CN113085462B - 一种跨介质无人机装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种跨介质无人机装置及其控制方法，跨介质无人机装置包括壳体以及设置在所述壳体内且能够在所述壳体内往复移动的活塞，所述壳体一端开口，所述活塞周向均匀设置有若干飞行翼，所述飞行翼可转动连接在所述活塞面向所述开口的一侧、成伞状展开或收拢；在所述活塞的推动下，所述飞行翼能够向所述壳体外展开，且能够收拢回所述壳体内；本发明在壳体内设置有能够移动的活塞，活塞可转动连接有飞行翼，依靠活塞的推动作用使得飞行翼能够向壳体外展开，并能够收拢在壳体内，从而能够完成在水中和空气中不同形态的转换，出水和入水时，飞行翼收拢在壳体内被壳体保护避免破坏，飞行时，飞行翼能够顺利展开保证飞行状态。

Description

一种跨介质无人机装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及跨介质运行装置技术领域，特别是涉及一种跨介质无人机装置及其控制方法。

背景技术

近年来，航空器和潜艇发展迅速，各类航空器在空中飞行的性能越来越优异和完善，潜艇在潜水性能上也不断发展和进步。这两种机器仅仅是在单介质中航行的，这时人们就想能不能结合航空器的空中飞行能力和潜艇的潜水航行能力，创造出一个跨水空两介质的新概念飞行器，即跨水空两介质飞行器。这种飞行器是潜艇和航空器的结合体，既能像航空器一样在空气中飞行，具有较好的机动能力和广阔的视野，也能像潜艇一样在水中潜行，具有良好的隐蔽能力和水下作业能力。

在军事运用方面，跨水空两介质飞行器综合利用了飞机和潜艇的侦察、突防和攻击能力，利用跨介质的特点，可以获得水下，水面上以及空中的范围广阔的更加全面的敌方信息；利用飞机的空中飞行能力，可以实现快速掌握战场局势，具有更广阔的视角以及快速突防和打击能力；利用潜艇的潜水能力，可以实现水下潜伏，目标探测，隐蔽打击敌方的能力。当跨介质飞行器潜水时，可以观察敌人军舰或潜艇的位置，从而可以进行近岸保护、***、侦察和掩饰特种部队行动等一系列战前重要任务。其主要攻击对象首选为敌方的运输船或商船，能利用水介质掩护进行隐蔽活动和对敌方实施突然袭击；有较大的自给力、续航力和作战半径，可远离基地，在较长时间和较大海洋区域以至深入敌方海区独立作战，有较强的突击威力；当跨介质飞行器从水中跨介质到空气中飞行时，能携带***，导弹、鱼雷等装置，攻击海上和陆上目标，这种跨介质飞行器可以大大提高现代海军的综合作战能力。因此，跨介质飞行器的研制在我国有巨大的潜在应用价值和战略意义。

在民事运用方面，该飞行器也有巨大的经济效益和实际应用意义。这种无人的跨水空两介质的飞行器既可以像无人机一样实现空中探测火灾，洪灾和海难等各种自然灾害情况，也可像水下探测器或潜艇一样实现水质监测、海洋科学研究、抢救财物、勘探开采、科学侦测、维护设备、搜索援救、海底电缆维修、水下旅游观光、学术调查等一系列任务。仅仅一个跨介质飞行器可以实现多介质的多方面的且目前需要多种设备才能实现的功能与任务，这大大提高了办事效率和节省了各类设备的生产成本，实现“一器多用”。

