一种海陆空三栖无人机

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1.本发明涉及无人机领域，具体涉及一种海陆空三栖无人机。

背景技术：

2.国内的水下机器人技术、产业化水平和规模与国外相比还是较为落后。我们还需在理念提出、结构设计和如何实现跨介质运作等方面开展。目前问题也较多，比如价格问题。目前著名的企业或组织有中国科学院沈阳自动化研究所等等，北航也研制过飞鱼两栖rov。目前，国内水下机器人市场尚处于起步阶段，需要在民用和商用领域得到展示和发展，在工程实践中，两栖无人机目前还主要集中在研究或理论试验上。同时，两栖无人机的水动特性也仍在研究之中。
3.不同应用领域对水下机器人有不同的功能需求，比如安全监测领域方面所使用的水下机器人需要考虑的是和传感器、网络平台的结合，使得此类型水下机器人研发难度较高，因此目前国内大部分水下机器人相关项目更多的是对水下机器人进行原有框架上附加功能单元以实现目的，但是这种方法较为不可取，没有完善产业链，并且目前也没有研究基础以实现海陆空三栖无人机设计。国外目前已经尝试进行无传输线缆远距离操控水下机器人的设计以适应商用要求，不过问题仍然较多。国内有两栖无人机采用仿生设计。仿生设计是转化模本优异功能的重要手段，其本质是革新和创新，是研发先进系统与创造新产品的重要途径。

技术实现要素：

4.本发明拟解决的具体问题是实现无人机海陆空跨介质移动和远距离作业。
5.本发明提供一种海陆空三栖无人机，包括：旋翼组件、电路控制组件、着陆支撑组件、水下悬停组件、水下运动组件、陆上运动组件；
6.所述旋翼组件位于所述水下悬停组件的上端，所述水下悬停组件下端连接有着陆支撑组件，所述水下悬停组件的内部为密封结构，且设置有所述电路控制组件，所述水下悬停组件外部连接有所述水下运动组件，所述着陆支撑组件的底部连接有陆上运动组件。
7.作为优选，所述水下悬停组件包括：浮材、双功能舱室；
8.所述浮材连接在双功能舱室的外壁，所述双功能舱室内部为密封结构，用于控制无人机姿态和运动的所述电路控制组件安装在所述双功能舱室内部，所述双功能舱室上部设有穿线螺栓，所述电路控制组件中的线缆通过穿线螺栓与双功能舱室外部的元件相连，所述穿线螺栓的螺栓孔内填充有灌封料。
9.作为优选，所述水下运动组件包括：舵机、螺旋桨；
10.所述舵机设置在双功能舱室外部，舵机上连接有螺旋桨，所述螺旋桨包括前螺旋桨和后螺旋，前螺旋桨的曲率比后螺旋桨的曲率小。
11.作为优选，所述陆上运动组件包括：车轮、车轮支架；
12.所述车轮支架设置在着陆支撑组件下端，车轮支架上安装有车轮，所述车轮电机
设置于车轮支架上。
13.作为优选，所述水下悬停组件还包括：水下灯，所述水下灯位于双功能舱室的外壁。
14.作为优选，所述旋翼组件包括：旋翼支架、旋翼、旋翼无刷电机；
15.每个所述旋翼支架的外端，设置一个旋翼和一个旋翼无刷电机；
16.设置有8个旋翼支架，8个所述旋翼支架以辐条状排列。
17.作为优选，所述着陆支撑组件为降落架，所述降落架下端连接车轮支架的上端，所述降落架上端连接在双功能舱室的下端。
18.本发明还提供一种海陆空三栖无人机的水下推进方法，其特征在于，所述水下推进方法为矢量推进，8个所述旋翼支架上的旋翼将为推进器提供稳定功能。
