自适应变姿态空中水面潜水无人机的制作方法

[0001]
本实用新型涉及无人机技术领域，尤其涉及一种自适应变姿态空中水面潜水无人机。


背景技术：

[0002]
目前，无人机已经得到了较多的应用，但是，尚缺乏一种结构简单并各部分设计和姿态控制适合空中、水面和水下航行的两栖无人机，导致无人机在具有水域的运行环境中使用受限。


技术实现要素：

[0003]
针对上述现有技术中的不足，本实用新型提供一种自适应变姿态空中水面潜水无人机，水空两栖，且结构简单。
[0004]
为了实现上述目的，本实用新型提供一种自适应变姿态空中水面潜水无人机，包括一机体、一水泵、四机臂、四浮力装置、四直流无刷电机和四双用螺旋桨；所述浮力装置均匀分布在所述机体外周并分别通过所述机臂连接所述机体；所述直流无刷电机固定于所述浮力装置内，所述直流无刷电机的输出轴自所述浮力装置的顶端伸出所述浮力装置外；所述双用螺旋桨与所述直流无刷电机的输出轴传动连接；所述浮力装置中空，每一所述浮力装置内固定有相连的一第一控制器和一第一电池；所述第一控制器和所述第一电池连接对应的所述直流无刷电机；所述机体内部形成一水腔，所述机体表面形成一进水口和一排水口，所述进水口和所述排水口通过管路与所述水腔连通，所述水泵安装于所述管路上；所述机体内固定有所述水泵和相连的一第二控制器和一第二电池，所述第二控制器控制所述水泵且包括一通信装置并与各所述第一控制器通信连接。
[0005]
优选地，所述浮力装置中部的直径大于两端的直径，呈鱼雷状。
[0006]
优选地，所述机体呈流线型，且所述机体的上部呈半椭球形，所述机体的中部呈圆弧形，所述机体的底部呈子弹头形。
[0007]
优选地，所述机臂呈中空结构，所述机臂的第一端开口并连通所述水腔，所述机臂的第二端封闭并连接所述浮力装置的外壁。
[0008]
优选地，还包括一远程控制端，所述远程控制端通过所述通信装置与所述第二控制器通信连接，所述第二控制器与四个所述第一控制器通信连接。
[0009]
本实用新型由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
[0010]
通过所述机体、所述水泵、所述机臂、所述浮力装置、所述直流无刷电机和所述双用螺旋桨的配合，使得本实用新型的所述自适应变姿态空中水面潜水无人机既可以在空中飞行也可以在水面航行和水下潜行，实现水空两栖；所述浮力装置的结构简单方便制造和使用，所述浮力装置中部的直径大于两端的直径，呈鱼雷状，该流线型设计呈鱼雷状，使其受波浪干扰力较小，在水中具有良好耐波性，也可以减小无人机在水中的阻力，让无人机可以快速下潜，能够减小无人机的耗能，保证了无人机的续航能力，所述浮力装置优点：
①
空
中阻力小；
②
水中阻力小；
③
两头直径小，尖端离开水面粘附力小；
④
进入水面阻力小；
⑤
中空具有浮力作用，还可以密封安装所述直流无刷电机和所述第一控制器和所述第一电池；
⑥
一头安装了所述双用螺旋桨，提供了无人机的动力；所述自适应变姿态空中水面潜水无人机的所述机体设计分成上中下三部分，其上部呈半椭球形，可以减小无人机空中飞行时垂直向上时的空气阻力和无人机水面航行及水下潜行时水的阻力，中间部位的圆弧型设计可以减小水平飞行时的空气阻力，下部分设计成子弹头的形状，可以使无人机下潜时减小水的阻力，使无人机快速下潜，并在无人机离开水面时减小水的粘附力；所述机体内部包含一个所述水泵，通过所述水泵和所述机体中所述水腔的配合，进行抽水排水以保证无人机上浮和下沉；所述机体内腔主要用于储水排水，同时将无人机各部分连接起来，也包括上面所述浮力装置相应