为了研制这种跨介质无人机，目前很多人，团队和机构提出了很多种设计方法，包括美国的“鸬鹚”潜射无人机，美国的“海上搜索者”无人机，美国海军研究实验室研制的“XFC潜射无人机”，英国帝国理工学院的Siddall等人利用仿生动物设计研制出了一款桨式推进仿鲣鸟两栖飞行器“AquaMav”，北卡罗来纳州立大学和特力丹科学与成像公司联合开发了“鹰鳐”(Eagle Ray) 固定翼跨介质航行器，北京航空航天大学开发了一款仿鲣鸟水空两栖跨介质无人飞行器，空军工程大学廖保全，冯金富等人提出一种通过两次向上折叠弹翼改变外形的跨介质航行。其基本方案是：入水时通过变体结构折叠机翼后俯冲入水；出水时，先通过改变自身密度使飞行器浮出水面，然后调整姿态由自身动力或运载器发射出水，起飞过程中，通过变体结构张开机翼转化成固定翼飞行。

现有的跨介质无人机入水时，一般采用折叠机翼俯冲入水的方式(如说明书附图图1所示的各种形式)，出水时依靠自身动力装置(例如：水泵，化学反应装置)或运载器(弹射装置，鱼雷发射器或小型火箭助推器)，虽然能够完成跨介质这一完整的过程，但这些设计存在一些共同的缺点：1)折叠装置在入水过程中高空入水对结构破坏性较大；2)这类跨介质飞行器均为单次跨介质飞行器，发射一次后需要再次调整才能使用；3)出水后转换成固定翼飞行状态时，对控制要求较高，也就是控制难度大。

发明内容

本发明的目的是提供一种跨介质无人机装置及其控制方法，以解决上述现有技术存在的问题，在壳体内设置有能够移动的活塞，活塞可转动连接有飞行翼，依靠活塞的推动作用使得飞行翼能够向壳体外展开，并能够收拢在壳体内，从而能够完成在水中和空气中不同形态的转换，出水和入水时，飞行翼收拢在壳体内被壳体保护避免破坏，飞行时，飞行翼能够顺利展开保证飞行状态。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种跨介质无人机装置，包括壳体以及设置在所述壳体内且能够在所述壳体内往复移动的活塞，所述壳体一端开口，所述活塞周向均匀设置有若干飞行翼，所述飞行翼可转动连接在所述活塞面向所述开口的一侧、成伞状展开或收拢；在所述活塞的推动下，所述飞行翼能够向所述壳体外展开，且能够收拢回所述壳体内。

优选地，所述活塞包括活塞头、活塞尾以及连接所述活塞头和所述活塞尾的活塞杆，所述活塞尾位于所述壳体外部，且能够封闭所述壳体。

优选地，所述壳体与所述活塞尾扣合后整体成纺锤形，所述活塞头为空心结构，所述活塞尾质量大于所述活塞头质量。

优选地，所述活塞尾密度可调。

优选地，所述飞行翼包括转动杆以及设置在所述转动杆自由端的一字型旋翼，所述转动杆上设置有吸引所述一字型旋翼的磁性结构。

优选地，所述活塞头上开设有安装槽，所述安装槽具有轴向的限位壁和径向的限位壁，所述转动杆铰接在所述安装槽内。

优选地，所述转动杆设置有四个，成十字形分布。

优选地，所述活塞连接有动力单元，所述动力单元包括活塞式航空发动机以及由所述活塞式航空发动机驱动的液压***，通过控制所述液压***推动所述活塞移动。

本发明还提供一种跨介质无人机装置的控制方法，

当出水时，将无人机装置由水中向空气中发射出去；上升至一定高度时，活塞相对于壳体向所述壳体外部方向移动，飞行翼伸出所述壳体外部并展开；

当入水时，所述飞行翼向下收拢，所述活塞相对于所述壳体向所述壳体内部方向移动，所述飞行翼收拢回所述壳体内，所述无人机装置自由落体入水。

优选地，在出水时，所述无人机装置保持竖直状态发射出水面，在入水时，所述无人机装置保持竖直状态落入水中。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)本发明在壳体内设置有能够移动的活塞，活塞可转动连接有飞行翼，依靠活塞的推动作用使得飞行翼能够向壳体外展开，并能够收拢在壳体内，从而能够完成在水中和空气中不同形态的转换，出水和入水时，飞行翼收拢在壳体内被壳体保护避免破坏，飞行时，飞行翼能够顺利展开保证飞行状态；

