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CN119749901A 一种球形可折展无人机 https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/095188899/publication/CN119749901A?q=pn%3DCN119749901A 本发明涉及飞行器技术领域，尤其涉及一种球形可折展无人机。
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技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，尤其涉及一种球形可折展无人机。
背景技术
随着低空空域管理改革的深化与航空技术体系的迭代升级，低空经济已进入高速发展通道，产业规模年均复合增长率显著提升。在此背景下，无人机产业凭借其技术集成度高、场景适配性强等特征，成为低空经济生态系统的核心增长极，并在技术研发、商业应用及政策协同层面展现出战略性价值。
在城市公共安全管理领域中，无人机的应用范围持续拓展，城市巡检、应急响应、灾害监测及特殊任务执行等多场景均有涉足。公安部门、消防机构及城市管理单位积极响应布局无人机技术，同时科技企业也与政府深度合作参与。在飞行控制、遥感通信、实时监控及避障等技术的发展下，无人机在城市公共安全管理领域的应用也随市场规模的迅速增长，而呈现蓬勃发展的态势。
当前，我国无人机产业在城市公共安全管理领域中，通常采用旋翼无人机。对于市场上常见的旋翼无人机而言，飞行转向主要依靠改变不同旋翼的转速，先调整无人机转向时必要的倾斜姿态，再改变各旋翼的转速，使无人机朝着倾斜的方向飞行。因此，在变向过程中，存在一定的延迟性且无人机姿态倾斜，在变向结束后不易保持平稳。在一些对转向及时性要求极高的场景，比如快速追踪移动目标、穿越狭窄障碍物间隙时，这种延迟可能致使无人机无法精准、迅速地完成转向动作，错过最佳时机，甚至因反应不及撞上障碍物。
发明内容
针对以上不足，本发明提供一种球形可折展无人机，能够解决现有旋翼无人机灵活度较低的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种球形可折展无人机，包括有：
机身骨架，其整体呈球形框架结构，所述机身骨架在其侧面沿圆周均匀设置有多个机臂，所述机臂的顶部与所述机身骨架转动连接；
机臂驱动机构，其设置在所述机身骨架上，用于驱动多个所述机臂绕转动点往外侧展开，或驱动多个所述机臂绕转动点往内侧收纳以与所述机身骨架共同形成球形结构；
转动支架，其横向安装在各个所述机臂内侧，所述转动支架的两端分别与所述机臂两侧转动连接，所述转动支架上安装有动力电机；
转动关节电机，其安装在各个所述机臂内侧用于驱动对应机臂上的所述转动支架转动；
扇叶，其安装在所述动力电机上以由所述动力电机驱动转动。
进一步地，多个所述机臂上的扇叶正装、反装交替设置。
进一步地，所述机臂整体呈外凸的弧形片状结构；
所述机臂的中部位置处开设有通口，所述通口处设置有防护网，所述机臂的两端位置处开设有通气孔；
且当所述转动支架转动到一定角度时能让所述扇叶朝向所述通口，或当所述转动支架转动到一定角度时能让所述扇叶朝向所述通气孔。
进一步地，所述机臂驱动机构包括有：
电机座，其通过支撑柱固定安装在所述机身骨架内部；
丝杠电机，其安装在所述电机座上；
滚珠丝杠，其一端与所述丝杠电机相连接，另一端转动安装在所述机身骨架上；
丝杠螺母，其匹配安装在所述滚珠丝杠上；
顶杆，其为多根，多根所述顶杆一端与所述丝杠螺母转动连接，另一端与对应的各个所述机臂转动连接。
进一步地，所述支撑柱与所述机身骨架的顶部相连接；
各个所述机臂与所述机身骨架的顶部相连接。
进一步地，所述机身骨架的顶面设置有顶面呈圆弧面的机顶盖，所述机顶盖上面设置有防护气垫。
进一步地，所述机臂通过L型板与机身骨架相连接，所述顶杆与L型板的拐角外角侧相连接；
且当所述丝杠螺母带动多根顶杆转动到顶杆与滚珠丝杠相垂直以让机臂展开时，所述顶杆与L型板相贴合，所述L型板与机身骨架相贴合。
进一步地，球形可折展无人机还包括有视觉追踪机构，所述视觉追踪机构包括有：
飞控板，其安装在所述机身骨架上；
机底盖，其设置在所述机身骨架的底部；
视觉传感器，其安装在所述机底盖，并与所述飞控板电性连接；
超声波传感器，其安装在所述机底盖，并与所述飞控板电性连接。
进一步地，所述机底盖上开设有机底盖通口，所述机底盖通口处转动设置有舵机机架以及用于驱动所述舵机机架转动的舵机，所述视觉传感器和超声波传感器安装在所述舵机机架上。
进一步地，所述机底盖的外侧罩设有透明底盖。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供一种球形可折展无人机，通过动力系统可倾转的旋翼在空中平直位移的一个发明构思，将对侧动力电机倾转而其余动力电机保持水平，可以使无人机在对侧动力电机的连线方向上平直移动；将旁侧动力电机倾转而其余动力电机保持水平，可以使无人机在旁侧动力电机的中垂线方向上平直移动，从而能够使无人机具有多个方向的快速水平位移；
2、本发明通过将多个转动关节电机分别与动力电机组合的可倾转动力系统机构设计，能够实现动力电机快速倾转，使一部分动力电机提供竖直升力，而另一部分动力电机提供水平推力，使无人机具备快速平直变向的能力，大大增强了无人机的灵活性能；
3、本发明通过在“伞”型和“球”型之间相互切换的思路与方案，不同的状态下适配不同的环境，“伞”型状态下利于无人机的飞行控制，而“球”型状态下利于穿过狭隘空间，同时还便于运输、保存；
4、本发明通过利用丝杠电机驱动滚珠丝杠，再带动丝杠螺母直线运动，依靠顶杆将机臂像“伞”一样展开或合并的机构设计，在对称位置上的顶杆会相互抵消切向作用力，显著降低滚珠丝杠的切向负载，同时在机臂展开至最大时，处于“死点”位置，能够大幅增强“伞”状态下无人机的稳定性；
5、本发明通过提供了一种无人机跌落保护的思路与方案，将无人机的重量集中在顶部，若无人机在出现意外跌落时，动力电机提供向上的支撑力用于减少落地时的冲击，同时防护气垫将承受大部分的冲击，之后无人机翻滚还能再减少部分冲击，最后防护网进一步吸收冲击；多重方式缓解落地时的冲击，能够有效降低无人机的损失，提高无人机的利用率；
6、本发明通过在机臂上设置同时具有进气道和出气道的通气孔结构以及在通口处装配防护网的弧形机臂的机构设计，能够保证动力装置在倾转过程中，动力气流不会被遮蔽，而导致动力失效，同时这样的设计还能有效的保护机臂内部结构；
7、本发明通过将视觉传感器、超声波传感器和电子气压计用于无人机的视觉追踪的一个思路与想法，三者融合，不仅让无人机在复杂光照、烟尘等多样环境下都能精准追踪，还能提供目标外观、距离、高度乃至气流变化等丰富信息，为追踪决策筑牢根基，同时，即便某一传感器故障，其余仍可靠运行，大大增强系统可靠性，全方位保障无人机视觉追踪任务顺利完成；
