两栖航行器构型及航行器控制方法技术

本发明专利技术公开了一种两栖航行器构型及航行器控制方法，该航行器构型上采用双旋翼设计，两幅旋翼分别由两根旋转轴驱动，并都由两片桨叶组成，每片桨叶使用独立桨叶控制技术进行变距运动控制。在入水作业时，先保持一定的高度悬停，然后空中停机同时作动器带动桨叶实现90

【技术实现步骤摘要】
两栖航行器构型及航行器控制方法


[0001]本专利技术涉及水下滑翔机技术、水空两栖无人机
，具体是一种两栖航行器构型及航行器控制方法的设计。

技术介绍

[0002]水下滑翔机作为无人水下航行器装备体系中的重要成员，融合了浮标技术、潜标技术及水下机器人技术，利用鱼鳔的工作原理，是一种依靠调节浮力实现升沉、借助水动力实现水中滑翔的新型水下机器人，具有尺寸小、功耗低、航速慢、航程远、续航时间长、自主性高、制造和维护成本低等特点，能够满足长时续、大范围、三维连续海洋探测的需求。相较于其他水下航行器，水下滑翔机最大的优点是续航持久，待机时间长，且水下滑翔机为无人运动平台，因此可深入到人类无法到达的恶劣环境中长时间执行任务，如可在南北极冰盖下方运动数月，也可在几千米的深海或者几十米的浅海区域执行任务，并不需要充足氧气或食物的支持。同时水下滑翔机本身并无螺旋桨等主动推进装置，其在滑翔时由于无动力推进噪音极低，这个重要的特点使得其在军事上也有很大的应用价值。
[0003]但是水下滑翔机水下机动性能弱，如与潜艇相比，水下滑翔机在水下的航行速度慢，影响了其机动能力，且水下滑翔机要产生前进的推力，其深度必须持续变化，难以在水中同一水平深度保持航行。它只能在水下这一单一场景使用，而且想要在一个任务点切换到另一个任务点，会耗费巨大的时间，影响了工作效率。同时它需要人为的抛掷和收回，抛掷和回收过程很麻烦，并且想要复杂海域精准的定位航行器回收位置也是一项复杂、困难的技术。而水空两栖无人机的技术却能解决这一问题，它可以满足空中与水下正常工作，同时也可以在空中飞行与水下航行两种模式之间稳定切换，但目前两栖无人机的出入水及高效工作的方案都不完善。目前已有的两栖无人机，缺少对入水和出水方案设计的有效研究，缺乏能够兼顾空中飞行性能和水下航行性能的方案，由于两种工作介质的物理差异，在两种介质中工作的动力装置差异巨大，空气桨叶一般细长实度较低而水中桨叶较宽，如果同时携带两种动力装置，需要配备两套动力设备，无形中增加了无人机的负载，且总有一套装置处于闲置状态工作效率极低，水下桨叶不可实现飞行，所以如果单用空中桨叶实现两栖，空气桨叶在水中工作受到的阻力较大，很容易损坏电机等设备，并且空气桨叶在水下产生的动力有限，推进效率低，姿态调整相对困难。

