CN117416507B - 入水降载装置及仿生跨介质飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及跨介质飞行器技术领域，公开一种入水降载装置和包含其的仿生跨介质飞行器。入水降载装置包括摆动驱动机构和动作执行机构，摆动驱动机构设有第一旋转支点和输出端，动作执行机构设有第二旋转支点，摆动驱动机构的输出端与动作执行机构铰接形成铰接点，摆动驱动机构通过改变第一旋转支点和铰接点的距离从而使动作执行机构能够绕第二旋转支点摆动。仿生跨介质飞行器包括机身和前述的入水降载装置，机身的底部设有收放槽；摆动驱动机构和动作执行机构固定设置于机身的内部，动作执行机构通过收放槽伸出至水面或缩进机身内。本发明可以提升飞行器入水时的稳定性，从而可以高效、快速地在水上降落。

Description

入水降载装置及仿生跨介质飞行器

技术领域

本发明涉及跨介质飞行器技术领域，具体涉及一种入水降载装置和设有该输入降载装置的仿生跨介质飞行器。

背景技术

跨介质飞行器是一种可在空中与水中两栖巡航并能自由穿越水气界面的一种新型航行器。跨介质飞行器兼具传统无人机的高机动性及水上无人机的快速部署能力和水下航行器的高隐蔽性，具有传统无人机无法比拟的优势。在军事领域，跨介质飞行器能够作为跨介质武器、信息交互平台和侦察预警设备等。在民用领域，跨介质飞行器可广泛用于海上搜救、水质检测、水下生物观测和气象预报等任务。

跨介质飞行器主要有三种入水方式，滑落式入水、冲击入水和软着陆。滑落式入水模拟水上飞机的滑行和潜艇的潜水。冲击入水式飞行器从高处垂直冲向水面，这种方式的缺陷是冲击载荷较大，对头部容易造成损失且入水后需要进行大迎角的姿态调节。软着陆方式飞行器通常是多旋翼布局，它通过降低多旋翼的转速平稳地着陆到水面上，这种方式的缺陷是着陆速度较慢，多旋翼的能耗较高。

滑落入水是跨介质飞行器最为常用的入水方式，得益于水上飞机技术的成熟，这种入水方式被广泛应用于现有的跨介质飞行器上。目前采用滑落入水方式的飞行器在布局上，主要为船身式或浮筒式两大类，前者是将机身下部设计成船底形状（俗称“飞艇”），后者是在机身或机翼下安装1～3个舟形浮筒。但这两种布局不适于高速飞行，且结构笨重，对抗浪性能要求较高，维修和制造成本也较高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种入水降载装置和一种仿生跨介质飞行器。

第一方面，本发明提供一种入水降载装置，适用于跨介质飞行器从空中进入水中的过程，入水降载装置包括摆动驱动机构和动作执行机构。摆动驱动机构设有第一旋转支点和输出端，动作执行机构设有第二旋转支点。摆动驱动机构的输出端与动作执行机构铰接形成铰接点。摆动驱动机构通过改变第一旋转支点和铰接点的距离从而使动作执行机构能够绕第二旋转支点摆动。

在一些实施方式中，摆动驱动机构包括曲柄和连杆，第一旋转支点设置于曲柄的一端，曲柄的另一端与连杆的一端铰接，连杆的另一端为摆动驱动机构的输出端。曲柄绕第一旋转支点旋转从而带动动作执行机构摆动。

在一些实施方式中，摆动驱动机构还包括电动机、第一齿轮和第二齿轮。电动机与第一齿轮连接，第二齿轮与第一齿轮啮合，第二齿轮的转速慢于第一齿轮的转速。曲柄的一端连接至第二齿轮的轴心，曲柄和第二齿轮同轴转动，第二齿轮的轴心为第一旋转支点。优选地，电动机的转动速度是可调节的，动作执行机构的摆动频率随电动机的转动速度的调节而被调节。

在一些实施方式中，摆动驱动机构为直线伸缩机构，该直线伸缩机构具有纵向延伸的直线伸缩主体和伸缩杆，伸缩杆可相对直线伸缩主体纵向移动，直线伸缩主体设有第一旋转支点，伸缩杆具有自由端，该自由端为摆动驱动机构的输出端。

具体地，动作执行机构包括执行主体和起落架，第二旋转支点设置于执行主体上，摆动驱动机构的输出端与执行主体铰接，起落架可伸缩或可折叠地连接至执行主体。动作执行机构具有收缩状态和伸展状态。当入水降载装置处于非工作状态时，动作执行机构处于收缩状态，起落架的伸出端靠近执行主体。当入水降载装置处于工作状态时，动作执行机构处于伸展状态，起落架的伸出端远离执行主体。

