CN108973559A - 一种水空两栖五体无人艇 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水空两栖五体无人艇，所述的五体无人艇主要包括主船体、侧体、水上推进***、空中推进***等部件。所述主船体用于动力装置、连接装置等部件的搭载平台；所述侧体用于提升船舶航行性能，为前后对称四侧体结构，四侧体处于同一水平面且前侧体小于后侧体；所述水上推进***用于两栖无人艇水面航行时推进和控制，主要包括主机、螺旋桨及舵***；所述空中推进***用于避免恶劣海况无人艇在空中航行时推进和控制，主要包括四个空气螺旋桨、四个无刷电机等部件。本发明所涉及的一种水空两栖五体无人艇靠垂直起降实现两栖，能有效地克服现有无人艇在海浪航行中耐波性能差的缺点，能适应于高海况作业，可用于水质监测、军事侦查等作用。

Description

一种水空两栖五体无人艇

技术领域

本发明专利涉及高性能船，特指一种用于水面及低空监测的水空两栖五体无人艇。

背景技术

典型的水面无人艇没有艇员，基本上都是采用模块化设计,根据任务要求配备不同的装备,通过遥控、制定程序和无人智能等方式完成指定的任务。常规的水面无人艇基本都采用滑行艇，滑行艇的排水量及其尺度都很小，其高速航行时运动稳定可控性差、风浪中快速性也差，其艇体处于波浪之中,不可避免的受到波浪的影响，很难在较高海况条件下正常工作。

水空两栖艇只有地效翼船和气垫船两种类型，气垫船具有一定的两栖性和耐波性能，虽然在高速低速下都可以脱离水面,但是其距离水面非常近，基本限制在其围裙高度范围内，在较大的波浪情况下气垫会漏气而失效，且气垫船由于其船底要用来封闭气垫，不方便安装监测装备。在高海况下无法正常作业，无法做到全天候和常态化的海域巡逻,特别是应对突发事故,无法及时有效的到达任务地点。地效翼船属于高速大型船只，靠的是高速航行的地效应产生升力,缺点是在低速时候无法脱离水面,而高航速下其航行稳定性差，对于水域要求高,必须有大面积的滑行区域,而且高海况无法起飞。

发明内容

本发明专利所要解决的技术问题是提供一种克服目前水面无人艇高速航行时运动稳定可控性差的缺点和海浪中工作效率低的弱点，提供一种高效、自主、全天候、任务响应及时，可用于水质监测、军事侦查等作用的水空两栖五体无人艇。

本发明通过以下技术方案予以实现：包括一个中间艇体和前后对称四个侧体，每个侧体和中间艇体之间都通过水平的部分镂空连接桥连接，所有连接桥通过碳纤维管进行连接，***两侧碳纤维管上布置左右前后均对称四个无刷电机，四个无刷电机分别连接四个不同的空气螺旋桨，四个空气螺旋桨相对于中间艇体两两左右对称，通过改变四个螺旋桨的转速使不同螺旋桨产生的升力形成不同的力和力矩的组合来控制飞行器姿态和运动，中间艇体的船首顶面上布置一根长天线和一根短天线,中间艇体靠近艉部顶面上布置一个GPS导航定位装置，中间艇体舵部正中间布置一套垂直舵，舰体顶部布置太阳能板，两个前侧体及两个后侧体分别为完全相同的两种流线型片体，前侧体与后侧体置于同一水平位置，并且前侧体尺寸小于后侧体。

本发明采用五体结构，靠垂直起降实现两栖，能有效地克服现有无人艇在海浪航行中操纵性及耐波性能差的缺点，采用空中推进***和水面推进***两种推进***为装置提供动力，所述水上推进***用于两栖无人艇水面航行时推进和控制，主要包括主机、螺旋桨推进器及舵***；所述舵***用于调整无人艇水面航行方向，包括舵机、舵杆、舵叶；所述空中推进***用于无人艇水面航行时抬升船体减少航行阻力和避免恶劣海况无人艇在空中航行时推进和控制，主要包括四个空气螺旋桨、四个无刷电机等部件，通过改变四个螺旋桨的转速使不同螺旋桨产生的升力形成不同的力和力矩的组合来控制飞行器姿态和运动。在高海况或者一些特殊情况如船体破损可以采用空气螺旋桨推进，可完全脱离水面，能有效防止高海况下螺旋桨出水从而导致的飞车等现象，还能有效地控制无人艇航速及姿态。并且当无人艇能源不足时，可以漂浮在水面通过太阳能板进行补充动力能源。