8、本发明通过利用舵机实现视觉传感器和超声波传感器翻转的结构，确保在电源中断的瞬间，迅速锁住传感器转轴，让视觉传感器和超声波传感器始终维持在某一选定视角上，其响应迅速、运转高效，能够灵活调节视觉传感器和超声波传感器的观察视角，其结构简单而紧凑，运行可靠性强，并且在自动化控制方面极为便利。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，以下将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明的无人机在“球”型状态下的一个视角下的结构示意图；
图2为本发明的无人机在“球”型状态下的另一个视角下的结构示意图；
图3为本发明的无人机在“伞”型状态下的一个视角下的结构示意图；
图4为本发明的一个机臂在一个视角下的结构示意图；
图5为本发明的一个机臂在另一个视角下的结构示意图；
图6为本发明的多个机臂展开时的结构示意图；
图7为本发明一种示例性的实现方式中各转动关节电机、动力电机以及扇叶的示意简图；
图8为本发明的机臂驱动机构与相关部件的配合结构示意图；
图9为本发明的无人机的部分部件的结构示意图；
图10为本发明的无人机的机身骨架及其上部分部件的结构示意图。
其中，图中所示标记为：1-第一转动关节电机，2-第一转动支架，3-第一动力电机，4-第一扇叶，5-防护网，6-转动支架连接轴，7-第一机臂，8-第二转动关节电机，9-第二转动支架，10-第二动力电机，11-第二扇叶，12-第二机臂，13-第三转动关节电机，14-第三转动支架，15-第三动力电机，16-第三扇叶，17-第四机臂，18-第四转动关节电机，19-第四转动支架，20-第四动力电机，21-第四扇叶，22-第五机臂，23-第五转动关节电机，24-第五转动支架，25-第五动力电机，26-第五扇叶，27-第五机臂，28-第六转动关节电机，29-第六转动支架，30-第六动力电机，31-第六扇叶，32-第六机臂，33-机臂支撑架，34-机身骨架，35-轴承座，36-轴承，37-机顶盖，38-防护气垫，39-机臂连接轴，40-L型板连接轴，41-顶杆，42-丝杠螺母，43-顶杆连接轴，44-滚珠丝杠，45-电机座，46-六角支撑柱，47-丝杠电机，48-电池舱，49-动力锂电池，50-飞控板，51-六角铜柱，52-机底盖，53-支撑脚座，54-视觉传感器转轴支架，55-视觉传感器，56-超声波传感器，57-连接柱，58-舵机支架，59-舵机，60-透明底盖，61-通口，63-通气孔，64-L型板，65-机底盖通口。
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作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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明的目的在于实现一种空间利用率高，结构简单紧凑，运行稳定高效，安全性高，应用场景丰富的球型追踪无人机。通过对无人机机械构造的创新设计，使动力系统可倾转，让无人机具备快速平直变向的能力，提升灵活性；机臂能在“伞”型和“球”型间转换，“伞”型时增强飞行控制性，“球”型时强化机体防护性且便于运输、保存；整体通过对机身框架、机翼形态、连接关节等机械构造的突破性设计，同时还融入了跌落保护功能。该无人机凭借这些特性，能够在复杂飞行工况下敏捷、精确且稳定地转向，有效提高追踪移动目标的效率，适应城市、山区、海岛等多种复杂场景，从根本上强化无人机的机动性与环境适应性，满足各类高要求飞行任务的需求。
请参照图1至图10，本发明提高一种球形可折展无人机，该球形可折展无人机包括有机身骨架34，该机身骨架34整体呈球形框架结构，机身骨架34采用了框架式机身设计，能够有效承受轴向载荷、提高抗扭刚度以增强结构强度和稳定性，兼具重量效率，能减轻重量，延长疲劳寿命，还便于制造和维修。机身骨架34的顶部设置有机顶盖37，底部设置有机底盖52。机身骨架34在其侧面沿圆周均匀设置有多个机臂，机臂的顶部与机身骨架34转动连接。机身骨架34上设置有机臂驱动机构，用于驱动多个机臂绕转动点往外侧展开，或驱动多个机臂绕转动点往内侧收纳以与机身骨架34共同形成球形结构。多个机臂绕转动点往内侧收纳时能够与机身骨架34共同形成球形结构，如图1和图2所示，多个机臂绕转动点往外侧展开时，可看作一种“伞”状结构，如图3所示。
每个机臂内侧均横向安装有一个转动支架，转动支架的两端分别与机臂两侧转动连接，转动支架上安装有动力电机，动力电机上安装有扇叶，以通过动力电机驱动扇叶转动。同时，各个机臂内侧安装有转动关节电机，用于驱动对应机臂上的转动支架转动。
以下为一种示例性的具体实施例中，机身骨架34在其侧面沿圆周均匀设置有六个机臂，分别记为第一机臂7、第二机臂12、第三机臂17、第四机臂22、第五机臂27和第六机臂32，对应的，具有六个转动支架，分别记为第一转动支架2、第二转动支架9、第三转动支架14、第四转动支架19、第五转动支架24和第六转动支架29，具有六个动力电机，分别记为第一动力电机3、第二动力电机10、第三动力电机15、第四动力电机20、第五动力电机25和第六动力电机30，具有六个转动关节电机，分别记为第一转动关节电机1、第二转动关节电机8、第三转动关节电机13、第四转动关节电机18、第五转动关节电机23和第六转动关节电机28，具有六个扇叶，分别记为第一扇叶4、第二扇叶11、第三扇叶16、第四扇叶21、第五扇叶26和第六扇叶31。
其中第一转动关节电机1安装在第一机臂7一侧的支撑板上，并由螺栓连接，第一机臂7另一侧支撑板通过转动支架连接轴6与第一转动支架2连接，第一动力电机3通过螺栓连接于第一转动支架2上。类似的，第二转动关节电机8安装在第二机臂12一侧的支撑板上，第二机臂12另一侧支撑板通过转动支架连接轴与第二转动支架9连接，第二动力电机10则连接于第二转动支架9上；第三转动关节电机13安装在第三机臂17一侧的支撑板上，第三机臂17另一侧支撑板通过转动支架连接轴与第三转动支架14连接，第三动力电机15则连接于第三转动支架14上；第四转动关节电机18安装在第四机臂22一侧的支撑板上，第四机臂22另一侧支撑板通过转动支架连接轴与第四转动支架19连接，第四动力电机20则连接于第四转动支架19上；第五转动关节电机23安装在第五机臂27一侧的支撑板上，第五机臂27另一侧支撑板通过转动支架连接轴与第五转动支架24连接，第五动力电机25则连接于第五转动支架24上；第六转动关节电机28安装在第六机臂32一侧的支撑板上，第六机臂32另一侧支撑板通过转动支架连接轴与第六转动支架29连接，第六动力电机30则连接于第六转动支架29上。由此，第一转动关节电机1、第二转动关节电机8、第三转动关节电机13、第四转动关节电机18、第五转动关节电机23以及第六转动关节电机28转动便会带动对应的第一转动支架2、第二转动支架9、第三转动支架14、第四转动支架19、第五转动支架24和第六转动支架29旋转，使其上对应的第一动力电机3、第二动力电机10、第三动力电机15、第四动力电机20、第五动力电机25和第六动力电机30发生倾转，实现动力电机绕轴旋转。第一转动关节电机1、第二转动关节电机8、第三转动关节电机13、第四转动关节电机18、第五转动关节电机23以及第六转动关节电机28内部还分别置有陀螺仪，能够实时检测第一动力电机3、第二动力电机10、第三动力电机15、第四动力电机20、第五动力电机25和第六动力电机30的倾转角度，并根据需要及时调整。