(2)本发明活塞包括在壳体内移动的活塞头以及在壳体外移动的活塞尾，在飞行翼收拢在壳体内时，能够依靠活塞尾实现对壳体的封闭，进一步保证壳体内包括飞行翼在内的结构或部件的安全；在空中飞行状态时，活塞尾还能形成对于无人机装置的配重结构，进一步保证无人机装置飞行的稳定性；

(3)本发明壳体与活塞尾扣合后整体成纺锤形，活塞尾的质量较大使得整体重心在下部，因此，无人机装置在释放后会处于竖直状态，在出水和入水时，能够减小水体的阻力作用，保证顺利出水并在出水后顺利打开飞行翼进行飞行，还能够减小入水时对于无人机装置的冲击作用；另外，活塞头为空心结构，可以作为一些装置和设备的装载空间；

(4)本发明飞行翼包括转动杆以及设置在转动杆自由端的一字型旋翼，能够利用旋翼结构在空中飞行，进一步的，设置有四个转动杆，即采用四旋翼结构，能够实现较为精确的控制，保证飞行的稳定性和可控性；

(5)本发明活塞尾密度可调，通过调整活塞尾密度的大小，能够控制无人机装置在水中的位置，即上浮还是下潜，也就是说，能够实现无人机装置在水体中的位置的控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中通过变体结构张开机翼和折叠机翼的示意图；

图2为本发明在水中、刚出水面或刚进入水中未打开状态示意图；

图3为本发明在空气中活塞向外移动或向内移动状态示意图；

图4为本发明转动杆和一字型旋翼展开到位状态示意图；

图5为本发明一字型旋翼转动状态示意图；

图6为本发明一字型旋翼停止转动与转动杆一同收拢状态示意图；

图7为本发明活塞开始向外移动或即将向内恢复到位状态示意图；

图8为本发明剖视结构示意图；

其中，1、活塞头；2、转动杆；3、销钉；4、壳体；5、一字型旋翼；6、螺钉轴；7、活塞尾；8、活塞杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种跨介质无人机装置及其控制方法，以解决现有技术存在的问题，在壳体内设置有能够移动的活塞，活塞可转动连接有飞行翼，依靠活塞的推动作用使得飞行翼能够向壳体外展开，并能够收拢在壳体内，从而能够完成在水中和空气中不同形态的转换，出水和入水时，飞行翼收拢在壳体内被壳体保护避免破坏，飞行时，飞行翼能够顺利展开保证飞行状态。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图2-8所示，本发明提供一种跨介质无人机装置，包括壳体4以及设置在壳体4内且能够在壳体4内往复移动的活塞。其中，壳体4为半封闭结构，一端开口，具有一定的厚度和支撑能力；可以将壳体4的外表面设置的较为平滑，没有多余的凸起，在出水和入水时减小水体和空气的阻力；壳体4整体可以为柱形结构，柱形结构的截面可以为圆形、矩形、多边形等结构，并尽量设置成中心对称的结构，这样可以使得无人机装置的重心保持在中心轴的位置，在水中或空气中行进时能够保持竖直状态。壳体4的外壁上还可以设置有推进装置或者机翼等结构，壳体4封闭时，也能够获得一定的推力，并能够改变行进方向。活塞在移动方向上具有一定的长度，在壳体4内滑动时，能够保持与壳体4的轴向方向重合，进而保持稳定的滑动；并且，活塞可以不与壳体4 的内壁密封接触(此时，活塞可以连接驱动装置进行驱动，而不能依靠气压或液压直接驱动)。另外，由于壳体4内设置有能够往复移动的活塞，那么壳体 4的轴向应具备一定的长度；可以安装有推动活塞移动的动力单元，动力单元可以为气动、液动伸缩缸结构(或直接采用气压或液压充满壳体4型腔来驱动活塞)，也可以直接采用发动机或电动机装置进行驱动，还可以采用丝杠螺母结构等等；动力单元可以安装在壳体4的内部受壳体4保护。活塞周向均匀设置有若干飞行翼，飞行翼可以为旋翼、喷气翼等动力驱动结构，动力驱动结构连接有旋转驱动装置或喷气装置；每个飞行翼可以设置有独立的动力驱动结构。飞行翼的设置不应阻碍活塞在壳体4内的移动，为此，可以将飞行翼转动连接在活塞面向开口的一侧，飞行翼能够绕活塞转动并能够成伞状展开或收拢，在展开后相对于活塞向外成辐射状，收拢后基本与活塞的轴向平行，并且收拢后的直径应小于壳体4的内径。需要说明的是，飞行翼绕活塞的转动可以自动控制也可以采用其他的被动控制方式，比如，可以采用电机主动驱动旋转，通过改变正反转实现展开或收拢，或者设置有复位弹簧等复位机构，只需要在一个方向主动驱动即可，另一个方向根据设定情况可以利用复位弹簧的弹力自动复位。在活塞的推动下，当无人机装置转入飞行状态时，此时活塞向壳体4 的开口方向移动，飞行翼能够移动出壳体4外侧，然后飞行翼可以成辐射状展开；当无人机装置需要进入水中时，需要停止飞行状态，也就是说，需要将飞行翼收回壳体4内，此时活塞向壳体4的内侧移动，而飞行翼首先收拢在活塞轴向的周围，再随着活塞的移动收拢回壳体4内。从而本发明能够完成在水中和空气中不同形态的转换，出水和入水时，飞行翼收拢在壳体4内被壳体4 保护避免破坏，飞行时，飞行翼能够顺利展开保证飞行状态。

