阅读说明：本技术 一种海空双动力两栖无人机及其工作方法 (Sea-air dual-power amphibious unmanned aerial vehicle and working method thereof ) 是由 王晨 何海斌 刘逸喆 朱佳楠 赖余强 于 2020-04-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种海空双动力两栖无人机及其工作方法。现有无人机作业环境十分有限。本发明包括通讯浮标、空中飞行机构和水下动力机构；水下潜行模式下,通讯浮标置于水面上,水下动力机构的电机供电,空中飞行机构的电机不供电；空中飞行模式下,拆除通讯浮标,减轻重量,空中飞行机构的电机供电,水下动力机构的电机不供电。本发明在水下和空中两种不同模式下采用不同电机工作,解决了水下和空中阻力不同而导致的电机过载、漏电等问题,是一种对于海空双模式适应性极强的两栖无人机。(The invention discloses a sea-air dual-power amphibious unmanned aerial vehicle and a working method thereof. The existing unmanned aerial vehicle operation environment is very limited. The invention comprises a communication buoy, an aerial flight mechanism and an underwater power mechanism; in the underwater diving mode, the communication buoy is arranged on the water surface, the motor of the underwater power mechanism supplies power, and the motor of the aerial flight mechanism does not supply power; and in the air flight mode, the communication buoy is detached, the weight is reduced, the motor of the air flight mechanism is powered, and the motor of the underwater power mechanism is not powered. The amphibious unmanned aerial vehicle adopts different motors to work in two different modes, namely underwater and aerial, solves the problems of motor overload, electric leakage and the like caused by different underwater and aerial resistances, and is an amphibious unmanned aerial vehicle with strong sea and air dual-mode adaptability.)

一种海空双动力两栖无人机及其工作方法

技术领域

本发明涉及无人飞行器和无人潜水器，具体涉及一种海空双动力两栖无人机及其工作方法。

背景技术

随着航空、航海产业的快速发展以及海上资源的大力开发，无人机侦察和水下航行器检测正在进行快速的发展，但两者也都存在明显的缺陷。对于固定翼无人机而言，其续航里程明显偏短，载重也十分有限，作业环境也十分有限，不能进行水下检测。而对于水下航行器而言，释放回收耗费人力、移动迟缓的缺点也十分明显。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种海空双动力两栖无人机及其工作方法。

本发明一种海空双动力两栖无人机，包括圆形机身、左侧板、右侧板、顶板、左支架、右支架、通讯浮标、空中飞行机构和水下动力机构；所述的空中飞行机构由第一机架、第二支架、第三支架、第四支架、第一无刷电机、第二无刷电机、第三无刷电机、第四无刷电机和桨叶组成；所述的水下动力机构由第一水下电机、第二水下电机、第三水下电机、第四水下电机和桨叶组成。所述的左侧板和右侧板对称固定在圆形机身两侧。顶板设置在圆形机身顶部，且与左侧板和右侧板均固定；左支架和右支架对称设置在圆形机身底部，且与左侧板和右侧板分别固定；左侧板和右侧板均倾斜设置。所述圆形机身的前端设有摄像头，摄像头固定在电动云台上；电动云台由置于圆形机身内的飞控板控制，摄像头的信号输出端与飞控板连接。所述的第一机架、第二支架、第三支架和第四支架均固定在顶板上，且第一机架与第二支架的夹角等于第三支架和第四支架的夹角，第一机架与第四支架的夹角等于第三支架和第二机架的夹角；第一无刷电机、第二无刷电机、第三无刷电机和第四无刷电机的底座分别固定在第一机架、第二支架、第三支架和第四支架上，第一无刷电机、第二无刷电机、第三无刷电机和第四无刷电机的输出轴上分别固定一个桨叶；第一无刷电机、第二无刷电机、第三无刷电机和第四无刷电机分别通过一个做防水处理的电调与置于圆形机身内的飞控板连接；圆形机身内的通讯模块一也与飞控板连接。第一水下电机和第四水下电机对称设置在圆形机身两侧，第一水下电机和第四水下电机的输出轴竖直设置；第二水下电机和第三水下电机对称设置在圆形机身两侧，第二水下电机和第三水下电机的输出轴水平设置；第一水下电机、第二水下电机、第三水下电机和第四水下电机的输出轴上分别固定一个桨叶；第一水下电机和第二水下电机均通过电机驱动模块一与置于圆形机身内的控制器连接，第三水下电机和第四水下电机均通过电机驱动模块二与控制器连接。所述的通讯浮标由轴销、弹簧仓、电器仓、仓体连接件、平面涡卷弹簧、轴架、底板和浮块组成；两个轴架间距固定在底板上，每个轴架顶端固定一个弹簧仓；固定在电器仓两端的两个仓体连接件与两个弹簧仓分别通过轴销铰接，且两个仓体连接件与两个弹簧仓分别通过平面涡卷弹簧连接；底板底面固定有间距设置的两块浮块；电器仓内设有通讯模块二；缆绳绕置在电器仓外，一端置于电器仓内与通讯模块二连接，另一端穿过底板开设的中心孔。

