CN114750945A - 一种可变形水空两用的无人机及其控制方法 - Google Patents

一种可变形水空两用的无人机及其控制方法 Download PDF

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CN114750945A CN202210303497.9A CN202210303497A CN114750945A CN 114750945 A CN114750945 A CN 114750945A CN 202210303497 A CN202210303497 A CN 202210303497A CN 114750945 A CN114750945 A CN 114750945A
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Abstract

本发明提供一种可变形水空两用的无人机及其控制方法，所述无人机包括机体、可旋转机臂、立柱、起落浮筒和连接撑杆；所述机体为矩形，每一条侧边均转动安装有一个所述可旋转机臂，所述可旋转机臂一端通过驱动马达连接于所述机体，所述可旋转机臂另一端安装有三叶桨；两个所述起落浮筒和两个连接撑杆均位于所述机体下方；两个所述起落浮筒和两个所述连接撑杆分别与所述机体的四条侧边一一对应，所述起落浮筒和所述连接撑杆均设置有凹槽结构Ⅱ，当所述可旋转机臂转动至竖直位置时，落入所述凹槽结构Ⅱ内。本发明的技术方案解决了现有传统四旋翼或多旋翼无人机无法进行水面航行或基于水面航行定位的问题。

Description

一种可变形水空两用的无人机及其控制方法
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，具体而言，尤其涉及一种可变形水空两用的无人机及其控制方法。
背景技术
无人机在航拍、农业、植保、微型自拍、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄、制造浪漫等等领域都有了广泛的应用，发达国家也在积极扩展行业应用与发展无人机技术，但是现有传统四旋翼或者多旋翼无人机通常只具备在空中航行的功能，无法进行水面航行或基于水面航行的定位。
发明内容
根据上述提出现有传统四旋翼或多旋翼无人机无法进行水面航行或基于水面航行定位的技术问题，而提供一种可变形水空两用的无人机及其控制方法。
本发明采用的技术手段如下：
一种可变形水空两用的无人机，包括机体、可旋转机臂、立柱、起落浮筒和连接撑杆；
所述机体为矩形，每一条侧边均转动安装有一个所述可旋转机臂，所述可旋转机臂一端通过驱动马达连接于所述机体，所述驱动马达用于驱动所述可旋转机臂转动实现在水平位置和竖直位置之间的转换，所述可旋转机臂另一端安装有三叶桨；
两个所述起落浮筒和两个连接撑杆均位于所述机体下方，所述起落浮筒两端分别通过一个所述立柱与所述机体固定连接，两个所述起落浮筒之间通过位于所述起落浮筒两端的两个所述连接撑杆固定连接；
两个所述起落浮筒和两个所述连接撑杆分别与所述机体的四条侧边一一对应，所述起落浮筒和所述连接撑杆均设置有凹槽结构Ⅱ，所述凹槽结构Ⅱ内安装有伸缩马达，所述伸缩马达的驱动端连接有固定销，所述伸缩马达用于驱动所述固定销的伸缩；当所述可旋转机臂转动至竖直位置时，落入所述凹槽结构Ⅱ内，所述伸缩马达驱动所述固定销伸出从而固定所述可旋转机臂，防止所述可旋转机臂脱离所述凹槽结构Ⅱ。
进一步地，当所述无人机在空中飞行时，所述可旋转机臂为水平位置，通过所述三叶桨的转动保持所述无人机的飞行状态；当所述无人机在水面航行时，所述可旋转机臂为竖直位置，通过所述三叶桨在水下的转动驱动所述无人机的航行。
进一步地，还包括功能模块，所述功能模块固定安装于所述机体；所述功能模块包括摄像机。
进一步地，所述可旋转机臂安装于所述机体侧边的中心位置，所述机体的每一条侧边中心位置均设置有凹槽结构Ⅰ，所述驱动马达安装于所述凹槽结构Ⅰ内。
进一步地，所述凹槽结构Ⅱ设置于所述起落浮筒和所述连接撑杆的中心位置。
