CN110515317B - 一种共轴式水空双动力无人机控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种共轴式水空双动力无人机控制***，其特征是，其特征是，至少包括：主控制器、从控制器、电调控制器和IMU，主控制器和从控制器之间通过接口电连接，主控制器通过从控制器获取深度传感器的深度信息；从控制器和主控制器分别有一个PWM控制端，从控制器和主控制器分别通过各自的一个PWM控制端与电调控制器电连接，从控制器和主控制器分别通过控制电调控制器电连接的水上电机和水下电机工作，实现在无人机机体在水中和空中工作切换；所述的主控制器与IMU通过SPI进行电连接，通过IMU获取自身加速度及角速度信息，解算出机体的姿态。本发明通过水空重叠区控制实现平稳的水空过渡，提高了无人机工作的灵活性和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种共轴式水空双动力无人机控制***。
背景技术
无人机的发展和应用已经引起了各国的高度重视，人们对无人机的环境适应性、工作领域提出了更高的要求。常见的无人机只能在空中作业，水空两栖无人机多元化的活动空间极大的丰富了无人机的应用可能性。水空双动力无人机区别于仅可以漂浮在水面的水上无人机和需要借助其他装置实现水中发射的潜射无人机，是一种真正可以实现水下潜航和空中飞行的无人***，其独立性和自主作业能力更为强大。
中国专利公开的《一种水空两栖无人机》发明专利，其申请号201710556614 .1，申请日期为2017年07月10日，具体描述了一种水空两栖无人机产品的驱动过程。可以看出单纯驱动水下螺旋桨难以实现下潜，其从水面到水下的控制较为困难。本文采用了不依靠浮力，完全自主的水下运动驱动方式，有效的克服了这些不足。
而中国专利公开的《一种采用旋翼倾转机构的自适应水空两栖无人机》，其申请号是：201910248361.0，申请日期为2019年03月29日的发明专利采用旋翼倾转机构的来提高无人机在水空不同介质中运动及介质切换时的稳定性，但是其没有考虑到水空介质下所适用的螺旋桨相差极大，其设计的无人机反而稳定性较差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种性能稳定、独立和自主作业能力强的基于共轴式水空双动力无人机的水空转换方法。以实现无人机平稳的水空过渡及灵活的水下、空中姿态控制和作业能力。
为实现以上目的，本发明的技术方案是：一种共轴式水空双动力无人机控制***，其特征是，至少包括：主控制器、从控制器、电调控制器和IMU，主控制器和从控制器之间通过接口电连接，主控制器通过从控制器获取深度传感器的深度信息；从控制器和主控制器分别有一个PWM控制端，从控制器和主控制器分别通过各自的一个PWM控制端与电调控制器电连接，从控制器和主控制器分别通过控制电调控制器电连接的水上电机和水下电机工作，实现在无人机机体在水中和空中工作切换；所述的主控制器与IMU通过SPI进行电连接，通过IMU获取自身加速度及角速度信息，解算出机体的姿态。
所述的主控制器与图像显示器通过串口或USB接口电连接，在图像显示器进行图像信息显示。
所述的主控制器与视频处理器通过spi接口电连接，通过视频处理器获取图像传感器的图像信息，视频处理器分别与图像传感器和图像显示器通过视频线电连接。
所述的主控制器和从控制器之间通过接口电连接是串口或usb接口。
所述的主控制器通过串口或usb接口电连接有无线模块，通过无线模块与调试设备进行通信，升级或调试无人机机体的主控制器运行软件和参数信息。
所述的主控制器通过串口或usb接口电连接有GPS\磁力传感器，通过GPS\磁力传感器获取当前的位置和方位信息。
所述的主控制器通过IIC接口电连接有气压计，通过气压计获取当前的气压信息。
所述的主控制器通过ppm接口电连接有无线遥控接收机，通过无线遥控接收机与外界设备进行无线通信。
所述的主控制器、从控制器、电调控制器和IMU通过电池得到需要的电源电压。
本发明采用水上、水下两套动力***实现无人机在空中和水下的高效率飞行，通过水深传感器识别水空两种介质；通过水空重叠区控制实现平稳的水空过渡。与现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一，本发明通过水空重叠区控制实现平稳的水空过渡，介质转换平稳。
第二，本发明所述无人机跃出水面时，水下动力单元对水上动力单元产生助力，水空介质转换时可靠性高。
