CN114619815B - 一种高效的水空两栖无人机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效的水空两栖无人机及其控制方法，该无人机采用“4+2”动力布局，前向使用2个电机，纵向使用4个电机。通过矢量推力装置辅助无人机潜浮、使用动力传输装置解决了无人机出入水动力不稳定问题，通过少量机械结构取代需要大量装置才能实现的稳定出入水和水下工作，同时保证无人机在空中和水中的工作效率，实现水下自由航行。对水下生物监测、资源勘探、维护海域安全具有重要创新意义。

Description

一种高效的水空两栖无人机及其控制方法

技术领域

本发明涉及水空两栖无人机技术领域，具体是一种简易高效的水空两栖无人机及其控制方法及其创新设计理念。

背景技术

水空两栖无人机是指既可以在空中飞行，又可以在水中航行的无人机，有机结合了飞行器与潜水艇的优势。在无人机领域研究中，水空两栖无人机是一个重要研究方向，更广阔的空间使得无人机有了更多的可能性，在海洋救援、勘测侦察等方面有着巨大的潜力。水空两栖无人机的技术关键在于满足空中与水下正常工作，同时可以在空中飞行与水下航行两种模式之间稳定切换。目前缺乏两栖无人机相关研究，缺少有效出入水及高效工作的方案，现存方案均不能有效兼顾空中飞行和水下航行。目前已有的两栖无人机，缺少对入水和出水方案设计的有效研究，缺乏能够兼顾空中飞行性能和水下航行性能的方案，由于两种工作介质的物理差异，在两种介质中工作的动力装置差异巨大，空气桨叶一般细长实度较低而水中桨叶较宽，如果同时携带两种动力装置，需要配备两套动力设备，无形中增加了无人机的负载，且总有一套装置处于闲置状态工作效率极低，水下桨叶不可实现飞行，所以如果单用空中桨叶实现两栖，空气桨叶在水中工作受到的阻力较大，很容易损坏电机等设备，并且空气桨叶在水下产生的动力有限，推进效率低，姿态调整相对困难。

发明内容

针对现有水空两栖无人机技术的不足，本发明的目的是提供一种高效的水空两栖无人机及其控制方法，能够兼顾空中飞行和水下航行,工作效率高、稳定性好，能够自由出入水，提高了无人机的适用性。

本申请通过以下技术方案实现上述效果：

一种高效的水空两栖无人机，所述无人机为对称结构，包含机身，在所述机身周围以机身为中心对称分布若干动力传输装置，所述动力传输装置通过主机臂连接在机身上，所述动力传输装置上连接有动力螺旋桨；

在所述机身周围以机身为中心对称分布一组矢量推力装置，所述矢量推力装置通过副机臂连接在所述机身上，所述矢量推力装置连接有空水两用螺旋桨。

进一步的，所述机身有四根主机臂，一根副机臂，所述副机臂贯穿机身中部，所述主机臂分别连接在机身的四个方向。

进一步的，所述动力传输装置包括主齿轮、主电机、若干行星齿轮、输出轴和从动齿轮；其中，

所述主电机的输出轴上连接有输出齿轮，所述输出齿轮与主齿轮啮合连接；

所述主齿轮的两侧分别为第一输出轴和第二输出轴，所述第一输出轴的末端连接第一螺旋桨，所述第二输出轴的末端连接第二螺旋桨；

所述主齿轮上表面连接有行星齿轮，所述第一输出轴在行星齿轮位置处设有从动齿轮，所述从动齿轮与所述行星齿轮啮合连接；

所述主齿轮通过轴承与第一输出轴同轴连接；

所述从动齿轮与输出轴同轴固接，并与行星齿轮啮合，其中第一从动齿轮安装在行星齿轮上方与上输出轴固接，第二从动齿轮安装于主齿轮上方并通过下输出轴与主齿轮固接；所述输出轴通过轴承固定于机臂上且另一端连接桨叶。

