CN116980051B - 一种水空两用无人机的通信系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机技术领域，特别是一种水空两用无人机的通信系统及其操作方法，一种水空两用无人机的通信系统，包括无人机本体、水下通信子系统、空中通信子系统和飞行控制器；水下通信子系统包括卷线盘、线缆、卷线盘驱动装置、浮标天线、出线驱动装置、电机驱动模块和信号转换模块，电机驱动模块用于控制卷线盘驱动装置驱动卷线盘的转动；出线驱动装置位于卷线盘和线缆的自由端之间，电机驱动模块用于控制出线驱动装置放出线缆的自由端；浮标天线安装有信号转换模块，信号转换模块用于与上位机通信连接，空中通信子系统安装于无人机本体，解决现有技术中水空两用无人机的工作范围小、下潜深度浅、且线缆容易发生缠绕的问题。

Description

一种水空两用无人机的通信系统及其操作方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，特别是一种水空两用无人机的通信系统及其操作方法。

背景技术

水空两用无人机是一种跨介质航行器，兼具无人机和水下机器人得到特性，可以在空中和水下运行，能够跨越水/空界面且持续航行，在复杂路桥检测、海空通信等方面有广泛的应用前景。无人机在空中可以通过无线通信方式传输数据，具有很大的工作范围和传输稳定性，而进入水下运行后，由于无线信号在水中快速衰减，无法使用无线信号通信，限制了水空两栖无人机工作范围，使其无法达到普通无人机在空中的工作范围。因此，实现水空环境下的长距离稳定通信是水空两栖系统发展的关键。

目前水下通信主要采用有线通信方法进行通信，线缆传输信号传输速率高、稳定性、实时性好等优势，但线缆长度极大的制约了水下航行设备的工作范围，且容易发生缠绕，灵活性和适应性较差。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种水空两用无人机的通信系统，解决现有技术中水空两用无人机的工作范围小、下潜深度浅、且线缆容易发生缠绕的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种水空两用无人机的通信系统，包括无人机本体、水下通信子系统、空中通信子系统和飞行控制器；

所述水下通信子系统包括卷线盘、线缆、卷线盘驱动装置、浮标天线、出线驱动装置、电机驱动模板和信号转换模块，所述卷线盘、卷线盘驱动装置和所述出线驱动装置分别安装于所述无人机本体，所述线缆的固定端与所述飞行控制器电联接，所述线缆的自由端安装有所述浮标天线，且所述线缆卷绕于所述卷线盘；

所述电机驱动模块与所述飞行控制器电联接，所述卷线盘驱动装置和所述出线驱动装置分别与所述电机驱动模块电联接，所述电机驱动模块用于控制所述卷线盘驱动装置驱动所述卷线盘的转动；所述出线驱动装置位于所述卷线盘和所述线缆的自由端之间，所述电机驱动模块用于控制所述出线驱动装置放出所述线缆的自由端；所述浮标天线安装有所述信号转换模块，所述信号转换模块与所述飞行控制器通过所述线缆电连接，所述信号转换模块用于与上位机通信连接，所述信号转换模块用于将电信号和无线信号进行相互转换；

所述空中通信子系统安装于所述无人机本体，且所述空中通信子系统与所述飞行控制器通信连接。

进一步地，所述卷线盘驱动装置包括第一驱动电机、驱动带轮、从动带轮和传动带；

所述第一驱动电机的驱动端连接于所述驱动带轮，所述第一驱动电机用于驱动所述驱动带轮转动，所述第一驱动电机与所述电机驱动模块电联接；

所述从动带轮与所述卷线盘的转动轴连接，所述驱动带轮和所述从动带轮通过所述传动带传动连接。

进一步地，所述出线驱动装置包括第二驱动电机、驱动齿轮和两个出线齿轮；

所述第二驱动电机的驱动端连接有所述驱动齿轮，所述第二驱动电机用于驱动所述驱动齿轮转动，所述第二驱动电机与所述电机驱动模块电连接；

两所述出线齿轮水平并排设置，且所述线缆由两所述出线齿轮夹持，任一所述出线齿轮的齿轮部与所述驱动齿轮啮合，所述驱动齿轮的转动，带动任一所述出线齿轮的转动，实现对线缆的出线。

