CN117103919A - 一种水空两栖双体船及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水空两栖双体船及其控制方法，包括两个船体，两个船体之间通过铰接装置连接，每个所述船体的前后均分布有竖直方向的贯穿船体的涵道扇，所述船体的夹板上设有航向方向的涵道扇，其中：所述水空两栖双体船配备有传感器，所述传感器用于感知环境信息和获取船体的姿态数据；所述水空两栖双体船设有主动漂浮模式和被动漂浮模式。通过使用本发明，能够根据用户需求实现控制模式的转换以及两栖状态的切换，使其适用性更加广泛。本发明可广泛应用于水陆两栖设备领域。

Description

一种水空两栖双体船及其控制方法

技术领域

本发明涉及水陆两栖设备领域，尤其涉及一种水空两栖双体船及其控制方法。

背景技术

湖泊作为重要的资源，具有诸多作用，如：调节河流、农业灌溉、繁衍生物、改善生态环境等作用，在发展经济中发挥着重要的作用。进一步地，发展水面上航行的设备也就有着重大意义。例如，无人船在湖泊区的数据检测的应用。

双体船具有航速快、稳定性好的优点，已被广泛应用于湖泊数据检测、监控等领域中，但是，现有的无人双体船方案基本只具有水面航行能力，在无人化应用中在投放、回收和转移工作中存在困难。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有无人双体船中不具备两栖的功能，没有配备一种平稳过渡不同状态的控制方法的技术问题，本发明提出一种水空两栖双体船，包括两个船体，两个船体之间通过铰接装置连接，每个所述船体的前后均分布有竖直方向的贯穿船体的涵道扇，所述船体的夹板上设有航向方向的涵道扇，其中：

所述水空两栖双体船配备有传感器，所述传感器用于感知环境信息和获取船体的姿态数据；

所述水空两栖双体船设有主动漂浮模式和被动漂浮模式。

在一些实施例中，所述水空两栖双体船的姿态控制过程如下：

获取船体与水平面的实际夹角数据；

根据实际夹角数据和目标夹角数据，控制船体前后的涵道扇的工作。

在一些实施例中，所述根据实际夹角数据和目标夹角数据，控制船体前后的涵道扇的工作这一步骤，其具体包括：

根据实际夹角数据和目标夹角数据计算误差值；

将误差值输入至PID控制器，结合可调系数生成船体前后的涵道扇对应电机的输出功率；

根据输出功率计算PWM信号的占空比值；

根据PWM信号调节电机输出，控制船体前后的涵道扇的工作，进而控制船体趋于目标夹角。

在一些实施例中，还包括：

所述被动漂浮模式，通过船体前后的竖直方向的涵道扇进行姿态控制；

所述主动漂浮模式，利用船体前后的竖直方向的涵道扇产生的气流在船体与水体间产生气流层，基于气流层的表面效应进行低阻力航行；通过船体夹板上的航向方向的涵道扇进行转向控制。

在一些实施例中，所述主动漂浮模式中：

设定第一气压阈值、第二气压阈值和第三气压阈值；

通过竖直方向的涵道扇下方的气压传感器进行实时气压采集；

控制竖直方向的涵道扇加速工作，直至实时气压超出第一气压阈值；

当实时气压超出第一气压阈值后，通过竖直方向的涵道扇的控制进行姿态调整，直至实时气压低于第二气压阈值；

当实时气压低于第二气压阈值后，以第三气压阈值对应的PID目标，维持竖直方向的涵道扇的工作状态。

在一些实施例中，所述水空两栖双体船的模式切换过程如下：

主动漂浮模式切换至被动漂浮模式，停止航向方向的涵道扇的工作，通过竖直方向的涵道扇的差速工作以限制船体的抬头幅度；

被动漂浮模式切换至主动漂浮模式，控制竖直方向的涵道扇的工作，产生气流层并实时调整姿态。

在一些实施例中，所述水空两栖双体船空中飞行的控制过程如下：

通过航向方向的涵道扇进行水平推进；

通过竖直方向的涵道扇进行推力补偿，并稳定船体的姿态。

在一些实施例中，所述水空两栖双体船水空状态切换过程如下：

水面航行切换至空中飞行，通过竖直方向的涵道扇控制船体稳定于同一水平面，稳定预设时间后控制竖直方向的涵道扇加速，将船体拉高至预设高度；

空中飞行切换至水面航行，停止航向方向的涵道扇工作，控制竖直方向的涵道扇减速使船体迫近水面，当气压传感器采集到的数据超出预设阈值，转为主动漂浮模式。

基于上述方案，本发明提供了一种水空两栖双体船及其控制方法，设有主动漂浮模式和被动漂浮模式，在主动模式中，利用表面效应大大减小航行阻力实现更大的航行速度，在被动模式中，利用浮力减少能源消耗；同时配备对应的姿态控制方法、模式切换方法和状态切换方法，以实现跨界质的设备投放、回收，或者在多片水域间进行跨越。

