CN111823797A - 一种涵道式可倾转水空两栖无人航行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涵道式可倾转水空两栖无人航行器，包括航行器船体和涵道动力组，涵道动力组由第一涵道动力组、第二涵道动力组、第三涵道动力组和第四涵道动力组组成，四组涵道涵道动力组均可调节角度的固定在船体上，所述四个涵道动力组的中心连线呈正方形；所述第一涵道动力组和第四涵道动力组设置在航行器船体前部，第二涵道动力组和第三涵道动力组设置在航行器船体后部。本发明的有益效果为：避免了动力系统的冗余，减少了机身的重量；针对水面起飞、降落的复杂场景，既能垂直起降，也可以滑行起降；船体设计成流线型，符合流体力学原理，减小了航行器水面航行的阻力；可以适应沼泽地，水草丛生的水库湖泊等复杂的水域。

Description

一种涵道式可倾转水空两栖无人航行器

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种涵道式可倾转水空两栖无人航行器。

背景技术

随着无人机技术的应用发展，多种无人系统协同作业得到了迅猛的发展。由于水空两栖无人航行器可以在空中和水上实现自主的连续航行，并且具备无人机的高速机动性和无人艇的快速游弋能力等特点，使得其在军事和民用领域都具有广泛的应用前景。随着任务需求的多样化，对两栖无人航行器的设计要求也越来越高。为了拓展现有两栖无人航行器的作业环境，如何设计更为合理有效的两栖无人航行器成为科研人员所研究的重点问题之一。

为了充分利用水体环境的高度隐蔽性和空中飞行的高机动性的优势，国内外研究人员开展了水空两栖无人航行器的设计与研究。如公开号为CN105539847A的中国专利，该发明公开了一种水空两栖无人机，包括壳体、驱动系统、摄像系统和配重系统，通过带有螺旋桨的驱动系统同时作为飞行器无人机的升降动力部件和水上无人机的气动推进部件，配重系统可使无人机从飞行状态切换到水上航行状态。但该无人机需要配备水囊和潜水泵才能成功实现飞行姿态和航行姿态的转换，并且壳体需要在反向风力下才能航行。

又如公开号为CN110816829A的中国专利，该发明公开了一种四旋翼水空两栖无人艇，它采用多旋翼系统，将无人艇和无人机结合在一起，通过设计类似于双体船的两个浮体，增强了稳定性；通过四个支架和两个平台固定的设计，分别搭载旋翼模块和水下推进模块，两个模块应用两套控制系统，互不影响，能提高无人艇的工作效率。然而，该无人艇的旋翼模块只能垂直起降，而且在水面航行时依赖水下推进器。

发明内容

本发明的目的在于改变传统动力指向的方式复用动力系统，采用一套动力系统既可以作为飞行时的升力系统，又可以作为航行时的风动推力系统。同时，面向两栖航行器变体结构，针对水面起飞、降落的复杂场景，设计出高效、实用、安全的水空两栖无人航行器。为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种涵道式可倾转水空两栖无人航行器，包括：航行器船体:所述航行器船体采用宽体双体船结构，有自平衡能力；所述船体外壳设置成流线型结构；所述航行器船体上设置有可拆卸移动盖；所述航行器船体上固定连接有立式轴承座和立式支撑座。

涵道动力组：与所述航行器船体的第前侧连接的是第一涵道动力组和第四涵道动力组；与所述航行器船体的第后侧连接的是第二涵道动力组和第三涵道动力组；所述四个涵道动力组的中心连线呈正方形分布连接在航行器船体上；其中，所述第一涵道动力组和第四涵道动力组关于所述航行器船体的头部对称，所述第二涵道动力组和第三涵道动力组关于所述航行器船体的尾部对称；所述第一涵道动力组和所述第三涵道动力组的螺旋桨旋转方向与所述第二涵道动力组和所述第四涵道动力组的螺旋桨旋转方向相反。所述第一涵道动力组和所述第四涵道动力组通过立式轴承座与航行器船体连接；所述第二涵道动力组和所述第三涵道动力组也通过立式轴承座与航行器船体连接。