机臂整体呈外凸的弧形片状结构，该弧形片状结构的弧度与整体呈球形框架结构的机身骨架的弧度相一致，以便于多个机臂绕转动点往内侧收纳时能够与机身骨架34共同形成圆度更好的球形结构。
机臂的中部位置处开设有圆形的通口61，以形成进风口或出风口，通口61处设置有防护网5，防护网5安装在机臂的圆形通口61处，中间还置有缓冲胶垫，并由螺栓连接，用于吸收部分冲击、减少碰撞损伤，在不影响动力电机进风道的前提下，实现对扇叶的跌落保护，大大增强了无人机的可维护性。机臂的两端位置处开设有通气孔62，通气孔62也作为进风口或出风口，提高了无人机的气动性能，示例性的，机臂顶端上的通气孔62为主要位于两侧的三角孔，机臂底端上的通气孔62为均匀分布的阵列排列通孔。当转动支架转动到一定角度时能让扇叶朝向通口61，或当转动支架转动到一定角度时能让扇叶朝向通气孔62。弧形机臂同时设计有通口和通气孔，并装配防护网，保证动力装置倾转过程中动力气流顺畅，避免动力失效，同时还能有效保护机臂内部结构，提升无人机整体气动性能与结构稳定性，降低飞行过程中的能量损耗，增强飞行效率与可靠性。
本发明中，多个机臂上的扇叶正装、反装交替设置。如本示例性的实施例中，第一扇叶4、第三扇叶16、第五扇叶26为正装扇叶，第二扇叶11、第四扇叶21、和第六扇叶31为反装扇叶，第一扇叶4、第三扇叶16、第五扇叶26在对应的动力电机正转时提供向上的升力，第二扇叶11、第四扇叶21、和第六扇叶31在对应的动力电机反转时提供向上的升力。六个扇叶中会有三个顺时针旋转，另外三个逆时针旋转，且相邻的两个扇叶转动方向相反。无人机的空间俯视姿态简图如图7所示，六个扇叶呈正六边形分布，第一扇叶4、第三扇叶16、第五扇叶26顺时针旋转，第二扇叶11、第四扇叶21、和第六扇叶31则逆时针旋转，这种交替设置可以使各个扇叶产生的反扭矩相互抵消，避免无人机在空中发生自转，保证飞行的稳定性。
可参照图3至图6所示，六个机臂绕转动点往外侧展开时，形成一种“伞”状结构，在无人机水平上升时，第一转动关节电机1、第二转动关节电机8、第三转动关节电机13、第四转动关节电机18、第五转动关节电机23和第六转动关节电机28得电始终控制对应的第一动力电机3、第二动力电机10、第三动力电机15、第四动力电机20、第五动力电机25和第六动力电机30处于水平姿态，再有第一动力电机3、第三动力电机15、第五动力电机25得电正转，第二动力电机10、第四动力电机20和第六动力电机30得电反转，其上对应的各个扇叶(第一扇叶4、第二扇叶11、第三扇叶16、第四扇叶21、第五扇叶26和第六扇叶31)产生的反扭矩相互抵消，所有扇叶均提供向上的升力，实现无人机脱离地面。
在无人机水平前进时，第二转动关节电机8、第三转动关节电机13、第五转动关节电机23和第六转动关节电机28得电始终控制对应的第二动力电机10、第三动力电机15、第五动力电机25和第六动力电机30处于水平姿态，第一转动关节电机1得电控制第一动力电机3向外侧倾转90度，第四转动关节电机18得电控制第四动力电机20向内侧倾转90度；再有第一动力电机3、第三动力电机15、第五动力电机25得电正转，第二动力电机10、第四动力电机20和第六动力电机30得电反转；第二扇叶11、第三扇叶16、第五扇叶26和第六扇叶31产生的反扭矩相互抵消，第一转动关节电机1和第四转动关节电机18产生的反扭矩相互抵消，第一扇叶4和第四扇叶21产生的反扭矩相互抵消；第二扇叶11、第三扇叶16、第五扇叶26和第六扇叶31提供向上的升力，第一扇叶4和第四扇叶21提供向前的推力，实现无人机平动前进。在无人机水平后退时，第二转动关节电机8、第三转动关节电机13、第五转动关节电机23和第六转动关节电机28得电始终控制对应的第二动力电机10、第三动力电机15、第五动力电机25和第六动力电机30处于水平姿态，第一转动关节电机1得电控制第一动力电机3向内侧倾转90度，第四转动关节电机18得电控制第四动力电机20向外侧倾转90度；再有第一动力电机3、第三动力电机15、第五动力电机25得电正转，第二动力电机10、第四动力电机20和第六动力电机30得电反转；第二扇叶11、第三扇叶16、第五扇叶26和第六扇叶31产生的反扭矩相互抵消，第一转动关节电机1和第四关节电机18产生的反扭矩相互抵消，第一扇叶4和第四扇叶21产生的反扭矩相互抵消；第二扇叶11、第三扇叶16、第五扇叶26和第六扇叶31提供向上的升力，第一扇叶4和第四扇叶21提供向后的推力，实现无人机平动后退。改变对侧转动关节电机的倾转方向可以使无人机在对侧转动关节电机的连线方向上移动，如第二转动关节电机8和第五关节电机23异向倾转，无人机可沿第二关节电机8和第五转动关节23的连线方向上移动；第三转动关节电机13和关第六节电机28异向倾转，无人机可沿第三转动关节电机13和关第六节电机28的连线方向上移动。
在无人机水平右移时，第一转动关节电机1、第二转动关节电机8、第三转动关节电机13、第四转动关节电机18得电始终控制对应的第一动力电机3、第二动力电机10、第三动力电机15、第四动力电机20处于水平姿态，第五转动关节电机23和第六转动关节电机28得电控制对应的第五动力电机25和第六动力电机30向外侧倾转90度；再有第一动力电机3、第三动力电机15、第五动力电机25得电正转，第二动力电机10、第四动力电机20和第六动力电机30得电反转得电反转；第一扇叶4、第二扇叶11、第三扇叶16、第五扇叶26产生的反扭矩相互抵消，第五转动关节电机23和第六转动关节电机28产生的反扭矩以及第一扇叶4和第四扇叶21产生的反扭矩，可适当增大第二扇叶11、第三扇叶16的升力抵消；第一扇叶4、第二扇叶11、第三扇叶16和第四扇叶21提供向上的升力，第五扇叶26和第六扇叶31提供右移的推力，实现无人机平动右移。在无人机水平左移时，第一转动关节电机1、第四转动关节电机18、第五转动关节电机23和第六转动关节电机28得电始终控制对应的第一动力电机3、第四动力电机20、第五动力电机25和第六动力电机30处于水平姿态，第二转动关节电机8、第三转动关节电机13得电控制对应的第二动力电机10和第三动力电机15向外侧倾转90度；再有第一动力电机3、第三动力电机15、第五动力电机25得电正转，第二动力电机10、第四动力电机20和第六动力电机30得电反转；第一扇叶4、第四扇叶21、第五扇叶26和第六扇叶31产生的反扭矩相互抵消，第二转动关节电机8和第三转动关节电机13产生的反扭矩以及第二扇叶11和第三扇叶16产生的反扭矩，可适当增大第五扇叶26和第六扇叶31的升力抵消；第一扇叶4、第四扇叶21、第五扇叶26和第六扇叶31提供向上的升力，第二扇叶11和第三扇叶16提供左移的推力，实现无人机平动左移。同理，改变旁侧转动关节电机的倾转方向可以使无人机在旁侧转动关节电机的中垂线方向上移动，如第一转动关节电机1和第二转动关节电机8同向倾转，无人机可沿第一转动关节电机1和第二转动关节电机8的中垂线方向上移动；如第一转动关节电机1和第六转动关节电机28同向倾转，无人机可沿第一转动关节电机1和第六转动关节电机28的中垂线方向上移动。