①-⑤
的优点。通过对所述双用螺旋桨和所述水泵的控制，实现无人机的姿态改变，所述双用螺旋桨双用，结构简单。
附图说明
[0011]
图1为本实用新型实施例的自适应变姿态空中水面潜水无人机的结构示意图；
[0012]
图2为本实用新型实施例的机体的结构示意图；
[0013]
图3为本实用新型实施例的浮力装置、直流无刷电机和双用螺旋桨的连接结构示意图；
[0014]
图4为本实用新型实施例的机臂的结构示意图。
具体实施方式
[0015]
下面根据附图1～图4，给出本实用新型的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本实用新型的功能、特点。
[0016]
请参阅图1，本实用新型实施例的一种自适应变姿态空中水面潜水无人机，包括一机体1、一水泵、四机臂2、四浮力装置3、四直流无刷电机4和四双用螺旋桨5；浮力装置3均匀布设于机体1外周并分别通过机臂2连接机体1；直流无刷电机4固定于浮力装置3内，直流无刷电机4的输出轴自浮力装置3的顶端伸出浮力装置3外；双用螺旋桨5与直流无刷电机4的输出轴传动连接；浮力装置3中空，每一浮力装置3内固定有相连的一第一控制器和一第一电池；第一控制器和第一电池连接对应的直流无刷电机4；机体1内部形成一水腔，机体1表面形成一进水口11和一排水口12，进水口11和排水口12通过管路与水腔连通，水泵安装于管路上；机体1内固定有水泵和相连的一第二控制器和一第二电池，第二控制器控制水泵并包括一通信装置并与各第一控制器通信连接。
[0017]
请参阅图3，浮力装置3中部的直径大于两端的直径，呈鱼雷状。
[0018]
不管是在空气中还是在水中流线型的阻力都相对较小，通过优化设计得到如图3所示的流线型，该流线型设计呈鱼雷状，其受波浪干扰力较小，在水中具有良好耐波性，也可以减小无人机在水中的阻力，让无人机可以快速下潜，在无人机离开水面的时候，该形状也可以帮助无人机减小水的阻力，让无人机离开水面时水的粘附力较小，从而更轻松离开水面进入空中飞行模式，流线型鱼雷状设计减小了无人机的耗能，保证了无人机的续航能力；无人机的第一控制器和第一电池以及直流无刷电机4本体都在这四个鱼雷型浮力装置3中，该装置有着很好的密封性，可保证水不能接触电路部分。
[0019]
请参阅图2，机体1呈流线型，且机体1的上部呈半椭球形，机体1的中部呈圆弧形，机体1的底部呈子弹头形。
[0020]
本实施例中，机体1设计分成上中下三个部分，其总体设计考虑空气和水的阻力影响，在无人机处于空中模式时，无论是垂直起降还是平行移动时，无人机都要受到空气阻力，在水面航行和水下潜行时也会受到水的阻力，因此进行优化设计，最终设置成一种流线型，其上部呈半椭球形，可以减小无人机空中飞行时垂直向上时的空气阻力和无人机水面航行及水下潜行时水的阻力，中间部位的圆弧型设计可以减小水平飞行时的空气阻力，下部分设计成子弹头的形状，可以使无人机下潜时减小水的阻力，使无人机快速下潜，并在无人机离开水面时减小水的粘附力，这样同样使无人机降低耗能，增加续航能力。
[0021]
无人机处于水面航行和水下潜行模式时，要受到来自水的阻力，在该两种模式下无人机的运动是双用螺旋桨5在无人机正前方提供动力，通过双用螺旋桨5的旋转带动无人机向前航行。
[0022]
