一种水空两栖矢量无人机及其跨介质航行控制方法

1.本发明涉及无人机领域，具体涉及一种水空两栖矢量无人机及其跨介质航行控制方法。


背景技术：

2.随着航行器与飞行器技术的日益发展，单一介质航行的无人设备越来越难以满足军事、民用领域的各种需求。水空两栖跨介质无人机备跨介质航行能力，结合了无人潜水器在水中的高隐蔽性和飞行器于空中的高速度高机动能力，使其在海上侦查、监视、通讯中继、登陆突防和防空、反潜等诸多场景具有极高的应用价值。跨介质无人机还能利用各种探测设备的盲区，以非常规的方式实现隐身作战。
3.现有的水空两栖无人机为了实现水空跨域航行，大都配备了多套动力推进系统来实现在不同介质条件下的驱动。同时，为了能让飞行器潜入水下，还配备了机械排水结构，通过控制排水量来控制航行器在水中的沉潜。水空两栖无人机在空中飞行时依靠机翼产生升力与重力平衡，机翼面积普遍比较大，导致在水下航行的阻力增大，限制了无人机在水体环境中的性能。为了解决该问题，目前的水空两栖无人机大多采用折叠翼设计，即在水下航行时，通过折叠机构将机翼折叠，减小航行方向的投影面积，从而降低水下航行的阻力。上述机械结构的配备，增加了无人机的复杂度，降低了其可靠性，使得无人机的性能受不同程度的限制。现有水空无人机在不同介质航行时，需要在不同程度上改变无人机的结构，跨介质航行步骤繁琐，操作较为复杂。以上所述的各种问题极大地限制了水空两栖无人机的发展，因此，设计一款结构简单，可靠性强的水空两栖无人机具有很好的实际价值和应用前景。
4.自动控制技术是无人机能实现自主航行的关键技术。现有的无人机控制器主要针对无人机在空中飞行状态进行设计，适用条件单一，难以满足水空两栖在空气、水体以及水—空过渡过程中的统一控制，从而导致工作过程效率低下，灵活性能差。因此，有必要就水空两栖无人机跨域航行的特点，设计对应的控制系统及方法，使得水空两栖无人机在水、空环境中都能得到有效的控制，同时还能顺利实现水空模式的过渡。


技术实现要素：

5.要解决的技术问题：
6.本发明的目的在于克服现有水空两栖无人机机械系统和控制系统方面的不足，旨在设计一种新型水空两栖矢量无人机，及其跨介质航行的控制方法，从而依托结构简单可靠的无人机实现自主水空跨介质航行，以解决现有水空两栖无人机结构冗余和跨介质飞行步骤繁琐的问题。本发明所述的无人机不存在传统水空两栖无人机为了跨域航行而附加的各种额外的机构，也不需要为跨介质航行而做相应的结构调整，极大地提高了水空两栖无人机的可靠性。
7.采用的技术方案如下：
8.为了实现以上目标，本发明的无人机采用矢量双旋翼飞翼布局，对机翼结构进行特殊的设计，并结合水空一体矢量动力系统，能够实现在水下和空中的驱动以及姿态控制，避免了搭配多套动力推进装备带来的结构冗余；采用机翼的镂空结构设计，使得在不配备机械排水装置的前提下即可实现无人机在水中悬浮，进一步简化了系统的复杂度；针对水下航行阻力大的特点，采用仿生外形设计，将机翼平面形状设计为流线型，可以减小无人机在水下航行时的压差阻力，强化无人机在水下的航行能力。并根据所设计的水空两栖矢量无人机的特点，通过调整不同介质中的飞行姿态等，实现跨介质飞行控制。具体技术方案如下：
9.一种水空两栖矢量无人机，采用矢量双旋翼飞翼布局，包括机架、机架防水膜、机翼、舵机、电机、可折叠的螺旋桨、飞控硬件、电池和电子调速器，其中，由舵机实现矢量驱动，机翼包括上翼面壳体和下翼面壳体，上、下翼面壳体分别设置于机架的上方和下方，机架位于机翼外壳靠近前缘的中间位置，以形成完整的气动外形；在机架侧面贴有机架防水膜，通过机架防水膜与上、下翼面壳体之间形成封闭的空腔，用于安装飞控硬件、电子调速器和电池；在所述封闭的空腔之外的区域，上、下翼面壳体之间形成镂空结构，并且机翼的侧端面与后缘不封闭，水可以自由进入到上、下翼面壳体所形成的镂空结构之中。