进一步，所述的左、右侧板均中空设置。

进一步，所述的左侧板和右侧板均使用3D打印材料。

进一步，所述的第一机架、第二支架、第三支架和第四支架形成X型布置。

进一步，所述的第一机架、第二支架、第三支架和第四支架均采用碳纤维材质。

进一步，电池经分线板一与继电器、降压模块一、电动云台、摄像头和飞控板的输入端连接；继电器的输出端与降压模块二的输入端连接，并经分线板二与四个电调的输入端连接；降压模块二的输出端均通过电机驱动模块一与第一水下电机及第二水下电机连接，均通过电机驱动模块二与第三水下电机及第四水下电机连接；降压模块一与控制器的电源输入端连接。

进一步，所述的继电器由飞控板控制，实现电池对降压模块二或分线板二供电。

该海空双动力两栖无人机的工作方法，具体如下：

1、水下潜行模式

将通讯浮标中通讯模块二连接的缆绳与置于圆形机身内的控制器和飞控板连接，然后将通讯浮标置于水面上，通讯浮标中的通讯模块二由于浮块的浮力作用漂浮在水面上；上位机通过通讯模块二给控制器和飞控板发送指令；飞控板控制继电器实现电池对降压模块二供电，降压模块二通过电机驱动模块一给第一水下电机及第二水下电机供电，并通过电机驱动模块二给第三水下电机及第四水下电机供电；飞控板控制电动云台运动，并将摄像头拍摄的水下图像通过通讯模块二传给上位机。需要下潜时，控制器控制第一水下电机和第四水下电机同向且同转速正转，圆形机身在第一水下电机和第四水下电机上桨叶旋转带来的推力作用下下降，带动电器仓转动放出缆绳。在水中受到水流冲击时，控制器控制第一水下电机和第四水下电机以不同转速正转，从而产生竖直面内的转矩与水流冲击力引起的转矩抵消，使圆形机身保持水平。需要前进时，控制器控制第二水下电机和第三水下电机同向且同转速正转，圆形机身在第二水下电机和第三水下电机上桨叶旋转带来的推力作用下前进；需要后退时，控制器控制第二水下电机和第三水下电机同向且同转速反转；需要在水平面内左转和右转时，控制器通过控制第二水下电机和第三水下电机的不同转速，产生水平面内的转矩推动圆形机身发生转动来实现。需要上升时，控制器控制第一水下电机和第四水下电机同向且同转速反转，圆形机身在第一水下电机和第四水下电机上桨叶旋转带来的推力作用下上升，电器仓依靠平面涡卷弹簧的弹力自动回收缆绳。