附图说明

图1是本发明水空两栖双体船的结构示意图；

图2是本发明具体实施例姿态控制的数据流向示意图；

图3是本发明具体实施例主动漂浮模式的气压变化示意图；

图4是是本发明具体实施例空中飞行的受力示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应当理解，本申请中使用的“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换该词语。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。以下术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，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。

另外，本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

参照图1，为本发明提出的水空两栖双体船的结构示意图，总体为一双体船造型，两船体间有铰接装置，两船体间可一定幅度的沿中轴旋转，单体上分布前后两竖直方向的贯穿船体的涵道扇，甲板上固定有航向方向的推进涵道扇，两船体对称。中间铰接装置上安装有视觉传感器、激光雷达等传感器，两个船体都搭载了电子陀螺仪等传感器可监控单个船体的姿态数据，以及电机后级都安装有气压传感器用于监测螺旋桨后的空气流速。

将两个船体设为左船体和右船体，以右船体前区域的涵道扇对应的电机设为第一电机，以右船体后区域的涵道扇对应的电机设为第二电机，以左船体前区域的涵道扇对应的电机设为第三电机，以左船体后区域的涵道扇对应的电机设为第四电机，以右船体中部区域的推进涵道扇对应的电机设为第五电机，以右船体中部区域的推进涵道扇对应的电机设为第六电机。

在上述船体结构的基础上，水空两栖双体船设有主动漂浮模式和被动漂浮模式：

(1)主动漂浮模式：

主动漂浮即通过第一电机、第二电机、第三电机和第四电机向下吹气，使机体与水体间形成一层气流层，形成类似气垫船的表面效应。此时具有吃水浅，阻力小的特点，适合高速航行。

1号电机对应第一电机，以此类推，主动漂浮状态下，机体利用1，2，3，4号风扇产生的气流在机体与水体间产生的气流层所造成表面效应，能达到在水面以较低阻力航行的状态，以达到在水面高速航行的目的。

主要通过控制气流层的气压值、机体的姿态、前进推力来实现，实现方法如下：

气压值原始数据由1至4号电机涵道下方防水的气压传感器采集，在气流层的形成过程中主要经过以下几个过程，首先是电机开始启动，此时气流尚未突破水体，类似于一个盲管，此时气压值随电机加速而上升，涵道管内液位逐渐下降，机体慢慢上浮；到一个阈值，气流突破水体，沿机体外壁出水，形成气流层，这一瞬间涵道内会瞬间泄压，气压值急剧下降，此时气流层形成不稳定，气流会断断续续，造成剧烈颠簸；然后随电机速度继续上升，气流层趋于稳定，气压值会慢慢上升，此时机体会处于比较稳定的漂浮状态，此时就是理想的工作状态。

要达到理想的工作状态的实现方法如下，如图3所示，由于原始气压数据经历了先上升再急剧下降最后缓慢上升的过程，故通过三个阈值来进行判断，分别为一个高气压值P1、一个低气压值P2和稳定工作的气压值P3。如下示意图，首先利用状态机逻辑，当气压值高于P1后，观察与P2的关系，当气压值低于P2后，即可以利用PID算法对电机功率进行控制，在这整个过程中，我们不必关注电机功率，只需观测气压值的数据，最后以P3为PID的目标值即可进入稳定的工作状态。

其中，阈值选取由多次实验选定。

进一步地，前进推力的控制：

硬件上主要依靠第5、6号电机完成前进、后退、转向等动作。

差速转向，通过第5、6号电机以相应方向进行反向运转，以达到水平面上进行差速转向的目的，该过程中以飞控上集成的磁罗盘为偏航角度传感器，利用PID算法对转向过程进行控制。指令可通过设定绝对值，以地理坐标系上的对应角度值为目标值进行转向控制；也可设定相对值，以当前角度为参考点进行转向控制；亦可通过遥感直接进行遥控。