技术实现思路

[0004]针对现有水下滑翔机技术以及水空两栖无人机技术的不足，本专利技术的目的是提供一种两栖航行器构型及航行器控制方法，既解决了水下滑翔机水下机动性能弱、跨海域或者远任务点切换耗时耗力、抛掷与回收困难的缺点,又解决了水空两栖无人机跨介质切换缺少有效方案的问题，设计出了一个新的两栖航行器构型，及高效可靠的两栖航行器出入水方案。
[0005]本申请通过以下技术方案实现上述效果：
一种两栖航行器构型，所述构型包含两栖航行器本体，所述两栖航行器本体为对称结构，包含机身、与所述机身共轴线但由不同轴驱动的双旋翼、机身的首部设有传感器舱段、机身尾部设有姿态调节舱段、机身尾部还设有天线组件；所述传感器舱段内设有导航、深度传感器，用于进行搜救、情报、监视和侦察任务；在所述姿态调节舱段里安装有浮力变化发动机、陀螺仪用于姿态调节的装置；所述天线组件向外发出其搭载传感器搜集到的数据，实现与空中及水面等平台的双向通信。
[0006]进一步的，所述机身外形结构呈圆柱形，外表光滑、圆滑，所述双旋翼的轴线与机身轴线相垂直。
[0007]进一步的，所述双旋翼包括沿机身轴向并列分布的两根旋转轴，所述旋转轴垂直于所述机身，在所述旋转轴上分别连接转向相反的两副旋翼，所述双旋翼由独立桨叶控制装置驱动；所述两副旋翼为两对四片关于机身对称的桨叶，所述桨叶由独立桨叶控制装置实现90
°
变距运动。
[0008]进一步的，所述独立桨叶控制装置包含固定座、旋转轴、作动器、作动器拉杆、距离感知器、变距杆、变距角度放大器、桨盘、桨叶；所述作动器安装在作动器拉杆上，用来控制变距拉杆运动，发生变距运动；所述旋转轴安装在固定座上，在发动机驱动下做旋转运动；所述作动器拉杆下端与固定座以球铰接的形式连接，上端与变距杆铰接，并可在作动器控制下运动，并带动变距拉杆发生运动；所述距离感知器安装在作动器拉杆上，安装在作动器与变距杆之间，其为一个距离传感器，通过感知作动器移动的距离，来解算出因作动器移动而使桨叶发生变距运动进而产生的变距角；所述变距杆，一端与作动器拉杆上端连接，另一端与桨根连接，在作动器拉杆作用下发生运动，并带动桨根发生绕桨根轴的变距运动，即将作动器拉杆传来的直线运动，转化为桨根绕桨根轴的旋转运动；所述变距角度放大器，安装在变距杆上，用于带动桨根轴旋转，将转化来的旋转运动的角度放大；所述桨盘两端与桨叶的桨根连接，底部与旋转轴固连，在旋转轴带动下，带动桨叶发生旋转运动；所述桨叶的桨根与桨盘相连，在桨盘带动下发生旋转运动，又受到变距杆的操纵，在变距杆驱动下发生变距运动，改变桨叶的攻角。
[0009]进一步的，所述双旋翼在独立桨叶控制装置单独控制下，发生变距运动，并单独的改变某一副的一片或者两片桨叶的攻角，获得滚转力矩，来实现航行器的滚转和偏航运动。
[0010]进一步的，所述浮力变化发动机通过做功改变航行器自身的浮力来实现上潜和下浮运动。
[0011]基于上述两栖航行器构型，本申请还提供其控制方法，所述控制方法用于实现航行器在空中和水中运动的切换：所述航行器入水作业时，首先运动到指定任务点，先飞行并选悬停到距离水面的指定高度，然后空中停机即发动机停止运动，使得旋转轴停止旋转，导致旋翼停止旋转，航
行器失去升力；然后控制固定座和桨根之间的作动器基于高阶谐波控制技术独立的对各片桨叶施加控制，带动桨叶发生变距运动，经过变距角度放大器放大变距运动，调整旋翼攻角为90
°
，然后航行器在重力作用下，实现入水；所述航行器在出水作业时，首先在水下设定的深度通过独立桨叶控制技术控制靠近机头的桨叶发生变距运动，增大攻角从而增大浮力，产生一个抬头力矩，然后靠近机尾的桨叶在旋转轴的带动下发生旋转运动，产生前进的推力；配合陀螺仪进行垂直姿态感知，使得在出水前航行器姿态垂直向上；在临近水面时，控制固定座和桨根之间的作动器基于高阶谐波控制技术独立的对各片桨叶施加控制，带动桨叶发生变距运动，然后经过变距角度放大器放大变距运动调整旋翼攻角为0
°
，即恢复入水前的运动状态；再在下旋翼的推进作用下，航行器的上部分连同上旋翼被推出水面，当上旋翼离开水面之后，上旋翼在高速的旋转，产生升力，将航行器的下部分连同下旋翼一起拉出水面，直到下旋翼被拉出水面后，增大下旋翼转速直到与上旋翼转速一致，实现双旋翼飞机功能，在空中完成运动。
