阅读说明：本技术 一种水空两栖跨介质多旋翼飞行器 (Many rotor crafts of medium are striden to empty amphibious of water ) 是由 霍建文 李洁 王屹洲 朱华 谭立国 郭明明 刘满禄 张华� 肖宇峰 汪双 梁爽 于 2020-05-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种水空两栖跨介质多旋翼飞行器,包括机身、涵道推进器及六个旋翼单元；机身包括机身底座和机身顶盖,机身底座和机身顶盖边缘均开有若干螺纹连接孔,二者通过螺钉紧固连接并构成一完整的碟形机身；涵道推进器设置于机身外围,对称安装于机身左右两端面,并通过舵机臂与机身内部的防水舵机相连；机身表面设有六个通孔,旋翼单元即设于此通孔中心,其包括径向机轴、电机槽及三叶螺旋桨,径向机轴中部设置有电机槽,电机槽内安装有无刷电机,三叶螺旋桨即安装于无刷电机上方。本发明结合了空中无人机和水下机器人的优势,可实现空中飞行、陆地降落和水中推进的运动功能,具有环境适应性强、活动范围广等诸多特点。(The invention discloses a water-air amphibious cross-medium multi-rotor aircraft, which comprises an aircraft body, a duct propeller and six rotor units, wherein the aircraft body is provided with a plurality of air inlet channels; the machine body comprises a machine body base and a machine body top cover, wherein a plurality of threaded connecting holes are formed in the edges of the machine body base and the machine body top cover and are fastened and connected through screws to form a complete dish-shaped machine body; the duct propellers are arranged on the periphery of the machine body, symmetrically arranged on the left end surface and the right end surface of the machine body and connected with a waterproof steering engine in the machine body through rudder arms; the fuselage surface is equipped with six through-holes, and this through-hole center is located promptly to the rotor unit, and it includes radial spindle, motor groove and three leaf screw, and radial spindle middle part is provided with the motor groove, installs brushless motor in the motor groove, and three leaf screw install in brushless motor top promptly. The invention combines the advantages of an aerial unmanned aerial vehicle and an underwater robot, can realize the motion functions of aerial flight, land landing and underwater propulsion, and has the characteristics of strong environmental adaptability, wide range of motion and the like.)

一种水空两栖跨介质多旋翼飞行器

技术领域

本发明涉及多旋翼飞行器技术领域，具体涉及一种水空两栖跨介质多旋翼飞行器。

背景技术

随着科技的高速发展及社会的不断进步，单种飞行器在一些特定的情况下下已经很难满足工作需求。对于一些飞机失事坠落于野外环境(水、空、陆)的情况，以及核事故时污染源遗失在环境中，污染物经大气环流或河流发生扩散的情况等，单种飞行器的搜寻定位作业受到限制，急需一种能适应多种环境的飞行器，解决单种飞行器在水、陆、空三域搜寻定位的灵活性差、适应性弱和多功能运动模式受限等问题。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种可实现空中飞行、陆地降落和水中推进的水空两栖跨介质多旋翼飞行器。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种水空两栖跨介质多旋翼飞行器，包括机身、设置于所述机身内部的空中动力装置、及设置于所述机身两端的水下动力装置，所述机身中部设置有分别控制所述空中动力装置和水下动力装置运行的控制箱，所述控制箱周围沿放射状均匀排布有多个通孔，所述空中动力装置分别安装在所述通孔内。

进一步地，所述机身包括机身底座和机身顶盖，所述机身底座和机身顶盖通过边缘设置的紧固部件紧固连接并共同构成封闭蝶形结构；所述机身顶盖内的通孔壁与机身底座内的通孔壁通过孔轴配合连接。

进一步地，所述控制箱包括设置于机身底座中心的空心圆柱体和一内置密封圈的水密法兰塞，所述空心圆柱体和水密法兰塞经孔轴配合并紧固连接，所述控制箱外壁设置有用于外置防水设备接线的航空插。

