CN218198819U - 一种水空两栖四旋翼无人飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水空两栖四旋翼无人飞行器。其包括主体舱、水空两用推进装置、支撑尾翼；主体舱包括舱艏、控制舱、电源舱、内部电机驱动舱、储物舱、舱尾。舱艏表面嵌有有机高分子膜湿敏电阻，内部安装有相机；控制舱内控制模块采用环形结构，嵌套于电源舱外侧；电源舱内部含有供电模块通过传动绳与内部电机相连；储物舱用来存放水体样本或投放物资，通过焊接的螺杆连接舱尾；水空两用推进装置由四个旋翼组成；支撑尾翼采用双平尾双垂尾的梯形结构。本发明无需搭配额外的水下推进器进行水下运动，通过电源舱内供电模块的上下运动调整机体重心改变机体当前姿态，同时改变四旋翼控制方案，以适应水下阻力。

Description

一种水空两栖四旋翼无人飞行器

技术领域

本发明涉及到两栖潜航器领域，具体涉及到一种水空两栖四旋翼无人飞行器。

背景技术

水空两栖跨介质无人飞行器可以在水和空气两种不同流体介质间适应性地实现运动过渡，并且可以在两种介质中自主地连续航行，具备无人机的高速高机动和快速部署能力和无人水下航行器的高隐蔽性等优势，由于水体环境和空气环境的显著差异，飞行器在这两种介质中同时具有航行能力是一项艰巨的任务，并且目前市面上并没有完善的相应的飞行器系统，尤其目前水下巡检采样的无人水下作业采用的潜航器对工作环境、人工要求有比较严格，因此水空两栖无人飞行器在军事和民用领域都具有广阔的应用前景。

如中国发明专利申请(CN112140820A)在2020年公开一种自动折叠多旋翼水空两栖机器人，包括主体舱、尾翼和水下推进器；通过在主体舱的四周设置可自动折叠的机臂，使得所述机臂端部设置的旋翼单元能够处于水平方向和竖直方向等多个方位，能够根据所处的空中或水中位置进行相适应的调整，实现不同作业模式，但该水空两栖机器人没有详细提及从空中进入水中机器人姿态如何调整为机器人前进方向，机臂的收放导致机体的重心移动，机器人该做出如何措施应对。

又如中国发明专利申请(CN109813571A)在2019年公开一种水空两栖无人机环境监测装置,包括无人机的机身和设置在机身内用以对无人机进行控制的控制器，还包括设置在机身底部的用以使机身漂浮在水面上的漂浮机构、用以对水质进行检测的检测机构以及用以对待检测的水进行取样的取样机构，但该水空两栖无人机环境监测装置所述的水空两栖无人机依旧保持在水面采样，无法对水域下进行采样。

发明内容

本发明的目的是提供一种水空两栖四旋翼无人飞行器，通过改进舱体内部机械构造使内部空间利用更加高效，借用最小的经济代价实现水空跨介质巡检采样。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种水空两栖四旋翼无人飞行器，包括主体舱，所述的主体舱外侧八分之三处以主体舱为中心均匀设置四个旋翼支架，支架尾端连接四个旋翼螺旋桨，每个旋翼由相应的电机连接的三片桨叶组成，水下或空中均采用四旋翼作为机体的推进装置，而主体舱外侧四分之三处则以主体舱为中心均匀安装四个支撑尾翼；所述的主体舱内侧包括舱艏、控制舱、电源舱、内部电机驱动舱一、内部电机驱动舱二、储物舱、舱尾，模块化分布，更便于机体功能的集中和机体内有序的线路排布；所述的舱艏表面嵌有机高分子膜湿敏电阻，利用元件的电阻率和电阻值的变化确定机体是否入水或出水，舱艏内部安装有相机，可实时采集前方环境数据，利用通信模块传回上位机终端，便于工作人员实时为飞行器发布工作指定，或机体在预编程半自主工作情况下自主判断是否到达指定工作地点及是否进行作业；所述的控制舱用于存放主要控制模块，完成飞行器的功能驱动；所述的电源舱固定在内部电机驱动舱一与控制舱顶盖中间，内部存有可以上下移动的供电模块，储物舱即用来存放水体样本或投放物资的空间。

优选地，所述的水空两用推进装置采用四个旋翼，但空中与水下采用不同的运动系数，以此适应所处环境的阻力，控制系统中设置两种不同控制方案，由上述舱艏中的湿敏电阻判断采用空中运行方案亦或是水下运行方案，当飞行器在空中时，通过改变四个旋翼的转速造成机体整体受力的不同，以此做上下、左右、悬停、俯仰、偏航运动，在水下由于整个机体是横向放置的，需要四旋翼平衡机体所受水下浮力与重力，控制水平和垂直方向的运动。