综上可知，本示例性的实施例中，在同一水平面上，无人机可至少在12个方向实现快速水平位移，大大增强了其在复杂环境中的灵活性能，在城市、山区、海岛等复杂环境下，可迅速响应追踪移动目标、穿越狭窄障碍物间隙等任务需求，极大提升了任务执行效率与精准度，突破了传统旋翼无人机转向延迟的局限，增强了无人机对高灵活环境的适应性。且无人机不仅可以在机臂展开以处于“伞形”模式下具有该多个方向实现快速水平位移，同时也能够在机臂收纳以处于“球形”模式下具有同样的多个方向实现快速水平位移，“球形”模式下的实现方式可参照“伞形”模式下的实现方式。“伞”型和“球”型之间相互切换的机构设计，可以在“伞”型状态下，机体控制性得到提高，飞行过程中姿态调整更精准，灵活性更强，飞行更加稳定；又可以在“球”型状态下，增强无人机的防护性能，还利于穿越狭隘空间，同时还能减少空间占用，便于运输、保存，提高了无人机在不同场景下的适应性，拓宽了其应用范围
机臂驱动机构包括有电机座45、支撑柱46、丝杠电机47、滚珠丝杠44、丝杠螺母42和顶杆41。电机座45通过支撑柱46固定安装在机身骨架34内部，丝杠电机47固定安装在电机座45上，滚珠丝杠44一端与丝杠电机47相连接以由丝杠电机47驱动转动，另一端转动安装在机身骨架34上，丝杠螺母42匹配安装在滚珠丝杠44上，顶杆41为多根，数量优选与机臂数量相一致并一一对应，多根顶杆41一端与丝杠螺母42转动连接，另一端与对应的各个机臂转动连接。通过丝杠电机47驱动滚珠丝杠44转动，从而驱动丝杠螺母42沿滚珠丝杠44轴向移动，将电机的旋转运动转化为丝杠螺母42的直线运动，实现对丝杠螺母42位移的精确控制，顶杆41随丝杠螺母42移动，从而能够撑开机臂以让机臂展开或拉回机臂以让机臂收回。
优选的，支撑柱46与机身骨架34的顶部相连接，各个机臂与机身骨架34的顶部相连接，此时，以让无人机的重量集中在顶部。机身骨架34的顶面设置有顶面呈圆弧面的机顶盖37，机顶盖37上面设置有防护气垫38，防护气垫38在发生碰撞时可起到防护作用。
机臂通过L型板64与机身骨架34相连接，顶杆41与L型板64的拐角外角侧相连接，且当丝杠螺母42带动多根顶杆41转动到顶杆41与滚珠丝杠44相垂直以让机臂展开时，顶杆41与L型板64相贴合，L型板64与机身骨架34相贴合。
本一个示例性的实施例中，机臂驱动机构有1个动力源，即为丝杠电机47，安装在电机座45上，并由螺钉连接。电机座45顶部与六根六角支撑柱46固连，六角支撑柱46的另一端又与机身骨架34顶板内侧面固定连接。机身骨架34的顶部设置有轴承座35，其安装孔与六角支撑柱伸出端对其，用螺栓连接。轴承座35内部安装有轴承36，轴承36内圈又与滚珠丝杠44的顶部对接耦合。滚珠丝杠44的底部与丝杠电机47嵌合连接。丝杠螺母42与滚珠丝杠44通过螺纹配合连接，在丝杠电机47带动滚珠丝杠44旋转时，丝杠螺母42沿丝杠轴向移动，将电机的旋转运动转化为直线运动，实现对丝杠螺母42位移的精确控制。机身骨架34顶部设置有机臂支撑架33，在机身骨架34顶部下表面采用螺钉连接。机臂支撑架33在六个方向上的转轴连接桩通过机臂连接轴39分别与第一机臂7、第二机臂12、第三机臂17、第四机臂22、第五机臂27和第六机臂32的L型板64连接，使其可绕轴转动。第一机臂7、第二机臂12、第三机臂17、第四机臂22、第五机臂27和第六机臂32的L型板64在拐角外角侧通过L型板连接轴40与顶杆41连接，使其可绕轴转动，顶杆41的另一端又通过螺母顶杆连接轴43与丝杠螺母42连接，使其可绕轴转动。因此，丝杠螺母42向下位移可以使顶杆41向内缩，使各个机臂闭合以让无人机为“球”型，或者丝杠螺母42向上位移可以使顶杆41向外扩，使各个机臂展开以让无人机为“伞”型，当丝杠螺母42向上位移达到最大值时，顶杆41的中轴线与滚珠丝杠44的中轴线垂直，从动件上的压力角为90度，机构处于“死点”位置，同时对称位置上的顶杆还会相互抵消掉作用力，显著降低了滚珠丝杠44的切向负载，且此时顶杆41与L型板64相贴合，L型板64与机身骨架34相贴合，大大提高了机臂展开时的稳定性。
实施时，当需要展开为“伞”型状态时，丝杠电机47通电，带动滚珠丝杠44正转使得丝杠螺母42向上位移，丝杠螺母42向上位移会使顶杆41向外扩，在顶杆41作用下，各个机臂会像“伞”一样撑开，最终达到机构“死点”位置，实现各个机臂展开。在需要闭合为“球”型状态时，丝杠电机47通电，带动滚珠丝杠44反转使得丝杠螺母42向下位移，丝杠螺母42向下位移会使顶杆41向内缩，在顶杆41作用下，各个机臂会逐渐折叠闭合，最终各个机臂侧面相互接触闭合，实现“球”型状态的转变。无人机可能会因为各种原因失去动力而发生意外跌落，此时无人机迅速转换为“球”型状态，由于无人机重量集中在顶部，无人机顶部朝下跌落，在这一过程中，第一转动关节电机1、第二转动关节电机8、第三转动关节电机13、第四转动关节电机18、第五转动关节电机23和第六转动关节电机28得电翻转始终控制第一动力电机3、第二动力电机10、第三动力电机15、第四动力电机20、第五动力电机25和第六动力电机30提供向上的支撑力，减少落地冲击；同时，顶部的防护气垫38会率先接触地面承受冲击，又由于“球”型的设计，无人机会向在碰撞后翻滚减少碰撞冲击，同时，各个机臂上安装的防护网5则进一步吸收冲击，减轻无人机的损坏，减少维修费用，提高使用效率。本发明的无人机通过将重量集中在顶部，配合动力电机提供向上支撑力以减少冲击、防护气垫吸收冲击、翻滚卸力以及防护网的二次吸收冲击，构建了多重跌落保护体系。这种机制设计能有效降低无人机意外跌落时的损伤程度，减少维修成本与设备损耗，提高了无人机的利用率和使用寿命，保障了设备在复杂环境下的安全性。
无人机还包括有视觉追踪机构，视觉追踪机构包括有飞控板50、机底盖52、视觉传感器55和超声波传感器56。视觉传感器55和超声波传感器56与飞控板50电性连接以接收视觉传感器55和超声波传感器56的信号。可以理解的是，飞控板50同时与无人机上各个电机电性连接，以实现对各个电机进行控制。