2、空中飞行模式

拆除缆绳与控制器的连接，去除通讯浮标。上位机通过通讯模块一给飞控板发送指令，飞控板控制继电器实现电池对分线板二供电，分线板二通过四个电调给第一无刷电机、第二无刷电机、第三无刷电机和第四无刷电机供电；飞控板控制电动云台运动，并将摄像头的航拍图像通过通讯模块一传给上位机。需要悬停时，飞控板控制第一无刷电机和第三无刷电机正转，第二无刷电机和第四无刷电机反转，且四个无刷电机的转速均相等；需要上升时，飞控板同时提高四个无刷电机的转速，圆形机身在四个无刷电机上桨叶旋转带来的推力作用下上升；需要下降时，飞控板同时减小四个无刷电机的转速；需要向左移动时，飞控板提高第二无刷电机和第三无刷电机的转速，减小第一无刷电机和第四无刷电机的转速；需要向右移动时，飞控板减小第二无刷电机和第三无刷电机的转速，提高第一无刷电机和第四无刷电机的转速；需要向前移动时，飞控板升高第一无刷电机和第二无刷电机的转速，减小第三无刷电机和第四无刷电机的转速，且第一无刷电机和第二无刷电机的转速相等，第三无刷电机和第四无刷电机的转速相等；需要向后移动时，飞控板减小第一无刷电机和第二无刷电机的转速，升高第三无刷电机和第四无刷电机的转速，且第一无刷电机和第二无刷电机的转速相等，第三无刷电机和第四无刷电机的转速相等；需要顺时针转动时，升高第一无刷电机和第三无刷电机的转速，降低第二无刷电机和第四无刷电机的转速；需要逆时针转动时，降低第一无刷电机和第三无刷电机的转速，升高第二无刷电机和第四无刷电机的转速。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、本发明不仅能作为四轴飞行器，还能作为水下航行器，载重量大，续航时间长，体积和质量小，移动迅捷，应用场景十分广泛，包括空中、水面和水下，可用于两栖拍摄和测绘，具体可以应用于水下、水上石油管道检测，以及水产养殖等多个领域。

2、本发明通过继电器实现电池在水下潜行模式下对第一水下电机、第二水下电机、第三水下电机和第四水下电机供电，空中飞行模式下对第一无刷电机、第二无刷电机、第三无刷电机和第四无刷电机供电，从而在水下和空中两种不同模式下采用不同电机工作，解决了水下和空中阻力不同而导致的电机过载、漏电等问题。因此，本发明是一种集海空双动力切换的两栖无人机。

3、由于水下无线信号传输能力极差，在水下潜行模式下，本发明将通讯模块二漂浮在水面上并通过缆绳与控制器和飞控板连接的方式，极大增强了信号传输能力；而在空中飞行模式下又拆除通讯浮标，减轻机身重量；因此，本发明是一种对于海空双模式适应性极强的两栖无人机。

