[发明专利]自适应变姿态空中水面潜水无人机及其控制方法

权利要求书

1.一种自适应变姿态空中水面潜水无人机，其特征在于，包括一机体、一水泵、四机臂、四浮力装置、四直流无刷电机和四双用螺旋桨；所述浮力装置均匀分布在所述机体外周并分别通过所述机臂连接所述机体；所述直流无刷电机固定于所述浮力装置内，所述直流无刷电机的输出轴自所述浮力装置的顶端伸出所述浮力装置外；所述双用螺旋桨与所述直流无刷电机的输出轴传动连接；所述浮力装置中空，每一所述浮力装置内固定有相连的一第一控制器和一第一电池；所述第一控制器和所述第一电池连接对应的所述直流无刷电机；所述机体内部形成一水腔，所述机体表面形成一进水口和一排水口，所述进水口和所述排水口通过管路与所述水腔连通，所述水泵安装于所述管路上；所述机体内固定有所述水泵和相连的一第二控制器和一第二电池，所述第二控制器控制所述水泵且包括一通信装置并与各所述第一控制器通信连接。

2.根据权利要求1所述的自适应变姿态空中水面潜水无人机，其特征在于，所述浮力装置中部的直径大于两端的直径，呈鱼雷状。

3.根据权利要求1所述的自适应变姿态空中水面潜水无人机，其特征在于，所述机体呈流线型，且所述机体的上部呈半椭球形，所述机体的中部呈圆弧形，所述机体的底部呈子弹头形。

4.根据权利要求1所述的自适应变姿态空中水面潜水无人机，其特征在于，所述机臂呈中空结构，所述机臂的第一端开口并连通所述水腔，所述机臂的第二端封闭并连接所述浮力装置的外壁。

5.根据权利要求1～4任一项所述的自适应变姿态空中水面潜水无人机，其特征在于，还包括一远程控制端，所述远程控制端通过所述通信装置与所述第二控制器通信连接，所述第二控制器与四个所述第一控制器通信连接。

6.根据权利要求1～4任一项所述的自适应变姿态空中水面潜水无人机的控制方法，包括步骤：

S1：通过所述第二控制器预设多种工作模式，所述工作模式包括空中飞行模式、水面航行模式和水下潜行模式；

S2：根据实际需求选择所需的所述工作模式作为目标工作模式；

S3：根据当前所述工作模式和所述目标工作模式确定工作模式转换方案；

S4：所述第二控制器根据所述工作模式转换方案将所述自适应变姿态空中水面潜水无人机的当前所述工作模式切换至所述目标工作模式。

7.根据权利要6所述的控制方法，其特征在于，所述工作模式转换方案包括：由所述空中飞行模式切换为所述水面航行模式、由所述水面航行模式切换为所述水下潜行模式、由所述水下潜行模式切换为所述水面航行模式、由所述水面航行模式切换为所述空中飞行模式、由所述空中飞行模式切换为所述水下潜行模式和由所述水下潜行模式切换为所述空中飞行模式。

8.根据权利要6所述的控制方法，其特征在于，两个处于对角线的所述双用螺旋桨顺时针旋转，另两个处于对角线的所述双用螺旋桨逆时针旋转；

当所述目标工作模式为所述水面航行模式且当前所述工作模式为所述空中飞行模式时，所述工作模式转换方案为由所述空中飞行模式转换为所述水面航行模式；所述S4步骤中，所述远程控制端通过所述通信装置向所述第二控制器发送控制指令，所述第二控制器向所述第一控制器发送控制指令，使得减小以至于停转两相邻所述双用螺旋桨的旋转速度，该所述双用螺旋桨处于上方的拉动力减小，使所述自适应变姿态空中水面潜水无人机姿态向速度减小的两相邻所述双用螺旋桨一侧发生倾斜，以此姿态进入水面，在重力、水的浮力以及所述双用螺旋桨拉动力的共同作用下，所述自适应变姿态空中水面潜水无人机完成90°倾斜，再通过控制所述水泵调节所述水腔的载水量配合所述浮力装置，使得所述自适应变姿态空中水面潜水无人机漂浮于水面，从而进入所述水面航行模式，此时四个所述双用螺旋桨处于前方可都旋转，带动无人机向前航行，水下两个所述双用螺旋桨和水上两个所述双用螺旋桨的转速不同；

或所述第二控制器向所述第一控制器发送控制指令，同时降低四个所述双用螺旋桨的转速，四个所述双用螺旋桨处于上方的拉动力逐渐减小，使得所述自适应变姿态空中水面潜水无人机垂直下降，四个所述浮力装置下部分进入水中，悬浮于水面上，然后减小以至于停转两相邻所述双用螺旋桨的旋转速度，该所述双用螺旋桨处于上方的拉动力减小，使所述自适应变姿态空中水面潜水无人机姿态向速度减小的两相邻所述双用螺旋桨一侧发生倾斜，以此姿态所述自适应变姿态空中水面潜水无人机上部部分进入水中，通过控制所述水泵调节所述水腔的载水量配合所述浮力装置，使得所述自适应变姿态空中水面潜水无人机漂浮于水面，在重力、水的浮力以及所述双用螺旋桨拉动力的共同作用下，无人机完成90°的倾斜，从而进入所述水面航行模式；此时四个所述双用螺旋桨处于前方可都旋转，带动无人机向前航行，水下两个所述双用螺旋桨和水上两个所述双用螺旋桨的转速不同；