进一步地，所述控制箱外壁与通孔壁之间的间隙区域设置有抽排水装置，所述抽排水装置通过半圆形扣件紧固连接于所述机身底座的内表面。

进一步地，所述空中动力装置包括设置于通孔中心的径向机轴及三叶螺旋桨，所述径向机轴中部设置有电机槽，所述电机槽内安装有无刷电机，所述三叶螺旋桨安装于所述无刷电机上方。

进一步地，所述径向机轴为空心直杆，且内部安装有A组电调，所述A组电调两端分别与无刷电机和控制箱外壁的航空插相连。

进一步地，所述无刷电机轴上段带有螺纹，所述三叶螺旋桨与无刷电机轴下段通过键连接，同时电机轴上段与内置螺纹的电机帽配合，通过旋紧电机帽将所述三叶螺旋桨紧固连接于无刷电机上方。

进一步地，所述水下动力装置包括防水舵机和涵道推进器；所述防水舵机设置于机身左右两端面内侧，且与B组电调一端相连，所述B组电调另一端与控制箱外壁的航空插连接；所述涵道推进器设置于机身左右两端面外侧，并通过防水舵机控制其旋转方向。

进一步地，所述防水舵机通过L形舵机安装件固定于机身底座的安装平面，所述L形舵机安装件一端与机身底座紧固连接，其另一端与防水舵机的自身安装孔紧固连接；所述防水舵机的舵机轴通过机身底座两端面安装平面中心开设的连接孔与设置于所述安装平面的舵机臂紧固连接。

进一步地，所述涵道推进器包括扇叶螺旋桨、防水电机及涵道壁，所述涵道壁外表面通过连接孔与舵机臂紧固连接，以受舵机臂转矩控制绕水平轴旋转。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明结合了空中无人机和水下机器人的特点，具有水下及空中两种运动模式，与现有大多数单种飞行器相比，环境适应性强、运动性能好，可应用于多种领域，使用范围更加广阔；

(2)飞行器动力系统采用六旋翼加一组涵道推进器，可实现水下及空中运动模式的快速切换，可操控性好，姿态及位置变换更加灵活；

(3)本发明机身仅由机身底座和机身顶盖构成，结构简单，且机身底座和机身顶盖表面均为光滑曲面，从而使机体具有较小的运动阻力、运动效率更高。

附图说明

图1是本发明中水空两栖跨介质多旋翼飞行器的整体结构示意图；

图2是本发明中水空两栖跨介质多旋翼飞行器的内部结构示意图；

图3是本发明中水空两栖跨介质多旋翼飞行器的控制箱局部剖视图；

图4是本发明中水空两栖跨介质多旋翼飞行器的涵道连接示意图；

图5是本发明中水空两栖跨介质多旋翼飞行器的涵道连接剖视图；

图6是本发明中水空两栖跨介质多旋翼飞行器的局部俯视图；

附图标记为：1、机身顶盖；2、机身底座；21、控制箱；211、上端盖；2111、密封圈；2112、纵向螺纹孔；212、航空插；22、抽排水装置；221、半圆形扣件；23、防水舵机；231、舵机安装件；232舵机臂；3、涵道推进器；31扇叶螺旋桨；32、防水电机；33、涵道；331、涵道安装孔；34、B组电调；4、旋翼单元；41、径向机轴；411、A组电调；42、电机槽；43、三叶螺旋桨；44、电机帽；45、无刷电机；5、支撑架；6、安装平面；7、通孔壁。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参照图1、图2，本发明提供了一种水空两栖跨介质多旋翼飞行器，包括机身、设置于机身内部的空中动力装置、及设置于机身两端的水下动力装置，机身中部设置有分别控制空中动力装置和水下动力装置运行的控制箱21，控制箱21周围沿放射状均匀排布有多个通孔，空中动力装置分别安装在通孔内。

参照图1、图2，本发明中，机身包括机身底座2和机身顶盖1，机身底座2和机身顶盖1边缘均开有若干螺纹连接孔，机身底座2和机身顶盖1通过边缘螺钉紧固连接，共同构成完整的封闭蝶形结构；同时，机身顶盖1内的通孔壁与机身底座2内的通孔壁通过孔轴配合连接。