进一步的，所述行星齿轮通过轴承固定在与主齿轮旋转平面垂直的平面上且各行星齿轮之间互相呈120度周向分布，所述行星齿轮有两个自由度，在所述主齿轮转动时绕主齿轮轴心旋转，在所述从动齿轮的带动下绕其自身轴心旋转。

更进一步的，所述无人机包含4个主电机，每个主电机分别横置固定于四根主机臂上，主电机带动动力转换装置的主齿轮旋转，所提供的动力通过动力转换装置传输到螺旋桨上。

作为本申请的一种优选实施方案，所述机身内设有步进电机，所述步进电机通过步进电机传动齿轮组与所述副机臂相连，驱动所述副机臂转动。

进一步的，所述副机臂通过副电机连接空水两用螺旋桨，所述副电机为双输出轴电机，横置安装于副机臂上，轴心指向机头方向，两轴分别连接两副空水两用螺旋桨。

本申请还提供上述高效的水空两栖无人机的控制方法，所述控制方法包含两种工作模式：

飞行模式，在所述飞行模式中，所述无人机可以通过调节不同电机的转速来实现4个方向的运动，分别为：垂直、横滚、俯仰和偏航；以无人机前行方向为y轴正方向，以机身右前方的主电机为第一主电机，逆时针旋转给所述主电机进行编号，其余主电机分别为第二主电机、第三主电机、第四主电机，无人机的第一主电机和第三主电机顺时针旋转，第二主电机和第四主电机逆时针旋转；垂直运动时，同时增大4个电机转速，使得旋翼旋转产生总的升力增大，当升力大于无人机自重时，无人机垂直上升；反之，同时减小4个电机转速，使得旋翼旋转产生总的升力减小，当升力小于无人机自重时，无人机垂直下降；在外界扰动量为零时，同时调整4个电机转速，使得旋翼旋转产生总的升力等于无人机自重时，无人机保持悬停状态；横滚运动时，将第一主电机和第四主电机转速增加，使得旋翼旋转产生总的升力增加，无人机绕y轴向右滚转，反之，将第二主电机和第三主电机转速增加，无人机绕y轴向左滚转；俯仰运动时，将第一主电机和第二主电机转速增加，使得旋翼旋转产生总的升力增加，无人机绕x轴向前运动，反之，将第三主电机和第四主电机转速增加，无人机绕x轴向后运动；

偏航运动时，通过左右两个副电机动力差实现，将副第一主电机转速增加，使得旋翼旋转产生升力增加，无人机绕z轴向右偏航，反之，将副第二主电机转速增加，无人机绕z轴向左偏航；

潜行模式，在所述潜行模式中，启动所述副电机，无人机水中推力由2个副电机产生；控制所述主电机低速运行产生升力用于平衡机身重力以及调整无人机下潜深度；无人机需要下潜时，调整所述副电机的推力方向向下，增大副电机转速的同时减小电源输送给主电机的电流，主电机的转速变慢，从而桨叶旋转产生的推力降低；无人机上浮时，首先通过步进电机驱动副机臂绕机臂中心轴旋转带动副电机旋转，调整所述副电机的推力方向向上，增大电源输送给主电机的电流，主电机的转速变快，从而桨叶旋转产生的推力增大。

进一步的，所述无人机在出水时，首先通过步进电机驱动副机臂绕机臂中心轴旋转带动副电机旋转，调整推力方向向上，同时增大电源输送给主电机的电流，增大主电机的升力从而增大整机的浮力，待无人机的第一螺旋桨浮出水面后，减少电源输给副电机的电流，继续增大电源输送给主电机的电流，此时，所述第一、第二桨叶所处介质不同，所述主电机产生动力大部分供应给第一桨叶，所述第一桨叶产生很大升力，帮助无人机出水，在所述无人机全部出水后，副电机停止工作。