当所述目标工作模式为所述水下潜行模式且当前所述工作模式为所述水面航行模式时，所述工作模式转换方案为由所述水面航行模式切换为所述水下潜行模式；所述S4步骤中，所述远程控制端通过所述通信装置向所述第二控制器发送控制指令，所述第二控制器控制所述水泵吸水，在重力作用下使所述自适应变姿态空中水面潜水无人机潜入水中，所述第二控制器向所述第一控制器发送控制指令，此时四个所述双用螺旋桨处于前方，调整四个所述双用螺旋桨的转速，通过所述双用螺旋桨的旋转从而带动无人机向前潜行，所述水下潜行模式时，通过减小两相邻所述双用螺旋桨的旋转速度，可以使无人机转向、下潜和上潜，无人机的拐向为朝向减小旋转速度的两相邻所述双用螺旋桨的一侧；

当所述目标工作模式为所述水面航行模式且当前所述工作模式为所述水下潜行模式时，所述工作模式转换方案为由所述水下潜行模式切换为所述水面航行模式；所述S4步骤中，所述远程控制端通过所述通信装置向所述第二控制器发送控制指令，所述第二控制器控制所述水泵排水直至所述自适应变姿态空中水面潜水无人机上浮出水面，四个所述双用螺旋桨处于前方拉动；

当所述目标工作模式为所述空中飞行模式且当前所述工作模式为所述水面航行模式时，所述工作模式转换方案为由所述水面航行模式切换为所述空中飞行模式；所述S4步骤中，所述远程控制端通过所述通信装置向所述第二控制器发送控制指令，所述第二控制器控制所述水泵排水并向所述第一控制器发送控制指令，使得水下的两个所述双用螺旋桨转速增加，水上的两个所述双用螺旋桨转速减小以至于停转，无人机由倾斜90°变为向速度减小的水上两个所述双用螺旋桨一侧方向垂直，此时四个所述双用螺旋桨处于上方，然后控制四个所述双用螺旋桨使转速增加，拉着所述自适应变姿态空中水面潜水无人机克服重力垂直上升进入空中；

当所述目标工作模式为所述水下潜行模式且当前所述工作模式为所述空中飞行模式时，所述工作模式转换方案为由所述空中飞行模式转换为所述水下潜行模式；所述S4步骤中，所述远程控制端通过所述通信装置向所述第二控制器发送控制指令，所述第二控制器向所述第一控制器发送控制指令，使得四个所述双用螺旋桨的旋转速度逐渐减小，四个所述双用螺旋桨处于上方的拉动力逐渐减小，使所述自适应变姿态空中水面潜水无人机由重力和四个所述双用螺旋桨处于无人机上方拉动力的共同作用下稳定的垂直进入水中，再通过控制所述水泵增加所述水腔的载水量配合所述浮力装置，使得所述自适应变姿态空中水面潜水无人机潜入水面下；所述远程控制端通过所述通信装置向所述第二控制器发送控制指令，所述第二控制器向所述第一控制器发送控制指令，使得减小以至于停转两相邻所述双用螺旋桨的旋转速度，该所述双用螺旋桨处于上方的拉动力减小，使所述自适应变姿态空中水面潜水无人机姿态在水面下发生向速度减小的两相邻所述双用螺旋桨一侧倾斜，在重力、水的浮力以及所述双用螺旋桨处于上方拉动力减小的共同作用下，所述自适应变姿态空中水面潜水无人机在水面下完成90°倾斜，从而进入所述水下潜行模式，此时四个所述双用螺旋桨处于前方，两个处于对角线的所述双用螺旋桨顺时针旋转，另两个处于对角线的所述双用螺旋桨逆时针旋转，四个所述双用螺旋桨旋转带动无人机向前潜行；

当所述目标工作模式为所述空中飞行模式且当前所述工作模式为所述水下潜行模式时，所述工作模式转换方案为由所述水下潜行模式转换为所述空中飞行模式；所述S4步骤中，所述远程控制端通过所述通信装置向所述第二控制器发送控制指令，所述第二控制器向所述第一控制器发送控制指令，使得减小以至于停转上侧的两相邻所述双用螺旋桨的旋转速度，该所述双用螺旋桨处于前方的拉动力减小，使所述自适应变姿态空中水面潜水无人机姿态在水面下向速度减小的两相邻所述双用螺旋桨一侧倾斜而逐渐恢复垂直，在重力、水的浮力以及四个所述双用螺旋桨拉动力的共同作用下，所述自适应变姿态空中水面潜水无人机在水面下完成恢复垂直姿态；此时所述远程控制端通过所述通信装置向所述第二控制器发送控制指令，所述第二控制器向所述第一控制器发送控制指令，使得两个处于对角线的所述双用螺旋桨顺时针旋转，另两个处于对角线的所述双用螺旋桨逆时针旋转，并使得四个所述双用螺旋桨的旋转速度增加，四个所述双用螺旋桨处于无人机上方的拉动力增加；此时所述远程控制端通过所述通信装置向所述第二控制器发送控制指令，通过控制所述水泵排出所述水腔载水，使所述自适应变姿态空中水面潜水无人机由重力、水的浮力以及四个所述双用螺旋桨处于无人机上方拉动力的共同作用下稳定的垂直穿出水面并最终离开水面，四个所述双用螺旋桨处于上方带动无人机向上航行，飞入空中，进入所述空中飞行模式。