一种搭载双动力系统的水空两栖无人航行器

1.本发明涉及观测型海洋装备的技术领域，特别涉及一种搭载双动力系统的水空两栖无人航行器。


背景技术：

2.目前无人水下航行器已广泛使用在各种海洋领域用途中，包括海洋资源开发、海洋观测和海洋研究等,但大多数的水下无人航行器都必须要使用投放和回收系统。然而，该系统会受到许多外界环境因素的限制，因为在较高的海况下，波浪会引起船舶的较大相对运动使得航行器难以被投放与回收。另外，与无人机比较，uuv在水中的移动速度十分缓慢也不适合应用于快速搜索或多海域的海洋监测。同时，无人机目前仅能通过视觉手段进行海洋监测，并不具备水下无人航行器直接接触海洋中大量化学、物理、地理等信息的优势。
3.常见的固定翼式结构的水空两栖航行器在跨越介质的过程中由于机翼面积过大会受到来自水面的巨大冲击力易造成飞行器解体。所以大多数跨介质的固定翼航行器都基于仿生的思想，来效仿自然界中的具有水空两栖的生物。例如马丁公司研发的在入水时会像鱼鹰一样收起两翼以减少来自水面的冲击力的航行器。但是这种基于潜射平台的航行器并不具备在水下的作业能力，也不能完成多次水中出入。另外还有一类仿生航行器可以像飞鱼一样通过尾翼作用在水下前行并通过展开胸鳍在空中滑翔。虽然这类基于仿生的结构对于水空跨介质航行器有潜在的应用价值，但是目前都还采用的坠落式入水方法，并没有完全解决机体在水液交界面受到较大冲击的问题，在跨介质的过程中仍易发生危险，而且对航行器的结构寿命也是很大的考验。但常见的多旋翼式的结构外形并不具备较好的水动力特性，不利于在水中长时间的航行，水下机动能力也难以满足需求。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种搭载双动力系统的水空两栖无人航行器，在不同介质中都具备良好机动性能的特点，且跨越介质的运动性能稳定，易于控制。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种搭载双动力系统的水空两栖无人航行器，包括：
5.首部矢量旋翼组件、与首部矢量旋翼组件固接的首部耐压水密外壳、与首部耐压水密外壳固接的姿态调整组件、与姿态调整组件固接的尾部耐压水密外壳及与尾部耐压水密外壳固接的尾部矢量推进组件；
6.姿态调整组件包括下端水密舱盖、固定于下端水密舱盖上的步进电机、步进电机的输出端固接有丝杆、固定于丝杆远离步进电机的一端上的橡胶活塞、与下端水密舱盖相对设置的上端水密舱盖及固定于上端水密舱盖中间部位的圆柱水舱，圆柱水舱远离下端水密舱盖的一端面开设有通气孔，丝杆远离步进电机的一端延伸至圆柱水舱内部，圆柱水舱靠近下端水密舱盖的一端内部固接有丝杆螺母，橡胶活塞位于圆柱水舱内做活塞运动；
7.首部矢量旋翼组件用于为飞行提供升力且可通过偏转旋翼方向获得控制力矩；
8.尾部矢量推进组件用于在水中为航行器提供前行推力且获得额外的控制力矩。
9.优选的，下端水密舱盖与上端水密舱盖的外侧面上分别开设有多个下端水密舱盖密封圈槽与上端水密舱盖密封圈槽，且下端水密舱盖与上端水密舱盖之间穿插有多个滑动导轨。
10.优选的，尾部矢量推进组件包括与尾部耐压水密外壳固接的尾部机座、尾部机座远离尾部耐压水密外壳的一端通过球铰链及推进器连接杆与水下涵道推进器固定连接及位于尾部机座中部的右舵机与左舵机，右舵机上连接有右舵机拉杆，左舵机上连接有左舵机拉杆，右舵机拉杆与左舵机拉杆均固接于尾部机座靠近水下涵道推进器的一端上。
11.优选的，首部矢量旋翼组件包括与首部耐压水密外壳固接的首部机座、固定设置于首部机座的内部的横置舵机、固定设置于首部机座侧面上的竖置舵机、首部机座远离首部耐压水密外壳的一端通过外环轴承活动连接有机座外环、与机座外环通过内环轴承活动连接的基座内环及与基座内环固接的共轴反桨电机，该共轴反桨电机上活动连接有上旋翼与下旋翼。
12.优选的，竖置舵机上固接有竖置舵机拉杆，竖置舵机拉杆远离竖置舵机的一端固接有机座外环；横置舵机上固接有横置舵机拉杆，横置舵机拉杆远离横置舵机的一端固接有基座内环。