活塞可以包括活塞头1、活塞尾7以及连接活塞头1和活塞尾7的活塞杆 8。其中，活塞头1设置在壳体4内与壳体4内壁滑动连接，活塞尾7位于壳体4外部，且能够封闭壳体4。活塞杆8的直径小于活塞头1和活塞尾7的直径大小，以能够节省所占用壳体4的空间，为飞行翼的回收提供空间，并能够降低整体装置的重量。活塞尾7可以作为壳体4的盖体，在飞行翼收拢在壳体 4内时，能够依靠活塞尾7实现对壳体4的封闭，进一步保证壳体4内包括飞行翼在内的结构或部件的安全。在空中飞行状态时，活塞尾7还能形成对于无人机装置的配重结构，进一步保证无人机装置飞行的稳定性。

壳体4与活塞尾7扣合后整体可以形成纺锤形，即形成两头尖的结构形式，并且，活塞尾7的质量相对于活塞尾7的质量较大，此时活塞整体重心在下部，相应的整个无人机装置的重心在下部，因此，无人机装置在水中释放或在空中自由落体时会处于竖直状态，活塞头1位于活塞尾7的上部。在出水和入水时，纺锤形结构的壳体4能够减小水体的阻力作用，保证顺利出水并在出水后顺利打开飞行翼进行飞行，还能够减小入水时对于无人机装置的冲击作用。另外，活塞头1还可以为空心结构，空心结构的内部可以作为一些装置和设备的装载空间。综上，本发明无人机装置在水中或空气中行进时，均可以有效的降低空气的阻力作用。

进一步的，活塞尾7的密度可调，调节的方式可以采用现有的类似潜水艇的调节方式，例如，可以在活塞尾7内设置有储水舱，储水舱与外界水体连通，通过储水舱的进水和排水改变活塞尾7的密度大小。通过调整活塞尾7密度的大小，能够控制无人机装置在水中的位置，即上浮还是下潜，也就是说，能够实现无人机装置在水体中的位置的控制。在活塞尾7的侧壁上或者壳体4的侧壁上还可以设置有螺旋桨或者翼片，能够调整无人机装置在水中的状态和横向位置；并且，在无人机装置进入空气后，还可以利用螺旋桨或翼片调整在空气中的姿态。

