CN116604985A - 一种机翼可折展的水空跨介质飞行器 - Google Patents

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丁泓博
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Abstract

本发明涉及水空跨介质飞行器领域，特别涉及一种机翼可折展的水空跨介质飞行器，本发明提供的水空跨介质飞行器整体轻量化设计，针对空中和水下不同的工况条件下的不同要求，采用了精巧的变结构设计和系统布置，在空中运行时采用前部可折叠螺旋桨和可折叠机翼配合来完成水空跨介质飞行器控制的飞行和姿态调整，在水下运行时可折叠机翼收回后飞行器整体呈流线型，最大程度地减小在水下的阻力，并采用尾部水下推进器和X型水舵配合来完成水空跨介质飞行器水下的航行和姿态调整，充分利用水下航行的高度隐蔽性和空中飞行的高机动性的优势，既可采用自杀式袭击方式对目标进行毁灭性打击，又可进行空中和水下的环境探测以及搜救活动。

Description

一种机翼可折展的水空跨介质飞行器
技术领域
本发明涉及水空跨介质飞行器领域，特别涉及一种机翼可折展的水空跨介质飞行器，具体地说是综合了固定翼无人机功能和水下潜行器功能的一种机翼可折展的水空跨介质飞行器。
背景技术
随着社会的进步和科技的发展，为了拓展现有飞行器的作业环境和应用范围，充分利用水下航行的高度隐蔽性和空中飞行的高机动性的优势，各国的航空科技人员开始把目光转移到具有水空两栖生存能力的跨介质飞行器上面，在空气介质中航行的飞行器得到了迅速发展。
跨介质飞行器是指能够自主适应不同介质环境，可在单一介质环境下长时间飞行并可多次跨越介质界面，在不同介质环境下保持最优性能，从而完成作战任务的新型飞行器。该类飞行器结合了空中飞行器与水下航行器的优势，既能实现高速巡航、机动打击，又能实现长期续航、隐蔽突防；其作战空间包括临近空间、高中低空、水空交叉介质及水下空间。
跨介质飞行器在侦查、探测、搜救、通讯等领域的应用进一步扩大，突破了传统飞行器或潜航器在使用环境上的限制，因此开展水空两栖跨介质无人飞行器的研制具有巨大的潜在应用价值和重要的战略意义。
发明内容
为了使飞行器既具备空中高速飞行能力和水下高速航行能力，又具有在入水时冲击载荷更小、出水时阻力更小的特点，本发明提供了一种综合了固定翼无人机功能和水下潜行器功能的一种机翼可折展的水空跨介质飞行器。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种机翼可折展的水空跨介质飞行器，其总体结构由前部可折叠螺旋桨部分、机身部分、可折叠机翼部分、视觉感知部分、战斗部、X型水舵部分以及尾部水下推进器部分组成。
其中，为减小在空气中和水下时跨介质飞行器运动过程中的阻力，机身部分采用流线型的回转体外壳作为机身的主体，而为方便前部可折叠螺旋桨部分的安装、前部可折叠螺旋桨桨叶的折叠以及尾部水下推进器部分的安装，机身部分流线型回转体外壳在前后两端位置的直径会逐渐减小。
所述前部可折叠螺旋桨部分由螺旋桨电机固定架、螺旋桨电机、螺旋桨桨叶连接件以及两个前部可折叠螺旋桨桨叶组成，由螺旋桨电机固定架通过四颗螺栓固定在机身部分内部并打入螺旋桨电机内部实现机身部分与前部可折叠螺旋桨部分相连；螺旋桨电机的电机轴穿入到螺旋桨桨叶连接件中，与螺旋桨桨叶连接件通过过盈配合连接；两个前部可折叠螺旋桨桨叶通过螺栓固定在螺旋桨桨叶连接件两端，由螺旋桨电机带动螺旋桨桨叶连接件旋转进而带动可折叠螺旋桨桨叶旋转产生向前推力，配合展开的机翼推动水空跨介质飞行器在空中向前运动；在无螺旋桨电机带动旋转时可折叠螺旋桨桨叶为收缩状态，即紧贴机身部分流线型回转体外壳状态，在有螺旋桨电机带动旋转时可折叠螺旋桨桨叶随螺旋桨电机转速的提高逐渐转变为张开状态，即两个可折叠螺旋桨桨叶夹角为180°状态。
所述可折叠机翼部分主要由电推杆、两个前翼主翼、两个前翼副翼、两个前翼连杆、两个前翼连接件、电推杆滑槽、连杆滑槽、电推杆连杆、两个后翼连杆、两个后翼、两个后翼连接件和若干固定轴组成，可折叠机翼部分安装在机身部分内部中间位置，通过在机身内部打孔分别固定电推杆滑槽和连杆滑槽，电推杆与电推杆连杆固定，电推杆放置在电推杆滑槽上，电推杆连杆插入到连杆滑槽内，以保证在电推杆伸长和收缩时，电推杆和电推杆连杆均按照滑槽所指定的方向(前后方向)运动；两个前翼连杆固定在电推杆前端，通过固定轴在左右两边分别连接有前翼左翼主翼和前翼右翼主翼，前翼左翼主翼和前翼右翼主翼分别通过一个前翼连接件固定，两个前翼连接件通过固定轴同轴心固定在机身部分内部，以保证在电推杆伸长和收缩过程中前翼左翼和前翼右翼沿同一轴线展开和闭合；前翼主翼后部连接有前翼副翼，每个前翼副翼均可单独控制上下转动，用于水空跨介质飞行器在空中的上升、下降、左滚转、右滚转等运动；两个后翼连杆固定在电推杆连杆末端，通过固定轴在左右两边分别连接一个后翼，两个后翼各通过一个后翼连接件固定，两个后翼连接件通过固定轴同轴心固定在机身部分内部，以保证在电推杆伸长和收缩过程中左右两个后翼沿同一轴线展开和闭合。