优选地，起落架可伸缩地连接至执行主体，第二旋转支点位于执行主体的远离水面的一端，铰接点位于执行主体的中部。优选地，起落架的伸出端设有起落架头部，起落架头部的端面面积大于起落架的伸出端的端面面积。

第二方面，本发明提供一种仿生跨介质飞行器，包括机身和上述第一方面的入水降载装置，机身的底部设有收放槽。摆动驱动机构固定设置于机身的内部，动作执行机构的执行主体可转动的连接至机身，动作执行机构可通过收放槽伸出至水面或缩进机身内。进一步地，收放槽呈方形，收放槽沿机身的长度方向的长度大于或等于动作执行机构的摆动幅程。

本发明的特点及优点包括：

本发明参考天鹅入水过程进行仿生学设计，在降落过程动作执行机构（天鹅的足蹼）可以在水面摆动拍打，足蹼和水面的相互作用降低了机体接触水面时的冲击力，提升了入水时的稳定性，从而可以高效、快速地在水上降落。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明的仿生跨介质飞行器的示意图，其中的入水降载装置处于非工作状态；

图2示出了图1中的入水降载装置的立体示意图，其中动作执行机构处于收缩状态；

图3示出了本发明的入水降载装置的立体示意图，其中动作执行机构处于伸展状态；

图4~图7示出了本发明的入水降载装置处于工作状态时，动作执行机构的不同“拍打状态”的示意图。

附图标记说明：

100-飞行器，20-入水降载装置，30-机身，31-收放槽；

210-摆动驱动机构，211-电动机，212-第一齿轮，213-第二齿轮，214-曲柄，215-连杆，216-第一旋转支点；

220-动作执行机构，221-执行主体，223-第二旋转支点，224-起落架，225-起落架头部；

202-铰接点。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。

本发明参考天鹅入水过程进行仿生学设计，提供一种能够模仿天鹅入水过程的入水降载装置20，该入水降载装置20成为本发明的仿生跨介质飞行器100的一个组成部分。当飞行器100在空中或水下航行时，入水降载装置20处于非工作状态；当飞行器100在从空中进入水下的过程中时，入水降载装置20处于工作状态，可有效降低飞行器100的机体接触水面时的冲击力，提升其入水时的稳定性，从而高效、快速地进入水里。

本发明的入水降载装置20适用于跨介质飞行器从空中进入水中的过程，具有非工作状态（参考图1、图2）和工作状态（参考图3~图7）。参考图2，入水降载装置20包括摆动驱动机构210和动作执行机构220。摆动驱动机构210设有第一旋转支点216和输出端。动作执行机构220设有第二旋转支点223，摆动驱动机构210的输出端与动作执行机构220铰接形成铰接点202，摆动驱动机构210通过改变第一旋转支点216和铰接点202的距离从而使动作执行机构220能够绕第二旋转支点223摆动。

在一些实施例中，摆动驱动机构210具体为第一直线伸缩机构（图中未示出），第一直线伸缩机构具有纵向延伸的直线伸缩主体和伸缩杆，伸缩杆可相对直线伸缩主体纵向移动。直线伸缩主体设有第一旋转支点，伸缩杆相对直线伸缩主体纵向移动时，第一直线伸缩机构绕第一旋转支点旋转。伸缩杆具有自由端，伸缩杆的自由端为摆动驱动机构210的输出端。伸缩杆具有两端，伸缩杆的一端与直线伸缩主体耦接，伸缩杆的另一端为自由端，该端与动作执行机构220耦接。更具体地，第一直线伸缩机构可以是伸缩式液压缸、伸缩式气压缸、电动推杆、直线舵机、直线电机等能实现直线往复运动的伸缩机构。

在另一些实施方式中，参见图2、图3，摆动驱动机构210包括曲柄214和连杆215。曲柄214的一端设有第一旋转支点216，曲柄214的另一端与连杆215的一端铰接。其中，连杆215的另一端与动作执行机构220铰接形成铰接点202，即连杆215的另一端为摆动驱动机构210的输出端。曲柄214绕第一旋转支点216旋转，从而带动连杆215运动，继而带动动作执行机构220摆动，摆动过程中第一旋转支点216和铰接点202之间的距离改变。

