一种可变结构形态的跨介质旋翼无人机及其控制方法

1.本发明涉及无人机技术领域，尤其是涉及一种可变结构形态的跨介质旋翼无人机及其控制方法。


背景技术：

2.目前，旋翼式无人机由于其良好的操作性和成熟的技术，已被广泛用于各个领域，如农业植保、电力检测、航拍摄影摄像、测绘等，大大提高了人工效率，产生了良好的经济效应。旋翼式无人机也被用于水质调查和水质采样，一般通过无人机携带的相机对潜在已污染水域进行航拍，根据航拍照片中水面的颜色等信息判定污染水域的大小和区域；或是通过无人机携带水样采样装置或设备，通过无人机航飞至预定区域，在预定区域上通过下降水样采样装置一定高度后进入水下进行水质采样，下降一定高度后在水下进行水质采样。
3.但是现有的旋翼式无人机不具备直接进入到水中进行剖面水质采样或者其它操作，其考虑到如何进入水中、进入水中的密封问题以及进入水中后的信号问题，如中国发明专利申请公布号cn114802746a所述的一种两栖多旋翼无人机，当两栖多旋翼无人机飞达指定水面后，多旋翼无人机组件通过两栖推进器可以降到水下，控制数传图传浮体组件浮于水面，地面可以遥控多旋翼无人机组件在水里自由升降、前进、后退、左右转弯，使用非常方便。
4.虽然该技术解决了如何进入水中、进入水中的密封问题以及进入水中后的信号问题，但是其依赖于柔制传输电缆和控制数传图传浮体组件，整体结构复杂度高，并且会对无人机在水中产生干预，且通过两栖推进器虽然可以降到水下，但是水中环境复杂度高，且进入水中后两栖推进器持续运行耗费能量大，对此，有必要提出一种新的技术方案以解决上述问题。


技术实现要素：

5.本专利提供一种无人机主体，通过无人机主体空中高效飞行至目标介质上方并下降至目标介质的介质面，通过结构形态变化对旋翼无人机主体结构体积进行改变，获取对无人机主体水下浮力的调整，实现无人机主体在目标介质中上升或沉降动作的技术方案；本发明专利采用的技术方案是：一种可变结构形态的跨介质旋翼无人机，包括无人机主体，无人机主体的外壁结构设置有双稳态或者多稳态的可变形态板壳，无人机主体的内部设置有电动推杆，电动推杆与可变形态板壳动力连接，可变形态板壳通过电动推杆的推动使无人机主体进行双稳态或多稳态的可控形态转换，无人机主体在水下的浮力和宏观平均体积密度通过可控形态转换进行调控，使无人机主体在水下上升和沉降。
6.优选地，无人机主体包括无人机机身、设置在无人机机身上的旋翼、设置在无人机机身内部的操作系统和设置在无人机机身下端的荷载箱，可变形态板壳设置在无人机机身上，操作系统包括电路控制模块、通讯模块和电源模块，荷载箱集成设置有功能模块，旋翼、电动推杆、通讯模块、电源模块和功能模块均与电路控制模块相连接。
7.优选地，功能模块包括但不仅限于摄像机、照明灯、采样器、水质传感器和介质深度传感器。
8.优选地，在无人机机身上还安装有配重块，配重块用于调整无人机机身的宏观平均密度。
9.优选地，双稳态或者多稳态的可变形态板壳为金属材料制作，包括钢材、铝合金或镁合金。
10.优选地，双稳态或者多稳态的可变形态板壳为塑料材料制作，包括abs、纤维复合材料或赛钢。
11.一种跨介质旋翼无人机的控制方法，包括上述所述的一种可变结构形态的跨介质旋翼无人机，还包括如下步骤：步骤1，搭建无人机主体的可变结构，在无人机机身上使用具有良好承载力的双稳态或多稳态的可变形态板壳，通过在无人机机身内设置用于带动可变形态板壳产生可控形态转换的电动推杆，使无人机机身基于电动推杆的运行产生第一稳定形态和第二稳定形态；基于跨介质的目标介质密度，无人机机身采用配重块进行配重，使无人机机身在第一稳定形态下对应无人机主体的宏观平均密度小于目标介质密度，无人机机身在第二稳定形态下对应无人机主体的宏观平均密度大于目标介质密度；步骤2，搭建远程操作方式，基于电路控制模块、通讯模块和电源模块，电路控制模块采用可编程程序的控制方式，控制电动推杆、功能模块和旋翼的运作，电路控制模块通过通讯模块远程无线连接有终端控制设备，通过终端控制设备对操作系统进行远程操作；步骤3，进入目标介质，无人机机身初始状态下处于第一稳定形态，通过远程操