请参阅图1和图4，机臂2呈中空结构，机臂2的第一端开口并连通水腔，机臂2的第二端封闭并连接浮力装置3的外壁；这种设计既可以减小无人机整体的重力，也可防止水进入到鱼雷型浮力装置3中破坏浮力装置3里的电路，同时在潜水模式时还能让水进入机臂2使得无人机可以尽快下潜，增加下潜和上浮的重量调整范围，使得无人机的飞行速度、稳定性和下潜能力都可以得到更好的保障。
[0023]
还包括一远程控制端，远程控制端通过通信装置与第二控制器通信连接，第二控制器与四个第一控制器通信连接，从而实现对整个无人机的控制。
[0024]
本实用新型的自适应变姿态空中水面潜水无人机的控制方法，包括步骤：
[0025]
s1：通过第二控制器预设多种工作模式，工作模式包括空中飞行模式、水面航行模式和水下潜行模式；其中，空中飞行模式追求快速移动，迅速到达目的地；水面航行模式，实现在水面环境下的漂浮运行；水下潜行模式，一方面为了隐藏无人机的行踪，另一方面实现在潜藏的情况下到达目的地。
[0026]
s2：根据实际需求选择所需的工作模式作为目标工作模式。
[0027]
s3：根据当前工作模式和目标工作模式确定工作模式转换方案。
[0028]
s4：第二控制器根据工作模式转换方案将自适应变姿态空中水面潜水无人机的当前工作模式切换至目标工作模式。
[0029]
工作模式转换方案包括：由空中飞行模式切换为水面航行模式、由水面航行模式切换为水下潜行模式、由水下潜行模式切换为水面航行模式、由水面航行模式切换为空中飞行模式、由空中飞行模式切换为水下潜行模式和由水下潜行模式切换为空中飞行模式。
[0030]
请参阅图1，本实用新型实施例的一种自适应变姿态空中水面潜水无人机运行包括空中飞行模式、水面航行模式和水下潜行模式，可变姿态，螺旋桨双用，追求简单；自适应变姿态空中水面潜水无人机包含四个双用螺旋桨5，双用螺旋桨5的桨根处扭转角较小和桨尖处扭转角较大的设计，以及双用螺旋桨5翼型较厚和弯度较小的设计可以有效的减小空气阻力，提高了升阻比和升力系数，使无人机在空中飞行时能够快速移动；其中双用螺旋桨5通过桨叶在空气或水中旋转，将直流无刷电机4的转动功率转化为拉动力；每个鱼雷型浮力装置3内部都含一个控制器用于调整直流无刷电机4的转速，从而实现双用螺旋桨5的转速调节，每个鱼雷型浮力装置3内部还有一个电池用于提供电能；三种模式运行时无人机有
三种姿态。
[0031]
其中，当处于空中飞行模式时，无人机是垂直和倾斜姿态，垂直姿态时无人机上下垂直飞行，两个处于对角线的双用螺旋桨5顺时针旋转，另两个处于对角线的双用螺旋桨5逆时针旋转，这样陀螺效应和空气动力扭矩效应均可被抵消，四个双用螺旋桨5的转速相同，其产生的升力大于重力使无人机直线上升，反之无人机直线下降；倾斜姿态时无人机向倾斜一侧的方向水平飞行，通过倾斜一侧的两个双用螺旋桨5的转速减小来实现，四个双用螺旋桨5产生的拉动力分解成两个方向的力，其垂直地面的力可以抵消无人机自身重力，水平方向的力使得无人机水平移动。
[0032]
水面航行模式和水下潜行模式时，无人机是水平姿态，无人机四个双用螺旋桨5处于无人机前方，两个处于对角线的双用螺旋桨5顺时针旋转，另两个处于对角线的双用螺旋桨5逆时针旋转；水面航行模式时，四个双用螺旋桨5可都旋转，带动无人机向前航行，水下两个双用螺旋桨5和水上两个双用螺旋桨5的转速不同；水下潜行模式时，通过四个双用螺旋桨5的旋转带动无人机向前潜行，减小两相邻双用螺旋桨5的旋转速度，可以使无人机转向、下潜和上潜，无人机的拐向为朝向减小旋转速度的两相邻双用螺旋桨5的一侧，此时在该模式下无人机如同潜艇；无人机在水面航行模式和水下潜行模式时的水平姿态会最大限度减小水的阻力，从而减小双用螺旋桨5的拉动力，达到节能的目的。