优选地，所述的舱艏里设置有相机，相机底座与主体舱第二部分顶部连接固定，相机用于实时观测数据的采集，可用于巡检作业。

优选地，所述的控制舱为主要的控制系统，通过WIFI、GPS和铱星等通信装置与上位机终端连接，保持人机协同的位置共享。当飞行器采用人机协同半自主控制方式时，控制系统通过采集各传感器数据并进行一定的数据处理，将处理结果传回终端，接收指令进行下一步作业；当飞行器采用全自主控制方式时，控制系统将作为主要的指定发布者，按照预编程对飞行器进行操作控制。

优选地，所述的电源舱内部含有主要的供电模块，由电池组构成，当湿敏电阻检测到飞行器已经浸入水中，内部电机一转动，带动绳索通过滑轮牵动供电模块向飞行器机体顶部运动，直到运动到滑轮处停止，此时由于供电模块的运动导致整个机体的重心发生改变，机体头部重量增加，开始头部向下、尾部向上旋转，直至机体由原来的竖直状态改变为横置状态；当检测到任务完成，位于下方的两个旋翼增加转速，同时位于上方的两个旋翼减小转速，同时内部电机一反向转动，带动电源舱内的供电模块向下运动直至电源舱底部，机体由横置状态改变为竖直状态。

优选地，所述的储物舱即用来存放水体样本或投放物资的空间，当飞行器需要进行采样或投放作业时，飞行器到达作业地点后，首先控制机体调整为悬停姿态并保持，内部电机二顺时针转动，内部电机三顺时针转动，通过在转动轴上的齿轮啮合同侧使螺杆，螺杆向下运动，推动舱尾向远离舱体的方向缓慢运动，舱尾打开后机体进行采样或投放作业，作业完成后，内部电机二逆时针转动，同时内部电机三也逆时针转动，带动舱尾向靠近舱体的方向运动，直至机体全部合拢。

优选地，所述的舱艏、主体舱第二部分、内部电机驱动舱均为防水密封舱，其开合边缘均设计防水的霍尔元件传感器及漏水检测电路，保证内部电路的稳定运行。

优选地，所述的防水密封舱开合边缘处机械外壳均采用法兰结构连接，并附加密封圈进行严密防水设置。

优选地，所述的控制舱中所有控制板采用“堆栈分离式”嵌入式连接，各层中间采用铜柱连接，可将防水舱空间利用率达到最大化，通过滑道将控制板整体从舱艏方向放入控制舱，可避免控制板与机体外壳的摩擦受损。

有益效果

1.本水空两栖四旋翼无人飞行器外形上采用流线型设计，推进装置均采用四旋翼，设置不同控制方案适应不同环境阻力，对动力装置的最大化利用，避免了不工作的推进装置带来的整体重量上无用负载叠加。

2.入水调整机体位姿采用舱体内部模块的移动，避免了对抗水下阻力时动力系统的超负荷运转，减轻了供电系统的能源消耗。

3.对防水装置采用多电路及传感器同时检测，防水性能更加可靠，多控制板采用“堆栈分离式”嵌入式连接，电路集成化更高，防水舱利用率更高。

4.舱艏内舱可安装相机进行水下巡检作业，舱尾自动收放可用于水体采样、水下投放等水下作业。

附图说明

图1是本发明的整体结构半剖3D示意图；

图2是本发明横置时前视中心剖面结构示意图；

图3是本发明横置时俯视中心剖面结构示意图；

图4是本发明横置时右视旋翼结构示意图；

图5是本发明法兰连接结构示意图。

图中：1、舱艏；2、舱艏内舱；3、控制舱顶盖；4、滑轮；5、控制舱；6、电源舱；7、供电模块；8、内部电机一；9、内部电机驱动舱一；10、防水隔板；11、螺杆；12、通线空；13、齿轮；14、内部电机二； 15、舱尾；16、支撑尾翼；17、旋翼机臂；18、旋翼电机；19、螺旋桨；20、主体舱第一部分；21；主体舱第二部分；22、主体舱第三部分；23、主体舱第四部分；24、滑道；25、螺杆滑轨；26、结构分离口； 27、隔板把手；28、法兰结构；29、内部电机三；30、传动绳；31、旋翼一；32、旋翼二；33、旋翼三； 34、旋翼四；35、储物舱；36、内部电机驱动舱二。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中间”、“上”、“下”、“左”、“右”、“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，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参考图1、图2和图3，为本实用新型公开的一种水空两栖四旋翼无人飞行器，包括主体舱，所述的主体舱外侧八分之三处以主体舱为中心均匀设置四个旋翼支架17，支架尾端连接旋翼一31.旋翼二32、旋翼三33、旋翼四34，每个旋翼由相应的旋翼电机18，及其连接的三片桨叶19组成，而主体舱外侧四分之三处则以主体舱为中心均匀安装四个支撑尾翼16；所述的主体舱内侧包括舱艏1、控制舱5、电源舱6、内部电机驱动舱一9、内部电机驱动舱二36、储物舱35、舱尾15，模块化分布，更便于机体功能的集中和机体内有序的线路排布；所述的舱艏1表面嵌有有机高分子膜湿敏电阻，利用元件的电阻率和电阻值的变化确定机体是否入水或出水，舱艏内舱2可安装相机，用于实时采集前方环境数据，利用控制舱5中的通信模块传回上位机终端，便于工作人员实时为飞行器发布工作指定，或机体在预编程半自主工作情况下自主判断是否到达指定工作地点及是否进行作业；所述的控制舱5即主要控制系统，控制模块采用环形结构，嵌套于电源舱6外侧，通过焊接在壳体内侧的滑道24放置；所述的电源舱6固定在内部电机驱动舱一9 与控制舱顶盖3中间，内部存有可以上下移动的供电模块7，储物舱35即用来存放水体样本或投放物资的空间。