作方式控制无人机主体，无人机主体在陆地上时，通过控制旋翼旋转提供空中的升力和前进动力；无人机主体进入目标介质时，通过电动推杆在电路控制模块的可编程程序控制下驱动，从而推动可变形态板壳使无人机机身转换为第二稳定形态，通过无人机机身在第二稳定形态下对应无人机主体的宏观平均密度大于目标介质密度，无人机主体将逐渐沉没至目标介质中；步骤4，对目标介质进行信息采集，无人机主体在陆地上时，通过终端控制设备对电路控制模块设定用于运行功能模块的第一操作指令，操作指令依据介质深度传感器产生的信号来执行，当无人机主体进入目标介质一定深度后使介质深度传感器产生信号时，电路控制模块依据该操作指令运行摄像机、照明灯、采样器和水质传感器进行介质信息采集；步骤5，浮出目标介质，无人机主体在陆地上时，通过终端控制设备对电路控制模块设定用于浮出目标介质的参数设定，无人机主体进入到目标介质后，电路控制模块依据参数设定来控制电动推杆工作，从而推动可变形态板壳使无人机机身转换为第一稳定形态，通过无人机机身在第一稳定形态下对应无人机主体的宏观平均密度小于目标介质密度，无人机主体最终将上浮至漂浮在目标介质的表面。
12.优选地，通过终端控制设备对电路控制模块设定用于浮出目标介质的参数设定包括有无人机主体的沉降时间、沉降深度、沉降过程中是否发生碰撞、或者到达最大工作的介质深度。
13.优选地，电路控制模块通过介质深度传感器检测无人机主体当前状态，当无人机主体从目标介质中浮出后，优先尝试恢复通讯功能，重新建立与终端控制设备的通讯联系。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：可以通过无人机主体密闭结构的形态改变实现无人机主体宏观密度的调整，从而使无人机主体在目标介质下实现净浮力或者净重力的转变，在目标介质下实现上升和沉降动作，使无人机主体也具备在目标介质竖直剖面进行运动的功能。由于双稳态或者多稳态的可变形态板壳及简单的电动推杆的引入，无人机主体密闭机身内部可以使用精简的机械结构实现体积改变，从而使该无人机主体具备跨介质工作的功能。
15.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
17.图1是本发明的结构示意图；图2是本发明中可变形态板壳处于第一稳定形态下的结构示意图；图3是本发明中可变形态板壳处于第二稳定形态下的结构示意图；图4是本发明的电路模块连接框图。
18.图中的附图标记及名称如下：无人机机身10、可变形态板壳11、电动推杆12、旋翼13、荷载箱14、操作系统20、电路控制模块21、通讯模块22、电源模块23、功能模块30、摄像机31、照明灯32、采样器33、水质传感器34、介质深度传感器35、终端控制设备40。
具体实施方式
19.下面将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它实施例，都属于本发明保护的范围。
20.请参阅图1-3，本发明实施例中，提供一种可变结构形态的跨介质旋翼无人机，制备在目标介质下可控沉降运动的无人机主体制备技术，所制备的无人机主体具备进行目标介质下可控的沉降和上升动作，可以对目标介质下剖面情况进行采样、拍照、监测等；包括无人机主体，无人机主体的外壁结构设置有双稳态或者多稳态的可变形态板壳11，双稳态或者多稳态的可变形态板壳11可以是金属材料制作，包括钢材、铝合金或镁合金；双稳态或者多稳态的可变形态板壳11还可以是塑料材料制作，包括abs、纤维复合材料或赛钢；无人机主体的内部设置有电动推杆12，电动推杆12与可变形态板壳11动力连接，可变形态板壳11通过电动推杆12的推动使无人机主体进行双稳态或多稳态的可控形态转换，无人机主体在目标介质下的浮力和宏观平均体积密度通过可控形态转换进行调控，使无人机主体在目标介质下上升和沉降。
21.可以通过无人机主体密闭结构的形态改变实现无人机主体宏观密度的调整，从而