进一步地，所述的电机驱动模块采用FOC电机驱动模块，所述FOC电机驱动模块部署有FOC控制方法；

所述FOC控制方法包括分别对所述第一驱动电机和所述第二驱动电机的转速控制、电流控制以及转动方向的控制，同时预设了所述卷线盘的角速度的极限值；所述预设角速度的极限值取决于以下公式：

式中为预设的卷线盘的旋转角速度的最小速度值；为卷线盘绕满所述 线缆时的最大直径；为无人机竖直稳定运动的最小速度。

进一步地，当卷线盘的角速度达到预设的极限值时，所述第一驱动电机和第二驱动电机运转时按照阻尼公式所示关系配合工作，公式如下：

式中为所述卷线盘的转动惯量，随时间和线缆多少状态变化；是卷线盘的 角加速度；在出线时，F是第二驱动电机提供的拉动线缆的力；在收线时，F是第一驱动电机 提供的拉动线缆的力；为卷线盘的线缆的半径，随时间和线缆多少变化；在出线时，是第一驱动电机模拟的阻尼作用力；在收线时，是第二驱动电机模拟的阻尼作用 力；为无人机竖直方向运动速度，电机驱动模块驱动第二驱动电机使线缆跟随该速度放 出；为驱动带轮和从动带轮的传动比；在出线时，是第一驱动电机模拟阻尼系数；在收线 时，是第二驱动电机模拟阻尼系数。

进一步地，所述空中通信子系统包括摄像头模块、红外接收模块、无线通信模块和无线充电模块；

所述红外接收模块用于接收飞行控制器发出的红外信号；

所述无线通信模块用于将摄像头模块的摄像头的视频信号发送至上位机，同时接收上位机控制信号发送给飞行控制器；

所述无线充电模块用于通过无线方式给空中通信子系统充电；

无人机本体进入水下时，所述红外接收模块、摄像头模块和无线通信模块暂停工作。

进一步地，所述空中通信子系统采用防水灌封处理方式固定安装于无人机本体的机架。

进一步地，还包括水空传感器，所述水空传感器与所述线缆连接，并位与所述浮标条线的下方，所述水空传感器用于判断通信系统处于液体介质或空气介质中，所述水空传感器与飞行控制器电连接。

优选地，所述第一驱动电机和所述第二驱动电机均采用永磁同步电机，所述电机驱动模块通过CAN总线与所述飞行控制器连接；所述通信系统处于空气介质中时，所述电机驱动模块的下三桥全部导通，所述电机驱动模块的上三桥全部断开，所述水下通信子系统暂停工作。

一种水空两用无人机的通信系统的操作方法，应用于上述所述的一种水空两用无人机的通信系统，包括如下步骤：

（1）当无人机在空中飞行时，空中通信子系统工作，水下通信子系统休眠，空中通信子系统通过所述摄像头模块获取外界环境信息，并通过所述无线通信模块将视频信号发送给飞行控制器和上位机；

（2）当无人机进入水下航行时，飞行控制器根据所述水空传感器发出的信号自动判断所处介质改变，并发出控制信号，所述空中通信子系统接收飞行控制器发送的红外信号进入休眠，所述水下通信子系统开始工作；

（3）所述浮标天线与所述无人机本体通过线缆连接，通过所述线缆传输电源信号、视频信号和控制信号；同时将所述线缆传输的电信号和无线信号通过所述信号转换模块进行互相转换，实现飞行控制器与上位机的通信；所述电机驱动模块通过CAN总线与飞行控制器进行通信，接收到飞行控制器的数据后，驱动所述第一驱动电机和所述第二驱动电机旋转；

（4）对所述第一驱动电机预设最小转速，当所述卷线盘转速小于预设的速度值时，所述第一驱动电机驱动所述卷线盘加速转动；当所述卷线盘的转速达到预设的速度值时，改为控制驱动所述第一驱动电机的电流，控制输出扭矩；

（5）当无人机在水下下潜时，所述第一驱动电机与所述第二驱动电机配合工作；所述第二驱动电机的转速跟随无人机的运动速度；在所述卷线盘未达到预设旋转角速度时，所述第一驱动电机驱动所述卷线盘转动；在所述卷线盘转速达到预设速度后所述第一驱动电机模拟阻尼，避免所述卷线盘转动过度；