摆动驱动机构210包括电动机211，电动机211的输出轴耦接至曲柄214，使曲柄214绕第一旋转支点216旋转。优选地，电动机211的转动速度可调节，进而调节动作执行机构220的摆动频率。例如通过飞行器的控制系统提高电动机211的转动速度，可提高动作执行机构220（例如起落架224）的摆动频率。

在一些实施例中，电动机211的输出轴直接连接至曲柄214，例如，电动机211的输出轴与曲柄214固定连接，曲柄214与电动机211的输出轴同步转动。此时，摆动驱动机构210的第一旋转支点216为电动机211的输出轴的轴线上的点。

在另一些实施例中，继续参见图2、图3，电动机211的输出轴间接连接至曲柄214。具体地，摆动驱动机构210包括第一齿轮212和第二齿轮213，电动机211的输出轴与第一齿轮212连接，第二齿轮213与第一齿轮212啮合。第一齿轮212与电动机211的输出轴同步转动。第二齿轮213的转速慢于第一齿轮212的转速，即，第二齿轮213为减速齿轮。具体地，第二齿轮213的半径大于第一齿轮212的半径。曲柄214的一端连接至第二齿轮213的轴心，曲柄214的另一端连接至第二齿轮213的转盘上，曲柄214和第二齿轮213同轴转动。此时，摆动驱动机构210的第一旋转支点216为第二齿轮213的轴心。通过设置第一齿轮212和第二齿轮213，有利于增加作用至曲柄214的力矩。

在一些实施方式中，继续参见图2、图3，动作执行机构220包括执行主体221和起落架224，起落架224可伸缩地连接至执行主体221。执行主体221上设有第二旋转支点223，摆动驱动机构210的输出端（例如，伸缩杆的自由端或连杆215的远离曲柄214的一端）与执行主体221铰接。优选地，第二旋转支点223位于执行主体221的远离水面的一端，铰接点202位于执行主体221的中部。

动作执行机构220具有收缩状态和伸展状态，起落架224具有伸出端。当动作执行机构220处于收缩状态时，起落架224缩回至执行主体221，起落架224的伸出端靠近执行主体221。当动作执行机构220处于伸展状态时，起落架224伸展出执行主体221，起落架224的伸出端远离执行主体221。当飞行器100准备入水但还未入水时，首先控制起落架224伸展出执行主体221，即动作执行机构220进入伸展状态。当入水降载装置20处于非工作状态时，起落架224缩回至执行主体221，即动作执行机构220进入收缩状态。当飞行器在空中或水下航行时，动作执行机构220进入收缩状态，这样可减小起落架224暴露在外部的面积，有利于降低飞行器的航行阻力，提升其续航性能。

具体地，起落架224可直线伸缩或弧线伸缩地连接至执行主体221。优选地，起落架224可直线伸缩地连接至执行主体221，此时，执行主体221和起落架224构成直线伸缩机构。更具体地，该直线伸缩机构可以是伸缩式液压缸、伸缩式气压缸、电动推杆、直线舵机、直线电机等。

可替代的，在一些实施例中，起落架224可折叠地连接至执行主体221。当动作执行机构220处于收缩状态时，起落架224折叠至紧挨执行主体221，起落架224的伸出端靠近执行主体221。当动作执行机构220处于伸展状态时，起落架224伸展出执行主体221，起落架224的伸出端远离执行主体221。具体地，起落架224和执行主体221的折叠方式可参考现有技术中的飞机起落架的折叠方式。动作执行机构220包括第二直线伸缩机构，起落架224和第二直线伸缩机构可转动地固定至执行主体221，第二直线伸缩机构的自由端固定至起落架224，起落架224和第二直线伸缩机构大致并行设置。通过控制第二直线伸缩机构的伸缩可实现起落架224相对于执行主体221折叠与伸展。当第二直线伸缩机构伸展时，起落架224和执行主体221折叠；当第二直线伸缩机构收缩时，起落架224和执行主体221伸展。另外，起落架224和执行主体221之间还可通过其他机械方式进行可折叠地连接。

在一些实施方式中，起落架224的伸出端设有起落架头部225，起落架头部225的端面面积大于起落架224的伸出端的端面面积。在精简起落架224的体积的基础上，能够增加起落架224摆动时和水的接触面积，因此可以以更小的结构实现较强的入水缓冲功能。优选地，起落架头部225的端面面积为起落架224的主体的端面面积的5~10倍，起落架头部225的厚度约为10毫米，起落架头部应具备扁平、抗冲击性强的结构特点，可以提高起落架入水减阻效率，延长水面滑行缓冲块时间，减小摆动驱动机构的能耗。

