[發明專利]自適應變姿態空中水面潛水無人機及其控制方法

在審

• 申請號: 202011058172.6
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112061395A
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 謝嘉;吳至松;李永國;張增敏;袁德勝;田韙銘;王天凡
• 申請（專利權）人: 上海海洋大學
• 主分類號: B64C39/02
• 分類號: B64C39/02;B64C35/00;B63G8/00
• 代理公司: 上海伯瑞杰知識產權代理有限公司 31227
• 代理人: 李慶

1.一種自適應變姿態空中水面潛水無人機，其特征在于，包括一機體、一水泵、四機臂、四浮力裝置、四直流無刷電機和四雙用螺旋槳；所述浮力裝置均勻分布在所述機體外周并分別通過所述機臂連接所述機體；所述直流無刷電機固定于所述浮力裝置內，所述直流無刷電機的輸出軸自所述浮力裝置的頂端伸出所述浮力裝置外；所述雙用螺旋槳與所述直流無刷電機的輸出軸傳動連接；所述浮力裝置中空，每一所述浮力裝置內固定有相連的一第一控制器和一第一電池；所述第一控制器和所述第一電池連接對應的所述直流無刷電機；所述機體內部形成一水腔，所述機體表面形成一進水口和一排水口，所述進水口和所述排水口通過管路與所述水腔連通，所述水泵安裝于所述管路上；所述機體內固定有所述水泵和相連的一第二控制器和一第二電池，所述第二控制器控制所述水泵且包括一通信裝置并與各所述第一控制器通信連接。

2.根據權利要求1所述的自適應變姿態空中水面潛水無人機，其特征在于，所述浮力裝置中部的直徑大于兩端的直徑，呈魚雷狀。

3.根據權利要求1所述的自適應變姿態空中水面潛水無人機，其特征在于，所述機體呈流線型，且所述機體的上部呈半橢球形，所述機體的中部呈圓弧形，所述機體的底部呈子彈頭形。

4.根據權利要求1所述的自適應變姿態空中水面潛水無人機，其特征在于，所述機臂呈中空結構，所述機臂的第一端開口并連通所述水腔，所述機臂的第二端封閉并連接所述浮力裝置的外壁。

5.根據權利要求1～4任一項所述的自適應變姿態空中水面潛水無人機，其特征在于，還包括一遠程控制端，所述遠程控制端通過所述通信裝置與所述第二控制器通信連接，所述第二控制器與四個所述第一控制器通信連接。

6.根據權利要求1～4任一項所述的自適應變姿態空中水面潛水無人機的控制方法，包括步驟：

S1：通過所述第二控制器預設多種工作模式，所述工作模式包括空中飛行模式、水面航行模式和水下潛行模式；

S2：根據實際需求選擇所需的所述工作模式作為目標工作模式；

S3：根據當前所述工作模式和所述目標工作模式確定工作模式轉換方案；

S4：所述第二控制器根據所述工作模式轉換方案將所述自適應變姿態空中水面潛水無人機的當前所述工作模式切換至所述目標工作模式。

7.根據權利要6所述的控制方法，其特征在于，所述工作模式轉換方案包括：由所述空中飛行模式切換為所述水面航行模式、由所述水面航行模式切換為所述水下潛行模式、由所述水下潛行模式切換為所述水面航行模式、由所述水面航行模式切換為所述空中飛行模式、由所述空中飛行模式切換為所述水下潛行模式和由所述水下潛行模式切換為所述空中飛行模式。