13.本发明与现有技术相比，其有益效果是：可以跨空气和水介质，在两种介质内连续过渡运动，实现两栖航行的航行器，可实现从陆地或船舶甲板上垂直起飞，飞行一段距离后进入目标水域下潜航行，再上浮到水面从水中垂直升入空中，最后完成自主返航，可减少一般潜航器对母船的依赖，并可以完成空中俯瞰水面的侦察、潜入水下数据收集，在水下还具备50m深度的潜航能力。另外在数据收集方面、水空两用的平台具有极大的优越性、一方面在水面上空移动观测能够覆盖更大的区域，另一方又可直接进行水下人造结构、海洋数据等观测。
14.多功能的姿态调整系统，通过变体技术带来的重心位置调整和浮力调整方法相配合达到垂直浮于水面的状态使旋翼稳定浮于水面。由于增加了这一过渡阶段，该种方法相较于现常用的螺旋桨直接从水中出水方法更为稳定，避免了由于两种水和空气两种流体性质差异巨大给旋翼电机带来的额外干扰，在跨越介质的运动过程种更为稳定。
15.首尾的推进装置是一种可矢量运动的系统，采用主推力与拉力相对纵轴的偏转改变航行姿态所需控制力矩的控制技术，通过首尾配合实现高航速和优良的航向改变性能。在水下这种方法不依靠流体动力，即使在低速状态下仍可产生满足需求的控制力矩。因此具备更好的机动性能，和优秀的位置稳定性，更加利于水下作业。
16.采用鱼雷型回转体外形，其线型流畅，具有更为良好的水动力特性。电机、舵机等外露设备都采用防水耐腐蚀涂层，无需进行额外密封，相较于传统水下无人航行器，水密结构体积更小、重量更轻。使得飞行功能更易实现，续航能力也大大提高。
17.主体结构采用3d打印技术一体成型，具备优良的耐压和水密性能。
附图说明
18.图1为根据本发明的搭载双动力系统的水空两栖无人航行器的水下航行状态整体三维结构示意图；
19.图2为根据本发明的搭载双动力系统的水空两栖无人航行器的空中飞行状态整体三维结构示意图；
20.图3为根据本发明的搭载双动力系统的水空两栖无人航行器的姿态调整装置的装配示意图；
21.图4为根据本发明的搭载双动力系统的水空两栖无人航行器的姿态调整装置结构图；
22.图5为根据本发明的搭载双动力系统的水空两栖无人航行器的姿态调整装置全剖视图；
23.图6为根据本发明的搭载双动力系统的水空两栖无人航行器的尾部矢量推进装置结构示意图；
24.图7为根据本发明的搭载双动力系统的水空两栖无人航行器的首部矢量旋翼装置结构示意图。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
26.参照图1-7，一种搭载双动力系统的水空两栖无人航行器，包括：首部矢量旋翼组件1、与首部矢量旋翼组件1固接的首部耐压水密外壳2、与首部耐压水密外壳2固接的姿态调整组件3、与姿态调整组件3固接的尾部耐压水密外壳4及与尾部耐压水密外壳4固接的尾部矢量推进组件5；首部耐压水密外壳2与尾部耐压水密外壳4上分别固接有首部平衡翼8与尾部平衡翼6，首部平衡翼8起到防止航行器发生滚转的作用。
27.姿态调整组件3包括下端水密舱盖3.1、固定于下端水密舱盖3.1上的步进电机3.2、步进电机的输出端固接有丝杆3.8、固定于丝杆3.8远离步进电机3.2的一端上的橡胶活塞3.7、与下端水密舱盖3.1相对设置的上端水密舱盖3.4及固定于上端水密舱盖3.4中间部位的圆柱水舱3.6，圆柱水舱3.6远离下端水密舱盖3.1的一端面开设有通气孔3.5，丝杆3.8远离步进电机3.2的一端延伸至圆柱水舱3.6内部，圆柱水舱3.6靠近下端水密舱盖3.1的一端内部固接有丝杆螺母3.9，橡胶活塞3.7位于圆柱水舱3.6内做活塞运动；下端水密舱盖3.1与上端水密舱盖3.4的外侧面上分别开设有多个下端水密舱盖密封圈槽3.10与上端水密舱盖密封圈槽3.3，且下端水密舱盖3.1与上端水密舱盖3.4之间穿插有多个滑动导轨7，姿态调整组件3其可沿滑动导轨7伸长或缩短以在潜航和飞行所需的不同姿态间切换。