与现有技术相比，本发明有以下优点：

1.本发明所述的一种简易高效的水空两栖无人机及其控制方法，采用新的动力传输装置，出入水过度时，由于第一、第二桨叶所受到的阻力不同（第二桨叶受阻更大），第二从动齿轮会受到更大的阻力，此时，行星齿轮会沿着第二从动齿轮滚动，从而带动第一从动齿轮转动，将更多的动力分配到受阻力小的桨叶上，以产生更大的推力，来实现出入水稳定过度控制，有效防止无人机因接触水导致动力减小而引发的水冲击。

2.本发明所述的一种简易高效的水空两栖无人机及其控制方法，在两栖无人机中融入矢量推力的思想，通过调整副机臂旋转角度，产生稳定可靠的矢量推力，辅助无人机实现潜浮功能，使得无人机拥有更高的灵活性。

3.本发明所述的两栖无人机可以实现潜航、飞行两种模式的稳定自由切换，无需类似于潜艇的增压舱等装置，兼具两种用途的同时简化了两栖无人机的结构。

附图说明

图1为水空两栖无人机总体布局示意图；

图2为主电机和动力传输装置连接图；

图3为副电机矢量推进装置示意图；

图4为动力传输装置细节图；

图中，1.机身，2.第一主电机，3.第二主电机,4.第三主电机,5.第四主电机，6.输入轴，7.输入齿轮，8.主齿轮，9.行星齿轮，10.行星齿轮固定轴承，11.第一从动轮，12.第二从动轮，13.第一输出轴，14.第二输出轴，15.第一输出轴固定轴承，16.第二输出轴固定轴承，17.第一螺旋桨，18.第二螺旋桨，19.步进电机，20.步进电机传动齿轮组，21.副机臂固定轴承，22.第一副电机，23.第二副电机，24.空水两用螺旋桨。

具体实施方式

下面将结合本发明实例中的附图，对本发明的技术方案作进一步详细说明。如附图1所示，本申请通过一种简易高效的水空两栖无人机及其控制方法，设计了一种新的动力传输系统。

实施例1

本实施例为一种高效的水空两栖无人机，所述无人机为对称结构，包含机身，在所述机身周围以机身为中心对称分布若干动力传输装置，所述动力传输装置通过主机臂连接在机身上，所述动力传输装置上连接有动力螺旋桨；

在所述机身周围以机身为中心对称分布一组矢量推力装置，所述矢量推力装置通过副机臂连接在所述机身上，所述矢量推力装置连接有空水两用螺旋桨。

进一步的，所述机身有四根主机臂，一根副机臂，所述副机臂贯穿机身中部，所述主机臂分别连接在机身的四个方向。

进一步的，所述动力传输装置包括主齿轮、主电机、若干行星齿轮、输出轴和从动齿轮；其中，

所述主电机的输出轴上连接有输出齿轮，所述输出齿轮与主齿轮啮合连接；

所述主齿轮的两侧分别为第一输出轴和第二输出轴，所述第一输出轴的末端连接第一螺旋桨，所述第二输出轴的末端连接第二螺旋桨；

所述主齿轮上表面连接有行星齿轮，所述第一输出轴在行星齿轮位置处设有从动齿轮，所述从动齿轮与所述行星齿轮啮合连接；

所述主齿轮通过轴承与第一输出轴同轴连接；

所述从动齿轮与输出轴同轴固接，并与行星齿轮啮合，其中第一从动齿轮安装在行星齿轮上方与上输出轴固接，第二从动齿轮安装于主齿轮上方并通过下输出轴与主齿轮固接；所述输出轴通过轴承固定于机臂上且另一端连接桨叶。

进一步的，所述行星齿轮通过轴承固定在与主齿轮旋转平面垂直的平面上且各行星齿轮之间互相呈120度周向分布，所述行星齿轮有两个自由度，在所述主齿轮转动时绕主齿轮轴心旋转，在所述从动齿轮的带动下绕其自身轴心旋转。