8.根據權利要6所述的控制方法，其特征在于，兩個處于對角線的所述雙用螺旋槳順時針旋轉，另兩個處于對角線的所述雙用螺旋槳逆時針旋轉；

當所述目標工作模式為所述水面航行模式且當前所述工作模式為所述空中飛行模式時，所述工作模式轉換方案為由所述空中飛行模式轉換為所述水面航行模式；所述S4步驟中，所述遠程控制端通過所述通信裝置向所述第二控制器發送控制指令，所述第二控制器向所述第一控制器發送控制指令，使得減小以至于停轉兩相鄰所述雙用螺旋槳的旋轉速度，該所述雙用螺旋槳處于上方的拉動力減小，使所述自適應變姿態空中水面潛水無人機姿態向速度減小的兩相鄰所述雙用螺旋槳一側發生傾斜，以此姿態進入水面，在重力、水的浮力以及所述雙用螺旋槳拉動力的共同作用下，所述自適應變姿態空中水面潛水無人機完成90°傾斜，再通過控制所述水泵調節所述水腔的載水量配合所述浮力裝置，使得所述自適應變姿態空中水面潛水無人機漂浮于水面，從而進入所述水面航行模式，此時四個所述雙用螺旋槳處于前方可都旋轉，帶動無人機向前航行，水下兩個所述雙用螺旋槳和水上兩個所述雙用螺旋槳的轉速不同；

或所述第二控制器向所述第一控制器發送控制指令，同時降低四個所述雙用螺旋槳的轉速，四個所述雙用螺旋槳處于上方的拉動力逐漸減小，使得所述自適應變姿態空中水面潛水無人機垂直下降，四個所述浮力裝置下部分進入水中，懸浮于水面上，然后減小以至于停轉兩相鄰所述雙用螺旋槳的旋轉速度，該所述雙用螺旋槳處于上方的拉動力減小，使所述自適應變姿態空中水面潛水無人機姿態向速度減小的兩相鄰所述雙用螺旋槳一側發生傾斜，以此姿態所述自適應變姿態空中水面潛水無人機上部部分進入水中，通過控制所述水泵調節所述水腔的載水量配合所述浮力裝置，使得所述自適應變姿態空中水面潛水無人機漂浮于水面，在重力、水的浮力以及所述雙用螺旋槳拉動力的共同作用下，無人機完成90°的傾斜，從而進入所述水面航行模式；此時四個所述雙用螺旋槳處于前方可都旋轉，帶動無人機向前航行，水下兩個所述雙用螺旋槳和水上兩個所述雙用螺旋槳的轉速不同；

當所述目標工作模式為所述水下潛行模式且當前所述工作模式為所述水面航行模式時，所述工作模式轉換方案為由所述水面航行模式切換為所述水下潛行模式；所述S4步驟中，所述遠程控制端通過所述通信裝置向所述第二控制器發送控制指令，所述第二控制器控制所述水泵吸水，在重力作用下使所述自適應變姿態空中水面潛水無人機潛入水中，所述第二控制器向所述第一控制器發送控制指令，此時四個所述雙用螺旋槳處于前方，調整四個所述雙用螺旋槳的轉速，通過所述雙用螺旋槳的旋轉從而帶動無人機向前潛行，所述水下潛行模式時，通過減小兩相鄰所述雙用螺旋槳的旋轉速度，可以使無人機轉向、下潛和上潛，無人機的拐向為朝向減小旋轉速度的兩相鄰所述雙用螺旋槳的一側；

當所述目標工作模式為所述水面航行模式且當前所述工作模式為所述水下潛行模式時，所述工作模式轉換方案為由所述水下潛行模式切換為所述水面航行模式；所述S4步驟中，所述遠程控制端通過所述通信裝置向所述第二控制器發送控制指令，所述第二控制器控制所述水泵排水直至所述自適應變姿態空中水面潛水無人機上浮出水面，四個所述雙用螺旋槳處于前方拉動；