视觉追踪机构有1个动力源，即为舵机59，安装在机身骨架34底部的机底盖通口65处，与舵机支架58通过螺栓连接，舵机支架58又通过螺栓连接于机身骨架34底部平板上。舵机转轴通过连接柱57与视觉传感器55和超声波传感器56的转轴连接，视觉传感器55和超声波传感器56的另一侧转轴又与视觉传感器转轴支架54适配连接，可以实时观测外部环境，再通过飞控板50完成对目标的定位捕捉。视觉传感器转轴支架54安装在机身骨架34底部平板的下表面上，采用螺栓链接。机底盖52通过螺钉安装在机身骨架34的底部。机底盖52的底部安装有3个支撑脚座53，且呈中心对称分布形成三角分布，由螺钉连接，用于支撑无人机安全起降、保持机身离地高度以避免接触地面障碍物、辅助在地面移动等操作。机底盖52最底端嵌合连接有透明底盖60，视觉传感器55的观察视角能够通过透明底盖60。透明底盖60采用硼硅玻璃等材质相对均匀、纯净，对超声波的传播影响较小，实现对外部环境状况的有效观测，同时透明底盖60还可为视觉传感器55和超声波传感器56提供一定程度的保护，以抵御诸如灰尘、水汽、轻微撞击等可能的外界干扰。电池舱48安装在机身骨架34顶部，且呈对称分布，由螺栓连接。电源舱48内部留有电池槽，用于存放动力锂电池49，起到安全保护电源、优化电源放置位置以优化无人机整体重心、屏蔽电源产生的电磁干扰，同时为电源提供合适的工作环境(如散热、防潮等)的作用，动力锂电池49用以给无人机供电。飞控板50安装在机身骨架34顶部上，由六角铜柱51支撑并予以螺钉连接，避免与轴承座直接接触。飞控板50可通过借助传感器感知姿态并控制电机调姿以保平衡，稳定飞行全程，协同定位模块导航定位与纠偏，管理多种飞行模式，还能依飞行状态和需求调配电机电力以保障动力系统运作。
在无人机的飞行作业期间，基于视觉捕捉的相关算法模型，视觉传感器55和超声波传感器56能够始终保持对准目标。首先，控制第一转动关节电机1、第二转动关节电机8、第三转动关节电机13、第四转动关节电机18、第五转动关节电机23和第六转动关节电机28和第一动力电机3、第二动力电机10、第三动力电机15、第四动力电机20、第五动力电机25和第六动力电机30利用无人机快速的平直变向，可实现对目标对象的初步定位与对准；通过精确调整舵机59的旋转角度，使视觉传感器55达至选定视角后，舵机59电源中断，牢牢锁住视觉传感器55和超声波传感器56的转轴，使其定格在既定视角，从而确保视觉传感器55持续、稳定地聚焦于目标。
飞控板50中还包含有电子气压计，能够将大气压力转换为电信号，再经过电子电路处理和计算，以数字形式输出高度值，在一定高度范围内，如10至100米高度范围，持续提供相对准确的高度信息。视觉传感器55，在一定高度，如10至100米高度能有效通过识别地面纹理、建筑物等特征进行定位，构建环境地图，提供丰富的环境信息用于避障和路径规划，且高度越高，视野越广，能提前感知更大范围的环境变化。超声波传感器56，在一定低空范围内，如10米左右的低空范围内，能精确测量无人机与下方或周围障碍物的距离，作为视觉定位在低空的补充，当视觉定位受光照、遮挡等因素影响时，超声波传感器可及时提供距离信息，辅助无人机保持安全的飞行高度和距离。飞控板50中的电子气压计与视觉传感器55和超声波传感器56数据融合，可使无人机更全面地了解自身在三维空间中的位置，实现更精确的高度控制和定位。
视觉追踪机构采用舵机翻转视觉传感器和超声波传感器配合高稳定性的无人机，能够实现响应迅速、运转高效，结构简单紧凑，可靠性强。在飞行作业中，基于视觉捕捉算法模型，配合无人机快速变向，可精准定位追踪目标，确保持续稳定的聚焦移动目标，为城市巡检、应急响应、灾害监测等任务提供清晰准确的图像信息，提升任务执行质量与决策依据的可靠性。视觉传感器、超声波传感器与电子气压计用于无人机的视觉追踪优势显著，视觉传感器凭借捕捉目标详细特征的能力，可精准定位目标位置、姿态与运动轨迹，在光线良好的近距场景精度极高；超声波传感器不受光线、颜色干扰，能在恶劣环境下准确测量无人机与目标间距，弥补视觉在距离判断上的短板；电子气压计则依据气压变化稳定提供高度信息，助力无人机适应不同海拔与气压环境，维持飞行高度。
以下为本发明一种示例性的实现方式，将通过无人机准备阶段，起飞阶段，目标初步锁定阶段，目标追踪捕捉阶段，“球”型状态下隐蔽悬停阶段，无人机降落停止阶段，进行一次完整的无人机追踪运动目标任务阐述。
在无人机准备阶段，无人机在“球”型状态下，停在空旷的地面上，电池舱48内的电池动力锂电池49电量充足，各零部件均已调善完毕，飞行任务清晰，路途环境安全，飞控手位于操作室内，启动总电源，准备起飞。
在起飞阶段，飞控板50发出控制信号，第一转动关节电机1、第二转动关节电机8、第三转动关节电机13、第四转动关节电机18、第五转动关节电机23和第六转动关节电机28得电控制对应的第一动力电机3、第二动力电机10、第三动力电机15、第四动力电机20、第五动力电机25和第六动力电机30处于水平姿态，再有第一动力电机3、第三动力电机15和第五动力电机25得电正转，第二动力电机10、第四动力电机20和第六动力电机30得电反转，由于正装第一扇叶4、第三扇叶16、第五扇叶26在第一动力电机3、第三动力电机15和第五动力电机25正转时提供向上的升力，反装第二扇叶11、第四扇叶21、和第六扇叶31在第二动力电机10、第四动力电机20和第六动力电机30反转时提供向上的升力，相邻的两个扇叶转动方向相反，因此各个扇叶产生的反扭矩相互抵消，所有扇叶均提供向上的升力，实现无人机脱离地面。水平抬升一定高度后，飞控板50进一步发出控制信号，丝杠电机47通电，带动滚珠丝杠44正转，由于丝杠螺母42与滚珠丝杠44通过螺纹配合连接，丝杠螺母42会沿丝杠轴向上移动，带动顶杆41倾转向外扩，因此机臂会逐渐展开为“伞”型，当各个机臂张开至最大时，顶杆41的中轴线与滚珠丝杠44的中轴线垂直，从动件上的压力角为90度，机构处于“死点”位置，对称位置上的顶杆41还会相互抵消切向作用力。在各个机臂展开的过程中，第一转动关节电机1、第二转动关节电机8、第三转动关节电机13、第四转动关节电机18、第五转动关节电机23和第六转动关节电机28内部的陀螺仪芯片会结合多个轴向的角速度信息，确定第一动力电机3、第二动力电机10、第三动力电机15、第四动力电机20、第五动力电机25和第六动力电机30的方向和姿态，使其始终处于水平位置。实现无人机在空中“伞”型状态的变形，在达到额定高度后，完成起飞，准备初步锁定目标。