（6）当所述无人机在水下上升时，所述第一驱动电机和所述第二驱动电机配合工作；所述第一驱动电机跟随无人机的运动速度；在所述卷线盘未达到预设的角速度时，所述第二驱动电机保持跟随转动；在所述卷线盘达到预设速度后，所述第二驱动电机模拟阻尼作用，保持卷线盘到出线驱动装置之间的线缆张紧，避免线缆缠绕；

（7）当无人机从水下飞出水面进入到空中时，飞行控制器判断无人机所处介质改变并发送控制信号，所述空中通信子系统接收飞行控制器发送的红外信号进入工作，所述水下通信子系统进入休眠，完成工作模式切换。

本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

在水下工作时，通过电机驱动模块控制所述卷线盘驱动装置驱动所述卷线盘的转动，使缠绕于所述卷线盘上的线缆进行放线的同时所述电机驱动模块控制所述出线驱动装置将所述线缆的自由端放出，不会使线缆发生缠绕或混乱，所述线缆的自由端安装有所述浮标天线，所述浮标天线安装有所述信号转换模块进而实现飞行控制器和上位机的通信，通过线缆进行放线，可以实现更深的下潜深度，保证了水下时的通信距离，扩大了在水下工作时无人机的工作范围，从而解决现有技术中水空两用无人机的工作范围小、下潜深度浅、且线缆容易发生缠绕的问题。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的水下通信子系统的结构示意图。

图2是本发明的一个实施例的流程示意图。

图3是本发明的一个实施例的流程示意图。

图4是本发明的一个实施例的空中通信子系统的结构示意图。

图5是本发明的一个实施例的电机驱动模块的电路图。

其中：卷线盘1、线缆2、卷线盘驱动装置3、第一驱动电机31、驱动带轮32、从动带轮33、传动带34、浮标天线4、出线驱动装置5、第二驱动电机51、驱动齿轮52、出线齿轮53、水空传感器6。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，用于区别描述特征，无顺序之分，无轻重之分。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图1至图5并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

一种水空两用无人机的通信系统，包括无人机本体、水下通信子系统、空中通信子系统和飞行控制器；

所述水下通信子系统包括卷线盘1、线缆2、卷线盘驱动装置3、浮标天线4、出线驱动装置5、电机驱动模板和信号转换模块，所述卷线盘1、卷线盘驱动装置3和所述出线驱动装置5分别安装于所述无人机本体，所述线缆2的固定端与所述飞行控制器电联接，所述线缆2的自由端安装有所述浮标天线4，且所述线缆2卷绕于所述卷线盘1；

所述电机驱动模块与所述飞行控制器电联接，所述卷线盘驱动装置3和所述出线驱动装置5分别与所述电机驱动模块电联接，所述电机驱动模块用于控制所述卷线盘驱动装置3驱动所述卷线盘1的转动；所述出线驱动装置5位于所述卷线盘1和所述线缆2的自由端之间，所述电机驱动模块用于控制所述出线驱动装置5放出所述线缆2的自由端；所述浮标天线4安装有所述信号转换模块，所述信号转换模块与所述飞行控制器通过所述线缆电连接，所述信号转换模块用于与上位机通信连接，所述信号转换模块用于将电信号和无线信号进行相互转换；