使无人机主体在目标介质下实现净浮力或者净重力的转变，在目标介质下实现上升和沉降动作，使无人机主体也具备在目标介质竖直剖面进行运动的功能。由于双稳态或者多稳态的可变形态板壳11及简单的电动推杆12的引入，无人机主体密闭机身内部可以使用精简的机械结构实现体积改变，从而使该无人机主体具备跨介质工作的功能。
22.优选地，无人机主体包括无人机机身10、设置在无人机机身10上的旋翼13、设置在无人机机身10内部的操作系统20和设置在无人机机身10下端的荷载箱14；可变形态板壳11设置在无人机机身10上，操作系统20包括电路控制模块21、通讯模块22和电源模块23，荷载箱14集成设置有功能模块30，旋翼13、电动推杆12、通讯模块22、电源模块23和功能模块30均与电路控制模块21相连接；功能模块30包括但不仅限于摄像机31、照明灯32、采样器33、水质传感器34和介质深度传感器35；无人机主体在进入目标介质后通过摄像机31进行拍照，通过采样器33在设定的目标介质深度进行采样，通过照明灯32照明可辅助拍照，通过水质传感器34采集目标介质信息，介质深度传感器35则用于检测无人机主体进入目标介质中的深度。
23.请参阅图1-4，本发明实施例中，基于上述一种可变结构形态的跨介质旋翼无人机，设置一种跨介质旋翼无人机的控制方法，采用双稳态的可变形态板壳11，包括如下步骤：步骤1，搭建无人机主体的可变结构，在无人机机身10上使用具有良好承载力的双稳态的可变形态板壳11，通过在无人机机身10内设置用于带动可变形态板壳11产生可控形态转换的电动推杆12，使无人机机身10基于电动推杆12的运行产生第一稳定形态和第二稳定形态；基于跨介质的目标介质密度，无人机机身10采用配重块进行配重，使无人机机身10在第一稳定形态下对应无人机主体的宏观平均密度小于目标介质密度，无人机机身10在第二稳定形态下对应无人机主体的宏观平均密度大于目标介质密度；步骤2，搭建远程操作方式，基于电路控制模块21、通讯模块22和电源模块23，电路控制模块21采用可编程程序的控制方式，控制电动推杆12、功能模块30和旋翼13的运作，电路控制模块21通过通讯模块22远程无线连接有终端控制设备40，通过终端控制设备40对操作系统20进行远程操作；步骤3，进入目标介质，无人机机身10初始状态下处于第一稳定形态，通过远程操作方式控制无人机主体，无人机主体在陆地上时，通过控制旋翼13旋转提供空中的升力和前进动力；无人机主体进入目标介质时，通过电动推杆12在电路控制模块21的可编程程序控制下驱动，从而推动可变形态板壳11使无人机机身10转换为第二稳定形态，通过无人机机身10在第二稳定形态下对应无人机主体的宏观平均密度大于目标介质密度，无人机主体将逐渐沉没至目标介质中；步骤4，对目标介质进行信息采集，无人机主体在陆地上时，通过终端控制设备40对电路控制模块21设定用于运行功能模块30的第一操作指令，操作指令依据介质深度传感器35或其它传感器产生的信号来执行，当无人机主体进入目标介质一定深度后使介质深度传感器35产生信号时，电路控制模块21依据该操作指令运行摄像机31、照明灯32、采样器33和水质传感器34进行介质信息采集；步骤5，浮出目标介质，无人机主体在陆地上时，通过终端控制设备40对电路控制模块21设定用于浮出目标介质的参数设定，无人机主体进入到目标介质后，电路控制模块
21依据参数设定来控制电动推杆12工作，从而推动可变形态板壳11使无人机机身10转换为第一稳定形态，通过无人机机身10在第一稳定形态下对应无人机主体的宏观平均密度小于目标介质密度，无人机主体最终将上浮至漂浮在目标介质的表面。
24.优选地，通过终端控制设备40对电路控制模块21设定用于浮出目标介质的参数设定包括有无人机主体的沉降时间、沉降深度、沉降过程中是否发生碰撞、或者到达最大工作的介质深度。
25.优选地，电路控制模块21通过介质深度传感器35检测无人机主体当前状态，当无人机主体从目标介质中浮出后，优先尝试恢复通讯功能，重新建立与终端控制设备40的通讯联系。
