一种大载重多旋翼水空双动力跨介质无人机

1.本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种大载重多旋翼水空双动力跨介质无人机。


背景技术：

2.现有常见的无人机仅能在空中进行工作，水下潜航器也仅能在水下作业，常见的两栖无人机飞行器通常也是浮于水面，并未深入水中，水空跨介质无人机则是结合了空中无人机和水下潜航器的特点，相对于当前所有的无人飞行器，具有广阔的应用空间和使用价值。
3.目前跨介质无人机研究较为火热，但是大多数设计集中改善无人机流体动力学性能，采用单层动力或者浮力驱动方式，实现跨介质无人机的运动控制，该类无人机载重很小，出入水时对无人机的结构冲击较大。其他研究则集中于多旋翼式跨介质无人机，同样，其水下航行大多采用浮力驱动方式，并结合固定翼结构，但是载重依旧很小，限制了跨介质无人机的应用空间。
4.经检索，中国专利申请号202211071852.0，申请日期为2022年09月02日，发明专利名称为水空双动力倾转旋翼跨介质无人机，该发明结合固定翼和倾转多旋翼的特点，来增强无人机在跨介质运动过程中的流体动力学性能，但是其没有考虑到水空介质下所适用的螺旋桨相差极大，仅采用一组空中旋翼完成无人机空中运动和水下运动，其设计的无人机水下机动性能较差。
5.卢迪于2021年发表了名为“新型多模式海空两栖航行器及其跨介质过程控制方法研究”的博士论文，文中介绍了其所处团队研制的多款跨介质无人机，其样机基本采用单层动力+水下浮力驱动的方式，并未对载重提出较高要求，且其水下机动性能较差。
6.综合而言，目前的跨介质无人机大多载重小，并采用单层动力或者浮力驱动方式，局限性较大，因此有必要设计一种大载重、水空灵活机动的水空双动力跨介质无人机。