[0033]
无人机的自适应变姿态运行是为了适应不同的运行环境，增加无人机的活动范围，增大其生存能力，并且整个设计在不同的运行环境下达到了减小阻力、增加速度和节约电能的目的。
[0034]
请参阅图1，当目标工作模式为水面航行模式且当前工作模式为空中飞行模式时，工作模式转换方案为由空中飞行模式转换为水面航行模式；s4步骤中，远程控制端通过通信装置向第二控制器发送控制指令，第二控制器向第一控制器发送控制指令，使得减小以至于停转两相邻双用螺旋桨5的旋转速度，该双用螺旋桨5处于上方的拉动力减小，使自适应变姿态空中水面潜水无人机姿态向速度减小的两相邻双用螺旋桨5一侧发生倾斜，以此姿态进入水面，在重力、水的浮力以及双用螺旋桨5拉动力的共同作用下，无人机最终完成90倾斜，再通过控制水泵调节水腔的载水量配合浮力装置3使得自适应变姿态空中水面潜水无人机漂浮于水面，从而进入水面航行模式，此时四个双用螺旋桨5处于前方可都旋转，带动无人机向前航行，水下两个双用螺旋桨5和水上两个双用螺旋桨5的转速不同。
[0035]
或第二控制器向第一控制器发送控制指令，同时降低四个双用螺旋桨5的转速，四个双用螺旋桨5处于上方的拉动力逐渐减小，使得自适应变姿态空中水面潜水无人机垂直下降，四浮力装置3下部分进入水中，悬浮于水面上，然后减小以至于停转两相邻双用螺旋桨5的旋转速度，该双用螺旋桨5处于上方的拉动力减小，使自适应变姿态空中水面潜水无人机姿态向速度减小的两相邻双用螺旋桨5一侧发生倾斜，以此姿态自适应变姿态空中水面潜水无人机上部部分进入水中，通过控制水泵调节水腔的载水量配合浮力装置3，使得自适应变姿态空中水面潜水无人机漂浮于水面，在重力、水的浮力以及双用螺旋桨5拉动力的共同作用下，无人机完成90
°
的倾斜，从而进入水面航行模式；此时，四个双用螺旋桨5处于前方可都旋转，带动无人机向前航行，水下两个双用螺旋桨5和水上两个双用螺旋桨5的转速不同；此时无人机在水面航行。
[0036]
当目标工作模式为水下潜行模式且当前工作模式为水面航行模式时，工作模式转
换方案为由水面航行模式切换为水下潜行模式；s4步骤中，远程控制端通过通信装置向第二控制器发送控制指令，第二控制器控制水泵吸水，从而使得无人机在重力的作用下潜入水中，第二控制器向第一控制器发送控制指令，此时四个双用螺旋桨5处于前方，调整四个双用螺旋桨5的转速，通过双用螺旋桨5的旋转从而带动无人机向前潜行，水下潜行模式时，通过减小两相邻双用螺旋桨5的旋转速度，可以使无人机转向、下潜和上潜，无人机的拐向为朝向减小旋转速度的两相邻双用螺旋桨5的一侧。
[0037]
此时，无人机的姿态和水面航行姿态一样，四个双用螺旋桨5在前面；潜行模式时，四个双用螺旋桨5都旋转，此时在该模式下无人机如同潜艇，通过双用螺旋桨5的旋转可以拉动无人机在水下潜行。
[0038]
当目标工作模式为水面航行模式且当前工作模式为水下潜行模式时，工作模式转换方案为由水下潜行模式切换为水面航行模式，s4步骤中，远程控制端通过通信装置向第二控制器发送控制指令，第二控制器控制水泵排水直至自适应变姿态空中水面潜水无人机上浮出水面，四个双用螺旋桨5处于前方拉动。
[0039]