本发明的入水降载装置20通过执行两套动作方案，模拟天鹅在水面降落时通过摆动足蹼实现稳定降落的过程。第一套动作是伸缩方案（伸展和收缩），即在飞行器入水前，起落架224的伸出端远离执行主体221；当飞行器完成水面降落后，起落架224的伸出端靠近执行主体221，减小其在空中和水下航行时的压差阻力与摩擦阻力。第二套动作是摆动方案，即在飞行器入水前，起落架224先伸出执行主体221，摆动驱动机构210改变第一旋转支点216和铰接点202的距离（例如通过驱动电动机211的输出轴转动，或者驱动第一直线运动机构的伸缩杆的自由端往复运动），进而带动动作执行机构220摆动（例如带动执行主体221和起落架224摆动）。摆动过程中，动作执行机构220（例如起落架头部225）会重复地拍击水面，实现飞行器的水面稳定降落，该过程类似天鹅在水面降落时通过摆动足蹼实现稳定降落的过程。

参考图4~图7，下面详细介绍入水降载装置20的具体工作过程，其中，摆动驱动机构210包括曲柄214、连杆215、电动机211、第一齿轮212和第二齿轮213，执行主体221和起落架224构成电动推杆。

飞行器100入水前，入水降载装置20开始运动，首先电动推杆的电机推动起落架224从执行主体221伸出（如图3状态所示）。随后，电动机211驱动第一齿轮212逆时针转动，第一齿轮212与第二齿轮213啮合，第二齿轮213顺时针转动，第二齿轮213带动曲柄214同步转动，连杆215在曲柄214带动下拉动起落架224的伸出端绕第二旋转支点223摆动。

设定第二齿轮213转动一圈即360°为一个行程，将一个行程分为四步，分别为图4至图7所示。以曲柄214转动位置为参考，在图4中，曲柄214位于0°，电动机211转动带动第二齿轮213和曲柄214顺时针转动，连杆215在曲柄214带动下拉动起落架224的伸出端绕第二旋转支点223向靠近摆动驱动机构210的方向运动。第二齿轮213和曲柄214顺时针转动90°后如图5所示，起落架224的伸出端到达离摆动驱动机构210的最近位置。第二齿轮213和曲柄214沿顺时针继续转动，起落架224的伸出端开始向远离摆动驱动机构210的方向运动。当第二齿轮213和曲柄214继续转动90°，即转动至如图6所示的位置时，此状态下起落架224的位置与初始时刻（曲柄214位于0°时）位置相同，但起落架224运动方向与初始时刻相反。第二齿轮213和曲柄214沿顺时针继续转动90°时，如图5所示，起落架224的伸出端到达离摆动驱动机构210的最远位置。第二齿轮213和曲柄214沿顺时针继续转动，起落架224的伸出端开始向靠近摆动驱动机构210的方向运动。第二齿轮213和曲柄214继续转动90°后，入水降载装置20恢复至图4状态，一个“拍打”周期结束。

每个运动行程（拍打过程）可看成包括前摆运动和后摆运动。前摆运动为起落架224的伸出端朝靠近摆动驱动机构210的方向运动，入水降载装置20从图7摆动至图4、图5为前摆运动。后摆运动为起落架224的伸出端朝远离摆动驱动机构210的方向运动，入水降载装置20从图5摆动至图6、图7为前摆运动。

起落架224通过若干次连续的前摆运动和后摆运动，起落架头部225能够模仿天鹅入水时的足蹼多次连续拍打水面的过程，足蹼和水面的相互作用降低了机体接触水面时的冲击力，提升了入水降载装置20在入水时的稳定性。

本发明提供的一种仿生跨介质飞行器100，设有前述的入水降载装置20。参考图1，机身30的底部设有收放槽31，摆动驱动机构210固定设置于机身30的内部，动作执行机构220的执行主体221可转动地连接至机身30，动作执行机构220可通过收放槽31伸出至水面或缩进机身30内。

在优选的实施方式中，动作执行机构220的摆动平面平行于飞行器的首尾方向所在的平面，摆动驱动机构210输出的转动的旋转轴垂直于动作执行机构220的摆动平面。在一些实施方式中，收放槽31呈方形，收放槽31沿机身的长度方向的尺寸大于或等于动作执行机构220的前后摆动幅程。

可选地，每架跨介质飞行器可以携带多个动作执行机构220，不局限于一个，例如两到三个，几个动作执行机构（起落架）可以在入水时协同作用，增加飞行器的稳定性和降载效率。优选地，飞行器设有两组前述的入水降载装置20和收放槽31，两组入水降载装置20和收放槽31对称设置于机身30的底部的左右两侧。

