本发明专利技术公开了一种基于矢量旋翼的水空两栖航行器及控制方法，新型农用投饵船包括1、桨叶2、倾转电机3、电机安装座4、轴承5、舵机6、分电板7、主控板8、斜角件9、电池及安装板10、充气浮筒14、倾转碳杆15、上层夹板16、下层夹板17、支撑杆18、碳管管夹19、正三通；本发明专利技术通过矢量旋翼实现航行器船型模式和飞行模式的自动切换，使得航行器能极大程度上实现自主化。使得航行器能极大程度上实现自主化。使得航行器能极大程度上实现自主化。
A water air amphibious vehicle based on vector rotor and its control method
【技术实现步骤摘要】
一种基于矢量旋翼的水空两栖航行器及控制方法
[0001]本专利技术涉及无人机
和水上航行器
，是一种基于矢量旋翼的水空两栖航行器。
技术介绍
[0002]近年来，随着跨域航行技术的不断发展，各类跨域航行器不断涌现，展现着这类航行器在各种环境、不同场景下都有不可小视的作用。然而，现阶段的此类跨域航行器在一些特殊场景下表现不尽如人意，存在着诸多的问题。
[0003]现阶段跨域航行器主要包括水陆两栖航行器、水空两栖航行器等，水空两栖航行器主要有固定翼式水陆两栖飞机、多旋翼式水空两栖无人机等，多旋翼式无人机采用多电机驱动，成本较低，但是其带载能力差、续航时间短；固定翼式飞机虽然飞行高度更高，滞空时间更长，但是其成本较高、控制困难，需要经过专门训练的飞手，同时还需要起飞和着陆的跑道，种种原因大大限制了固定翼式飞机的应用场景。
[0004]矢量旋翼式飞行器结合多旋翼飞行器和固定翼的诸多优点，具有垂直起降、空中悬停、高速巡检的能力，是近年来兴起的新机型，具有深远的研究意义和研究价值。矢量旋翼式飞行器成本低，飞行灵活，环境适应能力强，在电池续航和飞行速度上也有一定的保证。因此结合其矢量旋翼结构和水上航行器设计一种基于矢量旋翼的水空两栖航行器是很有研究意义的，该航行器能够很轻易的实现跨域航行，且能够应对多变且复杂的环境。
技术实现思路
[0005]本专利技术设计了一种可操作性较高、成本较低、自动化程度较高的水空两栖航行器。其与传统飞行器和传统空气动力船的区别在于，本专利技术动力系统采用矢量旋翼，双电机驱动，降低航行器成本以及整体质量；矢量旋翼结构有效结合了多旋翼可悬停和固定翼长续航的优点，可以显著提高航行器的工作效率；通过舵机旋转角度可以分别提供水面航行动力和空中飞行动力，方便航行器实现跨域航行，以应对不同的环境；通过舵机倾转控制航行器的航向，保证了航行器的灵活性和稳定性。
[0006]本专利技术水空两栖航行器的技术方案为：
[0007]一种基于矢量旋翼的水空两栖航行器，包括桨叶(1)、倾转电机(2)、电机安装座(3)、轴承(4)、舵机(5)、分电板(6)、主控板(7)、斜角件(8)、电池及安装板(9)、充气浮筒(10)、铝柱(11)、舵盘(12)、轴承座(13)、倾转碳杆(14)、上层夹板(15)、下层夹板(16)、支撑杆(17)、碳管管夹(18)、正三通(19)；航行器通过碳管管夹将上层夹板(14)和下层夹板(15)连接在一起，分电板(6)通过铝柱(11)和M3的螺丝固定在下层夹板(15)底面中心靠左的位置，主控板(7)同样通过铝柱(11)和M3的螺丝固定在下层底板(15)底面中心靠右的位置；轴承(4)卡在碳管管夹中，倾转碳杆(14)穿过轴承(4)与轴承座(13)连接，舵机(5)连接舵盘(12)，在轴承座(13)底部开4个M3的螺丝孔，用于与舵盘(12)连接，保证连接稳固；电机安装座(3)通过碳管管夹固定在倾转碳杆(14)末端，电机安装座开有条状通孔，其上安装电机
(2)，为桨叶(1)提供动力；航行器碳杆脚架通过橡胶D环固定在充气浮筒(10)上，两根支撑杆(17)通过正三通(19)连接于碳杆脚架，架出一个平面，方便安装电池，电池及安装板(9)通过碳管管夹(18)连接于支撑杆，碳杆脚架通过斜角件(8)、正三通(19)、碳杆与下层夹板(16)连接。
[0008]进一步，包括一种倾转结构，舵机(5)通过四根铝柱(11)固定于上层夹板(15)和下层夹板(16)之间，舵机(5)带动舵盘(12)旋转，传递到轴承座(13)和倾转碳杆(14)，最后实现电机(2)旋转，改变主升动力的矢量方向。
[0009]进一步，主控板(7)用于控制整个矢量旋翼航行器，包括船型模式和飞行模式的切换、位姿控制等；采用STM32F4系列芯片，主控板(7)集成多种传感器，包括IMU姿态估计模块BMI088、磁力计模块RM3100、蜂鸣器、CAN通信芯片、RGB指示灯、遥控器SBUS接收机，并预留部分接口例如串口、IIC、SPI等，方便搭载额外设备，例如激光测距传感器、毫米波雷达等。
[0010]进一步，能源系统采用48V电池(9)给整个航行器提供能源，通过电源稳压模块降压到5V给主控板供电，其中主控板(7)搭载ASM1117线性稳压芯片，把5V电降压到3.3V，以满足主控芯片和部分传感器的供电需求，此外，引出一路7.4V电单独给舵机供电。