10.进一步，所述机翼的外形整体为中间略厚两边略薄的结构，中间部分为中间翼段较厚，具有足够的内部空间安装电池、飞控硬件和电子调速器；中间翼段的左右两边为外翼段选用较薄的低雷洛数高升阻比翼型设计；中间翼段和外翼段之间采用光滑过渡。
11.进一步，所述机翼的平面为仿蝠鲼的平面结构，是具有流线型特征的五边形，机翼前缘两边后掠，后掠角在20到50度之间；机翼后缘前掠，前掠角在20度到40度之间。
12.进一步，所述机架为框架结构，所述机架的框架结构的形状由机翼形状决定，需要和机翼进行联合设计；机架内设置有电子设备安装座，用于安装飞控硬件、电池和电子调速器。
13.进一步，舵机安装在机架两侧的电机安装座上，并分布在机翼中间翼段前缘的两端，通过矢量动力可以实现控制无人机在水下的浮沉运动，以及空中的飞行时的姿态控制。
14.所述水空两栖矢量无人机的跨介质航行控制方法，包括：控制所述水空两栖矢量无人机从空中飞行状态过渡到水体航行状态，以及控制所述水空两栖矢量无人机从水体航行状态过渡到空中飞行状态，其中，水体航行状态包括水面滑行和水下潜行。
15.进一步，当所述水空两栖矢量无人机从空中飞行状态过渡到水面航行时，利用舵机调整所述无人机的姿态，使其保持平飞状态，并不断降飞行高度，使得机腹先与水面接触，实现无人机在水面的降落；降落在水面后，由舵机调整螺旋桨的偏转角度，保持螺旋桨的轴线与水面平行，保持电机转动，即可依托螺旋桨产生的拉力驱动无人机在水面航行。
16.进一步，当所述水空两栖矢量无人机从空中飞行状态过渡到水下潜行时，由舵机调整所述无人机的飞行姿态，使得所述无人机以旋翼模式飞行，即无人机机翼弦线与水面几近垂直；保持左右两个螺旋桨的转速相同并逐渐降低的转速，以缓慢降低无人机的飞行高度，最终无人机将与水面接触；由于无人机机翼弦线与水面的夹角很大，使得机翼后缘将先与水面接触；
17.在机翼后缘与水面接触后，水通过后缘处上、下翼面壳体之间的缝隙进入上、下翼面壳体之间的镂空结构中，从而增加了机翼包络体内的整体密度；无人机与水面接触后，保
持螺旋桨转速缓慢减低，直至无人机完全淹没于水中，即完成无人机从空气到水体介质航行的过渡；
18.所述无人机完全浸没在水中后，再次利用舵机调整无人机的姿态，使得无人机机翼弦线与水面的夹角保持在较小的范围内，再通过使用无人机在空中飞行时相同的驱动方式和控制方法来驱动无人机在水下的航行。
19.进一步，当所述水空两栖矢量无人机从水面航行过渡到空中飞行状态时，通过舵机控制螺旋桨的轴线处于竖直位置，且螺旋桨拉力的方向上，然后同步增加左右两侧的电机的转速，无人机在螺旋桨拉力的作用下脱离水面，然后垂直起飞，到达指定的高度后，转为平飞状态。
20.进一步，当所述水空两栖矢量无人机从水下潜行过渡到空中飞行状态时，通过控制舵机使得螺旋桨的拉力竖直向上，所述无人机在螺旋桨拉力作用下，不断上浮，并且所述无人机机翼弦线将与水面近乎垂直，且机头向上；
21.当螺旋桨离开水面后，降低电机的转速，使得无人机缓慢离开水面，水在重力的作用由机翼侧端面和后缘的缝隙流出无人机的镂空结构；
22.当无人后缘离开水面后，采用旋翼起飞的方式完成起飞，至此，完成了无人机由水下航行到空中飞行模态的转换。
23.本发明与现有技术相比所具有的有益效果：