技术实现要素：

7.为了克服以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种大载重多旋翼水空双动力跨介质无人机，在携带不少于10kg载荷的前提下，无人机通过外置的气压计协助无人机完成空中定高运动；通过水空共轴分布水空动力系统与可折叠机臂，实现无人机空中自由航行、水空跨介质运动、水下自由航行以及水下定点作业。
8.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
9.一种大载重多旋翼水空双动力跨介质无人机，包括机架，机架上对称安装有机臂4、防水仓7、载荷仓8和气压计17；所述机臂4呈“x”构型，每个机臂4末端安装水空动力系统，所述水空动力系统包括空中动力系统和水下动力系统；所述空中动力系统安装在机臂4上侧，所述水下动力系统安装在机臂4下侧，并与空中动力系统保持在同一轴线上；
10.所述无人机防水仓前方两个机臂4通过大扭矩舵机18连接机身，舵机用于实现大
角度自由旋转，协助机臂完成向后折叠实现向后折叠；防水仓后方两个机臂4通过螺钉连接机身上的机臂连接件19，机臂4通过螺钉绕机臂连接件19旋转，实现机臂的向下竖直折叠。
11.所述防水仓7和载荷仓8均为全封闭仓，载荷仓8位于防水仓7的下方；
12.所述气压计17外置，用于实时测量无人机高度，并提供给无人机飞行控制器，飞行控制器通过内部高度控制算法解算得到高度控制信号，并发送给空中动力系统，协助无人机完成空中定高运动。
13.所述无人机机臂4的前方机臂4用于无人机紧贴目标开展水下作业；无人机机臂4上方的空中动力系统由四组无刷电机2和相匹配的空中旋翼1构成，并紧贴机臂4上表面安装。
14.所述空中旋翼1为27英寸双叶螺旋桨。
15.所述空中动力系统与水下动力系统垂直距离为16cm；全封闭式防水仓7为圆柱形，所述无人机机臂4下方的水下动力系统由四组水下推进器3构成，与空中动力保持在同一轴线上，用于提供无人机在水下以及水空交界面的一定角度的倾斜，从而使得无人机水下运动以及水空交界面运动可靠、灵活。
16.所述水下动力系统包括水下推进器3和侧方水下推进器5，在机架下方中心侧面安装一对水下推进器3，水下推进器3连接在机臂4上；
17.水下推进器5水平安装在机架中心下方两侧，用于加快无人机的水下航行速度，同时保证无人机在水空界面悬停并承受水面风浪时，限制无人机的绕轴转动，提高无人机水面起飞的可靠性。
18.所述无人机全封闭式防水仓7用于安装包括电池9、电调、飞行控制板、线缆、分电板11、继电器、图传与接收机10和摄像头14；
19.所述电池9通过继电器连接分电板11，分电板11则通过线缆为飞行控制板、电调、图传与接收机10、摄像头14提供处理后的驱动电压；电调为空中动力和水下动力提供驱动电压；继电器负责电池的开关，图传与接收机10和摄像头14则负责提供无人机遥控信号与实时航行图像信息。
20.所述全封闭的载荷仓8，用于携带至少10kg的大载荷，通过底部圆环支架支撑，并由底部地支撑板与无人机机架固连。
21.所述探测仪表包括水深传感器15、测距声呐16，所述水深传感器15、测距声呐16与气压计17通过无人机控制系统控制，所述无人机控制系统，采用主-从控模式；主控制板12采用pixhawk飞控，其连接外置的气压计17为无人机提供高度信息；从控制板13采用stm32芯片，其连接水深传感器15与测距声呐16，为无人机提供水空动力切换与水下深度、高度信息。
22.所述气压计17外置设置，用于实时测量无人机高度，协助无人机完成空中定高运动，使得全封闭式防水仓7带来的飞行控制板板载气压计失灵问题得到有效解决。
23.所述无人机机架上按照“x”构型设定各成90
°
对称安装。
24.所述水深传感器15为外置的水深传感器ms5837，安装在全封闭式防水仓7外，所述测距声呐16为测距声呐de_wlm36，水深传感器15以25cm的平行距离安装在水深传感器15下方，并靠近侧方水下推进器5，测距声呐16用于得到无人机的水下高度信息，协助无人机完成水下定高运动。
25.本发明的有益效果：
26.第一，本发明采用空中电机1与水下推进器3构成的双层动力配合辅助电机5的方式，设计出了一种能够反复进行水空跨越运动的多旋翼无人机。
27.第二，本发明所采用的全封闭式防水仓7和载荷仓8，使得跨介质无人机设计模块化，同时使其防水工作变得可持续。
28.第三，本发明提高了跨介质无人机的载荷要求，通过大推重空中电机与大推重水下推进器在不同介质中的来回切换与协同配合，同时结合多旋翼无人机控制分配技术，将多旋翼式跨介质无人机的载重提高到10kg级别，极大的扩大了无人机的应用空间。
29.第四，本发明将跨介质无人机的高度传感器外置，解决了防水仓封闭带来的板载高度传感器失灵的问题。
30.第五，本发明融合水深传感器15和测距声呐16数据，可以同时为跨介质无人机提供水空识别信号和水下高度信号，协助无人机完成水下定高航行。
31.第六，本发明采用折叠式机臂4，无人机可在水下进行变体，进一步扩大了无人机的应用空间，丰富了跨介质无人机的应用价值。
附图说明
32.图1为本发明空中旋翼与水下推进器结构示意图。
33.图2为本发明实例的结构示意图。
34.图3为本发明无人机全封闭式防水仓示意图。