4、本发明的圆形机身下降时带动电器仓转动放出缆绳，圆形机身上升时电器仓依靠平面涡卷弹簧的弹力自动回收缆绳，因此，释放、回收缆绳方便，节省人力。

附图说明

图1为本发明在水下潜行模式下的结构立体图；

图2为本发明在水下潜行模式下的俯视图；

图3为本发明在水下潜行模式下的正视图；

图4为本发明在空中飞行模式下的结构立体图；

图5为本发明在空中飞行模式下的俯视图；

图6为本发明在空中飞行模式下的正视图；

图7为本发明中通讯浮标的爆炸结构示意图；

图8为本发明中通讯浮标的装配立体图；

图9为本发明的供电原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行清楚、完整的描述。

如图1、2和3所示，一种海空双动力两栖无人机，包括圆形机身1、左侧板2、右侧板3、顶板4、左支架5、右支架6、通讯浮标20、空中飞行机构和水下动力机构；空中飞行机构由第一机架11、第二支架12、第三支架13、第四支架14、第一无刷电机7、第二无刷电机8、第三无刷电机9、第四无刷电机10和桨叶组成；水下动力机构由第一水下电机17、第二水下电机16、第三水下电机19、第四水下电机18和桨叶组成。使用两套电机系统，并且分开控制使得其动力性更加强劲，安全性和稳定性显著提高。左侧板2和右侧板3通过紧固件对称固定在圆形机身1两侧。左、右侧板中空设置，从而降低整机质量，减小能耗。顶板4设置在圆形机身1顶部，且与左侧板2和右侧板3均固定；左支架5和右支架6对称设置在圆形机身1底部，且与左侧板2和右侧板3分别固定；左侧板2和右侧板3均倾斜设置，且均使用3D打印材料，具有较高的塑性强度，防止落地时发生碰撞损坏。圆形机身1的前端设有摄像头15，摄像头15固定在电动云台上，可实现摄像头15在顶角为170°以上的圆锥内转动(采用二自由度电动云台，使得摄像头15拍摄范围在顶角为170°以上的圆锥内，也实现了俯仰角和水平面上的摆角均在170°以上)，足够用于空中的俯视航拍以及水下的图像采集；电动云台由置于圆形机身1内的飞控板控制，摄像头15的信号输出端与飞控板连接。第一机架11、第二支架12、第三支架13和第四支架14均固定在顶板4上，且第一机架11与第二支架12的夹角等于第三支架13和第四支架14的夹角，第一机架11与第四支架14的夹角等于第三支架13和第二机架12的夹角，形成X型布置，从而使本发明具有较大的轴距和负载力；第一机架11、第二支架12、第三支架13和第四支架14均采用碳纤维材质，保证刚度和整机的轻量化。第一无刷电机7、第二无刷电机8、第三无刷电机9和第四无刷电机10的底座分别固定在第一机架11、第二支架12、第三支架13和第四支架14上，第一无刷电机7、第二无刷电机8、第三无刷电机9和第四无刷电机10的输出轴上分别固定一个桨叶；第一无刷电机7、第二无刷电机8、第三无刷电机9和第四无刷电机10分别通过一个做防水处理(比如在四周涂覆防水胶水)的电调(电子调速器)与置于圆形机身1内的飞控板连接，第一无刷电机7、第二无刷电机8、第三无刷电机9和第四无刷电机10的供电也由电调提供；圆形机身1内的通讯模块一也与飞控板连接。第一水下电机17和第四水下电机18对称设置在圆形机身1两侧，第一水下电机17和第四水下电机18的输出轴竖直设置；第二水下电机16和第三水下电机19对称设置在圆形机身1两侧，第二水下电机16和第三水下电机19的输出轴水平设置；第一水下电机17、第二水下电机16、第三水下电机19和第四水下电机18的输出轴上分别固定一个桨叶；第一水下电机17和第二水下电机16均通过电机驱动模块一与置于圆形机身1内的控制器连接，第三水下电机19和第四水下电机18均通过电机驱动模块二与控制器连接。如图7和8所示，通讯浮标20由轴销21、弹簧仓22、电器仓23、仓体连接件24、平面涡卷弹簧25、轴架26、底板27和浮块28组成；两个轴架26间距固定在底板27上，每个轴架26顶端固定一个弹簧仓22；固定在电器仓23两端的两个仓体连接件24与两个弹簧仓22分别通过轴销21铰接，且两个仓体连接件24与两个弹簧仓22分别通过平面涡卷弹簧25连接；底板27底面固定有间距设置的两块浮块28；电器仓23内设有通讯模块二；缆绳绕置在电器仓23外，一端置于电器仓23内与通讯模块二连接，另一端穿过底板27开设的中心孔。电器仓23负责水下数据的传输，通讯模块二连接的缆绳在平面涡卷弹簧25作用下具有自动回收的功能。

如图9所示，电池经分线板一与继电器、降压模块一、电动云台、摄像头和飞控板的输入端连接；继电器的输出端与降压模块二的输入端连接，并经分线板二与四个电调的输入端连接；降压模块二的输出端均通过电机驱动模块一与第一水下电机17及第二水下电机16连接，均通过电机驱动模块二与第三水下电机19及第四水下电机18连接；降压模块一与控制器的电源输入端连接。

继电器由飞控板控制，实现电池对降压模块二或分线板二供电两种供电方案，从而实现水下潜行模式下对第一水下电机17、第二水下电机16、第三水下电机19和第四水下电机18供电，空中飞行模式下对第一无刷电机7、第二无刷电机8、第三无刷电机9和第四无刷电机10供电。