动力传递机构：包括涵道固定座、转轴和立式轴承座，涵道固定座与涵道动力组两侧螺孔相连接，转轴通过立式轴承座与涵道固定座连接，通过倾转机构带动转轴，改变航行器的姿态。倾转机构：包括第一直齿轮、第二直齿轮和步进电机，所述第一直齿轮固定在转轴上，所述第二直齿轮连接在所述步进电机的转轴上，所述第一直齿轮与所述第二直齿轮啮合。

与现有技术相比，本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

（1）本发明所述的一种涵道式水空两栖无人航行器，动力装置设计为涵道式，具有推力大，矢量集中，作用半径小等优点，在保证飞行状态和飞行稳定的同时更为安全可靠。

（2）本发明所述的一种涵道式水空两栖无人航行器，改变传统动力指向方式——复用动力系统。采用一套动力系统既可以作为飞行时的升力系统，又可以作为航行时的风动推力系统，避免了动力系统的冗余，减少了机身的重量。

（3）本发明所述的一种涵道式水空两栖无人航行器，面向两栖航行器变体结构，针对水面起飞、降落的复杂场景，既能垂直起降，也可以滑行起降。

（4）本发明所述的一种涵道式水空两栖无人航行器，仿照船舶航行的运动外观，船体设计成流线型，符合流体力学原理，减小了航行器水面航行的阻力。

（5）本发明所述的一种涵道式水空两栖无人航行器，无需水下螺旋桨，可以适应沼泽地，水草丛生的水库湖泊等复杂的水域。

附图说明

图1是本发明实施例1的航行器的整体效果图；

图2是本发明的航行器的船体结构示意图；

图3是本发明的航行器的螺旋桨的结构示意图；

图4是本发明的航行器的飞行状态示意图；

图5是本发明的航行器的倾转模块示意图；

图6是本发明实施例1的航行器的航行状态示意图；

图7是本发明实施例1的航行器的过渡状态示意图；

图8是本发明实施例2的航行器的倾转模块示意图；

图9是本发明实施例2的航行器的航行状态俯视图；

图10是本发明实施例3的航行器的航行状态示意图；

图11是本发明实施例4的航行器的前视图；

图12是本发明实施例4的航行器的俯视图；

图13是本发明实施例4的航行器头部的两个立式轴承座示意图。

图中各标号为：1、航行器船体；2、可拆卸移动盖；3、第一涵道动力组；4、第二涵道动力组；5、第三涵道动力组；6、第四涵道动力组；7、转轴；8、立式轴承座；9、立式支撑座；10、涵道固定座；11、步进电机；12、步进电机支架；13、第一直齿轮；14、第二直齿轮；15、正向螺旋桨；16、反向螺旋桨；17、第一锥齿轮；18、第二锥齿轮；19、舵机；20、舵机支架；21、安装孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。以下实施案例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：

一种涵道式水空两栖无人航行器，如图1-图7所示，包括：

航行器船体1：所述航行器船体1采用宽体双体船结构，有自平衡能力；所述船体外壳设置成流线型结构；所述航行器船体1上设置有可拆卸移动盖2；所述航行器船体1上固定连接有立式轴承座8和立式支撑座9。

涵道动力组：与所述航行器船体1的第一侧连接的是第一涵道动力组3和第二涵道动力组4；与所述航行器船体1的第二侧连接的是第三涵道动力组5和第四涵道动力组6；所述四个涵道动力组的中心连线呈正方形分布连接在航行器船体上；其中，所述第一涵道动力组3和第四涵道动力组6关于所述航行器船体1的头部对称，所述第二涵道动力组4和第三涵道动力组5关于所述航行器船体1的尾部对称；所述第一涵道动力组3和所述第三涵道动力组5的螺旋桨旋转方向均为第一方向；所述第二涵道动力组4和所述第四涵道动力组6的螺旋桨旋转方向均为第二方向；其中，第一方向和第二方向相反。所述第一涵道动力组3和所述第四涵道动力组6通过立式轴承座8与航行器船体1连接；所述第二涵道动力组4和所述第三涵道动力组5通过立式支撑座9与航行器船体1连接；所述第一涵道动力组3、第二涵道动力组4、第三涵道动力组5、第四涵道动力组6中采用12叶螺旋桨。