下端水密舱盖3.1通过下端水密舱盖密封圈槽3.10，进行斯特封与尾部耐压水密外壳4进行轴向密封固定，上端水密舱盖3.4的上端水密舱盖密封圈槽3.3上使用斯特封的方法与首部耐压水密外壳2进行轴向密封固定。步进电机3.2将动力传递到丝杆3.8上带动丝杆3.8转动并旋进固定在上部端盖3.4上的丝杆螺母3.9，通过改变步进电机3.2的正转和反转来控制丝杆3.8在丝杆螺母3.9的旋进和旋出使姿态调整装置3的上部结构做往复直线运动，改变质心纵向位置。丝杆3.8旋进和旋出的过程可带动橡胶活塞3.7在圆柱水舱3.6中往复运动，圆柱水舱3.6顶端开有通气孔3.5与首部耐压水密外壳2连通，以减小内部气体压缩阻力，螺母
3.9孔与外界水连通在圆柱水舱3.6中泵入或排出压载水，以改变首部浮力的大小。姿态调整组件3通过改变设备质心纵向位置以及首部耐压水密外壳2内的浮力大小相结合的方式来调整航行器姿态；
28.首部矢量旋翼组件1用于为飞行提供升力且可通过偏转旋翼方向获得控制力矩；
29.尾部矢量推进组件5用于在水中为航行器提供前行推力且获得额外的控制力矩，同样可偏转推力方向与首部矢量旋翼组件1配合获得额外的控制力矩。
30.进一步的，尾部矢量推进组件5包括与尾部耐压水密外壳4固接的尾部机座5.1、尾部机座5.1远离尾部耐压水密外壳4的一端通过球铰链及推进器连接杆5.4与水下涵道推进器5.5固定连接及位于尾部机座5.1中部的右舵机5.2与左舵机5.7，右舵机5.2上连接有右舵机拉杆5.3，左舵机5.7上连接有左舵机拉杆5.6，右舵机拉杆5.3与左舵机拉杆5.6均固接于尾部机座5.1靠近水下涵道推进器5.5的一端上。右舵机5.2与左舵机5.7将舵盘的回转运动转化为右舵机拉杆5.3和左舵机拉杆5.6平面往复运动带动水下涵道推进器5.5偏转，右舵机5.2和左舵机5.7通过舵盘不同角度位置关系的配合实现水下涵道推进器5.5指定方向的偏转。
31.进一步的，首部矢量旋翼组件1包括与首部耐压水密外壳2固接的首部机座1.5、固定设置于首部机座1.5的内部的横置舵机1.6、固定设置于首部机座1.5侧面上的竖置舵机1.7、首部机座1.5远离首部耐压水密外壳2的一端通过外环轴承1.3活动连接有机座外环1.10、与机座外环1.10通过内环轴承1.4活动连接的基座内环1.12及与基座内环1.12固接的共轴反桨电机1.11，该共轴反桨电机1.11上活动连接有上旋翼1.1与下旋翼1.2，竖置舵机1.7上固接有竖置舵机拉杆1.8，竖置舵机拉杆1.8远离竖置舵机1.7的一端固接有机座外环1.10；横置舵机1.6上固接有横置舵机拉杆1.9，横置舵机拉杆1.9远离横置舵机1.6的一端固接有基座内环1.12。共轴反桨电机1.11内有内轴和外轴相互反向转动带动上旋翼1.1和下旋翼1.2对转，提供升力并相互抵消由各自转动而产生的巨大转矩，避免航行器发生自转。首部机座1.5底部与首部耐压水密外壳2固定连接，作为旋翼装置的支撑，其顶部由外环轴承1.3与机座外环1.10相连接，机座外环1.10在可在竖置舵机1.7和竖置舵机拉杆1.8的带动下绕外环轴承1.3在前后方向偏转而在左右方向与首部机座1.5保持相对固定，基座内环1.12则通过内环轴承1.4与机座外环1.10连接，在横置舵机1.6和横置舵机拉杆1.9的带动下绕内环轴承1.4做左右方向的偏转而前后方向与机座外环1.10保持相对固定。共轴反桨电机1.11与基座内环1.12固定连接，通过控制基座内环1.12的姿态来实现共轴反桨电机1.11指定方向的偏转。
32.这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
33.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

技术特征：