当电推杆沿电推杆滑槽方向向前运动时，电推杆首先推动两个前翼固定杆向前运动，前翼左翼和前翼右翼均绕固定在机身内部的固定轴同轴心旋转，前翼左翼和前翼右翼同时反方向转动90°后被机身卡住，前翼处于完全展开状态，此时电推杆运动到最前处，随后电推杆开始向后运动，两个后翼均绕固定在机身内部的固定轴同轴心旋转，两个后翼同时反方向转动90°后，电推杆行程到达上限，且电推杆连杆被连杆滑槽卡住，前翼和后翼均处于完全展开状态，电推杆停止运动；同理当机翼需要收缩时，电推杆沿电推杆滑槽方向向后运动，电推杆首先推动两个前翼固定杆向后运动，前翼左翼和前翼右翼均绕固定在机身内部的固定轴同轴心旋转，前翼左翼和前翼右翼同时反方向转动90°后上下重合即位于死点位置，电推杆无法继续向后运动，此时电推杆运动到最后处，随后电推杆开始向前运动，两个后翼均绕固定在机身内部的固定轴同轴心旋转，两个后翼同时反方向转动90°后，电推杆完全收缩，两个后翼重合处于死点位置且两个后翼连杆被连杆滑槽卡住，前翼和后翼均处于完全收缩状态，电推杆停止运动。
所述视觉感知部分由球形摄像头和摄像头电机组成，球形摄像头安装在机身部分中间流线型回转体外壳靠前、前部可折叠螺旋桨部分靠后的下方位置，为尽可能保证水空跨介质飞行器整体的流线型外形，球形摄像头底座嵌入到机身部分当中，仅露出球形摄像头的摄像头部分，通过球形摄像头的摄像头部分拍摄感知水空跨介质飞行器的周围环境，实现水空跨介质飞行器对目标的精准定位。
所述战斗部主要由战斗装药和引爆装置组成，是产生杀伤效果、打击或摧毁目标、完成战斗任务的部分，通过视觉感知部分完成对任务目标的精准定位，当水空跨介质飞行器到达任务目标附近时，通过引爆装置引爆战斗部，实现对任务目标的精准打击。
所述X型水舵部分由两个水舵舵机、两个水舵固定轴、四个水舵和钢丝组成，不采用传统的十字型水舵而采用新型X型水舵主要基于以下几点考虑：尾操纵面不超出艇体边界线、机动性好、消除了十字型舵回转时存在的尾重现象、某个X型舵损坏仍可完成运动、提高了舵装置的可靠性和潜艇的水下抗沉能力；X型水舵部分安装在机身部分后部流线型回转体外壳、尾部水下推进器部分靠前位置，两个水舵固定轴外形为半圆形，在同一平面上交叉呈X型90°对称放置，每个水舵固定轴首尾两端各固定有一个水舵，即四个水舵沿竖直平面或水平平面对称放置；两个水舵舵机安装在机身部分内部，每个舵机通过钢丝与水舵固定轴相连，舵机旋转通过钢丝带动水舵固定轴旋转，进而带动水舵固定轴首尾两端的水舵旋转，实现水空跨介质飞行器在的上浮、下潜、左旋回以及右旋回等运动。
所述水下推进器部分为电动涵道风扇推进器，由推进器电机、推进器外壳、推进器桨叶、推进器固定轴组成，水下推进器部分安装在机身部分最末端，通过推进器外壳与机身部分末端连接固定，推进器电机放置在机身部分内部，与推进器外壳通过螺栓连接固定，推进器固定轴通过过盈配合连接在推进器电机的电机轴首端，将推进器桨叶通过顶丝与推进器固定轴固定，由推进器电机旋转带动推进器固定轴旋转，进而带动推进器桨叶旋转产生推力，推动水空跨介质飞行器在水下时向前运动。
本发明还提供了一种水空跨介质飞行器的控制系统，控制系统主要由状态传感器模块、模式切换模块、控制器模块、执行机构模块及水空跨介质飞行器组成。
其中，状态传感器模块主要由陀螺仪、加速度计、电子罗盘、GPS、气压计、深度传感器组成，通过感知水空跨介质飞行姿态及距海平面位置来根据切换规则判断模式切换时机并发出指令信号进行不同模式切换；控制器模块包括空中飞行控制器、水面巡航控制器、水下航行控制器三部分，执行机构模块包括前部可折叠螺旋桨、可折叠机翼、X型水舵及尾部水下推进器四部分，根据模式切换模块选用不同的控制器，同时控制器发出的指令传输至执行机构模块，执行机构模块分配所需执行机构完成对水空跨介质飞行器的姿态控制，最后通过实际轨迹与期望轨迹的误差信号传递到状态传感器模块。
所述控制器模块均包含位置控制器和姿态控制器，其中位置控制器输入为速度和高度(深度)，输出为目标俯仰角和目标推力大小，由于俯仰角和推力的变换均会对水空跨介质飞行器的速度和高度(深度)产生影响，则位置控制器采用总能量控制方式进行控制，推力大小控制能量产生，俯仰角变化改变飞行器航迹进而控制能量转换，飞行器总能量为：E＝mV2/2+mgH，其中V为飞行器速度，H为当前飞行器高度(深度)，得出飞行器位置控制律为：
上式中，Tc为推力输入值，δc为俯仰角输入值，Ktp、Kti、Kδp、Kδi为位置控制参数，为总能量的变化率，/>为势能和动能差的变化率。
所述姿态控制器输入为位置控制器的输出，输出为期望力矩，采用内外环结构，外环控制姿态角，内环控制姿态角速度，飞行器姿态控制律为：