进一步地，所述起落浮筒底部设置有总进水口和总排水口；所述起落浮筒内部设置有泵舱以及两个空腔水舱，所述空腔水舱底部设置有进水口和排水口，所述泵舱内部安装有进水水泵和排水水泵；两个所述空腔水舱的进水口分别通过所述进水水泵连通至所述总进水口，两个所述空腔水舱的排水口分别通过所述排水水泵连通至所述总排水口；所述进水水泵与所述进水口和所述总进水口之间分别设置有控制阀，所述排水水泵与所述排水口和所述总排水口之间分别设置有控制阀。
本发明还提供了一种可变形水空两用无人机的控制方法，采用上述无人机，当所述无人机在水面航行时，所述可旋转机臂为竖直位置，通过所述三叶桨在水下的转动驱动所述无人机的航行；
所述无人机在水平面上相互垂直的x、y方向上受到的推力分别为Fx、Fy，产生的力矩为M；
四个所述三叶桨产生的推力分别为T1、T2、T3、T4，推力在x方向上的分力为T1x、T2x、T3x、T4x，在y方向上的分力为T1y、T2y、T3y、T4y，对应的产生的力矩分别为MT1、MT2、M T3、MT4；
当满足下列条件时，所述无人机在水面保持静止或匀速运动：
Figure BDA0003563807420000031
进一步地，当T1、T2、T3、T4满足下列目标方程及约束条件时，所述无人机在水面保持静止或匀速运动时消耗的总功率最小：
目标方程：min(T1 2+T2 2+T3 2+T4 2)
约束条件：
Figure BDA0003563807420000032
其中，Tilim表示所述三叶桨能够提供的推力的最大值(即最大功率)。
进一步地，求解目标方程采用序列二次规划方法。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的可变形水空两用的无人机及其控制方法，不但可以进行常规的空中飞行功能，还可以通过结构变形实现在浅海区域的水面航行与定位，功能性更强；在起落浮筒内部设置设置空腔水舱，通过调节空腔水舱内的水量，进一步提高无人机水面航行性能。
基于上述理由本发明可在无人机领域广泛推广。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述无人机在空中航行状态结构示意图。
图2为本发明所述无人机在水面航行状态结构示意图。
图3为本发明所述无人机在水面航行状态侧视图。
图4为本发明所述起落浮筒内部结构示意图。
图5为本发明所述起落浮筒内部结构示意图。
图6为本发明所述起落浮筒内部结构示意图。
图7为本发明所述起落浮筒工作原理示意图。
图8为本发明所述可变形水空两用无人机的控制方法原理示意图。
图中：1、功能模块；2、三叶桨；3、可旋转机臂；4、机体；5、驱动马达；6、凹槽结构Ⅰ；7、凹槽结构Ⅱ；8、立柱；9、空腔水舱；10、起落浮筒；11、连接撑杆；12、固定销；13、伸缩马达；14、泵舱；15、进水水泵；16、排水水泵；17、总进水口；18、总排水口；19、水面Ⅰ；20水面Ⅱ。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1-7所示，本发明提供了一种可变形水空两用的无人机，具有适用范围广且在水面运动时可实现动力定位等特点；
包括机体4、可旋转机臂3、立柱8、起落浮筒10和连接撑杆11；
所述机体4为矩形，每一条侧边均转动安装有一个所述可旋转机臂3，所述可旋转机臂3一端通过驱动马达5连接于所述机体4，所述驱动马达5用于驱动所述可旋转机臂3转动实现在水平位置和竖直位置之间的转换，所述可旋转机臂3另一端安装有三叶桨2；
两个所述起落浮筒10和两个连接撑杆11均位于所述机体4下方，所述起落浮筒10两端分别通过一个所述立柱8与所述机体4固定连接，两个所述起落浮筒10之间通过位于所述起落浮筒10两端的两个所述连接撑杆11固定连接；所述起落浮筒10用于通过浮力使所述无人机漂浮在水面；
两个所述起落浮筒10和两个所述连接撑杆11分别与所述机体4的四条侧边一一对应，所述起落浮筒10和所述连接撑杆11均设置有凹槽结构Ⅱ7，所述凹槽结构Ⅱ7内安装有伸缩马达13，所述伸缩马达13的驱动端连接有固定销12，所述伸缩马达13用于驱动所述固定销12的伸缩；当所述可旋转机臂3转动至竖直位置时，落入所述凹槽结构Ⅱ7内，所述伸缩马达13驱动所述固定销12伸出从而固定所述可旋转机臂3，防止所述可旋转机臂3脱离所述凹槽结构Ⅱ7。