所述空中通信子系统安装于所述无人机本体，且所述空中通信子系统与所述飞行控制器通信连接。

为了克服现有技术中水空两用无人机的工作范围小、工作距离短、下潜深度浅的问题，本发明提供了一种水空两用无人机的通信系统，如图1和图2所示，包括无人机本体、水下通信子系统、空中通信子系统和飞行控制器，水下通信子系统和空中通信子系统可以跟随无人机本体在空中飞行和进入水下工作，在空中时由空中通信子系统直接与外界进行无线通信；在水下工作时，所述电机驱动模块接收所述飞行控制器发出的指令，控制所述卷线盘驱动装置3驱动所述卷线盘1的转动，使缠绕于所述卷线盘1上的线缆2进行放线或收线；所述出线驱动装置5位于所述卷线盘1和所述线缆2的自由端之间，所述卷线盘1上的线缆2进行放线的同时所述电机驱动模块控制所述出线驱动装置5将所述线缆2的自由端放出，通过卷线盘驱动装置3和所述出线驱动装置5对线缆2一同控制实现放线，不会使线缆发生缠绕或混乱；进一步地，所述线缆2的自由端安装有所述浮标天线4，所述浮标天线4安装有所述信号转换模块，所述信号转换模块与所述飞行控制器通过所述线缆电连接，将线缆2传输的电信号和无线信号通过信号转换模块进行相互转换，所述信号转换模块将所述飞行控制器的电信号转换为无线信号，并发送给上位机，所述信号转换模块还可以接收上位机发送过来的无线信号，并转换为电信号，把转换后的电信号传输给飞行控制器，进而实现飞行控制器和上位机的通信，因此通过线缆2进行放线，可以实现更深的下潜深度，保证了水下时的通信距离，扩大了在水下工作时无人机的工作范围，从而解决现有技术中水空两用无人机的工作范围小、下潜深度浅且线缆容易发生缠绕的问题的问题。需要说明地是，所述线缆2包含多个线芯，分别传输控制信号（水/空）、视频信号（水下）和电源信号；所述信号转换模块安装在浮标天线4上，可以将电信号和无线信号进行相互转换，实现飞行控制器和上位机的通信。

在一可选实施例中，所述卷线盘驱动装置3包括第一驱动电机31、驱动带轮32、从动带轮33和传动带34；

所述第一驱动电机31的驱动端连接于所述驱动带轮32，所述第一驱动电机31用于驱动所述驱动带轮32转动，所述第一驱动电机31与所述电机驱动模块电联接；

所述从动带轮33与所述卷线盘1的转动轴连接，所述驱动带轮32和所述从动带轮33通过所述传动带34传动连接。

具体地，所述第一驱动电机31驱动所述驱动带轮32转动，所述驱动带轮32的转动通过所述传动带34带动所述从动带轮33转动，所述从动带轮33的转动带动所述卷线盘1旋转，所述卷线盘1的旋转使得所述线缆2进行放线或收线，结构简单，且通过电机驱动模块控制所述第一驱动电机31实现放线或收线。

在一可选实施例中，所述出线驱动装置5包括第二驱动电机51、驱动齿轮52和两个出线齿轮53；

所述第二驱动电机51的驱动端连接有所述驱动齿轮52，所述第二驱动电机用于驱动所述驱动齿轮52转动，所述第二驱动电机51与所述电机驱动模块电连接；

两所述出线齿轮53水平并排设置，且所述线缆2由两所述出线齿轮3夹持，任一所述出线齿轮53的齿轮部与所述驱动齿轮53啮合，所述驱动齿轮53的转动，带动任一所述出线齿轮3的转动，实现对线缆2的出线。

具体地，所述第二驱动电机51驱动所述驱动齿轮52转动，所述驱动齿轮52的转动带动一所述出线齿轮53转动，两所述出线齿轮53水平并排设置，且所述线缆2由两所述出线齿轮3夹持，一所述出线齿轮53的转动带动线缆2的移动，另一所述出线齿轮53随线缆2的移动转动，因此两个所述出线齿轮53进行相反方向的转动使得位于两所述出线齿轮53的出线部之间的线缆2实现出线，结构简单，且通过电机驱动模块控制所述第二驱动电机51实现精准出线避免线缆缠绕。

在一可选实施例中，所述的电机驱动模块采用FOC电机驱动模块，所述FOC电机驱动模块部署有FOC控制方法；

所述FOC控制方法包括分别对所述第一驱动电机31和所述第二驱动电机51的转速控制、电流控制以及转动方向的控制，同时预设了所述卷线盘1的角速度的极限值；所述预设角速度的极限值取决于以下公式：