上式中，为期望角速度输出，/>为期望力矩输出，/>为实际角速度，KΘ、Kpω、Kiω、Kdω为姿态控制参数，/>为期望欧拉角，/>'为当前欧拉角，/>为欧拉角变化量，/>为角速度变化量，/>为角速度差值的变化率。
本发明的有益之处是，水空跨介质飞行器装入炮筒之中，通过发射飞出炮筒飞入空中，前部可折叠螺旋桨开始转动张开同时电推杆开始伸长，带动前翼和后翼旋转展开直至电推杆行程达到最大，此时前翼被机身部分卡住且电推杆连杆被连杆滑槽卡住致使后翼展开到最大，前翼和后翼完全展开即两个前翼的夹角和两个后翼的夹角均为180°；水空跨介质飞行器在空中飞行时，前部螺旋桨旋转，通过两个舵机分别带动两个前翼副翼上下转动，实现水空跨介质飞行器在空中的上升、下降、左滚转、右滚转等运动；在空中或水下运行过程中通过视觉感知部分实时感知水空跨介质飞行器周围环境的相关信息，如自身和目标距离、方位、高度、速度、姿态等参数，使跨介质飞行器能够根据相关信息及时做出相应调整，能够不丢失目标信息并精准对目标进行定位；水空跨介质飞行器在空中飞行时前翼和后翼均处于完全展开状态，前部螺旋桨转动配合两个前翼的副翼；在空中进入水下时，前部螺旋桨停止转动收回，电推杆开始收缩，带动前翼和后翼旋转收回直至电推杆行程归零，此时两个前翼重合位于死点位置无法继续运动且两个后翼重合位于死点位置无法继续运动，前翼和后翼完全收缩，在重力和空气阻力的作用下水空跨介质飞行器以一定的抛物线轨迹倾斜落入；在进入水下后，尾部水下推进器开始转动，水空跨介质飞行器向前运动，通过两个水舵电机对四个水舵进行控制，实现水空跨介质飞行器在水下的上浮、下潜、左旋回以及右旋回等运动；在从水下飞入空中时，水下推进器转速增加致使推力增大，水空跨介质飞行器以一定的迎角逐渐从水下飞入空中，前部螺旋桨出水后迅速开始转动，电推杆开始伸长带动前翼和后翼旋转展开，直至上述所述完全展开状态，水空跨介质飞行器重新飞入空中；水空跨介质飞行器不仅可以在空中飞行和水下航行，还可以在水面巡航来寻找空中或者水下的目标，从而可以灵活地在空中和水下不同介质下平稳过渡。
本发明提供的水空跨介质飞行器整体轻量化设计，针对空中和水下不同的工况条件下的不同要求，采用了精巧的变结构设计和系统布置，在空中运行时采用前部可折叠螺旋桨和可折叠机翼配合来完成水空跨介质飞行器控制的飞行和姿态调整，在水面运行时处于过渡阶段，采用尾部水下推进器和前翼副翼配合来完成水空跨介质飞行器水面巡航和姿态调整，在水下运行时可折叠机翼收回后飞行器整体呈流线型，最大程度地减小在水下的阻力，并采用尾部水下推进器和X型水舵配合来完成水空跨介质飞行器水下的航行和姿态调整，充分利用水下航行的高度隐蔽性和空中飞行的高机动性的优势，既可采用自杀式袭击方式对目标进行毁灭性打击，又可进行空中和水下的环境探测以及搜救活动。
附图说明
附图1水空跨介质飞行器机翼展开(空中飞行)整体示意图；
附图2水空跨介质飞行器机翼展开(空中飞行)整体俯视图；
附图3水空跨介质飞行器机翼闭合(水下航行)整体示意图；
附图4水空跨介质飞行器前部螺旋桨折叠示意图；
附图5水空跨介质飞行器可折叠机翼展开示意图；
附图6水空跨介质飞行器可折叠机翼闭合示意图；
附图7水空跨介质飞行器X型水舵结构示意图；
附图8水空跨介质飞行器尾部水下推进器结构示意图；
附图9水空跨介质飞行器运行流程图；
附图10水空跨介质飞行器控制流程图；
附图11水空跨介质飞行器控制系统架构示意图；
附图12水空跨介质飞行器控制器模块内部架构示意图；
图中：前部可折叠螺旋桨部分(1)、机身部分(2)、可折叠机翼部分(3)、视觉感知部分(4)、战斗部(5)、X型水舵部分(6)、尾部水下推进器部分(7)、螺旋桨电机固定架(8)、螺旋桨电机(9)、螺旋桨桨叶连接件(10)、前部可折叠螺旋桨桨叶(11-1、11-2)、电推杆(12)、前翼主翼(13-1、13-2)、前翼副翼(14-1、14-2)、前翼连杆(15-1、15-2)、前翼连接件(16-1、16-2)、电推杆滑槽(17)、连杆滑槽(18)、电推杆连杆(19)、后翼连杆(20-1、20-2)、后翼(21-1、21-2)、后翼连接件(22-1、22-2)、水舵固定轴(23-1、23-2)、水舵(24-1、24-2、24-3、24-4)、推进器电机(25)、推进器外壳(26)、推进器桨叶(27)、推进器固定轴(28)、球形摄像头(29)。
具体实施方式
结合附图对本发明做进一步说明。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种机翼可折展的水空跨介质飞行器，如附图1所示，其总体结构由前部可折叠螺旋桨部分(1)、机身部分(2)、可折叠机翼部分(3)、视觉感知部分(4)、战斗部(5)、X型水舵部分(6)以及尾部水下推进器部分(7)组成。
其中，为减小在空气中和水下时跨介质飞行器运动过程中的阻力，机身部分(2)采用流线型的回转体外壳作为机身的主体，而为方便前部可折叠螺旋桨部分(1)的安装、前部可折叠螺旋桨桨叶(11-1、11-2)的折叠以及尾部水下推进器部分(7)的安装，机身部分流线型回转体外壳在前后两端位置的直径会逐渐减小。