26.为了更进一步阐述本发明技术方案，下面将通过水作为目标介质对本发明的技术方案进行更进一步的说明；无人机主体根据设计功能，且结构上均采用防水设计，具备在水下20米以内不漏水的密闭性，且在无人机机身10上还安装有配重块，配重块用于调整无人机机身10的宏观平均密度，可变形态板壳11采用双稳态设置的双可变形态板壳11，可以搭载相应的荷载箱14。该可变结构形态跨介质旋翼无人机主体在无人机机身10布局使用了具有良好承载力的双可变形态板壳11，双可变形态板壳11在电动推杆12作用下，可以发生形态转变，形态转换为第二个稳定形态，电动推杆12也缩短至收缩状态，双可变形态板壳11形态转换后并不需要外部支撑或者能耗来维持其变化后的形态，在电动推杆12的支撑下，双可变形态板壳11的结构稳定性更好。
27.上述可变结构形态跨介质旋翼无人机主体为保证在下降至水面时不是马上沉降，而是漂浮于水面，其机身的双可变形态板壳11的形态是外凸的，以增大无人机主体的体积，使无人机主体的宏观平均密度小于目标水体的密度。无人机主体在陆地或者其他平台上，通过控制旋翼13旋转提供空中的升力和前进动力，航飞至目标水域上方，然后下降至水面，停止旋翼13后由于当前自身宏观平均密度小于目标水域密度而漂浮在水面上。当无人机主体旋翼13停机，并漂浮在水面后，电动推杆12在编程参数控制的嵌入式系统或单片机系统的驱动下开始工作，电动推杆12的电机带动螺杆旋转进行收缩，并在双可变形态板壳11转换至其另外一个稳定形态时停机，双可变形态板壳11的形态变化将减小无人机主体宏观平均体积，使其密度大于水体密度。携带荷载箱14的无人机主体将逐渐沉没至水下，并向水下进行沉降，集成在无人机主体荷载箱14上的介质深度传感器35将实时监测无人机主体在沉降在水下的深度，达到目标水深后，无人机主体携带的荷载箱14在控制系统的控制下开始工作，比如摄像机31进行摄像拍照，水质传感器34采集剖面水质信息，采样器33在设定水深深度进行采样，等等。无人机主体根据参数设定，比如按照沉降时间、沉降深度、沉降过程中是否发生碰撞，或者到达最大工作水深深度，操作系统20控制电动推杆12的电机工作，将双可变形态板壳11的形态往外推，恢复至双可变形态板壳11初始的稳定形态，电动推杆12到达相应位置后停机。由于双可变形态板壳11形态的转换，无人机主体在水下的体积将增加，其宏观平均密度将小于水体密度，从而在水中获得净浮力，无人机主体在水下将由下降运动逐渐转变为上浮运动，并在净浮力的作用下，最终浮出水面，在水面漂浮。无人机主体在感知到已上浮水面后，根据单片机控制系统的参数设定，开启提供升力的旋翼13，在快速旋转的旋翼13驱动下，逐渐恢复置空，恢复正常无人机主体的功能，并恢复建立相应的通讯功
能。无人机主体也可以在漂浮在水面后优先尝试恢复通讯功能，建立通讯联系后根据无人机主体的遥控系统（终端控制设备40）进行起飞，或者完成其他工作任务。由于无线电信号在水下二十厘米左右会被水屏蔽，因此，无人机主体水下下沉或者上浮运动是在嵌入式系统或单片机系统中设定的参数或指令的控制下完成的，重新漂浮至水面后重新建立通讯联系，以便远程操作无人机主体。完成拟定任务的无人机主体将根据远程操作系统20的设定返航。
28.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

技术特征：
1.一种可变结构形态的跨介质旋翼无人机，其特征在于，包括无人机主体，无人机主体的外壁结构设置有双稳态或者多稳态的可变形态板壳，无人机主体的内部设置有电动推杆，电动推杆与可变形态板壳动力连接，可变形态板壳通过电动推杆的推动使无人机主体进行双稳态或多稳态的可控形态转换，无人机主体在水下的浮力和宏观平均体积密度通过可控形态转换进行调控，使无人机主体在水下上升和沉降。2.根据权利要求1所述的一种可变结构形态的跨介质旋翼无人机，其特征在于，无人机主体包括无人机机身、设置在无人机机身上的旋翼、设置在无人机机身内部的操作系统和设置在无人机机身下端的荷载箱，可变形态板壳设置在无人机机身上，操作系统包括电路控制模块、通讯模块和电源模块，荷载箱集成设置有功能模块，旋翼、电动推杆、通讯模块、电源模块和功能模块均与电路控制模块相连接。3.根据权利要求2所述的一种可变结构形态的跨介质旋翼无人机，其特征在于，功能模块包括但不仅限于摄像机、照明灯、采样器、水质传感器和介质深度传感器。