本发明基于艇体水动力学、空气动力学、***工程学多学科综合优化设计，能有效地克服目前水面无人艇海浪航行操纵性和耐波性能差及姿态难以控制的缺点和海浪中工作效率低的弱点，其综合性能优于目前水面无人艇, 在高海况情况下，本发明具有优良耐波性，可完全脱离水面，使其不受恶劣的海洋环境的影响，适用于在高海况条件作业，可用于水质监测、军事侦查等作用。

附图说明

图1是本发明上下二等角轴测图

图2是本发明俯视图

图3是本发明主视图

图4是本发明左视图

图5是本发明舵***图

图6是本发明连接桥图

1.中部艇体；2.前侧体；3.后侧体；4.空气螺旋桨；5.舵***；6.螺旋桨；7.碳纤维管；8.连接桥；9.长天线；10.短天线；11.角件；12.主机；13.舵机；14.舵杆；15.舵叶。

具体实施方式

如图1-4所示,本发明包括一个中间艇体1和前后对称四个侧体2、3,每个侧体2、3和中间艇体1之间都通过水平的连接桥8连接。为保证连接桥8的良好空气动力性能，连接桥8为规则体，并且部分镂空。所有连接桥8通过碳纤维管7进行连接，两侧***碳纤维管7上布置左右前后均对称四个无刷电机，四个无刷电机分别连接四个不同的空气螺旋桨4，逆时针依次为一号螺旋桨，二号螺旋桨，三号螺旋桨，四号螺旋桨，四个空气螺旋桨4相对于中间艇体1两两左右对称。前两个空气螺旋桨4和后两个空气螺旋桨4分别完全满足几何上的左右对称，并且选定的主机型号、功率和转速也分别相同，四个空气螺旋桨4的直径、叶数、桨型和转速等依据飞行时的巡航与最大速度间的某个中间速度所需升力而设计确定，本发明通过改变四个空气螺旋桨4的转速使不同螺旋桨产生的升力形成不同的力和力矩的组合来控制飞行器姿态和运动。

在艇体的顶面上布置有太阳能板、中间艇体1的船首顶面上布置一根长天线9和一根短天线10，中间艇体1靠近艉部顶面上布置一个GPS导航定位装置，中间艇体1舵部正中间布置一套垂直舵5。

前侧体2的最大长度与最大横向尺度之比为18-22,长高比为4.5-8.5；后侧体3的最大长度与最大横向尺度之比为15-19，长高比为6-10。艇体水面航速越高、侧体2、3最大长度与最大横向尺度之比越大，长高比越小，艇体水面航速越低、侧体2、3最大长度与最大横向尺度之比越小，长高比越大。考虑到艇体的左右对称设计要求,前后四个侧体2、3分别采用两种完全相同的低阻力、高升阻比的细长流线型片体,左右对称布置于中间艇体1的两侧，前侧体2与后侧体3置于同一水平位置，并且前侧体2尺寸小于后侧体3，由此产生的质量偏移通过调整主艇1体内设备位置的布置来消除。

中间艇体1、侧体2、3均采用碳纤维复合材料，铝合金等轻质材料的骨架与外板制成的板架构成，由于两栖无人艇的空气螺旋桨4的布置要求侧体2、3与主体1的距离应大于空气螺旋桨4的桨叶半径以使得空气螺旋桨4的电机能够布置在连接桥8中间，减小空气螺旋桨4在摇荡过程中浸水的风险。艇体所有内部多余空间全部采用小重度浮力材料填充，大幅度地提高了破损时的抗沉性，为在破损条件下，维持工作能力提供了支撑。

如图2所示，空气螺旋桨4每个桨选用的桨叶数取决于升力要求与布置面积，此两栖无人艇由于采用多个螺旋桨设计，每个桨提供的升力小，转速相对较低，增加桨叶数量对单桨的效率影响不大。桨叶参照直升机旋翼的设计，选用等截面桨叶，截面形状则采用NACA4415翼型。