所述前部可折叠螺旋桨部分(1)如附图4所示，由螺旋桨电机固定架(8)、螺旋桨电机(9)、螺旋桨桨叶连接件(10)以及前部可折叠螺旋桨桨叶(11-1、11-2)组成，由螺旋桨电机固定架(8)通过四颗螺栓固定在机身部分内部并打入螺旋桨电机(9)内部实现机身部分与前部可折叠螺旋桨部分(1)相连；螺旋桨电机(9)的电机轴穿入到螺旋桨桨叶连接件(10)中，与螺旋桨桨叶连接件(10)通过过盈配合连接；两个前部可折叠螺旋桨桨叶(11-1、11-2)通过螺栓固定在螺旋桨桨叶连接件(10)两端，由螺旋桨电机(9)带动螺旋桨桨叶连接件(10)旋转进而带动可折叠螺旋桨桨叶(11-1、11-2)旋转产生向前推力，配合展开的机翼(13-1、13-2、14-1、14-2、21-1、21-2)推动水空跨介质飞行器在空中向前运动；在无螺旋桨电机(9)带动旋转时可折叠螺旋桨桨叶(11-1、11-2)为收缩状态，即紧贴机身部分流线型回转体外壳状态，在有螺旋桨电机(9)带动旋转时可折叠螺旋桨桨叶(11-1、11-2)随螺旋桨电机(9)转速的提高逐渐转变为张开状态，即两个可折叠螺旋桨桨叶(11-1、11-2)夹角为180°状态。
所述可折叠机翼部分(3)如附图5(机翼展开)和附图6所示(机翼闭合)所示，主要由电推杆(12)、两个前翼主翼(13-1、13-2)、两个前翼副翼(14-1、14-2)、两个前翼连杆(15-1、15-2)、两个前翼连接件(16-1、16-2)、电推杆滑槽(17)、连杆滑槽(18)、电推杆连杆(19)、两个后翼连杆(20-1、20-2)、两个后翼(21-1、21-2)、两个后翼连接件(22-1、22-2)和若干固定轴组成，可折叠机翼部分(3)安装在机身部分(2)内部中间位置，通过在机身内部打孔分别固定电推杆滑槽(17)和连杆滑槽(18)，电推杆(12)与电推杆连杆(19)固定，电推杆(12)放置在电推杆滑槽(17)上，电推杆连杆(19)插入到连杆滑槽(18)内，以保证在电推杆(12)伸长和收缩时，电推杆(12)和电推杆连杆(19)均按照滑槽(17、18)所指定的方向(前后方向)运动；两个前翼连杆(15-1、15-2)固定在电推杆(12)前端，通过固定轴在左右两边分别连接有前翼左翼主翼(13-2)和前翼右翼主翼(13-1)，前翼左翼主翼(13-2)和前翼右翼主翼(13-1)分别通过一个前翼连接件(16-1、16-2)固定，两个前翼连接件(16-1、16-2)通过固定轴同轴心固定在机身部分(2)内部，以保证在电推杆(12)伸长和收缩过程中前翼左翼(13-2、14-2)和前翼右翼(13-1、14-1)沿同一轴线展开和闭合；前翼主翼(13-1、13-2)后部连接有前翼副翼(14-1、14-2)，每个前翼副翼(14-1、14-2)均可单独控制上下转动，用于水空跨介质飞行器在空中的上升、下降、左滚转、右滚转等运动；两个后翼连杆(20-1、20-2)固定在电推杆连杆(19)末端，通过固定轴在左右两边分别连接一个后翼(21-1、21-2)，两个后翼(21-1、21-2)各通过一个后翼连接件(22-1、22-2)固定，两个后翼连接件(22-1、22-2)通过固定轴同轴心固定在机身部分(2)内部，以保证在电推杆(12)伸长和收缩过程中左右两个后翼(21-1、21-2)沿同一轴线展开和闭合。
当电推杆(12)沿电推杆滑槽(17)方向向前运动时，电推杆(12)首先推动两个前翼连杆(15-1、15-2)向前运动，前翼左翼(13-2、14-2)和前翼右翼(13-1、14-1)均绕固定在机身内部(2)的固定轴同轴心旋转，前翼左翼(13-2、14-2)和前翼右翼(13-1、14-1)同时反方向转动90°后被机身(2)卡住，前翼(13-1、13-2、14-1、14-2)处于完全展开状态，此时电推杆(12)运动到最前处，随后电推杆(12)开始向后运动，两个后翼(21-1、21-2)均绕固定在机身内部(2)的固定轴同轴心旋转，两个后翼(21-1、21-2)同时反方向转动90°后，电推杆(12)行程到达上限，且电推杆连杆(19)被连杆滑槽(18)卡住，前翼(13-1、13-2、14-1、14-2)和后翼(21-1、21-2)均处于完全展开状态，电推杆(12)停止运动；同理当机翼(13-1、13-2、14-1、14-2、21-1、21-2)需要收缩时，电推杆(12)沿电推杆滑槽(17)方向向后运动，电推杆(12)首先推动两个前翼连杆(15-1、15-2)向后运动，前翼左翼(12)和前翼右翼(12)均绕固定在机身内部(12)的固定轴同轴心旋转，前翼左翼(13-2、14-2)和前翼右翼(13-1、14-1)同时反方向转动90°后上下重合即位于死点位置，电推杆(12)无法继续向后运动，此时电推杆(12)运动到最后处，随后电推杆(12)开始向前运动，两个后翼(21-1、21-2)均绕固定在机身内部(2)的固定轴同轴心旋转，两个后翼(21-1、21-2)同时反方向转动90°后，电推杆(12)完全收缩，两个后翼(21-1、21-2)重合处于死点位置且两个后翼连杆(20-1、20-2)被连杆滑槽(18)卡住，前翼(13-1、13-2、14-1、14-2)和后翼(21-1、21-2)均处于完全收缩状态，电推杆(12)停止运动。