该海空双动力两栖无人机的工作方法，具体如下：

1、水下潜行模式

如图1、2和3所示，将通讯浮标20中通讯模块二连接的缆绳与置于圆形机身1内的控制器和飞控板连接(控制器和飞控板将与缆绳连接的接口安装在圆形机身1外，接口处做防水处理)，然后将通讯浮标20置于水面上，通讯浮标20中的通讯模块二由于浮块28的浮力作用一直漂浮在水面上；由于水下无线信号传输能力极差，通讯模块二漂浮在水面上并通过缆绳与控制器连接的方式，极大增强了信号传输能力。上位机通过通讯模块二给控制器和飞控板发送指令；飞控板控制继电器实现电池对降压模块二供电，降压模块二通过电机驱动模块一给第一水下电机17及第二水下电机16供电，并通过电机驱动模块二给第三水下电机19及第四水下电机18供电；飞控板控制电动云台运动，并将摄像头15拍摄的水下图像通过通讯模块二传给上位机。需要下潜时，控制器控制第一水下电机17和第四水下电机18同向且同转速正转，圆形机身1在第一水下电机17和第四水下电机18上桨叶旋转带来的推力作用下下降，带动电器仓23转动放出缆绳。在水中受到水流冲击时，控制器控制第一水下电机17和第四水下电机18以不同转速正转，从而产生竖直面内的转矩与水流冲击力引起的转矩抵消，使圆形机身1保持水平。需要前进时，控制器控制第二水下电机16和第三水下电机19同向且同转速正转，圆形机身1在第二水下电机16和第三水下电机19上桨叶旋转带来的推力作用下前进；需要后退时，控制器控制第二水下电机16和第三水下电机19同向且同转速反转；需要在水平面内左转和右转时，控制器通过控制第二水下电机16和第三水下电机19的不同转速，产生水平面内的转矩推动圆形机身1发生转动来实现。需要上升时，控制器控制第一水下电机17和第四水下电机18同向且同转速反转，圆形机身1在第一水下电机17和第四水下电机18上桨叶旋转带来的推力作用下上升，电器仓23依靠平面涡卷弹簧25的弹力自动回收缆绳。

2、空中飞行模式

如图4、5和6所示，拆除缆绳与控制器的连接，去除通讯浮标。上位机通过通讯模块一给飞控板发送指令，飞控板控制继电器实现电池对分线板二供电，分线板二通过四个电调给第一无刷电机7、第二无刷电机8、第三无刷电机9和第四无刷电机10供电；飞控板控制电动云台运动，并将摄像头15的航拍图像通过通讯模块一传给上位机。需要悬停时，飞控板控制第一无刷电机7和第三无刷电机9正转，第二无刷电机8和第四无刷电机10反转，且四个无刷电机的转速均相等；需要上升时，飞控板同时提高四个无刷电机的转速，圆形机身1在四个无刷电机上桨叶旋转带来的推力作用下上升；需要下降时，飞控板同时减小四个无刷电机的转速；需要向左移动时，飞控板提高第二无刷电机8和第三无刷电机9的转速，减小第一无刷电机7和第四无刷电机10的转速；需要向右移动时，飞控板减小第二无刷电机8和第三无刷电机9的转速，提高第一无刷电机7和第四无刷电机10的转速；需要向前移动时，飞控板升高第一无刷电机7和第二无刷电机8的转速，减小第三无刷电机9和第四无刷电机10的转速，且第一无刷电机7和第二无刷电机8的转速相等，第三无刷电机9和第四无刷电机10的转速相等；需要向后移动时，飞控板减小第一无刷电机7和第二无刷电机8的转速，升高第三无刷电机9和第四无刷电机10的转速，且第一无刷电机7和第二无刷电机8的转速相等，第三无刷电机9和第四无刷电机10的转速相等；需要顺时针转动时，升高第一无刷电机7和第三无刷电机9的转速，降低第二无刷电机8和第四无刷电机10的转速；需要逆时针转动时，降低第一无刷电机7和第三无刷电机9的转速，升高第二无刷电机8和第四无刷电机10的转速。