19.本发明的原理和有益效果如下：海陆空三栖无人机为整体圆形，双层四轴八旋翼处于上端，螺旋桨推进器以及舵机处于下部，螺旋桨于下部两侧，有较大的力矩，可以提供稳定的推进力。通过双层四轴八旋翼空中动力系统操作海空无人机飞行至目标位置，然后下层四个旋翼停止动力输送，而上层四个旋翼持续动力输送，使得海空无人机能一部分进入水源，再以矢量推进系统进行水下移动。同时双功能舱室的.摄像头进行图像采集，将图像信号传输给水面浮标，再借助远距离传输技术，将其传输到远距离操作员的个人终端控制装置上，操作员根据视频显示内容进行识别，远程操控海陆空三栖无人机,以此实现远程操控，完成近岸海域作业任务，离开时矢量推进系统将无人机推出水面，然后顶部四个螺旋桨为无人机提供垂直升力,继而升空。陆上可进行水平移动，通过陆空转换进行翻越障碍物。
附图说明
20.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介绍，后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
21.图1为海陆空三栖无人机主视图。
22.图2为海陆空三栖无人机上视图。
23.图3为海陆空三栖无人机投影视图。
24.图1中1为旋翼支架、2为舵机、3为螺旋桨、4为水下灯、5为车轮电机、6为车轮、7为车轮支架、8为降落架、9为双功能舱室、10为穿线螺栓。
25.图2中11为旋翼、12为旋翼无刷电机、13为浮材。
具体实施方式
26.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
27.本发明提供的一种海陆空三栖无人机，其旋翼无刷电机12与旋翼支架1螺栓连接，旋翼支架1与双功能舱室9螺栓连接，旋翼无刷电机12与旋翼11螺栓连接，水下灯4与双功能
舱室9螺栓连接，降落架8与双功能舱室9螺栓连接，舵机2与螺旋桨3螺栓连接，穿线螺栓10与双功能舱室9螺栓连接，浮材13与双功能舱室9螺栓连接，降落架(8)与双功能舱室9过盈配合，车轮6与车轮支架7螺栓连接，车轮支架7与车轮电机5螺栓连接，车轮支架7与降落架8螺栓连接。上层采用双层四轴八旋翼式布置，空中稳定性高。中层采用舵机控制，实现水下矢量移动。下层使用四轮式设计。
28.双功能舱室为水密舱，主舱内主要为控制系统、电调、ubec以及通讯模块，电池舱内为动力源，即锂电池。作为水下机器人的核心，两部分要保证内部干燥，充分隔绝水源。双功能舱体为圆柱形筒仓设计，舱壁采用亚克力材料设计，其拥有优秀的可透视性能以及硬度，厚度为10mm，直径为150mm，高度为123mm，应保证该装置可有效耐受至少40m水深的水压。设计并计算rov的结构时，海陆空三栖无人机的中部两用舱室壳体的应力小于其最大承受应力，rov中部双功能舱室的密度均匀度需要满足一定水平，否则当舱体部分压力过大，应力集中会导致双功能舱室部分受损而使得密闭性降低，最终设备漏水损坏。
29.下面对双功能舱室相关计算的主要的符号进行说明：
30.e为弹性模量；μ为泊松比；ρ为密度；σs为材料屈服应力；p0为工作压力；pj为计算压力；p
cr
为屈服压力；l为双功能舱室长度；d为双功能舱室外径；δ为双功能舱室厚度；σ为双功能舱室应力；r为双功能舱室圆半径。
31.首先通过下式确定双功能舱室是长筒还是短筒：
32.通过计算圆筒临界长度公式：
[0033][0034]