如图3-8所示，飞行翼可以包括转动杆2，在转动杆2的自由端设置有一字型旋翼5，一字型旋翼5能够在转动杆2上旋转，可以通过螺钉轴6进行安装，螺钉轴6连接有驱动电机或发动机等驱动结构，驱动结构可以安装在转动杆2上。一字型旋翼5宽度和长度尺寸差别大，在展开后具备提供升力的作用，并能够通过改变其位置状态后，顺利收回壳体4内。为保证一字型旋翼5能够顺利收回(摆动到与转动杆2的长度方向同向)，转动杆2上可以设置有吸引一字型旋翼5的磁性结构，例如一字型旋翼5的叶片上设置有磁性材料(或磁铁)，转动杆2上相应的设置有磁铁(或磁性材料)，当一字型旋翼5失去驱动结构的动力后，逐渐停止转动，并被吸引到与转动杆2同向。为避免磁性吸附对于一字型旋翼5正常转动的影响，可以选择设置电磁材料，在一字型旋翼5正常运行时不具有磁性。另外，还可以在转动杆2上设置机械限位结构，机械限位结构能够伸出和缩回，在一字型旋翼5失去动力后，控制限位结构伸出阻挡并限定一字型旋翼5的位置，使其与转动杆2同向。

如图8所示，活塞头1上沿径向和轴向开设有安装槽，安装槽具有轴向的限位壁和径向的限位壁，安装槽在周向均匀设置有多个，并成辐向设置，转动杆2铰接在安装槽内，可以采用销钉3进行铰接，销钉3设置在安装槽内支撑转动杆2的转动，能够完成伞状展开和收拢的动作状态；并且依靠轴向的限位壁和径向的限位壁的作用，能够限定转动杆2的转动区间，使得转动杆2转动到位后停止转动，并能够获得展开位和收拢位两个位置状态，实现展开和收拢的目的。需要说明的是，对于转动杆2的转动动力来源，可以采用电机主动驱动旋转，通过改变正反转实现展开或收拢，或者设置有复位弹簧等复位机构，只需要在一个方向主动驱动即可，另一个方向根据设定情况可以自动复位。并且，对于控制转动杆2的转动方式可以采用自动控制的方式，无人机装置上设置有控制装置，能够接收外部控制信号，也能够向内部装置发出控制指令，在转动杆2伸出壳体4外部后自动启动转动杆2进行展开转动动作，在需要收回时，自动控制转动杆2进行收拢转动动作。另外，对于一字型旋翼5的转动、活塞的移动等等均可以采用控制装置统一控制。

如图3-7所示，转动杆2可以设置有四个，成十字形分布，每个转动杆2 上设置有一个一字型旋翼5。因此，本发明通过设置四个转动杆2，可以采用四旋翼结构，而四旋翼结构的无人飞行机已经作为现有的成熟技术，能够实现较为精确的进行控制，进而本发明的无人机装置能够更有效的保证飞行的稳定性和可控性。

活塞连接有动力单元，动力单元可以包括活塞式航空发动机以及由活塞式航空发动机驱动的液压***，活塞式航空发动机通过进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程四个冲程一循环直接驱动液压***，通过控制液压***推动活塞移动。

如图2-7所示，本发明还提供一种跨介质无人机装置的控制方法，

当出水时，可以由潜水艇释放，改变自身的密度，浮出水面，利用自身动力装置或火箭运载器(可以由核潜艇利用鱼雷发射器或导弹发射器在水中发射，也可以安装火箭助推器发射、水泵喷水发射或者化学反应产生大量的气体作为动力源)将无人机装置由水中向空气中发射出去。需要说明的是，可以利用无人机装置自身的重心设置，在其被释放后就保持竖直状态，也可以通过姿态调整(例如类似火箭的喷气结构或者螺旋桨等结构)保持竖直状态。上升至一定高度时，活塞相对于壳体4向壳体4外部方向移动，飞行翼(本发明优选的转动杆2和一字型旋翼5结构)伸出壳体4外部并伞状逐渐展开。然后，一字型旋翼5开始旋转，这时该无人机装置就转化成了一个常规的四旋翼无人机。相对于现有的一些跨介质飞行器采用固定翼飞行的模式，本发明旋翼无人机更容易控制。