24.1.采用结构—功能一体化设计，得到一款结构简单、可靠性强的水空两栖无人机；
25.2.采用布置在机翼中间翼段前缘左右两侧的二元矢量动力，实现对无人机在水下和空中的操控，避免了传统水空两栖无人机多套动力搭配的冗余设计，增加了无人机的有效负载能力。同时，由于采用矢量动力，取消了传统舵面，提高了无人机的气动效率；
26.3.实现了对水空两栖跨介质无人机的一体控制；通过控制无人机的降落姿态，可以使得无人机在水面漂浮或在水下潜行。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
28.图1为本发明水空两栖矢量无人机示意图；
29.图2为本发明水空两栖矢量无人机透视图；
30.图3为本发明水空两栖矢量无人机主视图；
31.图4为本发明水空两栖矢量无人机左视图；
32.图5为本发明水空两栖矢量无人机俯视图；
33.图6为本发明水空两栖矢量无人机机架示意图；
34.图7为本发明水空两栖矢量无人机机架主视图；
35.图8为本发明水空两栖矢量无人机上翼面示意图。
36.附图标记说明：
37.1-上翼面壳体、2-机架、3-伺服电机、4-无刷直流电机、5-可折叠螺旋桨、6-可充电
电池、7-伺服电机支座、8-飞控硬件、9-下翼面壳体、10-过线孔、11-电子设备安装座、12-排气孔
具体实施方式
38.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，本领域技术人员在没有作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。
39.本实例是一种水空两栖矢量式无人机，具体实施方案如下：
40.如图1和图2所示，本发明的水空两栖矢量式无人机，采用无舵面控制的矢量双旋翼飞翼布局，由机架2、机翼、两个无刷直流电机4、作为舵机的两个伺服电机3、可充电电池6、飞控硬件8、电子调速器、可折叠的两个螺旋桨5组成，其中，通过伺服电机提供矢量驱动，伺服电机用于调整螺旋桨的轴线偏转方向，具体可以通过舵机来改变螺旋桨拉力的方向，进而对无人机提供矢量动力，无刷直流电机4控制螺旋桨的转速；机翼分为上翼面壳体1和下翼面壳体9。机翼平面形状采用仿蝠鲼的外形设计，流线型的外形可以有效减少无人机航行时的压差阻力。机翼的根弦长200mm，展长260mm，跟梢比为3.6。
41.机翼的外形为中间略厚两边略薄的结构，机翼分为中间翼段和左右两边的外翼段，共三段，其中，中间翼段位于机翼中间，外翼段位于机翼中间翼段的左右两边；结合如图5或者图8所示，中间翼段为直前缘，无后掠角，中间翼段长128mm。中间翼段的长度是根据所选择的螺旋桨的尺寸来确定的，电机安装在中间翼段的左右两侧位置，因此，中间翼段的长度需要略大于所选用的螺旋桨的直径，以保证无人机在工作时左右两侧的螺旋桨不发生干涉。相比于外翼段，中间翼段的厚度更厚，有足够的空间用于安装飞控硬件、电池和电子调速器等机载电子设备。外翼段采用较薄的低雷诺数高升阻比翼型，有利于提高整机的气动效率，提升无人机的性能。外翼段翼型根弦长160mm，跟梢比2.8，无安装角，无扭转角，内外段连过渡处上翼面平滑相切，下翼面采用光滑过渡。外翼段前缘后掠，后掠角可在20
°
到50
°
之间连续变化。由于中间翼段弦线下半部较厚，无人机在水面漂浮时，水不会通过机翼侧端面和后缘处的缝隙进入上下翼之间的镂空结构中，无人机能保持在水面漂浮的状态。