[0012]进一步的，所述控制方法还包含实现航行器在空中的运动：所述航行器在空中的运动状态包含飞行模式、垂直运动模式、俯仰运动模式：在飞行模式中，反向旋转的上、下两副旋翼产生向上的升力，通过调节旋翼的转速和迎角可以实现航行器的6个方向的运动，分别为:垂直、俯仰和滚转运动；所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种两栖航行器构型，其特征在于：所述构型包含两栖航行器本体，所述两栖航行器本体为对称结构，包含机身、与所述机身共轴线但由不同轴驱动的双旋翼、机身的首部设有传感器舱段、机身尾部设有姿态调节舱段、机身尾部还设有天线组件；所述传感器舱段内设有导航、深度传感器，用于进行搜救、情报、监视和侦察任务；在所述姿态调节舱段里安装有浮力变化发动机、陀螺仪用于姿态调节的装置；所述天线组件向外发出其搭载传感器搜集到的数据，实现与空中及水面等平台的双向通信。2.根据权利要求1所述的一种两栖航行器构型，其特征在于：所述机身外形结构呈圆柱形，外表光滑、圆滑，所述双旋翼的轴线与机身轴线相垂直。3.根据权利要求2所述的一种两栖航行器构型，其特征在于：所述双旋翼包括沿机身轴向并列分布的两根旋转轴，所述旋转轴垂直于所述机身，在所述旋转轴上分别连接转向相反的两副旋翼，所述双旋翼由独立桨叶控制装置驱动；所述两副旋翼为两对四片关于机身对称的桨叶，所述桨叶由独立桨叶控制装置实现90
°
变距运动。4.根据权利要求3所述的一种两栖航行器构型，其特征在于：所述独立桨叶控制装置包含固定座、旋转轴、作动器、作动器拉杆、距离感知器、变距杆、变距角度放大器、桨盘、桨叶；所述作动器安装在作动器拉杆上，用来控制变距拉杆运动，发生变距运动；所述旋转轴安装在固定座上，在发动机驱动下做旋转运动；所述作动器拉杆下端与固定座以球铰接的形式连接，上端与变距杆铰接，并可在作动器控制下运动，并带动变距拉杆发生运动；所述距离感知器安装在作动器拉杆上，安装在作动器与变距杆之间，其为一个距离传感器，通过感知作动器移动的距离，来解算出因作动器移动而使桨叶发生变距运动进而产生的变距角；所述变距杆，一端与作动器拉杆上端连接，另一端与桨根连接，在作动器拉杆作用下发生运动，并带动桨根发生绕桨根轴的变距运动，即将作动器拉杆传来的直线运动，转化为桨根绕桨根轴的旋转运动；所述变距角度放大器，安装在变距杆上，用于带动桨根轴旋转，将转化来的旋转运动的角度放大；所述桨盘两端与桨叶的桨根连接，底部与旋转轴固连，在旋转轴带动下，带动桨叶发生旋转运动；所述桨叶的桨根与桨盘相连，在桨盘带动下发生旋转运动，又受到变距杆的操纵，在变距杆驱动下发生变距运动，改变桨叶的攻角。5.根据权利要求3所述的一种两栖航行器构型，其特征在于：所述双旋翼在独立桨叶控制装置单独控制下，发生变距运动，并单独的改变某一副的一片或者两片桨叶的攻角，获得滚转力矩，来实现航行器的滚转和偏航运动。6.根据权利要求1所述的一种两栖航行器构型，其特征在于：所述浮力变化发动机通过做功改变航行器自身的浮力来实现上潜和下浮运动。7.一种两栖航行器的控制方法，其特征在于：所述控制方法用于实现航行器在空中和水中运动的切换：
所述航行器入水作业时，首先运动到指定任务点，先飞行并选悬停到距离水面的指定高度，然后空中停机即发动机停止运动，使得旋转轴停止旋转，导致旋翼停止旋转，航行器失去升力；然后控制固定座和桨根之间的作动器基于高阶谐波控制技术独立的对各片桨叶施加控制，带动桨叶发生变距运动，经过变距角度放大器放大变距运动，调整旋翼攻角为90
°
，然后航行器在重力作用下，实现入水；所述航行器在出水作业时，首先在水下设定的深度通过独立桨叶控制技术控制靠近机头的桨叶发生变距运动，增大攻角从而增大浮力，产生一个抬头力矩，然后靠近机尾的桨叶在旋转轴的带动下发生旋转运动，产生前进的推力；配合陀螺仪进行垂直姿态感知，使得...

【专利技术属性】
技术研发人员：鞠世琦，徐仁，詹祺，王潇，李博，郎凯，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：