前进后退，由于机体的头部、尾部无明显的结构差异，故可视为一种情况进行分析，以前进的控制为例，以第5、6号电机为动力，以相同推力进行前进运动，过程中通过角度传感器进行偏移误差的修正。由于不具备汽车那样的轮式里程计，故里程计数据需要通过GPS/北斗定位提供。

(2)被动漂浮模式：

被动漂浮即机体处于无动力时，依靠自身浮力漂浮于水面上，即和普通船只相同。此时吃水较深，但不消耗额外能源，船体在一定幅度内像一片布一样漂浮在水面上。

当机体处于被动漂浮模式时，此时1、2、3、4号电机不用于漂浮，用于姿态稳定，通过机载陀螺仪得到与水平面交角，当机体倾斜超过±15°时，就行限幅，防止倾覆。

进一步地，水平通过5、6号电机进行，可由5、6号电机差速运转完成转向。

在上述船体结构的基础上，水空两栖双体船的姿态控制具体如下：

参照图2，机体可通过机载陀螺仪获得机体与水平面夹角数据设定目标夹角为通过期望值与实测值的差值得误差值/>输入误差值e至PID控制器得出一无具体意义的输出值o，输出值o乘以一可调系数α得到电机的具体功率，将功率值换算成电机驱动电路输出对应功率时的PWM信号的占空比值，然后控制器输出该PWM信号至电机驱动电路，进而控制电机输出，使机体趋于相应目标夹角/>(功率值转换为对应PWM信号的方法与电机驱动电路相关，通过驱动电路的相关属性查表或实验得出)

输出o影响电机输出的具体方式如下，以机体抬头方向为正方向，当机体需朝抬头方向旋转时，误差值e为正数，输出值o也为正数，当机体需朝低头方向旋转时，误差值e为负数，输出值o也为负数，下面称机体前部电机(如1、3号电机)功率为P前，称机体尾部电机(如2、4号电机)功率为P后，有：

P,_前＝αo+P_前

P,_后＝-αo+P_后

其中P,_前、P,_后为前、后电机的总功率，αo为可调参数α与输出值o的乘积，表示姿态调整部分的功率分量，P_前、P_后表示其余部分的电机功率分量。

双体船间铰接部分不具备主动控制功能。而双体船起飞时需保证两船体于同一平面上，故需此控制方法来完成双体间的姿态控制。

考察单一船体时，可视船体为一绕铰接点为旋转轴的旋转体，而机体上两竖直电机(第1、2、3、4电机)可通过一定差速形成绕转轴的扭矩，进而调节单机体姿态。

在上述船体结构的基础上，水空两栖双体船的模式切换的控制方法如下：

最基本的静止时切换至主动/被动模式再运动。

主动高速至被动，紧急刹车，水平电机停机，机体因迎浪产生一抬头的扭矩，类似于快艇的抬头，这是一个被动的过程，可能导致船体倾覆，此时需要通过1、2、3、4号电机的差速工作来限制抬头幅度。

被动至主动高速，船于被动模式时已以一定航速航行时，先利用双体姿态控制中介绍的方法，使被动模式中较为松散的姿态控制转变为主动模式中较为严格的姿态控制，使机体保持同一水平面，随后1、2、3、4号电机加力，使机体形成表面效应，进入主动模式。

在上述船体结构的基础上，水空两栖双体船的空中飞行的控制方法如下：

空中飞行时，机体姿态类似于四旋翼无人机，但控制与运动有着本质不同。此时两机体保持在同一平面上，四旋翼是通过一定俯角形成的前向速度分量来前进的，而本发明采用水平推进电机(5、6号电机)进行航向推进，由于推进器高于质心，会产生使机体低头的扭矩，故需要1、2、3、4号电机稳定姿态，补偿5、6号电机推力在俯仰方向的分量，控制方法如下：

参照图4，设推进电机力矩为L_a，产生推力为F_a；单个竖直方向电机(1、2、3、4号电机)力矩为L_b，产生推力为F_b；机体与水平面交角α。在恒定推力时，使用PID算法难以使机体处于水平状态，故需一个以水平推力为参考的恒定的补偿。得以下关系式：