42.本发明的水空两栖矢量无人机的机架2示意图如图6所示。机架2为框架结构设计，通过设计机架2的形状，即可以实现调整无人的整体排水质量，从而实现在水中的沉浮。机架2设置在机翼靠近前端的中间的位置，用于支撑上、下翼面壳体和安装飞控硬件8和伺服电机3。机架2内部设置有电子设备安装座11用于安装飞控硬件8、电池6和电子调速器等机载电子设备；在机架2框架结构的侧面粘贴机架防水膜，通过机架防水膜与上下翼面壳体之间形成完整的封闭空腔，无人机在水下航行时，空腔内保持干燥，可以有效地保护了飞控硬件8和电池6的安全。机翼的侧边和机架的设计依托于机翼平面形状和翼型的选择，机架的框架应和机翼上下壳体的内表面完全贴合，以实现有效的支撑和防水。
43.在与机架防水膜形成的封闭空腔之外的区域，上下翼面之间形成镂空结构，机翼的侧端面不做封闭处理，后缘处也留有2mm缝隙，水可以由机翼侧端面和后缘的缝隙中进入上下翼面之间的镂空结构中，达到传统两栖无人机排机构的效果。机架的脊线需要根据无人机的整体质量与密度来进行设计，以调整无人机的整体密度与工作时的水体密度相当，
从而使得无人机能够完全潜入水中。机架的脊线应不超过前缘至后缘40％处，以保障无人机的重心在气动中心之前，保证全机的静稳定性。由于后缘上下翼面壳体之间留有缝隙，为了保持后缘处的结构强度，减小气动弹性诱发的后缘变形，在后缘处，间隔20mm粘贴一与间隙等高的塑料块将上下翼面壳体相连，提高后缘处的刚度。如图7所示，在上翼面内外段过渡处对称地开了两个排气孔，用于水空两栖矢量无人机出入水时空气的流通。机翼内表面涂有疏水材料，当无人机从水体环境过渡到空气中时，可以加快水排出上下翼面壳体之间镂空结构的速度，同时可以避免水残留在镂空结构中。机架两侧前缘位置为安装伺服电机预留了位置。如图8所示，在机架伺服电机安装位置底座中开孔，该孔是为无刷直流电机与伺服电机的电线预留的走线孔，孔直径为4mm，确保能穿过5根供电线。
44.上述水空两栖矢量无人机跨介质航行控制方案：
45.本发明水空两栖矢量无人机在水体环境中有两种不同的工作方式，分别是水面航行和水下潜行。根据无人机在水体环境的工作模式，采取不同的控制方式，使得无人机以不同的姿态与水面接触，以实现从空气介质到水体环境的过渡，以及从水体环境到空气介质的过渡。
46.当无人机从空中飞行模态转换为水面航行模态时，使得无人机保持平飞姿态，逐渐降低无刷直流电机4的转速，无人机的飞行的高度降低。在与水面接触前，通过伺服电机3控制螺旋桨5轴线与无人机机翼弦线的角度，实现对无人机姿态的控制，使得其迎角不大于30
°
，确保无人机的机腹首先与水面接触。当无人机与水面接触后，所受的阻力突然增大，无人机沿水平面内的加速度发生突变，可以通过飞控硬件中的机载加速度传感器读取到水平面内的加速度突变，读取后，停止对无刷直流电机4供电，无人失去动力后，水平方向的速度迅速降低，升力骤降。由于无人机的质心在机翼的中间翼段弦线25％位置之前，在重力的作用下，无人机靠近前缘的机腹与水面发生接触，使得无人机的后缘保持在水面上方，水无法从后缘处进入上、下翼面壳体之间的镂空结构中；同时，由于中间翼段弦线以下部分厚度更厚，依靠中间翼段弦线以下部分的机腹即可产生足够的浮力使无人机漂浮在水面上，水也无法从机翼侧端面的缝隙中流入镂空结构。因此，无人机可以保持在水面漂浮的状态航行。
47.当无人机从空中飞行模态转换为水下潜行模态时，通过伺服电机3调整无人机的姿态，使其以旋翼模式飞行，即使得无人机机翼弦线与水平面的夹角大于70
°