双功能舱室长度为l，若l》lcr则为长圆筒，若l《lcr则为短圆筒。本次海陆空三栖无人机设计为无肋圆筒，pmma材料e＝3300、μ＝0.37、ρ＝1.19。密封舱：d＝150δ＝5则lcr＝961.2531，可计算得出l《lcr，双功能舱室为短桶。
[0035]
由于双功能舱室为短筒，先使用短圆筒临界压力计算公式计算理论临界载荷：
[0036][0037]
简化后的短圆筒最小临界压应力计算式：
[0038][0039]
pcr＝0.2831mpa》0.1mpa。经过验算，所取的材料及设计均满足设计标准与安全要求。
[0040]
双功能舱室内部各类元器件如摄像头，飞控树莓派等都未做防水处理，设计时应将双功能舱室设计为隔水空间，海陆空三栖无人机水密舱的密封主要由o型圈与环氧树脂灌封的方式构成。
[0041]
o型圈用于各种机械装置，主要用于密封，双功能机舱采用法兰盖形式，组装时将o型圈嵌入盖槽内。防水隔板与螺母一起作用，将o形圈压入槽内并加以限制，以防止外部水进入。也可以在o形密封圈上涂抹硅酮密封脂，润滑o形密封圈并加强密封。
[0042]
为了传输能量或信号，机器人的双功能舱室需要从舱内到舱外的电缆。为提高二次开发能力，司机室内外连接线采用环氧树脂浇注工艺封堵，防水帽及调制结构按使用要求可接受。可以进行自主功能选择改装，端盖采用环氧树脂固化插头、传感器、插座。一般水下机器人各类连接线缆与双功能舱室使用穿线螺栓进行连接，穿线螺栓即较大直径螺栓中心穿孔设计，并使用灌封处理，一般选用环氧树脂ab胶以一定比例进行调配后倒入穿线螺栓与线缆连接缝隙处，等待ab胶固化一定时间完成。
[0043]
海空两用无人机为整体圆形，双层四轴八旋翼处于上端，推进器以及舵机处于下部，t200推进器于下部两侧，有较大的力矩，可以提供稳定的推进力。整机重10kg，通过sw仿真分析，有更高的稳定性。浮心通过周边浮材进行控制，仍然处于圆周中心位置，满足稳定性需求。
[0044]
通过sw内部flow simulation流体仿真进行z轴1m/s水流内受冲击仿真。选择周边水体情况，因海空两用无人机内部元件发热量极小，不考虑散热情况，假设为隔热环境下对整机进行流体仿真。通过仿真可得海空两用无人机整机最大受力为32.308n。从流线情况看海空两用无人机具有较为良好的水下流体性能，两边舵机处对于水流阻力较大，背部形成环流，对海空两用无人机水下运作造成一定阻力，但也同时使得机身能够保持一定姿态。整体结果表明海空两用无人机具有较为稳定的水下结构。机身应对海洋中不规则洋流运动可以保持较为稳定的姿态，在港口船舶附近受到螺旋桨干扰冲击时也能进行水下作业。
[0045]
降落架为海陆空三栖无人机着陆触底装置，在无人机起飞或者降落时与地面接触，受到冲击较大，设计应较为坚固，使用hdpe材料进行制作，框架轻便，价格低廉。
[0046]
连接件设计：舵机连接件设计为外部连接，通过螺栓连接将上下两个连接件与舵机连接，同时加固上下端盖与双功能舱室紧密性。旋翼连接件设计为外部连接，通过连接件与每个舵机杆之间的螺栓连接与旋翼固定。连接件使用铝合金设计。双层四轴八旋翼空中动力系统通过支架与旋翼连接件连接，支架呈45度间隔分布，形成动力系统布局。
[0047]
上层旋翼设计为双层四轴八旋翼，使得海陆空三栖无人机在空中进行各个自由度移动，能够实现跨介质移动，并实现动力源切换。旋翼采取无刷电机以防水。
[0048]