参照图2、图3，本发明中，机身底座2内设置有控制箱21及抽排水装置22。

控制箱21包括设置于机身底座2中心的空心圆柱体和一内置密封圈2111的水密法兰塞，空心圆柱体和水密法兰塞经孔轴配合后由纵向螺钉紧固连接，以保证控制箱的水密封性；此外，控制箱21外壁设置有用于外置防水设备接线的航空插，以便于控制箱内外线路的防水连接。

控制箱21外壁与通孔壁7之间的间隙区域设置有抽排水装置22，抽排水装置22通过半圆形扣件221紧固连接于机身底座2的内表面。通过在机身内部设置抽排水装置，可以实现对上述间隙区域内的水位进行控制，以提高飞行器在空中或水中运动时下潜或上升的运动效率。

控制箱21内部设置有电池、处理器、惯性导航元件、GPS定位模块、核辐射探测仪、声呐等多种搜寻定位相关组件，以实现飞行器所设计的功能需求。

机身底座2下表面还设有多个支撑架5，以设置三个支撑架5为例，以此支撑整个机体，提高飞行器陆地着陆的稳定性。

参照图2，本发明中，空中动力装置具体包括至少两个以上均匀分布的旋翼单元4，每个旋翼单元4具有相同的组成结构；以设置六个旋翼单元4为例，将六个旋翼单元4以控制箱21为中心沿放射状环形分布在机身表面六个通孔区域，以实现提供飞行器在空中运行的动力支持。

每个旋翼单元4包括设置于通孔中心的径向机轴41及三叶螺旋桨43，径向机轴41中部设置有电机槽42，电机槽42内安装有无刷电机45，三叶螺旋桨43安装于无刷电机45上方。整个旋翼单元作为空中飞行的主要动力，同时在水中运动时辅助垂直升降。

径向机轴41中部设置有一上端开口的电机槽42，无刷电机45安装于电机槽42内部，且由螺钉于电机槽42底部紧固连接；且径向机轴41为一空心直杆，其内部放置有A组电调411，A组电调411的一端通过控制箱21外壁的航空插与控制箱21内部的控制板相连，其另一端与无刷电机相连，以此实现控制板对无刷电机的控制。

无刷电机45轴上段带有螺纹，三叶螺旋桨43与无刷电机45轴下段通过键连接，同时无刷电机45轴上段与内置螺纹的电机帽44配合，通过旋紧电机帽44将三叶螺旋桨43紧固连接于无刷电机45上方，无刷电机通过电机轴向三叶螺旋桨传递扭矩，带动三叶螺旋桨的转动，以此为该水空两栖跨介质多旋翼飞行器提供为升降动力。

参照图4、图5、图6，本发明中，水下动力装置具体包括两组设置于机身两端的防水舵机23和涵道推进器3，类似地也可以设置为四组等其它偶数组均匀分布的防水舵机23和涵道推进器3，以实现提供飞行器在水下运行的动力支持。

为了便于涵道推进器的安装与灵活转动，机身底座2两端设置有一组垂直于水平面的安装平面6，安装平面6中心开有一中心孔，该中心孔即作为机身与涵道推进器的连接孔。

防水舵机23设置于机身左右两端面连接孔内侧，并通过L形舵机安装件231固定于机身底座2的安装平面6，L形舵机安装件231一端通过螺钉与机身底座2紧固连接，其另一端通过螺栓与防水舵机23的自身安装孔紧固连接；防水舵机23以其舵机轴与连接孔同轴心为基准安装，舵机轴与舵机臂232通过螺钉紧固连接，且舵机臂232位于连接孔外侧。此外，防水舵机23还与B组电调34一端相连，B组电调34另一端通过控制箱21外壁的航空插与控制箱21内部的控制板相连，以此实现控制板对防水舵机23的控制。

涵道推进器3设置于机身左右两端面连接孔外侧，并通过防水舵机23控制其旋转方向。涵道推进器3包括扇叶螺旋桨31、防水电机32及涵道33，涵道33外表面沿中心轴开有一组螺纹涵道安装孔331，该组螺纹涵道安装孔331与舵机臂232通过螺钉紧固连接，以此将两涵道推进器3水平连接于机身两侧，以实现受舵机臂232转矩控制绕水平轴旋转。