为了方便装配和维修，所述的主体舱可从外部拆解为四部分，中间连接处采用法兰结构28连接，并添加密封圈，主体舱第一部分20主要为舱艏1；主体舱第二部分21主要包括控制舱5、电源舱6、内部电机驱动舱一9；主体舱第三部分22主要包括储物舱35，内部电机驱动舱二36；主体舱第四部分23为可自动收放的舱尾15。

具体的，所述的舱艏1中间部分设置为透明舱体，舱艏内舱2可放置相机配合飞行器的水下移动进行前方环境视觉数据的实时采集，用于巡检任务。

进一步，所述的电源舱6内部含有主要的供电模块7，由电池组构成，当控制舱内的单片机等控制器检测到舱艏1上的湿敏电阻阻值变化，按原预编程的脚本判断飞行器是否已经浸入水中，若浸入水中，则发送指令驱动内部电机驱动舱一9内的内部电机一8转动传动绳30通过滑轮4牵动供电模块7向控制舱顶盖3运动，直到运动到滑轮4处停止，此时由于供电模块7的运动导致整个机体的重心发生改变，机体头部重量增加，飞行器开始头部向下、尾部向上旋转直至飞行器由原来的竖直状态变为横置状态；同时改变四个旋翼的控制系数矩阵，用以适应水下的阻力。

进一步，所述的储物舱35利用其自动收放为进行水体采样或水下投放作业，当飞行器需要进行采样或投放作业时，飞行器到达作业地点后，首先控制机体调整为悬停姿态并保持，控制舱5中的控制系统驱动内部电机驱动舱二36内的内部电机二14顺时针转动，内部电机三29顺时针运动，通过在转动轴上的齿轮13啮合同侧使螺杆11，螺杆11向下运动，推动舱尾15向远离舱体的方向缓慢运动，舱尾15打开后机体进行采样或投放作业，作业完成后，内部电机二14逆时针旋转，同时内部电机3也逆时针旋转，带动舱尾15向靠近舱体的方向运动，直至机体全部合拢。

当检测到所有任务完成需要升空时，位于下方的两个旋翼增加转速，同时位于上方的两个旋翼减小转速，同时内部电机一8反向转动，使整个机体由水平向竖直改变姿态直至供电模块7到达电源舱6底部。之后所有旋翼同时增加向上的推力，当控制器检测到舱艏1上的湿敏电阻阻值变化，判断机体是否已经浮出水面，若已经浮出水面，则立即切换旋翼驱动方案，稳定姿态后再次升空。

进一步，考虑到水下通信设施很多情况下会出现信号不流畅的情况，故为飞行器设定组合导航，受外界因素导致卫星导航系统无法正常定位时，可通过惯性导航系统继续工作，提高了系统的稳定性和可靠性，导航模块放置于控制舱5。

参考图4，所述的水空两用推进装置采用四个旋翼，但空中与水下采用不同的动力系数，以此适应所处环境的阻力，控制系统中设置两种不同控制方案，由上述舱艏1中的湿敏电阻检测结果传输给控制舱5，控制舱5中控制板上的微处理器根据内置脚本程序判断采用空中运行方案亦或是水下运行方案，当飞行器在空中时，通过改变四个旋翼的转速造成机体整体受力的不同，以此做上下、左右、悬停、俯仰、偏航运动，在水下由于整个机体是横向放置的，需要四旋翼平衡机体所受水下浮力与重力，之后控制水平和垂直方向的运动。

具体的，在空中，为了使整个四旋翼受到的水平方向上的合力为0，旋翼一31与旋翼三33采用顺时针方向转动，旋翼二32与旋翼四34采用逆时针方向转动，四个旋翼产生的拉力等于飞行器的重力时，飞行器姿态为悬停状态，增大任一相邻的两个旋翼转速，同时减小其余两个旋翼的转速，飞行器将向着减小转速的方向移动，若增大相间的两个旋翼的转速，同时减小其余两个旋翼的转速，飞行器将按照增大转速的旋翼的旋转方向进行偏航旋转。