在目标初步锁定阶段，无人机率先抬升至百米高空中，使其拥有更大的视野范围，飞控板50发出控制信号，使舵机59得电，控制视觉传感器55和超声波传感器56倾转，增加无人机前后方向上的视野，通过融合视觉传感器55和飞控板50上的电子气压计数据，以及运用相关算法，反馈清晰的视觉画面，配合飞控手的人工辨别确认，在视觉画面中初步选定目标。之后，飞控板50进一步发出控制信号，第一转动关节电机1、第二转动关节电机8、第三转动关节电机13、第四转动关节电机18、第五转动关节电机23和第六转动关节电机28得电控制对应的第一动力电机3、第二动力电机10、第三动力电机15、第四动力电机20、第五动力电机25和第六动力电机30处于水平姿态，保证升力不变的条件下，增大第二动力电机10、第四动力电机20和第六动力电机30反转的转速，减小第一动力电机3、第三动力电机15、第五动力电机25正转的转速，由于反转扇叶产生的反扭矩大于正转扇叶产生的反扭矩，因此无人机会水平绕中心轴正转，直至选定目标移动到视觉画面的竖直中线上，飞控板50再一次发出控制信号，使第二动力电机10、第四动力电机20和第六动力电机30反转的转速与第一动力电机3、第三动力电机15、第五动力电机25正转的转速相同，反扭矩相互抵消，无人机在空中悬停。舵机59得电，控制视觉传感器55和超声波传感器56细微倾转，使选定目标对准视觉画面中心，完成目标初步锁定，准备进一步对目标追踪捕捉。
在目标追踪捕捉阶段，飞控板50发出控制信号，第二转动关节电机8、第三转动关节电机13、第四转动关节电机18、第五转动关节电机23和第六转动关节电机28得电始终控制对应的第二动力电机10、第三动力电机15、第四动力电机20、第五动力电机25处于水平姿态，第一转动关节电机1得电控制第一动力电机3向外侧倾转90度，第四转动关节电机18得电控制第四动力电机20向内侧倾转90度；再有第一动力电机3、第三动力电机15、第五动力电机25得电正转，第二动力电机10、第四动力电机20和第六动力电机30得电反转；第二扇叶11、第三扇叶16、第五扇叶26和第六扇叶31产生的反扭矩相互抵消，第一转动关节电机1和第四转动关节电机18产生的反扭矩相互抵消，第一扇叶4和第四扇叶21产生的反扭矩相互抵消；第二扇叶11、第三扇叶16、第五扇叶26和第六扇叶31提供向上的升力，第一扇叶4和第四扇叶21提供向前的推力，无人机平动前进。在这过程中，舵机59得电，始终控制视觉传感器55和超声波传感器56缓慢倾转，使选定目标始终对准视觉画面中心，直至无人机在误差范围内位于选定目标的正上方。飞控板50进一步发出控制信号，第一转动关节电机1和第四转动关节电机18得电控制第一动力电机3和第四动力电机20回转至水平，降低第一动力电机3、第二动力电机10、第三动力电机15、第四动力电机20、第五动力电机25和第六动力电机30的转速，使无人机缓速降低水平高度，直至8米高度左右，超声波传感器56开始对目标测距，飞控板50上的电子气压计和视觉传感器55以及超声波传感器56，三者数据通过相关算法进一步整合，降低测距误差，使视觉捕捉更加精确，无人机空中悬停，判断目标是否继续移动。如果目标移动，飞控板50再一次发出控制信号，按照上述无人机控制原理，在至少12个方向上平动位移对目标继续定位跟踪，让无人机始终位于选定目标容许误差内的正上方。直至选定目标在一定时间内静止不动，完成目标的追踪捕捉，准备转变为“球”型状态下隐蔽悬停，进一步对目标开展细致分析。
在“球”型状态下隐蔽悬停阶段，飞控板50发出控制信号，丝杠电机47通电，电机带动滚珠丝杠44反转，由于丝杠螺母42与滚珠丝杠44通过螺纹配合连接，丝杠螺母42会沿丝杠轴向下移动，带动顶杆41倾转向内回缩，因此各个机臂会逐渐闭合为“球”型。在机臂闭合的过程中，第一转动关节电机1、第二转动关节电机8、第三转动关节电机13、第四转动关节电机18、第五转动关节电机23以及第六转动关节电机28内部的陀螺仪芯片会结合多个轴向的角速度信息，确定第一动力电机3、第二动力电机10、第三动力电机15、第四动力电机20、第五动力电机25和第六动力电机30的方向和姿态，使其始终处于水平位置。之后，飞控手通过细微调整，使无人机在额度高度、额定角度条件下，以“球”型状态悬停在选定目标周围，对选定目标进行高清画面拍摄，记录选定目标的重要动作行为，等待后续任务的开展。
在无人机降落停止阶段，在无人机完成指定追踪任务后，就近选择合适的降落停放地点，并且按照上述控制原理切换为“伞”型状态，按照路线前往。在到达降落地点正上方后，飞控板50发出控制信号，丝杠电机47通电，电机带动滚珠丝杠44反转，丝杠螺母42沿丝杠轴向下移动，带动顶杆41倾转向内回缩，各个机臂逐渐闭合为“球”型。在这过程中，第一转动关节电机1、第二转动关节电机8、第三转动关节电机13、第四转动关节电机18、第五转动关节电机23以及第六转动关节电机28得电，始终控制第一动力电机3、第二动力电机10、第三动力电机15、第四动力电机20、第五动力电机25和第六动力电机30处于水平姿态。转变为“球”型状态后，降低第一动力电机3、第二动力电机10、第三动力电机15、第四动力电机20、第五动力电机25和第六动力电机30的转速，使无人机缓速降低水平高度，直至支撑脚座53接触地面，实现软着陆。无人机待机整合数据，整合完成后，向控制室发出本次任务过程的详细报告，断开无人机电源，完成一次无人机追踪运动目标任务。
综上所述，本发明的球型无人机凭借独特的机械构造设计与多元传感器融合运用，展现出卓越性能。从准备阶段的万事俱备，到起飞时通过巧妙的电机协作实现“伞”型展开与升空；在目标初步锁定阶段，利用高空视野与传感器倾转、数据融合，快速选定目标并精准悬停；目标追踪捕捉阶段更是通过复杂而有序的动力电机、关节电机操控，配合传感器实时调整，确保无人机稳定追踪；“球”型状态下隐蔽悬停既能保护机体，又能悄然记录目标信息；直至降落停止阶段的平稳着陆与数据反馈，全过程一气呵成。该无人机高度整合机械创新与智能控制，切实满足了在城市、山区、海岛等复杂场景下对移动目标高效、精准追踪的需求，为执行各类高要求飞行任务提供了可靠保障，具有广阔的应用前景与极高的实用价值，有望推动无人机在追踪领域迈向新高度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
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本申请涉及无人航行器技术领域，尤其涉及一种水空跨介质航行器。 https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/094940175/publication/CN119637133A?q=pn%3DCN119637133A
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技术领域
本申请涉及无人航行器技术领域，尤其涉及一种水空跨介质航行器。
背景技术
水空跨介质航行器实现了飞行器和水下航行器的结合，具有广泛的军用和民用价值。与传统飞行器相比，水空跨介质航行器可以通过水下潜航策略提高自身隐蔽性，在军事上可以有效避开敌方空中雷达和海岸雷达的探测，显著提高隐身能力；与传统的水下航行器相比，水空跨介质航行器通过使用空中飞行策略，可以增加作战范围和机动能力，还可以整合水下和空中传感信息的能力。
