倒圆角光滑处理并利用磁力和红外配合视觉系统使无人机与承载体顺利连接。

基于上述可分离式无人机本体，将其用于以下工作场景：

实施例2

具体应用场景一：主要以承载体姿态独立工作，无人机为运载作用

当工作地点在水面或水下且位于据岸边较远位置但工作时间较为紧张，或者使用承载体单独无法到达指定地点时，采用使用无人机将承载体运送至工作地点这一实施方案。

具体如下：

1.无人机带着承载体从陆地到达工作地点：在陆地上时将无人机与承载体通过无人机电磁锁定系统固定，即操作人将承载体上位于十字凹槽底部的电磁铁和无人机上位于十字凸起底部的电磁铁通电使其均具有强磁性，从而可以将承载体和无人机强磁吸在一起，完成无人机与承载体的锁定。承载体为工作体，通过控制无人机飞控系统，使无人机起飞，带动承载体从陆地到达工作地点，若工作地点在水下，则到达工作地点正上方附近水面，由无人机悬停缓缓下降致使承载体下部分浸入水中。

2.无人机与承载体分离及回收无人机：无人机本体到达水面后，控制无人机旋翼速度减小使承载体部分浸入水中，然后控制承载体电磁锁定系统，改变承载体上位于十字凹槽处流经电磁铁的电流方向，使无人机与承载体各自的磁极相同，从而产生排斥力使其分离，无人机由于瞬间获得加速度而快速上升至悬停，有效避免在水面长时间工作而落入水中。而后控制无人机飞控系统使无人机回到陆地进行回收，而承载体将以船体的姿态先在水面上停泊至稳定状态。若工作地点在水面上，则稳定后可直接开始作业；若工作地点在水下，则潜入水下，以潜艇姿态独立工作。

3.承载体在水面和水下独立工作。承载体与无人机分离后，由于承载体仿航母的机身设计，具有一定的自我平衡调节能力，先使其稳定与水面上，而后在浮力系统的蓄水仓滤水孔潜入水中保证不会吸入空气仅吸入水的基础上开始工作，首先调节浮力系统，电机连接的螺旋副带动柱塞向上运动使其蓄水仓开始吸水，由于蓄水仓水量增多使机体自然下沉，待承载体全部下潜到水中时，同时控制并开启肋式螺旋桨使其先低速旋转，因为如果螺旋桨快速转动将会使提供的动力和部分支持力不仅平衡掉承载体重力以及水对承载体的浮力和冲击力，还会造成机体升力大于重力而向上运动使承载体竖直方向上受力失衡，若一旦出水则会造成承载体的运动难以控制，所以控制承载体以低速前进，慢慢调整蓄水仓内水量使其保持平稳水平，而后渐渐通过这种方式使其速度加到理想速度前进。以潜艇姿态稳定于水下。进入稳定状态后，可通过调整控制螺旋桨的电机正转与反转，采用KM1和KM2两个常闭触点互锁的电动机正、反转控制电路。可有效控制两个接触器不会同时吸合，避免两个接触器同时吸合会造成三相电源短路的情况发生。来以实现航行过程中的转向过程。螺旋桨叶转动，通过向后推动液体获得的反作用力充当动力，作用于承载体两侧，实现承载体转向的关键在于控制两个螺旋桨转速不相同，该装置会施加给承载体一个扭矩，使承载体完成转向，而承载体上升下降的功能依旧通过调节浮力系统控制，这就实现了承载体在水面向各个方向移动。当临近工作地点时，停止螺旋桨的转动，使承载体速度减缓，同时调节浮力系统，改变蓄水仓中的水量，使承载体保持稳定状态，进而进行独立水下观测作业。

4.承载体浮出水面以船体的姿态在水面上独立工作：承载体完成工作后，调节浮力系统，电机连接的柱塞向下运动使其蓄水仓开始放水，由于蓄水仓水量减少使承载体自然上浮，使承载体总体重力小于所受浮力，导致承载体上升，到达水面后，略微调节浮力系统，使承载体总体重力略大于于所受浮力，依旧保持使螺旋桨浸没于水下，开启肋式螺旋桨，一部分重力由前进时水对承载体下曲面的冲击力的向上分力抵消，另外一部分重力由调节浮力系统产生的浮力抵消，从而达到合力平衡的条件使承载体在水面保持匀速前进的状态，以承载体姿态工作，同理在水面的转向姿态与水下一样。由以上论述可得，承载体可实现在水面向各个方向移动。