更进一步的，所述无人机包含4个主电机，每个主电机分别横置固定于四根主机臂上，主电机带动动力转换装置的主齿轮旋转，所提供的动力通过动力转换装置传输到螺旋桨上。

作为本申请的一种优选实施方案，所述机身内设有步进电机，所述步进电机通过步进电机传动齿轮组与所述副机臂相连，驱动所述副机臂转动。

进一步的，所述副机臂通过副电机连接空水两用螺旋桨，所述副电机为双输出轴电机，横置安装于副机臂上，轴心指向机头方向，两轴分别连接两副空水两用螺旋桨。

动力传输系统包含主电机动力传输装置和副电机矢量推进装置，两装置分别通过主、副机臂连接在一起。其中，主电机动力传输装置主要包括第一主电机2,第二主电机3，第三主电机4,第四主电机5，输入轴6，输入齿轮7，主齿轮8，行星齿轮9，行星齿轮固定轴承10，第一从动轮11，第二从动轮12，第一输出轴13，第二输出轴14，第一输出轴固定轴承15，第二输出轴固定轴承16，第一螺旋桨17，第二螺旋桨18；进一步的，所述主电机通过输入轴6带动输入齿轮7转动，输入齿轮与主齿轮8啮合，从而带动主齿轮转动。进一步的，所述行星齿轮9通过轴承固接在主齿轮上并与第一从动轮11、第二从动轮12啮合，随着主齿轮的转动，带动行星齿轮转动，接着带动第一、第二从动轮转动。更进一步的，所述第一输出轴13、第二输出轴14安装在第一、第二从动轮上，并通过第一输出轴固定轴承15、第二输出轴固定轴承16固定于机臂上，通过第一、第二输出轴的转动，进而带动第一螺旋桨17、第二螺旋桨18转动产生动力。

副电机矢量推进装置主要由步进电机19，步进电机传动齿轮组20，副机臂固定轴承21，第一副电机22，第二副电机23，空水两用螺旋桨24组成，在所述机身为“X”字型布局基础上在机身中间横向贯穿一根副机臂，所述副机臂由21.副机臂固定轴承固定在机身上，其两端连接第一副电机22和第二副电机23，并可由步进电机19驱动绕机臂中心轴旋转，调整副电机的推力方向。

本申请还提供上述高效的水空两栖无人机的控制方法，所述控制方法包含两种工作模式：

飞行模式，在所述飞行模式中，所述无人机可以通过调节不同电机的转速来实现4个方向的运动，分别为：垂直、横滚、俯仰和偏航；以无人机前行方向为y轴正方向，以机身右前方的主电机为第一主电机，逆时针旋转给所述主电机进行编号，其余主电机分别为第二主电机、第三主电机、第四主电机，无人机的第一主电机和第三主电机顺时针旋转，第二主电机和第四主电机逆时针旋转；垂直运动时，同时增大4个电机转速，使得旋翼旋转产生总的升力增大，当升力大于无人机自重时，无人机垂直上升；反之，同时减小4个电机转速，使得旋翼旋转产生总的升力减小，当升力小于无人机自重时，无人机垂直下降；在外界扰动量为零时，同时调整4个电机转速，使得旋翼旋转产生总的升力等于无人机自重时，无人机保持悬停状态；横滚运动时，将第一主电机和第四主电机转速增加，使得旋翼旋转产生总的升力增加，无人机绕y轴向右滚转，反之，将第二主电机和第三主电机转速增加，无人机绕y轴向左滚转；俯仰运动时，将第一主电机和第二主电机转速增加，使得旋翼旋转产生总的升力增加，无人机绕x轴向前运动，反之，将第三主电机和第四主电机转速增加，无人机绕x轴向后运动；

偏航运动时，通过左右两个副电机动力差实现，将副第一主电机转速增加，使得旋翼旋转产生升力增加，无人机绕z轴向右偏航，反之，将副第二主电机转速增加，无人机绕z轴向左偏航；