进一步地，当所述无人机在空中飞行时，所述可旋转机臂3为水平位置，通过所述三叶桨2的转动保持所述无人机的飞行状态；当所述无人机在水面航行时，所述可旋转机臂3为竖直位置，通过所述三叶桨2在水下的转动驱动所述无人机的航行。
进一步地，还包括功能模块1，所述功能模块1固定安装于所述机体4；所述功能模块1包括摄像机。
进一步地，所述可旋转机臂3安装于所述机体4侧边的中心位置，所述机体4的每一条侧边中心位置均设置有凹槽结构Ⅰ6，所述驱动马达5安装于所述凹槽结构Ⅰ6内，用于对所述可旋转机臂3的左右方向进行限位。
进一步地，所述凹槽结构Ⅱ7设置于所述起落浮筒10和所述连接撑杆11的中心位置。
进一步地，所述无人机各部件表面均进行了防锈涂装处理。
进一步地，所述起落浮筒10底部设置有总进水口17和总排水口18；所述起落浮筒10内部设置有泵舱14以及两个空腔水舱9，所述空腔水舱9底部设置有进水口和排水口，所述泵舱14内部安装有进水水泵15和排水水泵16；两个所述空腔水舱9的进水口分别通过所述进水水泵15连通至所述总进水口17，两个所述空腔水舱9的排水口分别通过所述排水水泵16连通至所述总排水口18；所述进水水泵15与所述进水口和所述总进水口17之间分别设置有控制阀，所述排水水泵16与所述排水口和所述总排水口18之间分别设置有控制阀。
本发明提供的所述无人机在工作时，可以通过所述驱动马达5驱动所述可旋转机臂3转动，在水平位置和竖直位置之间进行转换，当所述可旋转机臂3为水平位置，可通过控制所述三叶桨2的旋转使所述无人机在空中飞行；
当所述无人机落至水面，所述起落浮筒10能够通过浮力使所述无人机漂浮在水面，通过所述驱动马达5驱动所述可旋转机臂3转动至竖直位置，并落入所述凹槽结构Ⅱ7内，所述伸缩马达13驱动所述固定销12伸出顶住所述可旋转机臂3从而固定其位置，通过控制所述三叶桨2的旋转可以使所述无人机在水面航行；
当所述无人机在水面航行时，可以通过调节所述起落浮筒10内部空腔水舱9的水量进而调节所述无人机的整体吃水深度：
当需要加大吃水深度时，关闭所述排水水泵16以及它与所述排水口和所述总排水口18之间的控制阀，打开所述进水水泵15以及它与所述进水口和所述总进水口17之间的控制阀，由所述总进水口17吸水并通过所述进水口17向两个所述空腔水舱9内通入水，所述无人机的吃水线由水面Ⅱ20调整至水面Ⅰ19；
当需要降低吃水深度时，关闭所述进水水泵15以及它与所述进水口和所述总进水口17之间的控制阀，打开所述排水水泵16以及它与所述排水口和所述总排水口18之间的控制阀，将两个所述空腔水舱9内的水通过所述排水口吸出并由所述总排水口18排出，所述无人机的吃水线由水面Ⅰ19调整至水面Ⅱ20；
所述进水水泵15和所述排水水泵16还可以互为备用，在其中一个水泵损坏时，由另一个水泵工作进行通排水，提高了整体装置的可靠性。
如图8所示，本发明还提供了一种上述可变形水空两用无人机的控制方法，当所述无人机在水面航行时，所述可旋转机臂3为竖直位置，通过所述三叶桨2在水下的转动驱动所述无人机的航行；
水面航行时，所述无人机主要受到风、浪、流的联合作用，所述三叶桨2旋转产生的推力抵消外载荷并产生相应的推力，所述无人机在水平面上相互垂直的x、y方向上受到的推力分别为Fx、Fy，产生的力矩为M；
四个所述三叶桨2产生的推力分别为T1、T2、T3、T4，推力在x方向上的分力为T1x、T2x、T3x、T4x，在y方向上的分力为T1y、T2y、T3y、T4y，对应的产生的力矩分别为MT1、MT2、M T3、MT4；
当满足下列条件时，所述无人机在水面保持静止或匀速运动：
Figure BDA0003563807420000081
进一步地，当T1、T2、T3、T4满足下列目标方程及约束条件时，所述无人机在水面保持静止或匀速运动时消耗的总功率最小：
目标方程：min(T1 2+T2 2+T3 2+T4 2)
约束条件：