海空两用无人机多引擎稳定性、几何结构和性能的平衡。基本上，我们可以认为多旋翼飞机的稳定性是八旋翼》六旋翼》四旋翼。对于具有一定运动特性的飞机，参与控制的数量越多，就越容易获得良好的控制效果。同时在负载情况下，双层四轴八旋翼拥有较低的承载负荷，有更多的稳定性，并且双层四轴八旋翼则在全驱动系统的基础上更近一步，有足够动力进行空中悬停，遇到外力冲击也有额外动力进行姿态稳定，完成空中作业。无人机收到外部载荷作用产生机身倾斜时，也将会进行旋翼调速。只要外界影响不太大，双层四轴八旋翼无人机能够抵御狂风，起码5级风仍能稳定悬挂在空中。
[0049]
旋翼拉力公式：升力系数cy
×
空气密度ρ
×
桨叶面积s
×
速度v
×
经验系数(0.5)＝拉力。升降运动：八旋翼升力大于无人机自重时将会上升，小于自重时将会下降。前后运动:如图2上视图所示下方三个旋翼转速增大，上方三个旋翼转速保持前后升力差会导致无人机出现“前低后高”的姿态，旋翼推力在x轴正方向的分力将驱动无人机前进；同理当上方三个旋翼转速增大，下方三个旋翼转速不变时无人机将会后退。左右移动:与前后移动原理相同，如图2上视图所示右方旋翼转速增大时无人机向左移动，左方旋翼转速增大时无人机向右移动。偏航运动:如图2上视图所示当正转旋翼与对反转旋翼转速相同时，产生的扭矩则
相互抵消，无人机不旋转。和当右上和左下两个旋翼转速增大而左上和右下两个旋翼转速不变时，右上和左下两个旋翼对机体产生的扭矩大左上和右下两个旋翼的反扭矩，因此无人机将绕z轴进行逆时针旋转；反之，当左上和右下两个旋翼转速大于右上和左下两个旋翼转速时，无人机将绕z轴顺时针旋转。
[0050]
矢量推进器包括推进器以及舵机，作为海陆空三栖无人机水下动力装置，两者应该选择无刷电机，有一定的防水性能。
[0051]
推进器运作方式为前螺旋桨和后螺旋桨的曲率差，当叶片旋转时，前螺旋桨的曲率比后螺旋桨的曲率小，因此在前螺旋桨和后螺旋桨表面之间形成压差，从而推动叶片向前。这个力就是无人机的驱动力。另一种牵引力是叶片对转角扭转的反作用力，设置在叶片的直角和电机轴的扭转角上。从正面吸入水流，通过旋转角度，并增加向后的推力吸入水流。
[0052]
矢量推进运作方式为舵机产生推进器推进方向偏移，使得无人机能完成前后上下运作，当无人机需要左右转向时，单个推进器运作，使得无人机产生转向力矩完成转向。
[0053]
螺旋桨拉力计算公式：直径d
×
螺距p
×
桨叶宽度d
×
转速s
×
1标准大气压
×
经验系数(0.25)＝拉力。
[0054]
可得出两推进器作用下最大推进力
[0055]
f＝d
×
p
×d×s×1×
105×
0.25
×
2＝6.1kgf
[0056]
最大加速度为
[0057]
a＝f/m＝0.6m/s2[0058]
矢量推力技术应该通过改变螺旋桨装置的方向来获得额外的控制力矩。作用在无人机上的推力与被称为矢量的方向有很大关系。但是，一般无人机沿叶轴的推力是向前的，方向不能改变。在无推力矢量技术的推力喷嘴中，动力连接到叶片轴线上，推力也沿轴向向前移动。在这种情况下，只使用水流推力，克服潜水机器人的阻力，为无人机的加速度提供动力。水下矢量控制技术使得无人机水下螺旋桨需求数降低，对螺旋桨的布局要求降低，减轻整体重量，增加可操控性。
[0059]
水中八旋翼结构设计将为推进器提供稳定功能。当无人机需要进行水下矢量移动时，双功能舱室中的罗盘会进行姿态监测，如果当前无人机姿态发生偏移，如图1所示当机身为左转向而产生前倾斜时，上方旋翼可进行低速旋转产生后倾力，使得机身保持稳定。