动力传递机构：所述涵道固定座10、转轴7和立式轴承座8共同组成动力传递机构，所述涵道固定座10与涵道动力组两侧螺孔相连接，所述转轴7为直径是15MM的碳纤维圆管，所述转轴7通过所述立式轴承座8与所述涵道固定座10连接，通过倾转机构带动转轴7，改变航行器的姿态。

倾转机构：所述第一直齿轮13的延伸轴固定在转轴7上，所述第二直齿轮14连接在所述步进电机11的转轴上，所述第一直齿轮13与所述第二直齿轮14啮合，所述步进电机11为蜗轮蜗杆减速步进电机，精度高，噪音低，减速比设置灵活且具有自锁功能。

如图4所示，为本发明的航行器在空中飞行的示意图，当无人航行器在空中飞行时，所述第一涵道动力组3和所述第四涵道动力组6在倾转机构的作用下，旋转到垂直方向上，推动无人航行器在空中飞行。所述无人航行器在空中飞行利用差速控制原理和结构体的对称性，抵消涵道组之间的反扭矩。在无风的情况下，当四个涵道的螺旋桨均以相同的转速旋转时，无人航行器将处于悬停状态；当同时同量地增加（减小）四个涵道的螺旋桨的转速时，无人航行器将垂直向上（向下）运动；当同时同量减小（增大）第一涵道动力组3和第四涵道动力组6的螺旋桨转速，同时同量增大（减小）第二涵道动力组4和第三涵道动力组5的螺旋桨转速时，无人航行器将前（后）向飞行；当同时同量减小（增大）第三涵道动力组5和第四涵道动力组6的螺旋桨转速，同时同量增大（减小）第一涵道动力组3和第二涵道动力组4的螺旋桨转速时，无人航行器将水平向右（左）飞行；当同时同量减小（增大）第一涵道动力组3和第三涵道动力组5的螺旋桨转速，同时同量增大（减小）第二涵道动力组4和第四涵道动力组6的螺旋桨转速时，无人航行器将顺时针（逆时针）偏航飞行。

如图5所示，为本发明的航行器在水中航行的示意图，第一涵道动力组3和第四涵道动力组6在倾转机构作用下前倾一个固定的角度以此产生斜向上的拉力，该拉力线会穿过航行器船体1的重心，保证该作用力有效的作用在航行器整个船体上。并且将该拉力正交分解为向上的拉力和向前的拉力。向上的拉力与航行器船体1船尾固定的第二涵道动力组4和第三涵道动力组5产生的向上的拉力进行平衡，保持航行器在水面上的俯仰角平稳，增强航行器在水面的稳定性。向前的分力用来提供水面航行的动力，通过改变前倾角度而且两个向前的力可以通过第一涵道动力组3和第四涵道动力组6的螺旋桨差速来改变拉力大小从而实现航向角的改变，完成水面转弯动作。安装在航行器船体1船尾的两个固定的第二涵道动力组4和第三涵道动力组5还可以增强船体横向的稳定性，通过姿态解析反馈的横滚角来控制第二涵道动力组4和第三涵道动力组5的螺旋桨转速保证航行器在水面不会发生横滚。