Figure BDA0003563807420000091
其中，Tilim表示所述三叶桨2能够提供的推力的最大值(即最大功率)。
进一步地，求解目标方程采用序列二次规划方法，具有收敛速度快，计算效率高的特点。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种可变形水空两用的无人机，其特征在于，包括机体、可旋转机臂、立柱、起落浮筒和连接撑杆；
所述机体为矩形，每一条侧边均转动安装有一个所述可旋转机臂，所述可旋转机臂一端通过驱动马达连接于所述机体，所述驱动马达用于驱动所述可旋转机臂转动实现在水平位置和竖直位置之间的转换，所述可旋转机臂另一端安装有三叶桨；
两个所述起落浮筒和两个连接撑杆均位于所述机体下方，所述起落浮筒两端分别通过一个所述立柱与所述机体固定连接，两个所述起落浮筒之间通过位于所述起落浮筒两端的两个所述连接撑杆固定连接；
两个所述起落浮筒和两个所述连接撑杆分别与所述机体的四条侧边一一对应，所述起落浮筒和所述连接撑杆均设置有凹槽结构Ⅱ，所述凹槽结构Ⅱ内安装有伸缩马达，所述伸缩马达的驱动端连接有固定销，所述伸缩马达用于驱动所述固定销的伸缩；当所述可旋转机臂转动至竖直位置时，落入所述凹槽结构Ⅱ内，所述伸缩马达驱动所述固定销伸出从而固定所述可旋转机臂，防止所述可旋转机臂脱离所述凹槽结构Ⅱ。
2.根据权利要求1所述的可变形水空两用的无人机，其特征在于，当所述无人机在空中飞行时，所述可旋转机臂为水平位置，通过所述三叶桨的转动保持所述无人机的飞行状态；当所述无人机在水面航行时，所述可旋转机臂为竖直位置，通过所述三叶桨在水下的转动驱动所述无人机的航行。
3.根据权利要求1所述的可变形水空两用的无人机，其特征在于，还包括功能模块，所述功能模块固定安装于所述机体；所述功能模块包括摄像机。
4.根据权利要求1所述的可变形水空两用的无人机，其特征在于，所述可旋转机臂安装于所述机体侧边的中心位置，所述机体的每一条侧边中心位置均设置有凹槽结构Ⅰ，所述驱动马达安装于所述凹槽结构Ⅰ内。
5.根据权利要求1所述的可变形水空两用的无人机，其特征在于，所述凹槽结构Ⅱ设置于所述起落浮筒和所述连接撑杆的中心位置。
6.根据权利要求1所述的可变形水空两用的无人机，其特征在于，所述起落浮筒底部设置有总进水口和总排水口；所述起落浮筒内部设置有泵舱以及两个空腔水舱，所述空腔水舱底部设置有进水口和排水口，所述泵舱内部安装有进水水泵和排水水泵；两个所述空腔水舱的进水口分别通过所述进水水泵连通至所述总进水口，两个所述空腔水舱的排水口分别通过所述排水水泵连通至所述总排水口；所述进水水泵与所述进水口和所述总进水口之间分别设置有控制阀，所述排水水泵与所述排水口和所述总排水口之间分别设置有控制阀。
7.一种可变形水空两用无人机的控制方法，采用如权利要求1所述的无人机，其特征在于，当所述无人机在水面航行时，所述可旋转机臂为竖直位置，通过所述三叶桨在水下的转动驱动所述无人机的航行；
所述无人机在水平面上相互垂直的x、y方向上受到的推力分别为Fx、Fy，产生的力矩为M；
四个所述三叶桨产生的推力分别为T1、T2、T3、T4，推力在x方向上的分力为T1x、T2x、T3x、T4x，在y方向上的分力为T1y、T2y、T3y、T4y，对应的产生的力矩分别为MT1、MT2、MT3、MT4；
当满足下列条件时，所述无人机在水面保持静止或匀速运动：
Figure FDA0003563807410000021
8.根据权利要求7所述的可变形水空两用无人机的控制方法，其特征在于，当T1、T2、T3、T4满足下列目标方程及约束条件时，所述无人机在水面保持静止或匀速运动时消耗的总功率最小：
目标方程：min(T1 2+T2 2+T3 2+T4 2)
约束条件：
Figure FDA0003563807410000031
其中，Tilim表示所述三叶桨能够提供的推力的最大值。
9.根据权利要求8所述的可变形水空两用无人机的控制方法，其特征在于，求解目标方程采用序列二次规划方法。
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