2F_bL_b＝F_aL_a

由上式可竖直电机的补偿推力。在实际工作中，不可能靠一个恒定的补偿来稳定姿态，仍需根据机体姿态角度通过PID算法来补偿。

在上述船体结构的基础上，水空两栖双体船的水空状态切换过程如下：

(1)水至空：姿态切换前先通过1、2、3、4号电机使机体稳定于同一水平面，控制方法同三、双体姿态控制。稳定3至5秒后，1、2、3、4号电机加力使机体拉高至1米左右，即可转为空中飞行模式。

(2)空至水：姿态切换前，水平推进电机停止工作，然后迫近水面至半米高度，随后缓慢下降高度，通过电机后级安装的气压传感器来感应水面，当机体几乎贴合水面时，气压会急剧上升，当气压到达某一阈值时，可视为已浮于水面上，随后电机输出调节至主动漂浮模式。

通过上述水空两栖双体船的结构以及配备的控制方法，实现了：利用表面效应大大减小航行阻力实现更大的航行速度；可通过两栖能力实现更强的越障能力，完成如跨界质的设备投放、回收，或者在多片水域间进行跨越。机体可在一定幅度内贴合水面起伏，使机载传感器在水面存在波浪时更稳定，不会随浪激烈颠簸。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种水空两栖双体船，其特征在于，包括两个船体，两个船体之间通过铰接装置连接，每个所述船体的前后均分布有竖直方向的贯穿船体的涵道扇，所述船体的夹板上设有航向方向的涵道扇，其中：

所述水空两栖双体船配备有传感器，所述传感器用于感知环境信息和获取船体的姿态数据；

所述水空两栖双体船设有主动漂浮模式和被动漂浮模式。

2.根据权利要求1所述一种水空两栖双体船，其特征在于，姿态控制过程如下：

获取船体与水平面的实际夹角数据；

根据实际夹角数据和目标夹角数据，控制船体前后的涵道扇的工作。

3.根据权利要求2所述一种水空两栖双体船，其特征在于，所述根据实际夹角数据和目标夹角数据，控制船体前后的涵道扇的工作这一步骤，其具体包括：

根据实际夹角数据和目标夹角数据计算误差值；

将误差值输入至PID控制器，结合可调系数生成船体前后的涵道扇对应电机的输出功率；

根据输出功率计算PWM信号的占空比值；

根据PWM信号调节电机输出，控制船体前后的涵道扇的工作，进而控制船体趋于目标夹角。

4.根据权利要求1所述一种水空两栖双体船，其特征在于：

所述被动漂浮模式，通过船体前后的竖直方向的涵道扇进行姿态控制；

所述主动漂浮模式，利用船体前后的竖直方向的涵道扇产生的气流在船体与水体间产生气流层，基于气流层的表面效应进行低阻力航行；通过船体夹板上的航向方向的涵道扇进行转向控制。

5.根据权利要求4所述一种水空两栖双体船，其特征在于，所述主动漂浮模式中：

设定第一气压阈值、第二气压阈值和第三气压阈值；

通过竖直方向的涵道扇下方的气压传感器进行实时气压采集；

控制竖直方向的涵道扇加速工作，直至实时气压超出第一气压阈值；

当实时气压超出第一气压阈值后，通过竖直方向的涵道扇的控制进行姿态调整，直至实时气压低于第二气压阈值；

当实时气压低于第二气压阈值后，以第三气压阈值对应的PID目标，维持竖直方向的涵道扇的工作状态。

6.根据权利要求5所述一种水空两栖双体船，其特征在于，模式切换过程如下：

主动漂浮模式切换至被动漂浮模式，停止航向方向的涵道扇的工作，通过竖直方向的涵道扇的差速工作以限制船体的抬头幅度；

被动漂浮模式切换至主动漂浮模式，控制竖直方向的涵道扇的工作，产生气流层并实时调整姿态。

7.根据权利要求1所述一种水空两栖双体船，其特征在于，空中飞行的控制过程如下：

通过航向方向的涵道扇进行水平推进；

通过竖直方向的涵道扇进行推力补偿，并稳定船体的姿态。

8.根据权利要求4所述一种水空两栖双体船，其特征在于，水空状态切换过程如下：

水面航行切换至空中飞行，通过竖直方向的涵道扇控制船体稳定于同一水平面，稳定预设时间后控制竖直方向的涵道扇加速，将船体拉高至预设高度；

空中飞行切换至水面航行，停止航向方向的涵道扇工作，控制竖直方向的涵道扇减速使船体迫近水面，当气压传感器采集到的数据超出预设阈值，转为主动漂浮模式。