所述视觉感知部分(4)由球形摄像头(29)和摄像头电机组成，球形摄像头(29)安装在机身部分(2)中间流线型回转体外壳靠前、前部可折叠螺旋桨部分(1)靠后的下方位置，为尽可能保证水空跨介质飞行器整体的流线型外形，球形摄像头(29)底座嵌入到机身部分(2)当中，仅露出球形摄像头(29)的摄像头部分，通过球形摄像头(29)的摄像头部分拍摄感知水空跨介质飞行器的周围环境，实现水空跨介质飞行器对目标的精准定位。
所述战斗部(5)主要由战斗装药和引爆装置组成，是产生杀伤效果、打击或摧毁目标、完成战斗任务的部分，通过视觉感知部分(4)完成对任务目标的精准定位，当水空跨介质飞行器到达任务目标附近时，通过引爆装置引爆战斗部，实现对任务目标的精准打击。
所述X型水舵部分(6)如附图7所示，由两个水舵舵机、两个水舵固定轴(23-1、23-2)、四个水舵(24-1、24-2、24-3、24-4)和钢丝组成，不采用传统的十字型水舵而采用新型X型水舵主要基于以下几点考虑：尾操纵面不超出艇体边界线、机动性好、消除了十字型舵回转时存在的尾重现象、某个X型舵损坏仍可完成运动、提高了舵装置的可靠性和潜艇的水下抗沉能力；X型水舵部分(6)安装在机身部分(2)后部流线型回转体外壳、尾部水下推进器部分(7)靠前位置，两个水舵固定轴(23-1、23-2)外形为半圆形，在同一平面上交叉呈X型90°对称放置，每个水舵固定轴(23-1、23-2)首尾两端各固定有一个水舵(24-1、24-2、24-3、24-4)，即四个水舵(24-1、24-2、24-3、24-4)沿竖直平面或水平平面对称放置；两个水舵舵机安装在机身部分(2)内部，每个舵机通过钢丝与水舵固定轴(23-1、23-2)相连，舵机旋转通过钢丝带动水舵固定轴(23-1、23-2)旋转，进而带动水舵固定轴(23-1、23-2)首尾两端的水舵(24-1、24-2、24-3、24-4)旋转，实现水空跨介质飞行器在的上浮、下潜、左旋回以及右旋回等运动。
所述尾部水下推进器部分(7)为电动涵道风扇推进器，如附图8所示，由推进器电机(25)、推进器外壳(26)、推进器桨叶(27)、推进器固定轴(28)组成，水下推进器部分(7)安装在机身部分(2)最末端，通过推进器外壳(26)与机身部分(2)末端连接固定，推进器电机(25)放置在机身部分(2)内部，与推进器外壳(26)通过螺栓连接固定，推进器固定轴(28)通过过盈配合连接在推进器电机(25)的电机轴首端，将推进器桨叶(27)通过顶丝与推进器固定轴(28)固定，由推进器电机(25)旋转带动推进器固定轴(28)旋转，进而带动推进器桨叶(27)旋转产生推力，推动水空跨介质飞行器在水下时向前运动。
本发明还提供了一种水空跨介质飞行器的控制系统，如附图11所示，控制系统主要由状态传感器模块、模式切换模块、控制器模块、执行机构模块及水空跨介质飞行器组成。
其中，状态传感器模块主要由陀螺仪、加速度计、电子罗盘、GPS、气压计、深度传感器组成，通过感知水空跨介质飞行姿态及距海平面位置来根据切换规则判断模式切换时机并发出指令信号进行不同模式切换；控制器模块包括空中飞行控制器、水面巡航控制器、水下航行控制器三部分，执行机构模块包括前部可折叠螺旋桨(1)、可折叠机翼(3)、X型水舵(6)及尾部水下推进器(7)四部分，根据模式切换模块选用不同的控制器，同时控制器发出的指令传输至执行机构模块，执行机构模块分配所需执行机构完成对水空跨介质飞行器的姿态控制，最后通过实际轨迹与期望轨迹的误差信号传递到状态传感器模块。
所述控制器模块均包含位置控制器和姿态控制器，其中位置控制器输入为速度和高度(深度)，输出为目标俯仰角和目标推力大小，由于俯仰角和推力的变换均会对水空跨介质飞行器的速度和高度(深度)产生影响，则位置控制器采用总能量控制方式进行控制，推力大小控制能量产生，俯仰角变化改变飞行器航迹进而控制能量转换，飞行器总能量为：E＝mV2/2+mgH，其中V为飞行器速度，H为当前飞行器高度(深度)，得出飞行器位置控制律为：
上式中，Tc为推力输入值，δc为俯仰角输入值，Ktp、Kti、Kδp、Kδi为位置控制参数，为总能量的变化率，/>为势能和动能差的变化率。
如附图12所示，所述姿态控制器输入为位置控制器的输出，输出为期望力矩，采用内外环结构，外环控制姿态角，内环控制姿态角速度，飞行器姿态控制律为：
上式中，为期望角速度输出，/>为期望力矩输出，/>为实际角速度，KΘ、Kpω、Kiω、Kdω为姿态控制参数，/>为期望欧拉角，/>为当前欧拉角，/>为欧拉角变化量，/>为角速度变化量，/>为角速度差值的变化率。