[0011]进一步，充气浮筒(10)两端采用尖端破水结构，以减小水阻。
[0012]本专利技术的一种基于矢量旋翼的水空两栖航行器的控制方法，包括以下几个步骤：
[0013]步骤1，48V电池连接分电板，给电机和主控板上电，通过蜂鸣器的声音提示确定主控板初始化是否成功，所述主控板初始化包括主控板板载硬件初始化以及外设初始化；
[0014]步骤2，主控板输出PWM波，给电调一个最低油门和最高油门进行校准，随后退出电调校准任务；
[0015]步骤3，遥控器对应通道切换为飞行模式，舵机轴旋转，使电机与地面保持水平，以此位置为舵机初始化位置；
[0016]步骤4，拉高油门，航行器起飞，通过主控板上的IMU姿态估计模块对航行器姿态进行解算；
[0017]步骤5，微处理器对解算出的姿态数据以及遥控器传入的数据进行分析处理，生成期望，通过PID调节舵机倾角和电机转速，控制航行器完成前进、悬停等动作。
[0018]步骤6，航行器飞行到水域上，拉低遥控器油门，通过毫米波雷达数据进行高度控制，将航行器降低到水面上，随后电机停转，切换遥控器对应通道为船型模式，舵机轴旋转，使电机与水面保持垂直，以此位置为舵机初始化位置；
[0019]步骤7，拉高油门，航行器开始航行，通过IMU姿态估计模块的偏航信息和俯仰信息控制舵机倾角，保证航行器姿态的稳定。
[0020]步骤8，通过遥控器输入控制航行器动作，实现水上航行。
[0021]综上所述，本专利技术公开了一种基于矢量旋翼的水空两栖航行器。
[0022]对比传统无人机和水上航行器，本专利技术的特点在于：
[0023](1)本专利技术涉及一种基于矢量旋翼的水空两栖航行器，可通过遥控信号切换航行器形态，保证响应快速性和准确性。
[0024](2)本专利技术涉及一种基于矢量旋翼的水空两栖航行器，采用矢量旋翼作为动力来源，兼具多旋翼可悬停和固定翼长续航的优点，同时保证航行器运动速度。
[0025](3)本专利技术采用空气动力，舵机控制动力矢量方向，易于实现航行器偏航姿态和俯
仰姿态上的控制以及航行器的转向动作。此外，本专利技术由空气动力和水流同时提供水上航行动力，大大降低推进船体水上航行所需的动力，提高航行器的续航能力；采用空气动力也有效的避免了水下桨叶缠上水草的意外情况。
[0026](4)本专利技术采用带破水结构的充气浮筒，能提供较大浮力，减小水阻，加快航行器水面航行速度。
[0027](5)本专利技术结构多采用碳纤维等环保材料，重量轻，重复利用率高；动力系统仅采用两个倾转本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于矢量旋翼的水空两栖航行器，其特征在于，包括桨叶(1)、倾转电机(2)、电机安装座(3)、轴承(4)、舵机(5)、分电板(6)、主控板(7)、斜角件(8)、电池及安装板(9)、充气浮筒(10)、舵盘(12)、轴承座(13)、倾转碳杆(14)、上层夹板(15)、下层夹板(16)、支撑杆(17)、碳管管夹(18)、正三通(19)；航行器通过碳管管夹将上层夹板(15)和下层夹板(16)连接在一起，分电板(6)通过铝柱(11)和M3的螺丝固定在下层夹板(15)底面中心靠左的位置，主控板(7)同样通过铝柱(11)和M3的螺丝固定在下层底板(15)底面中心靠右的位置；轴承(4)卡在碳管管夹中，倾转碳杆(14)穿过轴承(4)与轴承座(13)连接，舵机(5)连接舵盘(12)，在轴承座(13)底部开4个M3的螺丝孔，用于与舵盘(12)连接，保证连接稳固；电机安装座(3)通过碳管管夹固定在倾转碳杆(14)末端，电机安装座开有条状通孔，其上安装电机(2)，为桨叶(1)提供动力；航行器碳杆脚架通过橡胶D环固定在充气浮筒(10)上，两根支撑杆(17)通过正三通(19)连接于碳杆脚架，架出一个平面，方便安装电池，电池及安装板(9)通过碳管管夹(18)连接于支撑杆(17)，碳杆脚架通过斜角件(8)、正三通(19)、碳杆与下层夹板(16)连接。2.根据权利要求1所述的一种基于矢量旋翼的水空两栖航行器，其特征在于，包括一种倾转结构，舵机(5)通过四根铝柱(11)固定于上层夹板(15)和下层夹板(16)之间，舵机(5)带动舵盘(12)旋转，传递到轴承座(13)和倾转碳杆(14)，最后实现倾转电机(2)旋转，改变主升动力的矢量方向。3.根据权利要求1所述的一种基于矢量旋翼的水空两栖航行器，其特征在于，主控板(7)用于控制整个矢量旋翼航行器，包括船型模式和飞行模式的切换、位姿控制；采用STM32F4系列芯片，主控板(7)集成多种传感器，包括IMU姿态估计模块B...
【专利技术属性】
技术研发人员：沈跃，刘铭晖，张凌飞，施志翔，储金城，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：
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