海空两栖变体无人机设计与多模态分析

0引言

伴随着对海域资源的开发,海域环境与生态系统也遭受着严重的破坏,海域保护与水质研究已成为各国实现可持续发展迫在眉睫的课题。随着科技的发展,智能遥控技术日渐成熟,无人设备越来越受到科研人员的青睐。目前,无人机被广泛应用于军事侦察打击、水上航拍、地理勘测等领域,而无人船在水质取样、安全巡检等方面也发挥着巨大的作用[1]。但随着科技的发展与进步,单一的无人机与无人船已经不能满足人们的需求,因此研究人员展开了对两栖甚至多栖平台的研究,两栖无人机应运而生。

海空两栖无人飞行器相较于单一的无人机和无人船更具有优势,其可以通过切换成空中飞行模式,垂直起降,越过障碍。海空两栖变体无人机具有水面垂直起降的功能,其具有空中飞行和水面航行两种模式,在低空巡查任务期间,可以迫降在水面上执行任务[2]。

本文首先对所设计无人机的外形结构进行介绍,确定变体机构及其驱动装置,在总体设计模型的基础上,需要确定关键部件的尺寸,以确保无人机具备良好的工作性能;另外,对无人机的多种运动模式进行分析,以确保无人机的工作性能。

1海空两栖变体无人机设计

1.1 总体功能与设计指标

海空两栖变体无人机通过旋翼转动来提供动力,带动机体升空,在空中控制旋翼差速旋转,调整无人机整体的姿态,借助自身具备的固定翼使无人机进行低空高速的水平飞行,减少了空中飞行的能耗[3]。无人机还可以进行水面航行,水面航行时只需克服水中阻力,消耗的电能更少。无人机本身还具备变体功能,主要依靠机臂折叠展开机构实现,其主要功能为在水面航行时将机臂折叠收纳进机体侧面,减少水面阻力,当无人机进行空中飞行时,展开机臂,旋翼旋转为空中飞行提供动力。

根据常见无人机和无人船的技术指标[4—6],对海空两栖变体无人机拟定以下设计指标:

1)重量不超过15 kg;

2)飞行时间≥15 min,航行时间≥30 min;

3)无人机水平飞行巡航速度25m/s;

4)机身整体设计满足防水要求。

1.2 无人机总体设计

无人机的壳体是整个系统的基础,起到支撑和保护作用。控制系统的主要功能是接收控制端的指令,通过调整电机转速来控制无人机的飞行方向和高度,并控制机臂折叠展开机构和电池组移动机构的驱动电机,实现无人机的各项动作。无人机的动力系统为无人机水面航行和空中飞行提供动力。变体机构驱动丝杠带动转盘,使无人机机臂收缩或张开,改变无人机在空中飞行和水面航行时的机体外形,以减少运动时的阻力。电池组移动机构用于实现电池组在机体壳体内的移动,以改变无人机水中姿态。总体架构如图1所示。

本文设计的无人机结构如图2所示,飞行器下壳体上有凹槽,用于存放收缩的机臂。机臂的折叠由螺旋机构驱动,该机构由内置螺纹的转盘和电机驱动的丝杠组成,电机驱动丝杠带动转盘上下移动,转盘上的柱销在机臂上的槽内相对滑动,从而带动机臂的展开或收缩。机臂展开后,电机螺旋桨产生足够的升力,使无人机垂直升空,控制系统控制螺旋桨转速,调整无人机姿态,进行水平飞行运动。水面航行是通过安装在尾翼处的水下推进器来提供动力的。

无人机下壳体内有无人机控制系统、动力系统以及机臂折叠展开机构、电池组移动机构,整体为封闭式设计。下壳体布局方案如图3所示。

无人机下壳体的上部用于放置电调模块和机臂折叠展开机构及其驱动装置,下部则安装了电池组和电池组移动机构以及控制模块。当电池组移动至无人机机腹后,无人机的姿态转变为水面航行,重心向机腹偏移,但仍然保持在中间位置。

无人机整体外形设计时主要考虑水面航行阻力,所以无人机整体外形采用鱼雷状,这样无人机在水面航行时受到的阻力相对较小。无人机尾翼在上端安装推进器电池供无人机水面航行使用,下端安装水下推进器,且有“十”字形稳定翼,以提高水面航行时的稳定性,并在无人机垂直起降时起支撑作用,它还能在尾部的水下推进器布局合理的前提下提高工作效率[7],如图4所示。

当无人机需要在水面上垂直降落时,无人机会通过直流减速电机驱动丝杠旋转,从而使转盘上移。转盘上的柱销会在机臂槽内滑动,带动机臂折叠。而当无人机垂直起飞时,电机反转,使转盘向下移动,机臂逐渐展开,从而实现垂直起飞。