目前水空跨介质航行器为适应空中和水下两种介质的航行，多在机器的不同高度上布置两套不同的推进系统，一套为水下推进系统，一套为空中推进系统，来适应两种不同的环境，导致整体推进系统体积大、控制复杂。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本申请要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种水空跨介质航行器，旨在解决现有技术中整体推进系统体积大、控制复杂的问题。
本申请解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种水空跨介质航行器，其包括：
驱动装置；
多个旋翼；所述旋翼包括水下桨和空中桨；所述水下桨的一端与所述驱动装置连接，另一端与所述空中桨连接；所述空中桨可相对于所述水下桨转动，以在空中航行时呈与所述水下桨同轴的展开状态、在水下航行时呈相对于所述水下桨倾斜的折叠状态。
所述的水空跨介质航行器，其中，每两个旋翼构成一个旋翼组，多个旋翼组竖直分布；所述旋翼组中两个空中桨呈折叠状态时，折叠方向相反。
所述的水空跨介质航行器，其还包括：
主轴，与所述驱动装置连接，以在所述驱动装置的驱动下转动；
中联，位于两个所述旋翼之间，并设置于所述主轴的顶端；
两个夹座，分别设置于所述中联的两侧，并与位于最上方的旋翼组中两个水下桨一一对应连接；所述夹座可相对于所述中联绕所述水下桨的轴线转动；
所述的水空跨介质航行器，其还包括：
固定架；
桨距调节装置，设置于所述固定架上，并与所述夹座连接；所述桨距调节装置用于带动所述夹座转动，以调节所述旋翼的桨距。
所述的水空跨介质航行器，其中，所述桨距调节装置包括：
多个舵机，设置于所述固定架上；
十字盘；
多个拉杆，与所述舵机一一对应；所述拉杆的底端与所述舵机的摇臂活动连接、顶端与所述十字盘的外盘活动连接，以带动所述十字盘相对于所述主轴倾斜；
旋翼拉臂，底端与所述十字盘的内盘活动连接，顶端与所述夹座活动连接，以带动所述夹座相对于所述中联转动。
所述的水空跨介质航行器，其中，所述拉杆为三个，三个所述拉杆沿所述十字盘的外圆周均匀分布。
所述的水空跨介质航行器，其还包括：
浮心调节舱，套设于所述固定架的外围，并可相对于所述固定架升降。
所述的水空跨介质航行器，其还包括：
导向柱，竖直设置于所述固定架上；
连接件，设置于所述浮心调节舱内，并套接于所述导向柱外；所述连接件可沿所述导向柱升降。
所述的水空跨介质航行器，其中，所述旋翼组为两个，两个所述旋翼组分布于所述固定架的上下两侧；所述驱动装置包括两个驱动机构，两个驱动机构分别与两个所述旋翼组一一对应连接，以驱动所述旋翼组转动。
所述的水空跨介质航行器，其中，所述驱动机构包括：
驱动器；
传动轴，与所述驱动器连接，以在所述驱动器的驱动下转动；
齿轮组件，套设于所述传动轴上，并与所述旋翼组连接，以带动所述旋翼组转动。
所述的水空跨介质航行器，其还包括：
起落架；所述起落架上设置有容纳位。
所述的水空跨介质航行器，其还包括：
电子舱，设置于所述容纳位内；
电子设备系统，设置于所述电子舱内，并与所述驱动装置电性连接。
有益效果：本申请中将水下桨和空中桨集成在一起形成一个旋翼，设计了复合自适应旋翼结构，使所述旋翼的整体布局更加紧凑，并可以共享所述驱动装置实现空中和水下运动，同一驱动可同时服务于所述空中桨和所述水下桨，动力传递更加直接和高效，减少了额外传动装置引起的能量损失，从而在实现水下和空中高速巡航的同时，降低了推进系统的体积、重量和控制复杂度；
本申请通过所述桨距调节装置来控制航行器的Pitch和Roll运动，具有响应迅速、舵机要求低、可靠性高的优点；
本申请中所述浮心调节舱可以通过升降移动来调节浮心位置，实现姿态转换，解决了空中飞行和水下航行姿态转换问题，显著提高水下航行的效率；
本申请中共轴双旋翼式的设计减少了零件使用量，降低了结构复杂度、故障率和维护成本，在保证稳定性的同时，减少了重量和体积，使跨介质航行器更适合复杂环境下的作业。
附图说明
图1是本申请中所述的水空跨介质航行器的整体装配结构示意图；
图2是本申请中所述空中桨与所述水下桨呈折叠状态时，所述旋翼组的使用状态参考图；
图3是图1中A处的局部放大示意图；
图4是本申请中所述旋翼的部分分解结构示意图；
图5中是本申请中所述水下桨的结构示意图；
图6是本申请中所述浮心调节舱与所述固定架的分解结构示意图；
图7是本申请中所述驱动装置与所述固定架的装配结构示意图；
图8是本申请中所述电子舱的分解结构示意图；
图9是本申请中所述起落架的结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图和优选实施例来说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本申请，而不是为了限制本申请的保护范围。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，遂图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本申请提供一种水空跨介质航行器，如图1所示，所述水空跨介质航行器包括：固定架1、驱动装置2(如图7所示)和至少两个旋翼组3；所述驱动装置2设置于所述固定架1上；所述旋翼组3之间共轴且竖直分布；所述旋翼组3包括水平分布的两个旋翼30；如图1和图2所示，所述旋翼30包括水下桨301和空中桨302；所述水下桨301的一端与所述驱动装置2连接，另一端与所述空中桨302连接；所述空中桨302可相对于所述水下桨301转动，以在空中航行时呈与所述水下桨301同轴的展开状态、在水下航行时呈相对于所述水下桨301倾斜的折叠状态；所述旋翼组3中两个水下桨301同轴布置。
具体地，每个旋翼组3均包括两个旋翼30，每个旋翼30均包括所述水下桨301和所述空中桨302；所述驱动装置2与所有旋翼组3连接，从而驱动所有旋翼30转动。所述旋翼组3中两个旋翼30水平分布，且所述旋翼组3包括两个水下桨301和两个空中桨302，所述旋翼组3中的两个水下桨301相邻且同轴布置，所述旋翼组3中的两个空中桨302相互远离。当所述空中桨302与所述水下桨301呈展开状态时，所述空中桨302与所述水下桨301同轴布置；当所述空中桨302与所述水下桨301呈折叠状态时，所述空中桨302的中心轴线相对于所述水下桨301的中心轴线偏离，使得所述空中桨302与所述水下桨301之间形成一定的夹角。
对于所述旋翼30，所述空中桨302位于所述水下桨301的外侧、并能够相对于所述水下桨301转动；当所述跨介质航行器从水下切换到空中时，所述空中桨302在离心力作用下自动相对于所述水下桨301旋转至展开状态，以提供足够的升力在空中飞行；当所述水空跨介质航行器从空中切换到水下后，所述空中桨302在水的阻力作用下自动相对于所述水下桨301旋转至折叠状态(如图2所示)，仅使用所述水下桨301提供动力，可以使所述驱动装置2依然保持较高的转速，以保证所述驱动装置2具有较高的输出效率，同时所述空中桨302的折叠可以减小水下航行时的阻力。