为保证艇体的基本飞行速度,通过闭环控制装置，该两栖无人艇对称装有四个空气螺旋桨4，由于空气螺旋桨4的转轴不可倾转，因而飞行控制***共有四个输入，分别为一个上升力和三个方向的转矩。该两栖无人艇采用了四个空气螺旋桨4的机械结构，四个电机作为飞行的直接动力源，通过改变四个空气螺旋桨4的转速使不同螺旋桨4产生的升力形成不同的力和力矩的组合来控制飞行器姿态和运动，四个空气螺旋桨4的相邻的两桨的旋向相反，自身既可以使扭矩互相抵消，不需借助尾桨来实现平衡反扭矩。左前桨和右后桨逆时针旋转，右前桨和左后桨顺时针旋转，这种反向对称结构代替了传统直升机尾旋翼。在飞行过程中，改变四个空气螺旋桨4的转速，可使无人艇产生各种飞行姿态，也可使无人艇飞行器向各个预定方向运动。这种设计理念大大地简化了两栖无人艇的飞行***的结构和动力学模型。

如图4所示，该前后四个侧体2、3的弦长从上至下逐渐减小、厚度比逐渐减小,在接近底部时弦长缓慢减小，一方面可以为艇体在水面航行提供浮性、稳性支撑，另一方面，也可以改善其水面航行的耐波性、快速性和适航性。

中间艇体1采用基于北救143三体救生船主船体船型线改良的船体，既具有良好的阻力性能,也有很好的工艺性。为了保证艇体的基本操纵性，中间艇体1前部上顶面布置一根长天线9、一根短天线10，中间艇体1舵部布置一套垂直舵5。为了使得该无人艇具有优良的工作条件，在中间艇体1中部偏后艇体顶面布置一个GPS定位平台，为了满足任务要求可以根据具体情况在艇上增加摄像头、机械臂等装置。

Claims (9)

1.一种水空两栖五体无人艇, 主要包括中间艇体（1）和前后侧体（2）、（3），以及空气螺旋桨（4），其特征在于：中部艇体（1）内部设有电池组、控制***、传动***等必要仪器设备，所述中间艇体（1）尾部布置有垂直舵（5），所述侧体（2）、（3）和中间艇体（1）之间通过水平的连接桥（8）连接，所述连接桥（8）通过碳纤维管（7）进行连接。

2.根据权利要求1所述的水空两栖五体无人艇，其特征在于：所述前后侧体（2）、（3）各有左右对称的布置两个，与所述中间艇体（1）构成了前后双置片体的五体船型。

3.根据权利要求1所述的水空两栖五体无人艇,其特征在于：所述连接桥（8）采用部分桁架结构。

4.根据权利要求1所述的水空两栖五体无人艇，其特征在于：所述中间艇体（1）的船首顶面上设置有用于信息传输的长天线（9）和短天线（10）。

5.根据权利要求1所述的水空两栖五体无人艇，其特征在于：所述碳纤维管（7）上布置有用电机带动的空气螺旋桨（4），所述空气螺旋桨（4）相对于中间艇体（1）前后左右对称。

6.根据权利要求1所述的水空两栖五体无人艇,其特征在于：所述前后侧体（2）（3）的水平剖面线周长从上至下逐渐减小,并且越接近底部时水平剖面线周长的减小速率越缓慢。

7.根据权利要求5所述的水空两栖五体无人艇,其特征在于：前置两个空气螺旋桨（4）和后置两个空气螺旋桨（4）可以通过改变其各自的转向及转速来控制飞行器姿态和运动。

8.根据权利要求6所述的水空两栖五体无人艇,其特征在于：前侧体（2）和后侧体（3）为形状完全相同的流线型片体，前侧体（2）与后侧体（3）均置于同一水平位置，并且前侧体（2）尺寸应小于后侧体（3）。

9.根据权利要求6所述的水空两栖五体无人艇,其特征在于：前侧体（2）的长宽比为18-22,长高比为4.5-8.5；后侧体（3）的长宽比为15-19，长高比为6-10。