[0060]
浮材设置在双功能舱室外侧，为符合流体特性，可设置成流线型浮材，实现无人机水中0浮力特性，使得无人机在水中所需推进力大大减小。
[0061]
底部四轮式设计，高稳定性，电机选择无刷电机，控制无人机陆上双自由度移动。
[0062]
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种海陆空三栖无人机，包括：旋翼组件、电路控制组件、着陆支撑组件，其特征在于，还包括：水下悬停组件、水下运动组件、陆上运动组件；所述旋翼组件位于所述水下悬停组件的上端，所述水下悬停组件下端连接有着陆支撑组件，所述水下悬停组件的内部为密封结构，且设置有所述电路控制组件，所述水下悬停组件外部连接有所述水下运动组件，所述着陆支撑组件的底部连接有陆上运动组件。2.如权利要求1所述的一种海陆空三栖无人机，其特征在于，所述水下悬停组件包括：浮材(13)、双功能舱室(9)；所述浮材(13)连接在双功能舱室(9)的外壁，所述双功能舱室(9)内部为密封结构，用于控制无人机姿态和运动的所述电路控制组件安装在所述双功能舱室(9)内部，所述双功能舱室(9)上部设有穿线螺栓(10)，所述电路控制组件中的线缆通过穿线螺栓(10)与双功能舱室(9)外部的元件相连，所述穿线螺栓(10)的螺栓孔内填充有灌封料。3.如权利要求2所述的一种海陆空三栖无人机，其特征在于，所述水下运动组件包括：舵机(2)、螺旋桨(3)；所述舵机(2)设置在双功能舱室(9)外部，所述舵机(2)上连接有螺旋桨(3)，所述螺旋桨(3)包括前螺旋桨和后螺旋，所述前螺旋桨的曲率比后螺旋桨的曲率小。4.如权利要求3所述的一种海陆空三栖无人机，其特征在于，所述陆上运动组件包括：车轮(6)、车轮支架(7)；所述车轮支架(7)设置在着陆支撑组件下端，车轮支架(7)上安装有车轮(6)，所述车轮电机(5)设置于车轮支架(7)上。5.如权利要求4所述的一种海陆空三栖无人机，其特征在于，所述水下悬停组件还包括：水下灯(4)，所述水下灯(4)位于双功能舱室(9)的外壁。6.如权利要求5所述的一种海陆空三栖无人机，其特征在于，所述旋翼组件包括：旋翼支架(1)、旋翼(11)、旋翼无刷电机(12)；每个所述旋翼支架的外端，设置一个旋翼(11)和一个旋翼无刷电机(12)，所述旋翼支架的内端连接在所述双功能舱室(9)上；设置有8个旋翼支架(1)，8个所述旋翼支架(1)以辐条状排列。7.如权利要求6所述的一种海陆空三栖无人机，其特征在于，所述着陆支撑组件为降落架(8)，所述降落架(8)下端连接车轮支架(7)的上端，所述降落架(8)上端连接在双功能舱室(9)的下端。8.一种根据权利要求6或7所述海陆空三栖无人机的水下推进方法，其特征在于，所述水下推进方法为矢量推进，8个所述旋翼支架上的旋翼将为推进器提供稳定功能。

技术总结

为实现无人机海陆空跨介质移动和远距离作业，本发明提供了一种海陆空三栖无人机，包括：旋翼组件、电路控制组件、着陆支撑组件，还包括：水下悬停组件、水下运动组件、陆上运动组件；所述旋翼组件位于海陆空三栖无人机的上端，通过位于海陆空三栖无人机中部的水下悬停组件，连接位于下端的陆支撑组件，所述水下悬停组件内部隔水，且设置有所述电路控制组件，所述水下悬停组件外部连接有所述水下运动组件，所述陆支撑组件的底部连接有陆上运动组件。本发明的技术方案使本产品能实现海陆空三栖。栖。栖。