潜行模式，在所述潜行模式中，启动所述副电机，无人机水中推力由2个副电机产生；控制所述主电机低速运行产生升力用于平衡机身重力以及调整无人机下潜深度；无人机需要下潜时，调整所述副电机的推力方向向下，增大副电机转速的同时减小电源输送给主电机的电流，主电机的转速变慢，从而桨叶旋转产生的推力降低；无人机上浮时，首先通过步进电机驱动副机臂绕机臂中心轴旋转带动副电机旋转，调整所述副电机的推力方向向上，增大电源输送给主电机的电流，主电机的转速变快，从而桨叶旋转产生的推力增大。

进一步的，当所述无人机从空中入水时，先缓缓降落至水面，因为无人机机身的重力大于浮力，在主电机不工作的情况下，无人机会受到重力自然下沉进入水中，无人机水中推力主要由副电机矢量推进装置产生，主电机和动力传输装置在水中低速运行产生的升力用于平衡机身重力；无人机做下潜运动时，副机臂绕机臂中心轴旋转带动副电机旋转，调整推力方向向下，同时减小电源输送给主电机的电流，减小主电机的升力，无人机做上浮运动时，副机臂调整推力方向向上，同时增大电源输送给主电机的电流，增大主电机的升力。

进一步的，所述无人机在出水时，首先通过步进电机驱动副机臂绕机臂中心轴旋转带动副电机旋转，调整推力方向向上，同时增大电源输送给主电机的电流，增大主电机的升力从而增大整机的浮力，待无人机的第一螺旋桨浮出水面后，减少电源输给副电机的电流，继续增大电源输送给主电机的电流，此时，所述第一、第二桨叶所处介质不同，所述主电机产生动力大部分供应给第一桨叶，所述第一桨叶产生很大升力，帮助无人机出水，在所述无人机全部出水后，副电机停止工作。

当所述无人机出水时，首先通过副机臂绕机臂中心轴旋转带动副电机旋转，调整推力方向向上，同时增大电源输送给主电机的电流，增大主电机的升力，增大整机的浮力，待无人机的上螺旋桨和部分机身浮出水面后，由于无人机主电机和动力传输装置中的上第一、第二螺旋桨分别处于空气和水这两种不同介质中，第一、第二桨叶所受到的旋转阻力不同（第二桨叶受阻更大），主动轮带动行星齿轮产生的动力更多的作用在第一从动轮上，导致第二从动轮转速相对于第一从动齿轮转速大大降低，第一从动齿轮带动第一螺旋桨产生足够大的升力，以此来实现无人机的出水过程。

上述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和调整，这些改进和调整也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高效的水空两栖无人机的控制方法，其特征在于：所述控制方法用于控制如下水空两栖无人机：