式中为预设的卷线盘1的旋转角速度的最小速度值；为卷线盘1绕满所 述线缆2时的最大直径；为无人机竖直稳定运动的最小速度。

进一步地说明，当所述卷线盘1的旋转的角速度未达到预设的速度极限值时，FOC电机驱动模块驱动所述第一驱动电机31改变转速，使所述卷线盘1的转动角速度达到预设的值；当所述卷线盘1的旋转的角速度达到预设的极限值时，所述FOC电机驱动模块对所述第一驱动电机31的电流进行限制，控制驱动所述第一驱动电机31的输出扭矩，使所述第一驱动电机31模拟一个阻尼作用，以保持信号线张紧，避免所述线缆2由于运动过程中的摩擦或者外部作用而出现过于松弛或出线过多缠绕到其他机构上的现象。

其次，使用FOC控制方法对两个驱动电机进行控制，可以驱动第一驱动电机在低转速状态下运动，提高了第一驱动电机在低速运动下的控制精度，确保了对线缆的控制精度，具有低噪音、动态响应快速、无极调速等优点。

需要说明地是，无人机竖直稳定运动的最小速度是根据无人机的自身的类型进行确定，可通过飞行控制器上的传感器如加速度计，角速度计获取。

在一可选实施例中，当第一驱动电机31的转速达到预设的极限值时，所述第一驱动电机31和第二驱动电机51运转时按照阻尼公式所示关系配合工作，公式如下：

式中为所述卷线盘1的转动惯量，随时间和线缆多少状态变化；是卷线盘1 的角加速度；在出线时，F是第二驱动电机51提供的拉动线缆的力；在收线时，F是第一驱动 电机31提供的拉动线缆的力；为卷线盘1的线缆的半径，随时间和线缆多少变化；在出 线时，是第一驱动电机模拟的阻尼作用力；在收线时，是第二驱动电机模拟的阻尼 作用力；为无人机竖直方向运动速度，电机驱动模块驱动第二驱动电机51使线缆跟随该 速度放出；为驱动带轮32和从动带轮33的传动比；在出线时，是第一驱动电机模拟阻尼 系数；在收线时，是第二驱动电机模拟阻尼系数。

如图3所示，具体地，当第一驱动电机31的转速达到预设的极限值时，第一驱动电机31开始模拟阻尼作用，提供阻尼力,同时第二驱动电机51提供一个拉出线缆的力F，并且这个力F会根据卷线盘中剩余线缆的半径进行调整,使得卷线盘1和所述出线齿轮53之间的线缆处于拉紧的状态，避免当飞机急停时卷线盘继续转动过多，有效的避免了线缆的缠绕和拉扯问题，当无人机停止运动时，第二驱动电机51停止转动，第一驱动电机31模拟阻尼使卷线盘1停转。

在一可选实施例中，所述空中通信子系统包括摄像头模块、红外接收模块、无线通信模块和无线充电模块；

所述红外接收模块用于接收飞行控制器发出的红外信号；

所述无线通信模块用于将摄像头模块的摄像头的视频信号发送至上位机，同时接收上位机控制信号发送给飞行控制器；

所述无线充电模块用于通过无线方式给空中通信子系统充电；

无人机本体进入水下时，所述红外接收模块、摄像头模块和无线通信模块暂停工作。

如图4所示，所述空中通信子系统包括摄像头模块，红外接收模块、无线通信模块和无线充电模块；所述红外接收模块可以接收飞行控制器发出的红外信号，所述无线通信模块可以将摄像头的视频信号传输至上位机，同时接收上位机控制信号发送给飞行控制器；所述无线充电模块可以通过无线方式给空中通信子系统充电。在无人机进入水下时，水下通信子系统工作，空中通信子系统进入休眠模式，红外接收模块、摄像头模块和无线通信模块停止工作，实现水下/空中通信模式的切换。

在一可选实施例中，所述空中通信子系统采用防水灌封处理方式固定安装于无人机本体的机架。

进一步地说明，所述的空中通信子系统通过机架搭载在无人机本体的上方，并使用防水灌封胶做防水灌封处理，可以跟随无人机本体下潜到水下工作，保护通信系统的正常运行，且通过无线充电模块的设置，充电时不需要对做了防水灌封处理后的模块进行拆解即可实现无线充电，更加方便耐用，减少了拆装更换传感器的次数，使用更方便。

在一可选实施例中，还包括水空传感器6，所述水空传感器6与所述线缆2连接，并位与所述浮标条线4的下方，所述水空传感器6用于判断通信系统处于液体介质或空气介质中，所述水空传感器6与飞行控制器电连接。