当入水时，飞行翼(本发明优选的转动杆2和一字型旋翼5结构，首先一字型旋翼5失去动力，逐渐停止转动)向下收拢，收拢至原来的状态(基本与壳体4的长度方向同向)，活塞相对于壳体4向壳体4内部方向移动，飞行翼收拢回壳体4内，将整个无人机装置包裹起来恢复至最初在水中的结构形态，无人机装置自由落体入水，等待被潜水艇收回，这样该跨介质无人机装置就完成了一个入水和出水的循环。

进一步的，在出水时，无人机装置可以利用自身的重心设置或密度的调整，像渔具浮标一样竖直浮在水面上；在入水时，无人机装置可以竖直漂浮在水的表面或者潜入水中。在出水和入水时保持竖直状态，能够减小水体的阻力作用，保证顺利出水并在出水后顺利打开飞行翼进行飞行，还能够减小入水时对于无人机装置的冲击作用。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种跨介质无人机装置，其特征在于：包括壳体以及设置在所述壳体内且能够在所述壳体内往复移动的活塞，所述壳体一端开口，所述活塞周向均匀设置有若干飞行翼，所述飞行翼可转动连接在所述活塞面向所述开口的一侧、成伞状展开或收拢；在所述活塞的推动下，所述飞行翼能够向所述壳体外展开，且能够收拢回所述壳体内；所述飞行翼包括转动杆以及设置在所述转动杆自由端的一字型旋翼；

所述活塞包括活塞头、活塞尾以及连接所述活塞头和所述活塞尾的活塞杆，所述活塞尾位于所述壳体外部，且能够封闭所述壳体；所述活塞头为空心结构，所述活塞尾质量大于所述活塞头质量；所述活塞尾密度可调；

所述活塞头的外侧壁与所述壳体的内侧壁相贴合；所述活塞头与所述转动杆的一端转动连接，所述转动杆远离所述活塞头的一端设置所述一字型旋翼；

在出水时，无人机装置保持竖直状态发射出水面，在入水时，无人机装置保持竖直状态落入水中。

2.根据权利要求1所述的跨介质无人机装置，其特征在于：所述壳体与所述活塞尾扣合后整体成纺锤形。

3.根据权利要求1或2所述的跨介质无人机装置，其特征在于：所述转动杆上设置有吸引所述一字型旋翼的磁性结构。

4.根据权利要求3所述的跨介质无人机装置，其特征在于：所述活塞头上开设有安装槽，所述安装槽具有轴向的限位壁和径向的限位壁，所述转动杆铰接在所述安装槽内。

5.根据权利要求3所述的跨介质无人机装置，其特征在于：所述转动杆设置有四个，成十字形分布。

6.根据权利要求3所述的跨介质无人机装置，其特征在于：所述活塞连接有动力单元，所述动力单元包括活塞式航空发动机以及由所述活塞式航空发动机驱动的液压***，通过控制所述液压***推动所述活塞移动。

7.一种跨介质无人机装置的控制方法，应用如权利要求1-6任一项所述的跨介质无人机装置，其特征在于：

当出水时，将无人机装置由水中向空气中发射出去；上升至一定高度时，活塞相对于壳体向所述壳体外部方向移动，飞行翼伸出所述壳体外部并展开；

当入水时，所述飞行翼向下收拢，所述活塞相对于所述壳体向所述壳体内部方向移动，所述飞行翼收拢回所述壳体内，所述无人机装置自由落体入水。

8.根据权利要求7所述的跨介质无人机装置的控制方法，其特征在于：在出水时，所述无人机装置保持竖直状态发射出水面，在入水时，所述无人机装置保持竖直状态落入水中。

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