在水中，以舱艏所面向方向为基准正前方，旋翼一31与旋翼三33采用顺时针方向转动，旋翼二32与旋翼四34采用逆时针方向转动，设定旋翼一31和旋翼二32位于同一水平面，旋翼三33和旋翼四34位于同一水平面，旋翼一31和旋翼二32位于旋翼三33和旋翼四34的上方，当减小旋翼一31和旋翼二32 或旋翼三33和旋翼四34的转速，同时增大旋翼三33和旋翼四34或旋翼一31和旋翼二32的转速，飞行器在水下做向前的俯仰运动，当增大旋翼一31和旋翼四34或旋翼二32和旋翼三33的转速，同时减小旋翼二32和旋翼三33或旋翼一31和旋翼四34的转速，飞行器在水下做向前的左右转向运动。

参考图5，所述的主体舱机械外壳分解装配连接均采用法兰结构28连接，并附加密封圈进行严密防水设置。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种水空两栖四旋翼无人飞行器，其包括主体舱、水空两用推进装置、支撑尾翼，其特征在于：所述的主体舱外侧八分之三处以主体舱为中心均匀设置四个旋翼支架，支架尾端连接四个旋翼螺旋桨，而主体舱外侧四分之三处则以主体舱为中心均匀安装四个支撑尾翼；所述的主体舱内侧包括舱艏、控制舱、电源舱、内部电机驱动舱一和内部电机驱动舱二、储物舱、舱尾；所述的舱艏表面嵌有有机高分子膜湿敏电阻，舱艏内部安装有相机；所述的控制舱即包含控制模块的主要控制系统；所述的电源舱内部装有可通过传动绳移动的供电模块；所述的储物舱即用来存放水体样本或投放物资的空间；所述的水空两用推进装置由四个旋翼组成，每个旋翼由相应的电机连接的三片桨叶组成。

2.根据权利要求1所述的一种水空两栖四旋翼无人飞行器，其特征在于：所述控制模块采用环形结构，嵌套于电源舱外侧，通过焊接在壳体内侧的滑道放置，具体包括主控电路板、四路旋翼控制板、内部电机一和内部电机二两路驱动板，电源控制板，主控扩展信号板，通信模块控制板；所述的四路旋翼控制板包括驱动四路旋翼螺旋桨电机的驱动电路和四路电调控制电路；所述主控扩展信号板为各传感器控制板。

3.根据权利要求1所述的一种水空两栖四旋翼无人飞行器，其特征在于：所述主体舱可拆解为四部分，中间连接处采用法兰结构连接，并添加密封圈，所述主体舱第一部分为舱艏，舱艏表面嵌有机高分子膜湿敏电阻通过杜邦线连接控制板；主体舱第二部分主要包括控制舱、电源舱、内部电机驱动舱一；主体舱第三部分主要包括储物舱，内部电机驱动舱二；主体舱第四部分为可自动收放的舱尾。

4.根据权利要求1所述的一种水空两栖四旋翼无人飞行器，其特征在于：所述的电源舱固定在内部电机驱动舱一与控制舱顶盖中间，所述的内部电机驱动舱一内有内部电机一，其转轴连接传动绳，绳索另一端通过滑道顶部的滑轮连接到电源舱内供电模块顶部中心处。

5.根据权利要求1所述的一种水空两栖四旋翼无人飞行器，其特征在于：所述的内部电机驱动舱二内有内部电机二和内部电机三，内部电机二和内部电机三同时通过齿轮的啮合连接邻侧螺杆，螺杆底端连接舱尾。

6.根据权利要求1所述的一种水空两栖四旋翼无人飞行器，其特征在于：所述水空两用推进装置在水下和空中均采用四个旋翼螺旋桨，所述的四个旋翼采用以主体舱为中心轴的中心对称方式分布。

7.根据权利要求1所述的一种水空两栖四旋翼无人飞行器，其特征在于：所述的支撑尾翼采用双平尾双垂尾的梯形结构，以主体舱为中心均匀分布在机体的四周，四个支撑尾翼直接焊接在机体上。

8.根据权利要求2所述的一种水空两栖四旋翼无人飞行器，其特征在于：所述的各控制板采用“堆栈分离式”嵌入式连接，作为整体通过滑道放入控制舱；所述的传感器为三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计、深度传感器、超声波传感器、光流传感器、气压传感器；所述的通信模块包括WIFI、GPS和铱星。

9.根据权利要求3所述的一种水空两栖四旋翼无人飞行器，其特征在于：所述的舱艏及主体舱第二部分控制舱、内部电机驱动仓一，内部电机驱动仓二均设置用于防水的霍尔传感器。

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