进一步地说明，所述水空传感器6用于判断通信系统处于液体介质或空气介质中，并返回信号给飞行控制器，进而飞行控制器判断所述水下通信子系统和空中通信子系统的工作状态，完成水下/空中通信模式的切换。

在一可选实施例中，所述第一驱动电机31和所述第二驱动电机51均采用永磁同步电机，所述电机驱动模块通过CAN总线与所述飞行控制器连接；所述通信系统处于空气介质中时，所述电机驱动模块的下三桥全部导通，所述电机驱动模块的上三桥全部断开，所述水下通信子系统暂停工作。

值得说明地是，所述第一驱动电机31和第二驱动电机51选用永磁同步电机，且设置有霍尔传感器和减速箱，所述通信系统在空中通信子系统工作时，水下通信子系统进入休眠模式，如图5所示，飞行控制器接收到水空传感器6发出的空气介质的信号时，所述飞行控制器控制所述电机驱动模块，使得电机驱动模块下三桥全部导通，上三桥全部断开，将第一驱动电机31和第二驱动电机51的三相接地，此时由于三相电机的特性，会存在一个可以阻止电机转动的微小力矩，避免运动过程中电机转动导致线缆2缠绕或拉扯；此时，卷线盘由于电机微小力矩的作用被动锁定，无需电机驱动模块输出控制信号，节省电源电能。

具体的实施例中，电机驱动模块采用STM32G431作为主控制器，最大主频170MHz，带FPU（浮点运算单元）和DSP（数字信号处理单元），支持UART/SPI/CAN/IIC等多种接口协议，且电机驱动模块通过CAN总线与飞行控制器和上位机进行通信；同时支持ST官方的电机库，方便直接部署FOC算法；第一驱动电机和第二驱动电机选用3508无刷直流电机和2804无刷直流电机，调速范围广，可以在低速大功率条件下运行，且没有电刷造成损耗，同时带有霍尔传感器，可以反馈转速信息。

一种水空两用无人机的通信系统的操作方法，应用于上述所述的一种水空两用无人机的通信系统，包括如下步骤：

（1）当无人机在空中飞行时，空中通信子系统工作，水下通信子系统休眠，空中通信子系统通过所述摄像头模块获取外界环境信息，并通过所述无线通信模块将视频信号发送给飞行控制器和上位机；

（2）当无人机进入水下航行时，飞行控制器根据所述水空传感器6发出的信号自动判断所处介质改变，并发出控制信号，所述空中通信子系统接收飞行控制器发送的红外信号进入休眠，所述水下通信子系统开始工作；

（3）浮标天线4与无人机本体通过线缆2连接，通过线缆2传输电源信号、视频信号和控制信号；同时将所述线缆2传输的电信号和无线信号通过信号转换模块进行互相转换，实现飞行控制器与上位机的通信；电机驱动模块通过CAN总线与飞行控制器进行通信，接收到飞行控制器的数据后，驱动所述第一驱动电机31和所述第二驱动电机51旋转；

（4）对所述第一驱动电机31预设最小转速，当所述卷线盘1转速小于预设的速度值时，所述第一驱动电机31驱动所述卷线盘1加速转动；当所述卷线盘1的转速达到预设的速度值时，改为控制驱动所述第一驱动电机31的电流，控制输出扭矩；

（5）当无人机在水下下潜时，所述第一驱动电机31与所述第二驱动电机51配合工作；所述第二驱动电机51的转速跟随无人机的运动速度；在所述卷线盘1未达到预设旋转角速度时，所述第一驱动电机31驱动所述卷线盘1转动；在所述卷线盘1转速达到预设速度后所述第一驱动电机31模拟阻尼，避免所述卷线盘1转动过度；

（6）当所述无人机在水下上升时，所述第一驱动电机31和所述第二驱动电机51配合工作；所述第一驱动电机31跟随无人机的运动速度；在所述卷线盘1未达到预设的角速度时，所述第二驱动电机51保持跟随转动；在所述卷线盘1达到预设速度后，所述第二驱动电机51模拟阻尼作用，保持卷线盘1到出线驱动装置之间的线缆2张紧，避免线缆2缠绕；