，依靠螺旋桨5产生的拉力维持飞行状态。逐步减小无刷直流电机4的转速，使得无人机飞行高度缓慢下降，后缘首先与水面接触，由于机翼侧端面不封闭，以及上翼面前缘处存在预留的排气孔，水可以通过机翼后缘和侧端面的缝隙进入上、下翼面壳体之间的镂空结构中。随着水不断进入上、下翼面壳体之间的镂空结构，无人机机翼包络体内的密度逐渐增加，当水完全充满空腔后，完成从空中飞行到水下潜行的过渡。此时，无人机的整体密度与所在的水体密度相当，可以在水中悬浮。
48.当所述水空两栖矢量无人机从水面航行过渡到空中飞行状态时，控制伺服电机3，使得螺旋桨5的轴线处于竖直位置，且螺旋桨5拉力的方向上，然后同步增加左右无刷直流电机4的转速，无人机在螺旋桨5拉力的作用下脱离水面，然后垂直起飞，到达指定的高度后，转为平飞状态。
49.当所述水空两栖矢量无人机从水下潜行过渡到空中飞行状态时，通过控制伺服电机3使得螺旋桨5的拉力竖直向上，无人机在螺旋桨5拉力作用下，不断上浮，并且无人机机
翼弦线将与水面近乎垂直，且机头向上。当螺旋桨5离开水面后，降低无刷直流电机4的转速，使得无人机缓慢离开水面，水在重力的作用下由机翼侧端面和后缘的缝隙流出无人机的镂空结构。当无人后缘离开水面后，采用旋翼起飞的方式完成起飞，至此，完成了无人机由水下航行到空中飞行模态的转换。
50.对无人机的上述控制方法可以通过建立无人机的六自由度动力学模型实现。无人机的动力学模型中包含无人机的重力，在水下航行的浮力和浮力对质心的力矩，矢量动力拉力与力矩，以及无人机在空中飞行时的气动力和在水下航行时的水动力。在动力学模型的基础上，通过设计有效的控制率，实现对无人机水空跨介质的一体控制。
51.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种水空两栖矢量无人机，其特征在于，采用矢量双旋翼飞翼布局，包括机架、机架防水膜、机翼、舵机、电机、可折叠的螺旋桨、飞控硬件、电池和电子调速器，其中，由所述舵机提供矢量驱动，所述机翼包括上翼面壳体和下翼面壳体，上、下翼面壳体分别设置于机架的上方和下方，机架位于机翼外壳靠近前缘的中间位置，以形成完整的气动外形；在机架侧面贴有机架防水膜，通过机架防水膜与上、下翼面壳体之间形成封闭的空腔，用于安装飞控硬件、电子调速器和电池；在所述封闭的空腔之外的区域，上、下翼面壳体之间形成镂空结构，并且机翼的侧端面与后缘不封闭，水可以自由进入到上、下翼面壳体所形成的镂空结构之中。2.根据权利要求1所述的一种水空两栖矢量无人机，其特征在于，所述机翼的外形整体为中间略厚两边略薄的结构，中间部分为中间翼段较厚，具有足够的内部空间安装电池、飞控硬件和电子调速器；中间翼段的左右两边为外翼段选用较薄的低雷洛数高升阻比翼型设计；中间翼段和外翼段之间采用光滑过渡。3.根据权利要求2所述的一种水空两栖矢量无人机，其特征在于，所述机翼的平面为仿蝠鲼的平面结构，是具有流线型特征的五边形，机翼前缘两边后掠，后掠角在20到50度之间；机翼后缘前掠，前掠角在20度到40度之间。4.根据权利要求3所述的一种水空两栖矢量无人机，其特征在于，所述机架为框架结构，所述机架的框架结构的形状由机翼形状决定，需要和机翼进行联合设计；机架内设置有电子设备安装座，用于安装飞控硬件、电池和电子调速器。5.根据权利要求4所述的一种水空两栖矢量无人机，其特征在于，左右舵机安装在机架两侧的电机安装座上，并分布在机翼前缘的两端，通过矢量动力可以实现控制无人机在水下的浮沉运动，以及空中的飞行时的姿态控制。6.一种如权利要求1-5任一项所述水空两栖矢量无人机的跨介质航行控制方法，其特征在于，包括：控制所述水空两栖矢量无人机从空中飞行状态过渡到水体航行状态，以及控制所述水空两栖矢量无人机从水体航行状态过渡到空中飞行状态，其中，水体航行状态包括水面滑行和水下潜行。