如图6所示，为本发明的航行器进行水空过渡状态转换的示意图，本发明的无人航行器既能垂直起降，也可以滑行起降。当进行垂直起飞或降落过程中时，第一涵道动力组3和第四涵道动力组6在倾转机构作用下平行于第二涵道动力组4和第三涵道动力组5，当升力大于航行器重力时飞行器向上运动，相反向下降落，当升力与飞行器自身重力平衡时飞行器将悬停在一定的高度。当进行滑行起飞过程中时，第一涵道动力组3和第四涵道动力组6在倾转机构作用下前倾一个角度45°，以此产生斜向上的拉力，此时，无人航行器既前行，又上升，顺利起飞后，第一涵道动力组3和第四涵道动力组6倾转至90°，此时无人航行器以类四旋翼进行飞行。无人航行器滑行降落和滑行起飞原理相同。

实施例二：

一种涵道式水空两栖无人航行器，参照图2-图4和图8-图9所示，与实施例一的区别在于：在无人航行器的头部固定连接有立式支撑座9，尾部固定连接有立式轴承座8，并且动力传递机构和倾转机构也设置在了船尾。

如图8所示，为本发明的航行器倾转模块示意图，所述第一锥齿轮17的延伸轴固定在转轴7上，所述第二锥齿轮18连接在所述舵机19的转轴上，所述第一锥齿轮17与所述第二锥齿轮18啮合。

如图9所示，为本发明航行器的航行状态俯视图，第一涵道动力组3和第四涵道动力组6通过立式支撑座9固定连接在无人航行器的头部，第二涵道动力组4和第三涵道动力组5通过立式轴承座8与无人航行器尾部连接。第二涵道动力组4和第三涵道动力组5在航行器倾转机构作用下前倾一个固定的角度与第一涵道动力组3和第四涵道动力组6向上的拉力进行平衡，同时提供航行器水面航行的拉力。通过改变第二涵道动力组4和第三涵道动力组5螺旋桨的差速来实现航行器的转向。

实施例三：

一种涵道式水空两栖无人航行器，参照图2-图5和图10所示，与实施例二的区别在于：在无人航行器的头部和尾部都固定连接有立式轴承座8，并且第一涵道动力组3和第四涵道动力组6由倾转机构带动转轴7可实现倾转，第二涵道动力组4和第三涵道动力组5也可实现同步倾转。

如图10所示，为本发明的航行器的航行状态示意图，第一涵道动力组3和第四涵道动力组6、第二涵道动力组4和第三涵道动力组5通过立式轴承座8固定连接于无人航行器表面。当无人航行器在空中飞行时，所述四个涵道动力组在前后倾转机构的作用下，实现同步倾转到垂直方向上，推动无人航行器在空中飞行；当无人航行器在水中航行时，所述四个涵道动力组通过改变前倾的角度和螺旋桨的转速来完成水面航行和转弯等动作。

实施例四：

一种涵道式水空两栖无人航行器，参照图2-图5和图11-图13所示，与实施例三的区别在于：在无人航行器的头部和尾部都固定连接有立式支撑座9，并且在无人航行器头部的两个立式支撑座9均预留M3螺纹孔径的安装孔21，M3螺丝分别自上而下穿过立式支撑座9和转轴7使其进行紧定连接。

如图11所示，为本发明的航行器的前视图，位于航行器头部靠近第一涵道动力组3的立式支撑座9预留与竖直方向呈30°和60°的M3螺纹孔径的安装孔21，位于航行器头部靠近第四涵道动力组6的立式支撑座9预留与竖直方向呈45°和90°的M3螺纹孔径的安装孔21。根据不同需求，将转轴7固定在不同的安装孔，可实现无人航行器以不同的倾角在水面航行。