1.一种搭载双动力系统的水空两栖无人航行器，其特征在于，包括：首部矢量旋翼组件(1)、与首部矢量旋翼组件(1)固接的首部耐压水密外壳(2)、与首部耐压水密外壳(2)固接的姿态调整组件(3)、与姿态调整组件(3)固接的尾部耐压水密外壳(4)及与尾部耐压水密外壳(4)固接的尾部矢量推进组件(5)；姿态调整组件(3)包括下端水密舱盖(3.1)、固定于下端水密舱盖(3.1)上的步进电机(3.2)、步进电机的输出端固接有丝杆(3.8)、固定于丝杆(3.8)远离步进电机(3.2)的一端上的橡胶活塞(3.7)、与下端水密舱盖(3.1)相对设置的上端水密舱盖(3.4)及固定于上端水密舱盖(3.4)中间部位的圆柱水舱(3.6)，圆柱水舱(3.6)远离下端水密舱盖(3.1)的一端面开设有通气孔(3.5)，丝杆(3.8)远离步进电机(3.2)的一端延伸至圆柱水舱(3.6)内部，圆柱水舱(3.6)靠近下端水密舱盖(3.1)的一端内部固接有丝杆螺母(3.9)，橡胶活塞(3.7)位于圆柱水舱(3.6)内做活塞运动；首部矢量旋翼组件(1)用于为飞行提供升力且可通过偏转旋翼方向获得控制力矩；尾部矢量推进组件(5)用于在水中为航行器提供前行推力且获得额外的控制力矩。2.如权利要求1所述的一种搭载双动力系统的水空两栖无人航行器，其特征在于，下端水密舱盖(3.1)与上端水密舱盖(3.4)的外侧面上分别开设有多个下端水密舱盖密封圈槽(3.10)与上端水密舱盖密封圈槽(3.3)，且下端水密舱盖(3.1)与上端水密舱盖(3.4)之间穿插有多个滑动导轨(7)。3.如权利要求1所述的一种搭载双动力系统的水空两栖无人航行器，其特征在于，尾部矢量推进组件(5)包括与尾部耐压水密外壳(4)固接的尾部机座(5.1)、尾部机座(5.1)远离尾部耐压水密外壳(4)的一端通过球铰链及推进器连接杆(5.4)与水下涵道推进器(5.5)固定连接及位于尾部机座(5.1)中部的右舵机(5.2)与左舵机(5.7)，右舵机(5.2)上连接有右舵机拉杆(5.3)，左舵机(5.7)上连接有左舵机拉杆(5.6)，右舵机拉杆(5.3)与左舵机拉杆(5.6)均固接于尾部机座(5.1)靠近水下涵道推进器(5.5)的一端上。4.如权利要求3所述的一种搭载双动力系统的水空两栖无人航行器，其特征在于，首部矢量旋翼组件(1)包括与首部耐压水密外壳(2)固接的首部机座(1.5)、固定设置于首部机座(1.5)的内部的横置舵机(1.6)、固定设置于首部机座(1.5)侧面上的竖置舵机(1.7)、首部机座(1.5)远离首部耐压水密外壳(2)的一端通过外环轴承(1.3)活动连接有机座外环(1.10)、与机座外环(1.10)通过内环轴承(1.4)活动连接的基座内环(1.12)及与基座内环(1.12)固接的共轴反桨电机(1.11)，该共轴反桨电机(1.11)上活动连接有上旋翼(1.1)与下旋翼(1.2)。5.如权利要求4所述的一种搭载双动力系统的水空两栖无人航行器，其特征在于，竖置舵机(1.7)上固接有竖置舵机拉杆(1.8)，竖置舵机拉杆(1.8)远离竖置舵机(1.7)的一端固接有机座外环(1.10)；横置舵机(1.6)上固接有横置舵机拉杆(1.9)，横置舵机拉杆(1.9)远离横置舵机(1.6)的一端固接有基座内环(1.12)。

技术总结
本发明公开了一种搭载双动力系统的水空两栖无人航行器，包括首部矢量旋翼组件、与首部矢量旋翼组件固接的首部耐压水密外壳、与首部耐压水密外壳固接的姿态调整组件、与姿态调整组件固接的尾部耐压水密外壳及与尾部耐压水密外壳固接的尾部矢量推进组件；首部矢量旋翼组件用于为飞行提供升力且可通过偏转旋翼方向获得控制力矩；尾部矢量推进组件用于在水中为航行器提供前行推力且获得额外的控制力矩；姿态调整组件通过改变设备质心纵向位置以及首部耐压水密外壳内的浮力大小相结合的方式来调整航行器姿态。根据本发明，通过两种不同动力装置的结合，在不同介质中都具备良好机动性能的特点，且跨越介质的运动性能稳定，易于控制。于控制。于控制。


技术研发人员：熊志鑫 方波 江鸿 马明 吴欣源 陈楚瑶
受保护的技术使用者：上海海事大学
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/8/9