本发明的有益之处是，如附图10所示，水空跨介质飞行器装入炮筒之中，通过发射飞出炮筒飞入空中，前部可折叠螺旋桨(1)开始转动张开同时电推杆(12)开始伸长，带动前翼前翼(13-1、13-2、14-1、14-2)和后翼(21-1、21-2)旋转展开直至电推杆(12)行程达到最大，此时前翼(13-1、13-2、14-1、14-2)被机身部分(2)卡住且电推杆连杆(19)被连杆滑槽(18)卡住致使后翼(21-1、21-2)展开到最大，前翼(13-1、13-2、14-1、14-2)和后翼(21-1、21-2)完全展开即两个前翼(13-1、13-2、14-1、14-2)的夹角和两个后翼(21-1、21-2)的夹角均为180°；水空跨介质飞行器在空中飞行时，前部可折叠螺旋桨(1)旋转，通过两个舵机分别带动两个前翼副翼(14-1、14-2)上下转动，实现水空跨介质飞行器在空中的上升、下降、左滚转、右滚转等运动；在空中或水下运行过程中通过视觉感知部分(4)实时感知水空跨介质飞行器周围环境的相关信息，如自身和目标距离、方位、高度、速度、姿态等参数，使跨介质飞行器能够根据相关信息及时做出相应调整，能够不丢失目标信息并精准对目标进行定位；水空跨介质飞行器在空中飞行时前翼(13-1、13-2、14-1、14-2)和后翼(21-1、21-2)均处于完全展开状态，前部螺旋桨(1)转动配合两个前翼副翼(14-1、14-2)；在空中进入水下时，前部螺旋桨(1)停止转动收回，电推杆(12)开始收缩，带动前翼(13-1、13-2、14-1、14-2)和后翼(21-1、21-2)旋转收回直至电推杆(12)行程归零，此时两个前翼(13-1、13-2、14-1、14-2)重合位于死点位置无法继续运动且两个后翼(21-1、21-2)重合位于死点位置无法继续运动，前翼(13-1、13-2、14-1、14-2)和后翼(21-1、21-2)完全收缩，在重力和空气阻力的作用下水空跨介质飞行器以一定的抛物线轨迹倾斜落入；在进入水下后，尾部水下推进器(7)开始转动，水空跨介质飞行器向前运动，通过两个水舵电机对四个水舵(24-1、24-2、24-3、24-4)进行控制，实现水空跨介质飞行器在水下的上浮、下潜、左旋回以及右旋回等运动；在从水下飞入空中时，水下推进器(7)转速增加致使推力增大，水空跨介质飞行器以一定的迎角逐渐从水下飞入空中，前部螺旋桨(1)出水后迅速开始转动，电推杆(12)开始伸长带动前翼(13-1、13-2、14-1、14-2)和后翼(21-1、21-2)旋转展开，直至上述所述完全展开状态，水空跨介质飞行器重新飞入空中；水空跨介质飞行器不仅可以在空中飞行和水下航行，还可以在水面巡航来寻找空中或者水下的目标，从而可以灵活地在空中和水下不同介质下平稳过渡。
本发明提供的水空跨介质飞行器整体轻量化设计，如附图9所示，针对空中和水下不同的工况条件下的不同要求，采用了精巧的变结构设计和系统布置，在空中运行时采用前部可折叠螺旋桨(1)和可折叠机翼(3)配合来完成水空跨介质飞行器控制的飞行和姿态调整，在水面运行时处于过渡阶段，采用尾部水下推进器(7)和可折叠机翼(3)配合来完成水空跨介质飞行器水面巡航和姿态调整，在水下运行时可折叠机翼(3)收回后飞行器整体呈流线型，最大程度地减小在水下的阻力，并采用尾部水下推进器(7)和X型水舵(6)配合来完成水空跨介质飞行器水下的航行和姿态调整，充分利用水下航行的高度隐蔽性和空中飞行的高机动性的优势，既可采用自杀式袭击方式对目标进行毁灭性打击，又可进行空中和水下的环境探测以及搜救活动。
对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机翼可折展的水空跨介质飞行器，其特征在于：其总体结构由前部可折叠螺旋桨部分(1)、机身部分(2)、可折叠机翼部分(3)、视觉感知部分(4)、战斗部(5)、X型水舵部分(6)以及尾部水下推进器部分(7)组成；
为减小在空气中和水下时跨介质飞行器运动过程中的阻力，机身部分(2)采用流线型的回转体外壳作为机身的主体，而为方便前部可折叠螺旋桨部分(1)的安装、前部可折叠螺旋桨桨叶(11-1、11-2)的折叠以及尾部水下推进器部分(7)的安装，机身部分流线型回转体外壳在前后两端位置的直径会逐渐减小。