所述无人机为对称结构，包含机身，在所述机身周围以机身为中心对称分布四组动力传输装置，所述动力传输装置通过主机臂连接在机身上，所述动力传输装置上连接有动力螺旋桨；

在所述机身周围以机身为中心对称分布一组矢量推力装置，所述矢量推力装置通过副机臂连接在所述机身上，所述矢量推力装置连接有空水两用螺旋桨；

所述机身有四根主机臂，一根副机臂，所述副机臂贯穿机身中部，所述主机臂分别连接在机身的四个方向；

所述动力传输装置包括主齿轮、主电机、若干行星齿轮、输出轴和从动齿轮；其中，

所述主电机的输出轴上连接有输出齿轮，所述输出齿轮与主齿轮啮合连接；

所述主齿轮的两侧分别为第一输出轴和第二输出轴，所述第一输出轴的末端连接第一螺旋桨，所述第二输出轴的末端连接第二螺旋桨；

所述主齿轮上表面连接有行星齿轮，所述第一输出轴在行星齿轮位置处设有从动齿轮，所述从动齿轮与所述行星齿轮啮合连接；

所述主齿轮通过轴承与第一输出轴同轴连接；

所述从动齿轮与输出轴同轴固接，并与行星齿轮啮合，其中第一从动齿轮安装在行星齿轮上方与上输出轴固接，第二从动齿轮安装于主齿轮上方并通过下输出轴与主齿轮固接；

所述输出轴通过轴承固定于机臂上且另一端连接桨叶；

所述机身内设有步进电机，所述步进电机通过步进电机传动齿轮组与所述副机臂相连，驱动所述副机臂转动，所述副机臂由步进电机驱动绕机臂中心轴旋转；

所述行星齿轮通过轴承固定在与主齿轮旋转平面垂直的平面上且各行星齿轮之间互相呈120度周向分布，所述行星齿轮有两个自由度，在所述主齿轮转动时绕主齿轮轴心旋转，在所述从动齿轮的带动下绕其自身轴心旋转；

所述控制方法包含两种工作模式：

飞行模式，在所述飞行模式中，所述无人机可以通过调节不同电机的转速来实现4个方向的运动，分别为：垂直、横滚、俯仰和偏航；以无人机前行方向为y轴正方向，以机身右前方的主电机为第一主电机，逆时针旋转给所述主电机进行编号，其余主电机分别为第二主电机、第三主电机、第四主电机，无人机的第一主电机和第三主电机顺时针旋转，第二主电机和第四主电机逆时针旋转；垂直运动时，同时增大4个电机转速，使得旋翼旋转产生总的升力增大，当升力大于无人机自重时，无人机垂直上升；反之，同时减小4个电机转速，使得旋翼旋转产生总的升力减小，当升力小于无人机自重时，无人机垂直下降；在外界扰动量为零时，同时调整4个电机转速，使得旋翼旋转产生总的升力等于无人机自重时，无人机保持悬停状态；横滚运动时，将第一主电机和第四主电机转速增加，使得旋翼旋转产生总的升力增加，无人机绕y轴向右滚转，反之，将第二主电机和第三主电机转速增加，无人机绕y轴向左滚转；俯仰运动时，将第一主电机和第二主电机转速增加，使得旋翼旋转产生总的升力增加，无人机绕x轴向前运动，反之，将第三主电机和第四主电机转速增加，无人机绕x轴向后运动；

偏航运动时，通过左右两个副电机动力差实现，将副第一主电机转速增加，使得旋翼旋转产生升力增加，无人机绕z轴向右偏航，反之，将副第二主电机转速增加，无人机绕z轴向左偏航；

潜行模式，在所述潜行模式中，启动所述副电机，无人机水中推力由2个副电机产生；控制所述主电机低速运行产生升力用于平衡机身重力以及调整无人机下潜深度；无人机需要下潜时，调整所述副电机的推力方向向下，增大副电机转速的同时减小电源输送给主电机的电流，主电机的转速变慢，从而桨叶旋转产生的推力降低；无人机上浮时，首先通过步进电机驱动副机臂绕机臂中心轴旋转带动副电机旋转，调整所述副电机的推力方向向上，增大电源输送给主电机的电流，主电机的转速变快，从而桨叶旋转产生的推力增大。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述无人机在出水时，首先通过步进电机驱动副机臂绕机臂中心轴旋转带动副电机旋转，调整推力方向向上，同时增大电源输送给主电机的电流，增大主电机的升力从而增大整机的浮力，待无人机的第一螺旋桨浮出水面后，减少电源输给副电机的电流，继续增大电源输送给主电机的电流，此时，第一、第二桨叶所处介质不同，所述主电机产生动力大部分供应给第一桨叶，所述第一桨叶产生很大升力，帮助无人机出水，在所述无人机全部出水后，副电机停止工作。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述无人机包含4个主电机，每个主电机分别横置固定于四根主机臂上，主电机带动动力转换装置的主齿轮旋转，所提供的动力通过动力转换装置传输到螺旋桨上。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述副机臂通过副电机连接空水两用螺旋桨，所述副电机为双输出轴电机，横置安装于副机臂上，轴心指向机头方向，两轴分别连接两副空水两用螺旋桨。