第三，本发明所述无人机分别采用水下、水上动力单元实现无人机在水下、水上的自主运动，螺旋桨的运动效率高。
第四，本发明所述无人机采用水深传感器识别水空两种介质，控制的稳定性高。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例控制流程图；
图3是本发明的控制电路原理图。
图中：1、机臂；2、水上螺旋桨；3、水上电机；4、水下螺旋桨；5、水上电机；6、水深传感器；100、主控制器；101、从控制器；102、电调控制器；103、深度传感器；104、无线模块；105、GPS\磁力传感器；106、气压计；107、无线遥控接收机；108、电调控制器和IMU；109、图像显示器；111、图像传感器；112、电池。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明进行详细说明。以下说明有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图3所示，一种共轴式水空双动力无人机控制***，至少包括：主控制器100、从控制器101、电调控制器102和IMU108，主控制器100和从控制器101之间通过接口电连接，主控制器100通过从控制器101获取深度传感器103的深度信息；从控制器101和主控制器100分别有一个PWM控制端，从控制器101和主控制器100分别通过各自的一个PWM控制端与电调控制器102电连接，从控制器101和主控制器100分别通过控制电调控制器102电连接的水上电机3和水下电机5工作，实现在无人机机体1在水中和空中工作切换；所述的主控制器100与IMU108通过SPI进行电连接，通过IMU108获取自身加速度及角速度信息，解算出机体的姿态。
所述的主控制器100与图像显示器109通过串口或USB接口电连接，在图像显示器109进行图像信息显示。
所述的主控制器100与视频处理器110通过SPI接口电连接，通过视频处理器110获取图像传感器111的图像信息，视频处理器110分别与图像传感器111和图像显示器109通过视频线电连接。
所述的主控制器100和从控制器101之间通过接口电连接是串口或usb接口。
所述的主控制器100通过串口或USB接口电连接有无线模块104，通过无线模块104与调试设备进行通信，升级或调试无人机机体1的主控制器100运行软件和参数信息。
所述的主控制器100通过串口或USB接口电连接有GPS\磁力传感器105，通过GPS\磁力传感器105获取当前的位置和方位信息。
所述的主控制器100通过IIC接口电连接有气压计106，通过气压计106获取当前的气压信息。
所述的主控制器100通过ppm接口电连接有无线遥控接收机107，通过无线遥控接收机107与外界设备进行无线通信。
所述的主控制器100、从控制器101、电调控制器102和IMU108通过电池112得到需要的电源电压。
如图1所示，一种基于共轴式水空双动力无人机的水空转换方法，包括：无人机机体、机臂1、水上螺旋桨2、水上电机3、水下螺旋桨4、水下电机5和水深传感器6，其中：
无人机机体上设置有多个机臂1，每个机臂1的末端对称安装有水上动力单元和水下动力单元；水上动力单元包括水上电机3、水上螺旋桨2；水下动力单元包括水下电机5、水下螺旋桨4；水上动力单元安装在机臂1上侧，水下动力单元安装在机臂1下侧；
无人机通过识别水空介质使无人机机体处于不同工作状态，当无人机识别到介质为空中时，由水上动力单元实现其在空中的正常飞行；当无人机识别到介质为水中和空中交界面时，水上螺旋桨2和水下螺旋桨4同时工作，实现其在水空交界面的平稳转换；当无人机识别到介质为水中时，由水下螺旋桨4实现其在水下的正常运动。
无人机水空介质的识别通过水深传感器6实现；水深传感器6安装在无人机机体下方，用于实时获取当前水深信息，水深传感器6与惯性传感器的位置预估结果进行数据融合，得到准确的机体速度和位置。
无人机通过水深传感器6获取水空重叠区比例，控制水上电机3、水上螺旋桨2、水下电机5、水下螺旋桨4实现水空平稳的过渡，通过控制水上电机3和水下电机5的转速比实现无人机机体7过渡的平稳性；
如图2所示，无人机在水中时，水下螺旋桨4旋转，水上螺旋桨2停止旋转；
无人机由水中上浮到水面上时，水上螺旋桨2开始旋转，为无人机提供出水的动力，水下螺旋桨4继续旋转；
当无人机完全出水时，水下螺旋桨4停转，水上螺旋桨2控制无人机的空中姿态。
无人机由空中落入水中时，水下螺旋桨4开始旋转，水上螺旋桨2继续旋转；当无人机完全沉入水中时，水上螺旋桨2停转，水下螺旋桨4控制无人机的水下姿态。