當所述目標工作模式為所述空中飛行模式且當前所述工作模式為所述水面航行模式時，所述工作模式轉換方案為由所述水面航行模式切換為所述空中飛行模式；所述S4步驟中，所述遠程控制端通過所述通信裝置向所述第二控制器發送控制指令，所述第二控制器控制所述水泵排水并向所述第一控制器發送控制指令，使得水下的兩個所述雙用螺旋槳轉速增加，水上的兩個所述雙用螺旋槳轉速減小以至于停轉，無人機由傾斜90°變為向速度減小的水上兩個所述雙用螺旋槳一側方向垂直，此時四個所述雙用螺旋槳處于上方，然后控制四個所述雙用螺旋槳使轉速增加，拉著所述自適應變姿態空中水面潛水無人機克服重力垂直上升進入空中；

當所述目標工作模式為所述水下潛行模式且當前所述工作模式為所述空中飛行模式時，所述工作模式轉換方案為由所述空中飛行模式轉換為所述水下潛行模式；所述S4步驟中，所述遠程控制端通過所述通信裝置向所述第二控制器發送控制指令，所述第二控制器向所述第一控制器發送控制指令，使得四個所述雙用螺旋槳的旋轉速度逐漸減小，四個所述雙用螺旋槳處于上方的拉動力逐漸減小，使所述自適應變姿態空中水面潛水無人機由重力和四個所述雙用螺旋槳處于無人機上方拉動力的共同作用下穩定的垂直進入水中，再通過控制所述水泵增加所述水腔的載水量配合所述浮力裝置，使得所述自適應變姿態空中水面潛水無人機潛入水面下；所述遠程控制端通過所述通信裝置向所述第二控制器發送控制指令，所述第二控制器向所述第一控制器發送控制指令，使得減小以至于停轉兩相鄰所述雙用螺旋槳的旋轉速度，該所述雙用螺旋槳處于上方的拉動力減小，使所述自適應變姿態空中水面潛水無人機姿態在水面下發生向速度減小的兩相鄰所述雙用螺旋槳一側傾斜，在重力、水的浮力以及所述雙用螺旋槳處于上方拉動力減小的共同作用下，所述自適應變姿態空中水面潛水無人機在水面下完成90°傾斜，從而進入所述水下潛行模式，此時四個所述雙用螺旋槳處于前方，兩個處于對角線的所述雙用螺旋槳順時針旋轉，另兩個處于對角線的所述雙用螺旋槳逆時針旋轉，四個所述雙用螺旋槳旋轉帶動無人機向前潛行；

當所述目標工作模式為所述空中飛行模式且當前所述工作模式為所述水下潛行模式時，所述工作模式轉換方案為由所述水下潛行模式轉換為所述空中飛行模式；所述S4步驟中，所述遠程控制端通過所述通信裝置向所述第二控制器發送控制指令，所述第二控制器向所述第一控制器發送控制指令，使得減小以至于停轉上側的兩相鄰所述雙用螺旋槳的旋轉速度，該所述雙用螺旋槳處于前方的拉動力減小，使所述自適應變姿態空中水面潛水無人機姿態在水面下向速度減小的兩相鄰所述雙用螺旋槳一側傾斜而逐漸恢復垂直，在重力、水的浮力以及四個所述雙用螺旋槳拉動力的共同作用下，所述自適應變姿態空中水面潛水無人機在水面下完成恢復垂直姿態；此時所述遠程控制端通過所述通信裝置向所述第二控制器發送控制指令，所述第二控制器向所述第一控制器發送控制指令，使得兩個處于對角線的所述雙用螺旋槳順時針旋轉，另兩個處于對角線的所述雙用螺旋槳逆時針旋轉，并使得四個所述雙用螺旋槳的旋轉速度增加，四個所述雙用螺旋槳處于無人機上方的拉動力增加；此時所述遠程控制端通過所述通信裝置向所述第二控制器發送控制指令，通過控制所述水泵排出所述水腔載水，使所述自適應變姿態空中水面潛水無人機由重力、水的浮力以及四個所述雙用螺旋槳處于無人機上方拉動力的共同作用下穩定的垂直穿出水面并最終離開水面，四個所述雙用螺旋槳處于上方帶動無人機向上航行，飛入空中，進入所述空中飛行模式。