下面结合实施例对水空两栖跨介质多旋翼飞行器运动模式的工作原理进行详细地说明：

实施例1

空中运动时，该水空两栖跨介质多旋翼飞行器主要由六个无刷电机45和三叶螺旋桨43提供升力。

以该水空两栖跨介质多旋翼飞行器机身的水平对称面为基准面，建立平面直角坐标系，并以Y轴正方向为该水空两栖跨介质多旋翼飞行器运动的前进方向，规定顺时针旋转的三对无刷电机45和三叶螺旋桨43为A组，逆时针旋转的三对无刷电机45和三叶螺旋桨43为B组。

将水空两栖跨介质多旋翼飞行器放置于水平地面，涵道推进器3旋至沿水平面法向，系统处于初始状态，当接收到飞行指令时，三对无刷电机45和涵道推进器3同时开始工作，通过控制电流方向和大小使A组和B组三叶螺旋桨43保持相同的转速且转向相反，同理，涵道推进器3产生与三叶螺旋桨43同方向的推力，桨叶转速相同转向相反。机体升至指定高度后，保持升力等于重力，机体达空中悬停状态；

通过保持Y轴两侧的三叶螺旋桨43转速不变，改变Y轴上的一组三叶螺旋桨43转速来实现飞行器的前进运动。控制增大Y轴负向的三叶螺旋桨43速度，减小Y轴正向三叶螺旋桨43速度，同时控制涵道推进器3旋至轴线平行于水平面并保持工作状态，辅助三叶螺旋桨43提供前进方向上的动力，以此实现该水空两栖跨介质多旋翼飞行器在空中的前进运动；此时若再改变Y轴上的转速，使得Y轴正向的三叶螺旋桨43速度大于Y轴负向三叶螺旋桨43速度，并将涵道推进器3旋转180度，即可实现在空中的前进后退运动模式的快速切换；

当机体处于悬停状态时，增大A组三叶螺旋桨43速度，同时减小B组三叶螺旋桨43速度，使机体绕机身平面的法向轴逆时针旋转，同时控制防水舵机23输出同向扭矩，两涵道推进器3以相反分别旋转90度，将一组推力转变为一个扭矩，亦可辅助机体的转向运动。

实施例2

在水中运动时，该水空两栖跨介质多旋翼飞行器的运动主要由涵道推进器3提供推力。

规定三叶螺旋桨43正常工作状态为：A组三叶螺旋桨43顺时针转动，B组三叶螺旋桨43逆时针转动，且各组三叶螺旋桨43转速相等；涵道推进器3的正常工状态：两涵道推进器3转速相同方向相反。

当该水空两栖跨介质多旋翼飞行器进入水中时，控制防水舵机23将涵道推进器3旋至其轴线沿竖直方向，两涵道推进器3同时输出转矩，帮助机体加速向下运动，当机体进入指定水深后，驱动三叶螺旋桨43正常工作，保持垂直方向上受力平衡，机体达水中悬停状态；

此时，控制防水舵机23将涵道推进器3旋至水平方向，控制涵道推进器3的防水电机32的输出功率相等，在机身两侧产生同向等大的推力，以此提供为机体前进的动力，实现水中稳定前行，若此时控制防水舵机23将两涵道推进器3同时旋转180度且保持正常工作，亦可实现水中前进后退的快速切换；

当机体稳定前行时，若调节涵道推进器3的防水电机32的转速，使得左侧扇叶螺旋桨31获得的速度大于右侧，机体两侧在前进方向上产生速度差，则机体绕水平面法向轴发生转动，以此实现该水空两栖跨介质多旋翼飞行器的水中转向运动；

当机体稳定前行时，若控制防水舵机23输出扭矩，使得两涵道推进器3同时旋转至与水平面成某一相等夹角，并保持正常工作状态，则可实现机体的斜向推进运动。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。