5.回收承载体：承载体工作完成后，使承载体以承载体姿态行进至距离最近的岸边，进行回收。或者依然使用无人机电磁锁定系统，通过无人机机载视觉传感器系统在较远距离时实时采集图像，在机载处理器中利用图像处理技术通过对舰船目标特征信息的提取和匹配得到舰船位姿信息，进而得到机舰的相对姿态和位置，从而锁定位于承载体电磁铁处红光，操纵无人机飞控系统使无人机靠近承载体，相应给承载体上位于十字凹槽处的电磁铁通电，吸引无人机上十字凸起处的电磁铁，二者靠近后，由于边缘的弧形结构，在位置有轻微偏差且电磁力的力矩较小时，两十字结构也能发生相对运动，使二者完美嵌合在一起，完成无人机与承载体的锁定。二者作为整体由无人机旋翼高速转动作为动力，其中在二者锁定成功后，先由承载体通过排水孔进行排水工作，将蓄水仓内的所有水全部排完来减轻重力，待到排尽水后无人机起飞带离承载体脱离水面飞回陆地回收。

实施例3

具体应用场景二：主要以无人机独立工作，承载体（船体）为运载作用

当工作位置与操作人在河流或水域两岸且人不易进去工作地点时，采用使用承载体将无人机运送至工作地点这一实施方案。

具体如下：

1.承载体带着无人机到达工作地点：在陆地上时将无人机与承载体通过无人机电磁锁定系统固定，即操作人将承载体位于十字凹槽处的电磁铁通电使其具有强磁性，与无人机电磁锁定系统配套十字凸起处的电磁铁磁吸在一起，完成无人机与承载体的锁定。将无人机与承载体整体从岸边放入水面，通过控制活塞系统调节浮力装置蓄水仓中的水量，使承载体稳定于水面上，同时开启肋式螺旋桨提供动力，前进过程中受到的部分支持力来平衡无人机与承载体整体重力以及水对承载体的冲击力，使无人机与承载体整体竖直方向上受力平衡，从而无人机与承载体整体稳定在水面，操纵承载体的电机功率来控制两侧的肋式螺旋桨，使无人机与承载体整体以承载体姿态行进至距离工作地点最近的水域。

2.无人机与承载体分离及回收承载体：无人机本机到达工作地点周围后，先使无人机的旋翼开始旋转，以防止分离后由于无人机动力不足而造成无法成功起飞而掉入水中。而后控制无人机电磁锁定系统，改变承载体顶端位于十字凹槽处流经电磁铁的电流方向，使无人机与承载体电磁各自的磁极相同，相互排斥而无人机获得向上的加速度，无人机在飞离承载体的过程中承载体的蓄水仓开始吸水并且当无人机起飞飞离承载体之后，无人机的蓄水量足以保证在无人机飞离后，重力减少但是能保证自身的平稳不至于失衡侧翻，待无人机到达精确工作地点进行工作后，调节承载体的反转电机使其中一个螺旋桨反向使承载体转向，以承载体姿态原路返航到达距离操作人最近的岸边，进行回收承载体。

3.回收无人机：1.使承载体在分离后在水面稳定的情况下不需要返航，在原地等待无人机工作完毕后，再次通过无人机电磁锁定系统锁定为一个整体后返航回收无人机。2.也可以在无人机工作完成后，操纵无人机飞控系统直接返回岸边，从而实现无人机的回收工作。

实施例4

具体应用场景三：无人机与承载体为一个整体进行工作。

当工作位置多样，需要灵活的变通所在介质时，使用锁定后的整体进行工作。

具体如下：

1.水陆两栖无人机的启动：由于是具有两个动力系统，若在水面水下作业，则选择承载体螺旋桨作为动力装置，若在空中作业，则选择无人机旋翼为动力装置。

2.工作时具体操作：若为水下和水面作业，则选择将承载体作为动力推进器，负责整体的动力供应；而无人机作为工作体，需要开启自身的工作设备。若为空中作业，则以无人机旋翼作为动力推进器，同理承载体需要开启设备作为工作体完成相关的工作。

3.水陆两栖无人机的回收：作业完毕后，可按照原来工作时运动状态直接返回岸边，从而实现无人机的回收工作。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，对于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，还可以做出若干改动和调整。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种可分离式无人机本体，其特征在于，所述无人机本体包含承载体、肋式双螺旋桨、无人机电磁锁定系统、无人机；

所述承载体包含仿航母稳定结构外壳，所述仿航母稳定结构外壳顶部为减阻弧形曲面，其包含前半部分，所述前半部分为T字形结构；还包含后半部分，后半部分为流线型设计；所述仿航母稳定结构外壳两侧设有贯穿外壳的螺旋桨涵道，用于安装肋式双螺旋桨；