35.图4为本发明水深传感器与测距声呐安装示意图。
36.图5为本发明气压计17安装示意图。
37.图6为本发明实例的机臂折叠示意图。
38.图7为本发明实例的机臂舵机驱动结构示意图。
39.图8为本发明实例的控制系统示意图。
40.附图标记：
41.1-空中旋翼，2-空中电机，3-水下推进器，4-机臂，5-侧面水下推进器，6-起落架，7-全封闭式防水仓，8-载荷仓，9-电池，10-图传与接收机，11-分电板，12-主控制板，13-从控制板，14-摄像头，15为水深传感器，16-为测距声呐，17为外置气压计。
具体实施方式
42.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
43.如图1-图8所示，本发明一实例中的大载重跨介质无人机，包括：机架、空中旋翼1、空中电机2、水下推进器3、机臂4、侧面水下推进器5、起落架6、全封闭式防水仓7，载荷仓8。
44.如图6、7所示，所述无人机机架上设定四个对称分布可折叠机臂4，飞行控制板通过pwm波驱动舵机使防水仓前方两个机臂4环抱折叠，后方两个机臂4在运输或者闲置时手动进行竖直折叠。在垂直于机臂4末端的同一轴线上安装有水空动力系统。为了保证无人机整机结构的对称，在机架中心位置，安装全封闭式柱形防水仓。在机架中心侧面同样对称安装一对水下推进器3。机臂4上方紧贴机臂4末端表面安装，机臂4下方与空中动力处于同一轴线的水下动力系统则与机臂4下表面设定25cm的距离，以提供无人机在水下以及水空交
界面的一定角度的倾斜；其中，空中动力即无刷电机与旋翼，安装在机臂末端上方，水下动力即水下电机与电调则在下方。
45.如图3所示，电池9安装于防水仓下方，飞行控制板和分电板11则安装在电池9上方。继电器用于大电流电池9的开关，并安装于电池9前方。图传与接收机10安装于电池9正下方，摄像头14安装在防水仓正前方，提供实时图像信息。
46.所述控制系统位于全封闭式防水仓10内部上方，其采用主-从分层控制方式，主从控制器通过串口进行通信。主控制器12搭载外置气压计17，从控制器13搭载水深传感器15与测距声呐16。
47.在机架中心周围安装水深传感器15、测距声呐16以及外置气压计17。外置的水深传感器15和测距声呐16通过从控制器内部数据融合算法解算无人机的水下高度信息并发送到主控制器，主控制器通过内部高度控制算法得到实时的水下高度控制信号，并发送给从控输出到水下动力系统，协助无人机完成水下定高运动。外置的气压计测量无人机高度并发送给主控制器，主控制器通过内部高度控制算法得到实时的空中高度控制信号，并发送到空中动力系统，协助无人机完成空中定高运动。
48.所述无人机空中动力系统总推重为40kg，水下动力系统最大推重为30kg，设计无人机空载自重为13kg，同时为保证无人机空中动力系统具有快速响应能力的安全边界，并避免在电池电压快速下降的情况下而导致无人机失速坠落，最终设计无人机最大载荷15kg，无人机满载最大总重量为28kg。
49.所述的无人机载荷仓8，可携带至多15kg载荷，通过底部圆环支架支撑，由底部地支撑板与无人机机架固连。
50.如图1、2、4、5所示，无人机空中电机2配合主控制板，通过常规的四旋翼控制算法实现空中航行；水下电机3和侧方推进器5在从控制板与主控制版配合下，实现无人机水下航行；水深传感器15协助无人机完成水空过渡运动；水深传感器15与测距声呐16协助无人机完成水下运动。
51.四种运动模式的说明：
52.所述无人机处于空中时，外置的气压计代替主控制板上的板载气压计，为无人机提供空中高度信息并发送给主控制器，主控制器通过内部高度控制算法得到实时的高度控制信号，并发送到空中动力系统，协助无人机完成空中定高航行。
53.所述无人机处于水空过渡阶段时，从控制器上的水深传感器15实时测量水压并发送到主控制器，主控制器通过判断水压是否大于设计的水压临界值而发出切换信号，驱使无人机空中动力系统和水下动力系统来回切换，协助无人机完成在不同介质中运动控制模式的转换。
54.所述无人机处于水下时，水深传感器15与测距声呐16共同测量无人机水下深度与高度，并通过从控制器发送到主控制器，主控制器通过数据融合算法与高度控制算法得到实时的水下高度控制信号，并发送给从控输出到水下动力系统，协助无人机完成水下定高运动。
55.所述无人机处于水下定点作业模式时，机臂4在无人机通过内部定点控制算法保持定点运动模式的情况下，开始向后折叠，驱使无人机紧贴水下目标开始工作。
56.如图8所示，本发明的大载重多旋翼水空双动力跨介质无人机，通过主-从控模式，
协调水空两组动力系统，实现无人机携带至多15kg载荷进行空中飞行、水下航行、多次跨介质运动以及水下定点作业。无人机水下运动控制算法，可根据本发明水下动力系统布局特点进行适当的设计。无人机跨介质运动控制算法，可根据本发明双动力系统特点适当的进行设计。无人机水下定点作业控制算法可根据无人机折叠过程的动力学特点进行合适的设计。
57.本发明进行定点水下作业时，机架前方的机臂4开始向后折叠，无人机构型从“x”型变为“梯形”，无人机此时可以紧贴目标，开始作业。