2.如权利要求1所述的一种机翼可折展的水空跨介质飞行器，其特征在于，所述前部可折叠螺旋桨部分(1)由螺旋桨电机固定架(8)、螺旋桨电机(9)、螺旋桨桨叶连接件(10)以及前部可折叠螺旋桨桨叶(11-1、11-2)组成，由螺旋桨电机固定架(8)通过四颗螺栓固定在机身部分内部并打入螺旋桨电机(9)内部实现机身部分与前部可折叠螺旋桨部分(1)相连；螺旋桨电机(9)的电机轴穿入到螺旋桨桨叶连接件(10)中，与螺旋桨桨叶连接件(10)通过过盈配合连接；两个前部可折叠螺旋桨桨叶(11-1、11-2)通过螺栓固定在螺旋桨桨叶连接件(10)两端，由螺旋桨电机(9)带动螺旋桨桨叶连接件(10)旋转进而带动可折叠螺旋桨桨叶(11-1、11-2)旋转产生向前推力，配合展开的机翼(13-1、13-2、14-1、14-2、21-1、21-2)推动水空跨介质飞行器在空中向前运动；在无螺旋桨电机(9)带动旋转时可折叠螺旋桨桨叶(11-1、11-2)为收缩状态，即紧贴机身部分流线型回转体外壳状态，在有螺旋桨电机(9)带动旋转时可折叠螺旋桨桨叶(11-1、11-2)随螺旋桨电机(9)转速的提高逐渐转变为张开状态，即两个可折叠螺旋桨桨叶(11-1、11-2)夹角为180°状态。
3.如权利要求1所述的一种机翼可折展的水空跨介质飞行器，其特征在于，所述可折叠机翼部分(3)主要由电推杆(12)、两个前翼主翼(13-1、13-2)、两个前翼副翼(14-1、14-2)、两个前翼连杆(15-1、15-2)、两个前翼连接件(16-1、16-2)、电推杆滑槽(17)、连杆滑槽(18)、电推杆连杆(19)、两个后翼连杆(20-1、20-2)、两个后翼(21-1、21-2)、两个后翼连接件(22-1、22-2)和若干固定轴组成，可折叠机翼部分(3)安装在机身部分(2)内部中间位置，通过在机身内部打孔分别固定电推杆滑槽(17)和连杆滑槽(18)，电推杆(12)与电推杆连杆(19)固定，电推杆(12)放置在电推杆滑槽(17)上，电推杆连杆(19)插入到连杆滑槽(18)内，以保证在电推杆(12)伸长和收缩时，电推杆(12)和电推杆连杆(19)均按照滑槽(17、18)所指定的方向(前后方向)运动；两个前翼连杆(15-1、15-2)固定在电推杆(12)前端，通过固定轴在左右两边分别连接有前翼左翼主翼(13-2)和前翼右翼主翼(13-1)，前翼左翼主翼(13-2)和前翼右翼主翼(13-1)分别通过一个前翼连接件(16-1、16-2)固定，两个前翼连接件(16-1、16-2)通过固定轴同轴心固定在机身部分(2)内部，以保证在电推杆(12)伸长和收缩过程中前翼左翼(13-2、14-2)和前翼右翼(13-1、14-1)沿同一轴线展开和闭合；前翼主翼(13-1、13-2)后部连接有前翼副翼(14-1、14-2)，每个前翼副翼(14-1、14-2)均可单独控制上下转动，用于水空跨介质飞行器在空中的上升、下降、左滚转、右滚转等运动；两个后翼连杆(20-1、20-2)固定在电推杆连杆(19)末端，通过固定轴在左右两边分别连接一个后翼(21-1、21-2)，两个后翼(21-1、21-2)各通过一个后翼连接件(22-1、22-2)固定，两个后翼连接件(22-1、22-2)通过固定轴同轴心固定在机身部分(2)内部，以保证在电推杆(12)伸长和收缩过程中左右两个后翼(21-1、21-2)沿同一轴线展开和闭合。
4.如权利要求3所述的一种机翼可折展的水空跨介质飞行器的可折叠机翼部分，其特征在于，当电推杆(12)沿电推杆滑槽(17)方向向前运动时，电推杆(12)首先推动两个前翼连杆(15-1、15-2)向前运动，前翼左翼(13-2、14-2)和前翼右翼(13-1、14-1)均绕固定在机身内部(2)的固定轴同轴心旋转，前翼左翼(13-2、14-2)和前翼右翼(13-1、14-1)同时反方向转动90°后被机身(2)卡住，前翼(13-1、13-2、14-1、14-2)处于完全展开状态，此时电推杆(12)运动到最前处，随后电推杆(12)开始向后运动，两个后翼(21-1、21-2)均绕固定在机身内部(2)的固定轴同轴心旋转，两个后翼(21-1、21-2)同时反方向转动90°后，电推杆(12)行程到达上限，且电推杆连杆(19)被连杆滑槽(18)卡住，前翼(13-1、13-2、14-1、14-2)和后翼(21-1、21-2)均处于完全展开状态，电推杆(12)停止运动；同理当机翼(13-1、13-2、14-1、14-2、21-1、21-2)需要收缩时，电推杆(12)沿电推杆滑槽(17)方向向后运动，电推杆(12)首先推动两个前翼连杆(15-1、15-2)向后运动，前翼左翼(12)和前翼右翼(12)均绕固定在机身内部(12)的固定轴同轴心旋转，前翼左翼(13-2、14-2)和前翼右翼(13-1、14-1)同时反方向转动90°后上下重合即位于死点位置，电推杆(12)无法继续向后运动，此时电推杆(12)运动到最后处，随后电推杆(12)开始向前运动，两个后翼(21-1、21-2)均绕固定在机身内部(2)的固定轴同轴心旋转，两个后翼(21-1、21-2)同时反方向转动90°后，电推杆(12)完全收缩，两个后翼(21-1、21-2)重合处于死点位置且两个后翼连杆(20-1、20-2)被连杆滑槽(18)卡住，前翼(13-1、13-2、14-1、14-2)和后翼(21-1、21-2)均处于完全收缩状态，电推杆(12)停止运动。