7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，当所述水空两栖矢量无人机从空中飞行状态过渡水面航行时，利用舵机调整无人机的姿态，使其保持平飞状态，并不断降飞行高度，使得机腹先与水面接触，实现无人机在水面的降落；降落在水面后，由舵机调整螺旋桨的偏转角度，保持螺旋桨的轴线与水面平行，保持电机转动，即可依托螺旋桨产生的拉力驱动无人机在水面航行。8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，当所述水空两栖矢量无人机从空中飞行状态过渡水下潜行时，由舵机调整所述无人机的飞行姿态，使得所示无人机以旋翼模式飞行，即无人机机翼弦线与水面几近垂直；保持左右两个螺旋桨的转速相同并逐渐降低的转速，以缓慢降低无人机的飞行高度，最终无人机将与水面接触；由于无人机机翼弦线与水面的夹角很大，使得机翼后缘将先与水面接触；在机翼后缘与水面接触后，水通过后缘处上、下翼面壳体之间的缝隙进入上、下翼面壳体之间的镂空结构中，从而增加了机翼包络体内的整体密度；无人机与水面接触后，保持螺旋桨转速缓慢减低，直至无人机完全淹没于水中，即完成无人机从空气到水体介质航行的过渡；
所述无人机完全浸没在水中后，再次利用矢量电机调整无人机的姿态，使得无人机机翼弦线与水面的夹角保持在较小的范围内，再通过使用无人机在空中飞行时相同的驱动方式和控制方法来驱动无人机在水下的航行。9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，当所述水空两栖矢量无人机从水面航行过渡到空中飞行状态时，通过舵机控制螺旋桨的轴线处于竖直位置，且螺旋桨拉力的方向上，然后同步增加左右两侧的电机的转速，无人机在螺旋桨拉力的作用下脱离水面，然后垂直起飞，到达指定的高度后，转为平飞状态。10.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，当所述水空两栖矢量无人机从水下潜行过渡到空中飞行状态时，通过控制舵机使得螺旋桨的拉力竖直向上，所述无人机在螺旋桨拉力作用下，不断上浮，并且无人机机翼弦线将与水面近乎垂直，且无人机的机头向上；当螺旋桨离开水面后，降低电机的转速，使得无人机缓慢离开水面，水在重力的作用下从机翼侧端面和后缘的缝隙流出无人机的镂空结构；当无人后缘离开水面后，采用旋翼起飞的方式完成起飞，至此，完成了无人机由水下航行到空中飞行模态的转换。

技术总结
本发明为一种水空两栖矢量无人机，采用矢量双旋翼飞翼布局，机翼外壳包括上翼面壳体和下翼面壳体，上、下翼面壳体分别设置于机架上方和下方，以形成完整的气动外形；机架位于机翼靠近前缘的中间位置，在机架侧面贴有机架防水膜，通过机架防水膜与上、下翼面壳体之间设置成封闭的空腔，用于安装飞控硬件、电子调速器和电池；在粘贴机架防水膜的机架之外的区域，与上、下翼面壳体之间形成镂空结构，并且机翼的侧边与后缘不封闭，水可以自由进入到上、下翼面壳体所形成的镂空结构之中。通过对机翼结构进行特殊的设计，并结合水空一体矢量动力系统，能够实现在水下和空中的驱动以及姿态控制，避免了搭配多套动力推进装备带来的结构冗余。余。余。


技术研发人员：屠展 李道春 卫子兴 邸伟承 刘浩吉 林子晨 孙咏妍
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/6/28