请参阅图1，当目标工作模式为空中飞行模式且当前工作模式为水面航行模式时，工作模式转换方案为由水面航行模式切换为空中飞行模式；s4步骤中，远程控制端通过通信装置向第二控制器发送控制指令，第二控制器控制水泵排水并向第一控制器发送控制指令，使得水下的两个双用螺旋桨5转速增加，水上的两个双用螺旋桨5转速减小以至于停转，无人机由倾斜90
°
变为向速度减小的水上两个双用螺旋桨5一侧方向垂直，此时四个双用螺旋桨5处于上方，然后控制四个双用螺旋桨5使转速增加，拉着自适应变姿态空中水面潜水无人机克服重力垂直上升进入空中。
[0040]
当目标工作模式为水下潜行模式且当前工作模式为空中飞行模式时，工作模式转换方案为由空中飞行模式转换为水下潜行模式；s4步骤中，远程控制端通过通信装置向第二控制器发送控制指令，第二控制器向第一控制器发送控制指令，使得四个双用螺旋桨5的旋转速度逐渐减小，四个双用螺旋桨5处于上方的拉动力逐渐减小，使自适应变姿态空中水面潜水无人机由重力和四个双用螺旋桨5处于无人机上方拉动力的共同作用下稳定的垂直进入水中，再通过控制水泵增加水腔的载水量配合浮力装置3使得自适应变姿态空中水面潜水无人机潜入水面下；远程控制端通过通信装置向第二控制器发送控制指令，第二控制器向第一控制器发送控制指令，使得减小以至于停转两相邻双用螺旋桨5的旋转速度，该双用螺旋桨5处于上方的拉动力减小，使自适应变姿态空中水面潜水无人机姿态在水面下发生向速度减小的两相邻双用螺旋桨5一侧倾斜，在重力、水的浮力以及双用螺旋桨5处于上方拉动力减小的共同作用下，自适应变姿态空中水面潜水无人机在水面下完成90
°
倾斜，从而进入水下潜行模式，此时四个双用螺旋桨5处于前方，两个处于对角线的双用螺旋桨5顺时针旋转，另两个处于对角线的双用螺旋桨5逆时针旋转，四个双用螺旋桨5旋转带动无人机向前潜行。
[0041]
当目标工作模式为空中飞行模式且当前工作模式为水下潜行模式时，工作模式转换方案为由水下潜行模式转换为空中飞行模式；s4步骤中，远程控制端通过通信装置向第二控制器发送控制指令，第二控制器向第一控制器发送控制指令，使得减小以至于停转上侧的两相邻双用螺旋桨5的旋转速度，该双用螺旋桨5处于前方的拉动力减小，使自适应变姿态空中水面潜水无人机姿态在水面下向速度减小的两相邻双用螺旋桨5一侧倾斜而逐渐
恢复垂直，在重力、水的浮力以及四个双用螺旋桨5拉动力的共同作用下，自适应变姿态空中水面潜水无人机在水面下完成恢复垂直姿态；此时远程控制端通过通信装置向第二控制器发送控制指令，第二控制器向第一控制器发送控制指令，使得两个处于对角线的双用螺旋桨5顺时针旋转，另两个处于对角线的双用螺旋桨5逆时针旋转，并使得四个双用螺旋桨5的旋转速度增加，四个双用螺旋桨5处于无人机上方的拉动力增加；此时远程控制端通过通信装置向第二控制器发送控制指令，通过控制水泵排出水腔载水，使自适应变姿态空中水面潜水无人机由重力、水的浮力以及四个双用螺旋桨5处于无人机上方拉动力的共同作用下稳定的垂直穿出水面并最终离开水面，四个双用螺旋桨5处于上方带动无人机向上航行，飞入空中，进入空中飞行模式。
[0042]
以上结合附图实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本实用新型做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本实用新型的限定，本实用新型将以所附权利要求书界定的范围作为本实用新型的保护范围。

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