5.如权利要求1所述的一种机翼可折展的水空跨介质飞行器，其特征在于，所述视觉感知部分(4)由球形摄像头(29)和摄像头电机组成，球形摄像头(29)安装在机身部分(2)中间流线型回转体外壳靠前、前部可折叠螺旋桨部分(1)靠后的下方位置，为尽可能保证水空跨介质飞行器整体的流线型外形，球形摄像头(29)底座嵌入到机身部分(2)当中，仅露出球形摄像头(29)的摄像头部分，通过球形摄像头(29)的摄像头部分拍摄感知水空跨介质飞行器的周围环境，实现水空跨介质飞行器对目标的精准定位。
6.如权利要求1所述的一种机翼可折展的水空跨介质飞行器，其特征在于，所述战斗部(5)主要由战斗装药和引爆装置组成，是产生杀伤效果、打击或摧毁目标、完成战斗任务的部分，通过视觉感知部分(4)完成对任务目标的精准定位，当水空跨介质飞行器到达任务目标附近时，通过引爆装置引爆战斗部，实现对任务目标的精准打击。
7.如权利要求1所述的一种机翼可折展的水空跨介质飞行器，其特征在于，所述X型水舵部分(6)由两个水舵舵机、两个水舵固定轴(23-1、23-2)、四个水舵(24-1、24-2、24-3、24-4)和钢丝组成，不采用传统的十字型水舵而采用新型X型水舵主要基于以下几点考虑：尾操纵面不超出艇体边界线、机动性好、消除了十字型舵回转时存在的尾重现象、某个X型舵损坏仍可完成运动、提高了舵装置的可靠性和潜艇的水下抗沉能力；X型水舵部分(6)安装在机身部分(2)后部流线型回转体外壳、尾部水下推进器部分(7)靠前位置，两个水舵固定轴(23-1、23-2)外形为半圆形，在同一平面上交叉呈X型90°对称放置，每个水舵固定轴(23-1、23-2)首尾两端各固定有一个水舵(24-1、24-2、24-3、24-4)，即四个水舵(24-1、24-2、24-3、24-4)沿竖直平面或水平平面对称放置；两个水舵舵机安装在机身部分(2)内部，每个舵机通过钢丝与水舵固定轴(23-1、23-2)相连，舵机旋转通过钢丝带动水舵固定轴(23-1、23-2)旋转，进而带动水舵固定轴(23-1、23-2)首尾两端的水舵(24-1、24-2、24-3、24-4)旋转，实现水空跨介质飞行器在的上浮、下潜、左旋回以及右旋回等运动。
8.如权利要求1所述的一种机翼可折展的水空跨介质飞行器，其特征在于，所述尾部水下推进器部分(7)为电动涵道风扇推进器，由推进器电机(25)、推进器外壳(26)、推进器桨叶(27)、推进器固定轴(28)组成，水下推进器部分(7)安装在机身部分(2)最末端，通过推进器外壳(26)与机身部分(2)末端连接固定，推进器电机(25)放置在机身部分(2)内部，与推进器外壳(26)通过螺栓连接固定，推进器固定轴(28)通过过盈配合连接在推进器电机(25)的电机轴首端，将推进器桨叶(27)通过顶丝与推进器固定轴(28)固定，由推进器电机(25)旋转带动推进器固定轴(28)旋转，进而带动推进器桨叶(27)旋转产生推力，推动水空跨介质飞行器在水下时向前运动。
9.如权利要求1所述的一种机翼可折展的水空跨介质飞行器的控制系统，其特征在于，主要由状态传感器模块、模式切换模块、控制器模块、执行机构模块及水空跨介质飞行器组成；
其中，状态传感器模块主要由陀螺仪、加速度计、电子罗盘、GPS、气压计、深度传感器组成，通过感知水空跨介质飞行姿态及距海平面位置来根据切换规则判断模式切换时机并发出指令信号进行不同模式切换；控制器模块包括空中飞行控制器、水面巡航控制器、水下航行控制器三部分，执行机构模块包括前部可折叠螺旋桨(1)、可折叠机翼(3)、X型水舵(6)及尾部水下推进器(7)四部分，根据模式切换模块选用不同的控制器，同时控制器发出的指令传输至执行机构模块，执行机构模块分配所需执行机构完成对水空跨介质飞行器的姿态控制，最后通过实际轨迹与期望轨迹的误差信号传递到状态传感器模块。
10.如权利要求9所述的一种机翼可折展的水空跨介质飞行器的控制系统控制器模块，其特征在于，均包含位置控制器和姿态控制器，其中位置控制器输入为速度和高度(深度)，输出为目标俯仰角和目标推力大小，由于俯仰角和推力的变换均会对水空跨介质飞行器的速度和高度(深度)产生影响，则位置控制器采用总能量控制方式进行控制，推力大小控制能量产生，俯仰角变化改变飞行器航迹进而控制能量转换，飞行器总能量为：E＝mV2/2+mgH，其中V为飞行器速度，H为当前飞行器高度(深度)，得出飞行器位置控制律为：
上式中，Tc为推力输入值，δc为俯仰角输入值，Ktp、Kti、Kδp、Kδi为位置控制参数，为总能量的变化率，/>为势能和动能差的变化率；
所述姿态控制器输入为位置控制器的输出，输出为期望力矩，采用内外环结构，外环控制姿态角，内环控制姿态角速度，飞行器姿态控制律为：
上式中，为期望角速度输出，/>为期望力矩输出，/>为实际角速度，KΘ、Kpω、Kiω、Kdω为姿态控制参数，/>为期望欧拉角，/>为当前欧拉角，/>为欧拉角变化量，/>为角速度变化量，/>为角速度差值的变化率。
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