所述的水上螺旋桨2和水下螺旋桨4的转向相同，两种螺旋桨产生的气流和水流旋转方向重叠，以保证无人机在水空交界面处的气流和水流干扰达到最小。
无人机整体密度大于水的密度，无人机完全靠水下动力单元实现机体在水下的自主运动，靠水上动力单元实现机体的自主运动。
以上对本发明的具体实例进行了描述，本实例中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。本发明不限于上述特定的实施方式，以上实例并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是在本发明权利要求范围内的修改或变形均属于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种共轴式水空双动力无人机控制***，其特征是，至少包括：主控制器（100)、从控制器(101)、电调控制器(102)和IMU(108)，主控制器(100)和从控制器(101)之间通过接口电连接，主控制器（100）通过从控制器（101）获取深度传感器（103）的深度信息；从控制器（101）和主控制器（100）分别有一个PWM控制端，从控制器（101）和主控制器（100）分别通过各自的一个PWM控制端与电调控制器（102）电连接，从控制器（101）和主控制器（100）分别通过控制电调控制器（102）电连接的水上电机（3）和水下电机（5）工作，实现在无人机机体（1）在水中和空中工作切换；所述的主控制器（100）与IMU（108）通过SPI进行电连接，通过IMU（108）获取自身加速度及角速度信息，解算出机体的姿态；所述的主控制器（100)与图像显示器(109)通过串口或USB接口电连接，在图像显示器(109)进行图像信息显示；所述的主控制器(100)与视频处理器(110)通过spi接口电连接，通过视频处理器(110)获取图像传感器(111)的图像信息，视频处理器(110)分别与图像传感器(111)和图像显示器(109)通过视频线电连接；所述的主控制器(100)通过串口或usb接口电连接有GPS\磁力传感器(105)，通过GPS\磁力传感器(105)获取当前的位置和方位信息；
所述的无人机的机体上设置有多个机臂，每个机臂的末端对称安装有水上动力单元和水下动力单元；水上动力单元包括水上电机、水上螺旋桨；水下动力单元包括水下电机、水下螺旋桨；水上动力单元安装在机臂上侧，水下动力单元安装在机臂下侧；无人机通过识别水空介质使无人机机体处于不同工作状态，当无人机识别到介质为空中时，由水上动力单元实现其在空中的正常飞行；当无人机识别到介质为水中和空中交界面时，水上螺旋桨和水下螺旋桨( 4) 同时工作，实现其在水空交界面的平稳转换；当无人机识别到介质为水中时，由水下螺旋桨实现其在水下的正常运动；无人机水空介质的识别通过水深传感器实现；水深传感器安装在无人机机体下方，用于实时获取当前水深信息，水深传感器与惯性传感器的位置预估结果进行数据融合，得到准确的机体速度和位置；无人机通过水深传感器(6) 获取水空重叠区比例，控制水上电机、水上螺旋桨、水下电机、水下螺旋桨实现水空平稳的过渡，通过控制水上电机和水下电机的转速比实现无人机机体过渡的平稳性。
2.根据权利要求1所述的一种共轴式水空双动力无人机控制***，其特征在于：所述的主控制器(100)和从控制器(101)之间通过接口电连接是串口或usb接口。
3.根据权利要求1所述的一种共轴式水空双动力无人机控制***，其特征在于：所述的主控制器(100)通过串口或usb接口电连接有无线模块(104)，通过无线模块(105)与调试设备进行通信，升级或调试无人机机体(1)的主控制器(100)运行软件和参数信息。
4.根据权利要求1所述的一种共轴式水空双动力无人机控制***，其特征在于：所述的主控制器(100)通过IIC接口电连接有气压计(106)，通过气压计(106)获取当前的气压信息。
5.根据权利要求1所述的一种共轴式水空双动力无人机控制***，其特征在于：所述的主控制器(100)通过PPM接口电连接有无线遥控接收机(107)，通过无线遥控接收机(107)与外界设备进行无线通信。
6.根据权利要求1所述的一种共轴式水空双动力无人机控制***，其特征在于：所述的主控制器(100)、从控制器(101)、电调控制器(102)和IMU(108)通过电池(112)得到需要的电源电压。
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