58.以上对本发明的具体实例进行了描述，本实例中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不再叙述。本发明不限于上述特定的实施方式，以上实例并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是在本发明权利要求范围内的修改或变形均属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种大载重多旋翼水空双动力跨介质无人机，其特征在于，包括机架，机架上对称安装有机臂(4)、防水仓(7)、载荷仓(8)和气压计(17)；所述机臂(4)呈“x”构型，每个机臂(4)末端安装水空动力系统，所述水空动力系统包括空中动力系统和水下动力系统；所述空中动力系统安装在机臂(4)上侧，所述水下动力系统安装在机臂(4)下侧，并与空中动力系统保持在同一轴线上；所述无人机防水仓前方两个机臂(4)通过大扭矩舵机(18)连接机身，舵机用于实现大角度自由旋转，协助机臂完成向后折叠实现向后折叠；防水仓后方两个机臂(4)连接机身上的机臂连接件(19)，机臂(4)绕机臂连接件(19)旋转，实现机臂的向下竖直折叠。2.根据权利要求1所述的一种大载重多旋翼水空双动力跨介质无人机，其特征在于，所述防水仓(7)和载荷仓(8)均为全封闭仓，载荷仓(8)位于防水仓(7)的下方；所述气压计(17)外置，用于实时测量无人机高度，并提供给无人机飞行控制器，飞行控制器通过内部高度控制算法解算得到高度控制信号，并发送给空中动力系统，协助无人机完成空中定高运动。所述无人机机臂(4)的前方机臂(4)用于无人机紧贴目标开展水下作业；无人机机臂(4)上方的空中动力系统由四组无刷电机2和相匹配的空中旋翼1构成，并紧贴机臂(4)上表面安装。3.根据权利要求1所述的一种大载重多旋翼水空双动力跨介质无人机，其特征在于，所述无人机机臂(4)的前方两个机臂(4)用于无人机紧贴目标开展水下作业；无人机机臂(4)上方的空中动力系统由四组无刷电机(2)和相匹配的空中旋翼(1)构成，并紧贴机臂(4)上表面安装；所述空中旋翼(1)为27英寸双叶螺旋桨。4.根据权利要求1所述的一种大载重多旋翼水空双动力跨介质无人机，其特征在于，所述无人机机臂(4)下方的水下动力系统由四组水下推进器(3)构成，与空中动力保持在同一轴线上，用于提供无人机在水下以及水空交界面的一定角度的倾斜，从而使得无人机水下运动以及水空交界面运动。5.根据权利要求1所述的一种大载重多旋翼水空双动力跨介质无人机，其特征在于，所述水下动力系统包括水下推进器(3)和侧方水下推进器(5)，在机架下方中心侧面安装一对水下推进器(3)，水下推进器(3)连接在机臂(4)上；水下推进器(5)水平安装在机架中心下方两侧，用于加快无人机的水下航行速度，同时保证无人机在水空界面悬停并承受水面风浪时，限制无人机的绕轴转动。6.根据权利要求1所述的一种大载重多旋翼水空双动力跨介质无人机，其特征在于，所述无人机全封闭式防水仓(7)用于安装包括电池(9)、电调、飞行控制板、线缆、分电板(11)、继电器、图传与接收机(10)和摄像头(14)；所述电池(9)通过继电器连接分电板(11)，分电板(11)则通过线缆为飞行控制板、电调、图传与接收机(10)、摄像头(14)提供处理后的驱动电压；电调为空中动力和水下动力提供驱动电压；继电器负责电池的开关，图传与接收机(10)和摄像头(14)则负责提供无人机遥控信号与实时航行图像信息。7.根据权利要求1所述的一种大载重多旋翼水空双动力跨介质无人机，其特征在于，所述全封闭的载荷仓(8)，用于携带至少10kg的大载荷，通过底部圆环支架支撑，并由底部地
支撑板与无人机机架固连。8.根据权利要求1所述的一种大载重多旋翼水空双动力跨介质无人机，其特征在于，所述探测仪表包括水深传感器(15)、测距声呐(16)，所述水深传感器(15)、测距声呐(16)与气压计(17)通过无人机控制系统控制，所述无人机控制系统采用主-从控模式；主控制板(12)采用pixhawk飞控，主控制板(12)连接外置的气压计(17)为无人机提供高度信息；从控制板(13)采用stm32芯片，其连接水深传感器(15)与测距声呐(16)，为无人机提供水空动力切换与水下深度、高度信息。9.根据权利要求1所述的一种大载重多旋翼水空双动力跨介质无人机，其特征在于，所述气压计(17)外置设置，用于实时测量无人机高度，协助无人机完成空中定高运动；所述无人机机架上按照“x”构型设定各成90
°
对称安装。10.根据权利要求1所述的一种大载重多旋翼水空双动力跨介质无人机，其特征在于，所述水深传感器(15)为外置的水深传感器ms5837，安装在全封闭式防水仓(7)外，所述测距声呐(16)为测距声呐de_wlm36，水深传感器(15)以25cm的平行距离安装在水深传感器(15)下方，并靠近侧方水下推进器(5)，测距声呐(16)用于得到无人机的水下高度信息，协助无人机完成水下定高运动。

技术总结
本发明公开了一种大载重多旋翼水空双动力跨介质无人机，包括无人机机架，所述无人机机架上按照“X”构型设定各成90


技术研发人员：张树新 彭斌 朱文豪
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/8/1