（7）当无人机从水下飞出水面进入到空中时，飞行控制器判断无人机所处介质改变并发送控制信号，所述空中通信子系统接收飞行控制器发送的红外信号进入工作，所述水下通信子系统进入休眠，完成工作模式切换。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水空两用无人机的通信系统，其特征在于：包括无人机本体、水下通信子系统、空中通信子系统和飞行控制器；

所述水下通信子系统包括卷线盘、线缆、卷线盘驱动装置、浮标天线、出线驱动装置、电机驱动模块和信号转换模块，所述卷线盘、卷线盘驱动装置和所述出线驱动装置分别安装于所述无人机本体，所述线缆的固定端与所述飞行控制器电联接，所述线缆的自由端安装有所述浮标天线，且所述线缆卷绕于所述卷线盘；

所述电机驱动模块与所述飞行控制器电联接，所述卷线盘驱动装置和所述出线驱动装置分别与所述电机驱动模块电联接，所述电机驱动模块用于控制所述卷线盘驱动装置驱动所述卷线盘的转动；所述出线驱动装置位于所述卷线盘和所述线缆的自由端之间，所述电机驱动模块用于控制所述出线驱动装置放出所述线缆的自由端；所述浮标天线安装有所述信号转换模块，所述信号转换模块与所述飞行控制器通过所述线缆电连接，所述信号转换模块与上位机通信连接，所述信号转换模块将所述飞行控制器通过所述线缆传输的有线电信号转换为无线电信号，并发送给所述上位机，所述信号转换模块还可以接收所述上位机发送过来的无线电信号，并转换为有线电信号，把转换后的有线电信号通过所述线缆传输给所述飞行控制器；

所述空中通信子系统安装于所述无人机本体，且所述空中通信子系统与所述飞行控制器通信连接；

所述卷线盘驱动装置包括第一驱动电机、驱动带轮、从动带轮和传动带；

所述第一驱动电机的驱动端连接于所述驱动带轮，所述第一驱动电机用于驱动所述驱动带轮转动，所述第一驱动电机与所述电机驱动模块电联接；

所述从动带轮与所述卷线盘的转动轴连接，所述驱动带轮和所述从动带轮通过所述传动带传动连接；

所述出线驱动装置包括第二驱动电机、驱动齿轮和两个出线齿轮；

所述第二驱动电机的驱动端连接有所述驱动齿轮，所述第二驱动电机用于驱动所述驱动齿轮转动，所述第二驱动电机与所述电机驱动模块电连接；

两所述出线齿轮水平并排设置，且所述线缆由两所述出线齿轮夹持，任一所述出线齿轮的齿轮部与所述驱动齿轮啮合，所述驱动齿轮的转动，带动任一所述出线齿轮的转动，实现对线缆的出线；

所述的电机驱动模块采用FOC电机驱动模块，所述FOC电机驱动模块部署有FOC控制方法；

所述FOC控制方法包括分别对所述第一驱动电机和所述第二驱动电机的转速控制、电流控制以及转动方向的控制，同时预设了所述卷线盘的角速度的极限值；所述角速度的极限值取决于以下公式：

式中为预设的卷线盘的旋转角速度的最小速度值；/>为卷线盘绕满所述线缆时的最大直径；/>为无人机竖直稳定运动的最小速度；

当卷线盘的角速度达到预设的极限值时，所述第一驱动电机和第二驱动电机运转时按照阻尼公式所示关系配合工作，公式如下：

式中为所述卷线盘的转动惯量，随时间和线缆多少状态变化；/>是卷线盘的角加速度；在出线时，/>是第二驱动电机提供的拉动线缆的力；在收线时，/>是第一驱动电机提供的拉动线缆的力；/>为卷线盘的线缆的半径，随时间和线缆多少变化；在出线时，/>是第一驱动电机模拟的阻尼作用力；在收线时，/>是第二驱动电机模拟的阻尼作用力；/>为无人机竖直方向运动速度，电机驱动模块驱动第二驱动电机使线缆跟随该速度放出；/>为驱动带轮和从动带轮的传动比；在出线时，/>是第一驱动电机模拟阻尼系数；在收线时，/>是第二驱动电机模拟阻尼系数。