所述仿航母稳定结构外壳内为浮力系统，所述浮力系统作为配重，用于降低整体的机体重心；

所述无人机电磁锁定系统设置于承载体十字凹槽底端，与无人机十字起落架中空结构内，结合红光配合视觉系统构成无人机电磁锁定系统；

所述无人机上设有位于十字起落架中空结构内的一字型电磁体，使无人机与承载体完成连接、锁定以及释放操作。

2.根据权利要求1所述的一种可分离式无人机本体，其特征在于，所述肋式双螺旋桨位于机体曲面腋贯穿式结构中，由两个可自由控制转速的螺旋桨组成，两螺旋桨在水下与水面航行时提供前进的动力以及转向的转向力。

3.根据权利要求1所述的一种可分离式无人机本体，其特征在于，所述浮力系统由柱塞、螺旋副、电机、瓣膜结构，其中，所述电机位于蓄水仓尾部，由螺旋副连接电机与柱塞，推动柱塞使柱塞能够在蓄水仓中前后移动，位于蓄水仓头部两侧的瓣膜结构，即蓄水仓滤水孔，防止在自然条件下液体的通过，以保证蓄水仓中的水量可精准地由柱塞位置来操控。

4.根据权利要求1所述的一种可分离式无人机本体，其特征在于，通过机载视觉系统实时采集图像，在机载处理器中利用图像处理技术通过对舰船目标特征信息的提取和匹配得到承载体位姿信息，进而得到机舰的相对姿态和位置，为直升机飞行控制系统提供着舰引导参数实现着舰任务。

5.根据权利要求4所述的一种可分离式无人机本体，其特征在于，在无人机位于距离承载体设定的位置时启动承载体上的一字电磁铁，吸引位于无人机十字起落架中空结构内的一字型电磁体，使无人机最终与承载体完成连接操作；控制承载体电磁锁定系统，利用电磁换向器结构改变承载体上位于十字凹槽处流经电磁铁的电流方向，使无人机与承载体各自的磁极相同，从而产生排斥力使无人机与承载体分离。

6.根据权利要求5所述的电磁换向器，其特征在于，负载两端的导线分别连接半圆弧形导电片，两导电片不相连，通过控制导电片旋转使流过负载的电流反向。

7.根据权利要求1所述的一种可分离式无人机本体，其特征在于，所述无人机的十字起落架与十字凹槽间隙配合，十字凹槽与十字起落架棱边进行倒圆角光滑处理并利用磁力和红外配合视觉系统使无人机与承载体顺利连接。

8.一种可分离式无人机本体的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，无人机带着承载体从陆地到达工作地点；

步骤2，无人机与承载体分离及回收无人机；

步骤3，承载体通过浮力系统调节承载体的上升下降，使承载体在水面和水下独立工作；

步骤4，承载体浮出水面以船体的姿态在水面上独立工作；

步骤5，回收承载体。

9.一种可分离式无人机本体的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，水陆两栖无人机本体的启动，并到达指定地点；

步骤2，若为水下和水面作业，则选择将承载体作为动力推进器，负责整体的动力供应；而无人机作为工作体,开启自身的工作设备；若为空中作业，则以无人机作为动力推进器，同理承载体需要开启设备作为工作体完成相关的工作；

步骤3，水陆两栖无人机本体的回收，作业完毕后，按照原来工作时运动状态直接返航。

10.一种可分离式无人机本体的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，承载体带着无人机到达工作地点，在陆地上时将无人机与承载体通过无人机电磁锁定系统固定，将无人机与承载体整体从岸边放入水面，通过控制活塞系统调节蓄水仓中的水量，使承载体稳定于水面上，同时开启肋式螺旋桨提供动力，使无人机与承载体整体竖直方向上受力平衡，使无人机与承载体整体稳在水面，操纵承载体的电机功率来控制两侧的肋式螺旋桨，使无人机与承载体整体以船体姿态行进至距离工作地点最近的水域；

步骤2，无人机与承载体分离及回收船体，无人机与承载体整体到达工作地点周围后，先使无人机的旋翼开始旋转；而后控制无人机电磁锁定系统，待无人机到达精确工作地点进行工作后，调节承载体的反转电机使承载体转向，以船体姿态原路返航到达距离操作人最近的岸边，进行回收承载体；

步骤3，回收无人机，在分离后承载体在水面稳定的情况下，在原地等待无人机工作完毕后，再次通过无人机电磁锁定系统锁定为一个整体后返航回收无人机；或者在无人机工作完成后，操纵无人机飞控系统直接返回岸边，从而实现无人机的回收工作。

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