飞行器100的控制系统可以根据飞行器100入水前的速度和姿态，对电动机211的转动速度进行调节，进而改变起落架224的摆动频率。例如，提高电动机211的转动速度从而提高起落架224的摆动频率。

高频摆动的作用是通过产生水面反作用力来减缓飞行器的下降速度，使其平稳降落。当起落架迅速摆动时，水会受到推动并向相反方向产生反作用力，这种反作用力可以减缓飞行器的下沉速度并吸收部分冲击力。高频摆动还有助于保持飞行器的平衡。飞行器在水面降落时需要调整机体姿态，以保持稳定。起落架高频摆动提供了额外的控制力，飞行器通过控制系统可以调整起落架的伸缩长度和摆动频率，进而能够更好地掌控降落过程，并迅速适应水面的变化。

以上所述仅为本公开的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本公开实施例进行各种改动或变型而不脱离本公开的精神和范围。

Claims (6)

1.一种入水降载装置，适用于跨介质飞行器从空中进入水中的过程，其特征在于，所述入水降载装置包括：摆动驱动机构（210）和动作执行机构（220）；

所述摆动驱动机构（210）设有第一旋转支点（216）和输出端；

所述动作执行机构（220）设有第二旋转支点（223），所述摆动驱动机构（210）的输出端与所述动作执行机构（220）铰接形成铰接点（202），所述摆动驱动机构（210）通过改变所述第一旋转支点（216）和所述铰接点（202）的距离从而使所述动作执行机构（220）能够绕所述第二旋转支点（223）摆动；

其中，所述摆动驱动机构（210）包括曲柄（214）、连杆（215）、电动机（211）、第一齿轮（212）和第二齿轮（213）；所述第一旋转支点（216）设置于所述曲柄（214）的一端，所述曲柄（214）的另一端与所述连杆（215）的一端铰接；所述连杆（215）的另一端为所述摆动驱动机构（210）的输出端；所述曲柄（214）绕所述第一旋转支点（216）旋转从而带动所述动作执行机构（220）摆动；电动机（211）与第一齿轮（212）连接，第二齿轮（213）与第一齿轮（212）啮合，第二齿轮（213）的转速慢于第一齿轮（212）的转速；所述曲柄（214）的一端连接至所述第二齿轮（213）的轴心，所述曲柄（214）和所述第二齿轮（213）同轴转动，所述轴心为所述第一旋转支点（216）；

其中，所述动作执行机构（220）包括执行主体（221）和起落架（224），所述第二旋转支点（223）设置于所述执行主体（221）上，所述摆动驱动机构（210）的输出端与所述执行主体（221）铰接，所述起落架（224）可伸缩或可折叠地连接至所述执行主体（221）；所述动作执行机构（220）具有收缩状态和伸展状态；当所述入水降载装置（20）处于非工作状态时，所述动作执行机构（220）处于收缩状态，所述起落架（224）的伸出端靠近所述执行主体（221）；当所述入水降载装置（20）处于工作状态时，所述动作执行机构（220）处于伸展状态，所述起落架（224）的伸出端远离所述执行主体（221）。

2.根据权利要求1所述的入水降载装置，其特征在于，所述电动机（211）的转动速度是可调节的，所述动作执行机构（220）的摆动频率随所述电动机（211）的转动速度的调节而被调节。

3.根据权利要求2所述的入水降载装置，其特征在于，所述起落架（224）可伸缩地连接至所述执行主体（221），所述第二旋转支点（223）位于所述执行主体（221）的远离水面的一端，所述铰接点（202）位于所述执行主体（221）的中部。

4.根据权利要求3所述的入水降载装置，其特征在于，所述起落架（224）的伸出端设有起落架头部（225），所述起落架头部（225）的端面面积大于所述起落架（224）的伸出端的端面面积。

5.一种仿生跨介质飞行器，其特征在于，包括机身（30）和权利要求1~4任一项所述的入水降载装置（20），所述机身（30）的底部设有收放槽（31）；

所述摆动驱动机构（210）固定设置于所述机身（30）的内部，所述动作执行机构（220）的执行主体（221）可转动地连接至所述机身（30）；

所述动作执行机构（220）可通过所述收放槽（31）伸出至水面或缩进所述机身（30）内。

6.根据权利要求5所述的仿生跨介质飞行器，其特征在于，所述收放槽（31）呈方形，所述收放槽（31）沿机身的长度方向的长度大于或等于所述动作执行机构（220）的摆动幅程。