为了更好地实现机臂的折叠和展开,无人机采用了螺旋机构将电机的旋转运动转化为直线运动。螺旋机构不仅具有高力量增益,而且当导程角小于当量摩擦角时,具有自锁功能。驱动机构由直流减速电机、丝杠和内置螺纹的转盘组成,如图5所示。

2无人机多运动模式分析

海空两栖变体无人机的运动模式可以简要概括为以下几点:

1)利用四旋翼产生的升力进行垂直飞行,同时通过对四个旋翼转速的控制实现垂直和水平飞行的切换;

2)借助固定翼的升力,抵消无人机自身的重力,实现功耗较低的高速水平飞行;

3)通过水下推进器实现水面航行;

4)通过电池组的移动来改变无人机的重心位置,实现水面航行和竖直漂浮姿态的切换。

2.1 垂直飞行模式

本文设计的海空两栖变体无人机采用四旋翼推进系统,同时具备四旋翼式无人机的操纵性[8],可以实现垂直飞行操作。当垂直飞行时,螺旋桨会同时产生拉力,以克服机体重力,从而实现无人机在空中的移动或悬停。这种控制方式类似于四旋翼无人机,通过对四旋翼旋转转速的控制,产生控制力矩,以操纵所有旋转运动,从而改变机体的飞行姿态[9],如图6所示。

2.2水平飞行模式

本文提出了一种海空两栖变体无人机在空中变换飞行姿态的方案,该方案只采用四旋翼推进系统,无须使用其他倾转机构,即可实现垂直飞行转换至水平飞行。这种设计减轻了系统的整体重量,提高了结构可靠性[10]。无人机在水平飞行模式下能够以低能耗进行高速移动,这是由于其机体动力学特性(图7)。一方面,当无人机保持较大倾斜姿态飞行时,四旋翼产生升力会偏向水平方向,从而推动无人机水平移动,这种动力使得机体能够实现高速飞行,因为空气阻力相对于推进系统产生的推力而言较小。另一方面,无人机在高速水平飞行时,机翼以适当的角度做高速运动,通过优化设计,机翼可以产生显著的垂向诱导升力,从而抵消机体的大部分重力。这种设计具有良好的气动效率,即大升阻比。

2.3水面航行模式

本文设计的海空两栖变体无人机结合了无人机和无人船的运动方式,不仅可以在空中飞行,还可以在水面上航行。无人机通过垂直起降方式降落至水面后,为了实现无人机在水中的姿态变换,所有机臂需要折叠并收入机身,以降低无人机的重心。同时,壳体内的电池组移动机构开始从壳体中心移动至机腹旁,成功地将整个无人机的重心转移到机腹处,以改变无人机整体姿态,无人机以水平姿态浸入水中。尾翼处的水下推进器提供水面航行的动力,水下推进器存在正、反转两种模式,因此,无人机可以进行前进和后退两种运动,如图8所示。

2.4水面漂流模式

两栖无人机通常被认为具有自由漂浮在水面无须消耗任何能源的能力,这种特性使得此类无人机可以被广泛地应用于海面长期观测,就像漂流浮标一样[11]。因此,本文提出海空两栖变体无人机可以通过赋予其水面漂流模式来增加其在海上的续航时间。图9展示的是无人机漂浮在水面上的状态。

3 总结与展望

本文主要从海空两栖变体无人机设计和多模态分析两个方面展开研究。在无人机设计部分,根据拟定的总体功能与设计指标,进行无人机的总体设计和各部分的详细设计。在运动模式分析部分,详细介绍了垂直飞行、水平飞行、水面航行以及水面漂流等多个运动模式。

在之后的研究中,笔者计划从以下几个方面进行深入探索和完善:

1)在无人机设计方面,将进一步优化总体功能和设计指标,例如提高飞行性能、增加负载能力等。另外,还打算加入其他创新设计,如自主飞行、自动避障等功能。

2)在运动模式分析方面,将进一步探索不同模式之间的切换过程和控制方法,使无人机在不同环境下能够灵活运行。此外,还可以研究不同模式之间的无缝切换和过渡,提高无人机的飞行效率和稳定性。

3)最后,还可以进行一些实际测试和验证,例如在不同环境条件下对无人机进行试飞,以验证其性能和稳定性。

相信通过这些改进和深入研究,本文所设计的海空两栖变体无人机将会有更广泛的工业和科研价值。

[参考文献]

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[2]张衍,赵金龙,李匡奚,等.一种新型水空两栖变翼式无人机控制系统的设计[J].变频器世界,2021(7):79-82.

[3]邹俊,秦可成.一种采用大角度倾转电机的多模式水空两栖无人机:CN202310542064.3[P].2023-08-15.

[4]秦靖淳.跨介质多旋翼潜空两栖航行器运动控制研究[D].长春:吉林大学,2020.

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[6]钟鹏,张彪,陈冲.水空两栖多旋翼无人机研究和设计[J].现代电子技术,2021,44(20):127-132.

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《机电信息》2025年第18期第10篇