2.根据权利要求1所述的一种水空两用无人机的通信系统，其特征在于：所述空中通信子系统包括摄像头模块、红外接收模块、无线通信模块和无线充电模块；

所述红外接收模块用于接收飞行控制器发出的红外信号；

所述无线通信模块用于将摄像头模块的摄像头的视频信号发送至上位机，同时接收上位机控制信号发送给飞行控制器；

所述无线充电模块用于通过无线方式给空中通信子系统充电；

无人机本体进入水下时，所述红外接收模块、摄像头模块和无线通信模块暂停工作。

3.根据权利要求2所述的一种水空两用无人机的通信系统，其特征在于：所述空中通信子系统采用防水灌封处理方式固定安装于无人机本体的机架。

4.根据权利要求2所述的一种水空两用无人机的通信系统，其特征在于：还包括水空传感器，所述水空传感器与所述线缆连接，并位于所述浮标天线的下方，所述水空传感器用于判断通信系统处于液体介质或空气介质中，所述水空传感器与飞行控制器电连接。

5.根据权利要求2所述的一种水空两用无人机的通信系统，其特征在于：所述第一驱动电机和所述第二驱动电机均采用永磁同步电机，所述电机驱动模块通过CAN总线与所述飞行控制器连接；所述通信系统处于空气介质中时，所述电机驱动模块的下三桥全部导通，所述电机驱动模块的上三桥全部断开，所述水下通信子系统暂停工作。

6.一种水空两用无人机的通信系统的操作方法，其特征在于：应用于如权利要求2至5任意一项所述的一种水空两用无人机的通信系统，包括如下步骤：

（1）当无人机在空中飞行时，空中通信子系统工作，水下通信子系统休眠，空中通信子系统通过所述摄像头模块获取外界环境信息，并通过所述无线通信模块将视频信号发送给飞行控制器和上位机；

（2）当无人机进入水下航行时，飞行控制器根据所述水空传感器发出的信号自动判断所处介质改变，并发出控制信号，所述空中通信子系统接收飞行控制器发送的红外信号进入休眠，所述水下通信子系统开始工作；

（3）所述浮标天线与所述无人机本体通过线缆连接，通过所述线缆传输电源信号、视频信号和控制信号；同时所述信号转换模块将所述飞行控制器通过所述线缆传输的有线电信号转换为无线电信号，并发送给所述上位机，所述信号转换模块还可以接收所述上位机发送过来的无线电信号，并转换为有线电信号，把转换后的有线电信号通过所述线缆传输给所述飞行控制器；所述电机驱动模块通过CAN总线与飞行控制器进行通信，接收到飞行控制器的数据后，驱动所述第一驱动电机和所述第二驱动电机旋转；

（4）对所述第一驱动电机预设最小转速，当所述卷线盘转速小于预设的速度值时，所述第一驱动电机驱动所述卷线盘加速转动；当所述卷线盘的转速达到预设的速度值时，改为控制驱动所述第一驱动电机的电流，控制输出扭矩；

（5）当无人机在水下下潜时，所述第一驱动电机与所述第二驱动电机配合工作；所述第二驱动电机的转速跟随无人机的运动速度；在所述卷线盘未达到所述角速度的极限值时，所述第一驱动电机驱动所述卷线盘转动；在所述卷线盘转速达到所述角速度的极限值后所述第一驱动电机模拟阻尼，避免所述卷线盘转动过度；

（6）当所述无人机在水下上升时，所述第一驱动电机和所述第二驱动电机配合工作；所述第一驱动电机的转速跟随无人机的运动速度；在所述卷线盘未达到所述角速度的极限值时，所述第二驱动电机保持跟随转动；在所述卷线盘达到所述角速度的极限值后，所述第二驱动电机模拟阻尼作用，保持卷线盘到出线驱动装置之间的线缆张紧，避免线缆缠绕；

（7）当无人机从水下飞出水面进入到空中时，飞行控制器判断无人机所处介质改变并发送控制信号，所述空中通信子系统接收飞行控制器发送的红外信号进入工作，所述水下通信子系统进入休眠，完成工作模式切换。