如图12所示，为本发明的航行器的俯视图，位于航行器头部靠近第四涵道动力组6的立式支撑座9顶部预留M3螺纹孔径的安装孔21，可用M3螺丝自上而下穿过立式轴承座9和转轴7使其紧定连接。通过手动设置使四个涵道动力组固定在垂直方向上，使无人航行器以类四旋翼的方式在空中飞行。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，对其中部分技术特征进行等同替换，或者是对各部分实施例所记载的技术方案进行修改，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种涵道式可倾转水空两栖无人航行器，其特征在于:包括航行器船体和涵道动力组，涵道动力组由第一涵道动力组、第二涵道动力组、第三涵道动力组和第四涵道动力组组成，四组涵道动力组均可调节角度的固定在船体上，所述四个涵道动力组的中心连线呈正方形；所述第一涵道动力组和第四涵道动力组设置在航行器船体前部，第二涵道动力组和第三涵道动力组设置在航行器船体后部。

2.根据权利要求1所述的涵道式可倾转水空两栖无人航行器，其特征在于：第一涵道动力组和第四涵道动力组之间设置有动力传递机构和倾转机构，所述动力传递机构包括涵道固定座、转轴和立式轴承座，所述涵道动力组与涵道固定座通过两侧螺孔相连接，所述转轴穿过立式轴承座与所述涵道固定座延伸轴相连，立式轴承固定在航行器船体上表面；倾转机构还包括第一直齿轮、第二直齿轮和步进电机，所述第一直齿轮的延伸轴固定连接在所述转轴的中部，所述第二直齿轮的中部固定在步进电机的转轴上，所述第一直齿轮与所述第二直齿轮啮合；顷转机构固定在航行器船体上表面。

3.根据权利要求1所述的涵道式可倾转水空两栖无人航行器，其特征在于：第二涵道动力组和第三涵道动力组之间设置有动力传递机构和倾转机构，所述动力传递机构包括涵道固定座、转轴和立式轴承座，所述涵道动力组与涵道固定座通过两侧螺孔相连接，所述转轴穿过立式轴承座与所述涵道固定座延伸轴相连，立式轴承固定在航行器船体上表面；倾转机构还包括第一锥齿轮、二锥齿轮和步进电机，所述第一锥齿轮的延伸轴固定连接在所述转轴的中部，所述第二锥齿轮的中部固定在步进电机的转轴上，所述第一锥齿轮与所述第二锥齿轮啮合；顷转机构固定在航行器船体上表面。

4.根据权利要求1所述的涵道式可倾转水空两栖无人航行器，其特征在于：第一涵道动力组和第四涵道动力组通过转轴连接，航行器船体的前部和后部都固定连接有立式支撑座，在航行器船体前部的两个立式支撑座均预留若干M3螺纹孔径的安装孔，M3螺丝分别自上而下穿过立式支撑座和转轴，使转轴与立式支撑座紧定连接。

5.根据权利要求1至4任一项所述的涵道式可倾转水空两栖无人航行器，其特征在于：所述第一涵道动力组和所述第三涵道动力组的螺旋桨旋转方向均为第一方向；所述第二涵道动力组和所述第四涵道动力组的螺旋桨旋转方向均为第二方向；其中，第一方向和第二方向相反。

6.根据权利要求1至4任一项所述的涵道式可倾转水空两栖无人航行器，其特征在于：所述所有涵道动力组内部均设置有一螺旋桨以及带动螺旋桨转动的固定马达，所述涵道动力组螺旋桨为叶螺旋桨，涵道材质为碳纤维增强塑料。

7.根据权利要求1至4任一项所述的涵道式可倾转水空两栖无人航行器，其特征在于：所述转轴为15MM碳纤维圆管。

8.根据权利要求2或3所述的涵道式可倾转水空两栖无人航行器，其特征在于：所述步进电机为蜗轮蜗杆减速步进电机。

9.根据权利要求2或3所述的涵道式可倾转水空两栖无人航行器，其特征在于：所述步进电机通过安装支架与航行器船体相连。

10.根据权利要求1至4任一项所述的涵道式可倾转水空两栖无人航行器，其特征在于：所述航行器船体为宽体双体船，船体外壳设置成流线型结构；所述航行器船体内部设有密封舱，密封舱顶部设有可拆卸移动盖。

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