4.根据权利要求2所述的一种可变结构形态的跨介质旋翼无人机，其特征在于，在无人机机身上还安装有配重块，配重块用于调整无人机机身的宏观平均密度。5.根据权利要求1所述的一种可变结构形态的跨介质旋翼无人机，其特征在于，双稳态或者多稳态的可变形态板壳为金属材料制作，包括钢材、铝合金或镁合金。6.根据权利要求1所述的一种可变结构形态的跨介质旋翼无人机，其特征在于，双稳态或者多稳态的可变形态板壳为塑料材料制作，包括abs、纤维复合材料或赛钢。7.一种跨介质旋翼无人机的控制方法，包括权利要求3所述的一种可变结构形态的跨介质旋翼无人机，其特征在于，还包括如下步骤：步骤1，搭建无人机主体的双稳态系统，在无人机机身上使用具有良好承载力的双稳态的可变形态板壳，通过在无人机机身内设置用于带动可变形态板壳产生可控形态转换的电动推杆，使无人机机身基于电动推杆的运行产生第一稳定形态和第二稳定形态；基于跨介质的目标介质密度，无人机机身采用配重块进行配重，使无人机机身在第一稳定形态下对应无人机主体的宏观平均密度小于目标介质密度，无人机机身在第二稳定形态下对应无人机主体的宏观平均密度大于目标介质密度；步骤2，搭建远程操作方式，基于电路控制模块、通讯模块和电源模块，电路控制模块采用可编程程序的控制方式，控制电动推杆、功能模块和旋翼的运作，电路控制模块通过通讯模块远程无线连接有终端控制设备，通过终端控制设备对操作系统进行远程操作；步骤3，进入目标介质，无人机机身初始状态下处于第一稳定形态，通过远程操作方式控制无人机主体，无人机主体在陆地上时，通过控制旋翼旋转提供空中的升力和前进动力；无人机主体进入目标介质时，通过电动推杆在电路控制模块的可编程程序控制下驱动，从而推动可变形态板壳使无人机机身转换为第二稳定形态，通过无人机机身在第二稳定形态下对应无人机主体的宏观平均密度大于目标介质密度，无人机主体将逐渐沉没至目标介质中；步骤4，对目标介质进行信息采集，无人机主体在陆地上时，通过终端控制设备对电路控制模块设定用于运行功能模块的第一操作指令，操作指令依据介质深度传感器产生的信号来执行，当无人机主体进入目标介质一定深度后使介质深度传感器产生信号时，电路控制模块依据该操作指令运行摄像机、照明灯、采样器和水质传感器进行介质信息采集；
步骤5，浮出目标介质，无人机主体在陆地上时，通过终端控制设备对电路控制模块设定用于浮出目标介质的参数设定，无人机主体进入到目标介质后，电路控制模块依据参数设定来控制电动推杆工作，从而推动可变形态板壳使无人机机身转换为第一稳定形态，通过无人机机身在第一稳定形态下对应无人机主体的宏观平均密度小于目标介质密度，无人机主体最终将上浮至漂浮在目标介质的表面。8.根据权利要求7所述的一种跨介质旋翼无人机的控制方法，其特征在于，通过终端控制设备对电路控制模块设定用于浮出目标介质的参数设定包括有无人机主体的沉降时间、沉降深度、沉降过程中是否发生碰撞、或者到达最大工作的介质深度。9.根据权利要求7所述的一种跨介质旋翼无人机的控制方法，其特征在于，电路控制模块通过介质深度传感器检测无人机主体当前状态，当无人机主体从目标介质中浮出后，优先尝试恢复通讯功能，重新建立与终端控制设备的通讯联系。

技术总结
本发明涉及无人机技术领域，尤其是涉及一种可变结构形态的跨介质旋翼无人机及其控制方法，包括无人机主体，无人机主体的外壁结构设置有双稳态或者多稳态的可变形态板壳，无人机主体的内部设置有电动推杆，电动推杆与可变形态板壳动力连接，可变形态板壳通过电动推杆的推动使无人机主体进行双稳态或多稳态的可控形态转换，无人机主体在水下的浮力和宏观平均体积密度通过可控形态转换进行调控，使无人机主体在水下上升和沉降；由于双稳态或者多稳态的可变形态板壳及简单的电动推杆的引入，无人机主体密闭机身内部可以使用精简的机械结构实现体积改变，从而使该无人机主体具备跨介质工作的功能。质工作的功能。质工作的功能。


技术研发人员：易圣辉 秦庆华 程俊业
受保护的技术使用者：深圳北理莫斯科大学
技术研发日：2023.02.16
技术公布日：2023/6/27