可见，本申请中将水下桨301和空中桨302集成在一起形成一个旋翼30，设计了复合自适应旋翼30结构，使所述旋翼30的整体布局更加紧凑，并可以共享所述驱动装置2实现空中和水下运动，同一驱动可同时服务于所述空中桨302和所述水下桨301，动力传递更加直接和高效，减少了额外传动装置引起的能量损失，从而在实现水下和空中高速巡航的同时，降低了推进系统的体积、重量和控制复杂度。
本申请中一实施例，所述空中桨302的长度大于所述水下桨301的长度；所述水下桨301的桨距小且长度短，所述空中桨302的桨距大且长度长。
具体地，水的密度是空气的约800倍，因此在水中即使使用较小的桨距，桨叶也能推动大量的水，产生足够的推力。如果桨距过大，则会导致桨叶无法充分利用所述驱动装置2的动力，出现“过载”现象，增加能量消耗，使效率降低；因此，所述水下桨301采用小桨距，以匹配水的高阻力环境，实现平稳、效率高的推进。而空气的密度低，空气的密度远低于水，桨叶必须加速较大的空气体积才能产生足够的推力，因此所述空气桨需要更大的桨距，使每一圈旋转都能推动更多空气，提高飞行效率和覆盖范围。所述空中桨302和所述水下桨301的桨叶均采用高强度、轻质的碳纤维复合材料制成，具有优异的机械性能和耐腐蚀性能。
本申请中一实施例，如图2所示，当所述空中桨302与所述水下桨301呈折叠状态时，所述空中桨302与所述水下桨301之间呈90°夹角，即所述空中桨302与所述水下桨301相互垂直。
具体地，在水下航行环境下，所述水下桨301和所述空中桨302在90°夹角时，受水流作用的方向基本互不干涉，使水流分布更加对称，力矩平衡效果更佳，避免所述水下桨301和所述空中桨302桨叶之间的尾流相互影响。并且，90°角在应力分布上是对称的，能最大程度降低所述水下桨301和所述空中桨302之间折叠点的受力集中。
本实施例中一实施方式，如图4所示，所述水下桨301靠近所述空中桨302一端设置有开口槽3011；如图5所示，所述开口槽3011具有两个开口(第一开口3012和第二开口3013)；其中，所述第一开口3012位于所述水下桨301的端面，所述第二开口3013位于所述水下桨301的侧面，且所述第一开口3012与所述第二开口3013连通，使得所述开口槽3011形成具有90°开口的收容槽。则，在所述开口槽3011的收容与限位作用下，所述空中桨302相对于所述水下桨301旋转时，只能沿所述开口槽3011的开口旋转，且最大旋转角度为90°。
当所述空中桨302穿过所述第一开口3012时，所述空中桨302与所述水下桨301同轴布置，所述空中桨302与所述水下桨301呈展开状态；当所述空中桨302穿过所述第二开口3013时，所述空中桨302相对于所述水下桨301倾斜90°，所述空中桨302与所述水下桨301呈折叠状态。
本申请中一实施例，所述旋翼组3中两个空中桨302呈折叠状态时，折叠方向相反。
本实施例中一实施方式，当所述水空跨介质航行器处于静态时，所述旋翼组3中两个水下桨301上的第二开口3013朝向相反，即可使得所述旋翼组3中两个空中桨302的折叠方向相反。
如图3和图4所示，所述水空跨介质航行器还包括主轴4、中联5、桨距调节装置6和两个夹座7；所述主轴4与所述驱动装置2连接，以在所述驱动装置2的驱动下转动；所述中联5位于两个所述旋翼30之间，并设置于所述主轴4的顶端；两个夹座7分别设置于所述中联5的两侧，并与位于最上方的旋翼组3中两个水下桨301一一对应连接；所述夹座7可相对于所述中联5绕所述水下桨301的轴线转动；所述桨距调节装置6设置于所述固定架1上，并与所述夹座7连接；所述桨距调节装置6用于带动所述夹座7转动，以调节所述旋翼30的桨距。
具体地，所述中联5呈T字型；所述中联5通过所述夹座7与最上方旋翼组3中的水下桨301连接，所述中联5设置于所述主轴4的顶端，所述主轴4与所述驱动装置2连接，则在所述驱动装置2的驱动作用下，所述主轴4通过所述中联5和所述夹座7带动所述水下桨301转动，从而实现最上方旋翼组3的转动。
所述夹座7用于夹持固定所述水下桨301，同时，所述夹座7还可在所述桨距调节装置6的带动下相对于所述中联5转动，且所述夹座7的旋转中心与所述水下桨301的轴线重合，则，当所述夹座7旋转时，所述水下桨301和所述空中桨302同步自转，从而实现所述旋翼30的桨距的调节。
需要说明的是，本申请中仅位于最上方的旋翼组3需要进行桨距调节，而其余旋翼组3桨距固定。由于位于最上方的旋翼组3负责主要的推力调节和方向控制，下方旋翼组3通常提供固定升力、主要用于提供升力和抵消上方旋翼组旋转时旋转轴受到的反扭矩(反扭矩是由于空气给旋翼的反作用力产生的)，因此，通过调节周期桨距以控制飞行方向、调节总桨距以控制升力，两者相结合即可控制飞行速度和飞行方向，实现稳定的飞行和动力分配。同时，每增加一组桨叶的桨距调节，就需要增加一个桨距调节装置6，本申请中只需要设置一个所述桨距调节装置6来实现位于最上方的旋翼组3的桨距调节，简化整个桨距控制系统。另外，上方旋翼的气流会影响下方旋翼的气动性能，如果下方旋翼也频繁调整桨距，会导致两个旋翼组3之间的气动干扰变得更复杂，甚至引发效率下降和飞行不稳定；因此，保持下方旋翼的固定桨距，有助于降低这种互干扰的影响。
如图3和图4所示，所述桨距调节装置6包括多个舵机61、轴承62、十字盘63、多个拉杆64、以及旋翼拉臂65；多个舵机61设置于所述固定架1上；所述轴承62套设于所述主轴4上；所述十字盘63套设于所述轴承62上；多个拉杆64与所述舵机61一一对应；所述拉杆64的底端与所述舵机61的摇臂活动连接、所述拉杆64的顶端与所述十字盘63的外盘631活动连接，以带动所述十字盘63相对于所述主轴4倾斜；所述旋翼拉臂65的底端与所述十字盘63的内盘632活动连接，所述旋翼拉臂65的顶端与所述夹座7活动连接，以带动所述夹座7相对于所述中联5转动。
具体地，所述舵机61与所述拉杆64一一对应；所述拉杆64的底端和顶端分别与所述舵机61的摇臂、所述十字盘63的外盘631连接，使得当所述舵机61启动且所述舵机61的摇臂转动时，所述拉杆64活动，从而带动所述十字盘63的外盘631相对于所述主轴4倾斜，进而带动所述十字盘63的内盘632相对于所述主轴4倾斜。所述十字盘63的内盘632通过所述旋翼拉臂65与所述夹座7连接，则当所述十字盘63的内盘632相对于所述主轴4倾斜时，因所述旋翼拉臂65为刚性拉臂、所述旋翼拉臂65的长度不可变，则所述旋翼拉臂65可带动所述夹座7相对于所述中联5转动，实现所述旋翼30的桨距的调节。
由于所述十字盘63的内盘632的和所述旋翼拉臂65的传动作用，实现了位于最上方的旋翼30的桨距周期变化，从而实现所述跨介质航行器的Pitch和Roll运动。此处Pitch和Roll运动是解耦的，有助于提升所述跨介质航行器的操控性能；同时，调整所述舵机61的摇臂还可以实现所述十字盘63高度的调整，继而改变旋翼30桨距，最终改变旋翼30提供的升力和效率。
需要说明的是，当所述舵机61的摇臂转动时，所述拉杆64不仅会产生转动运动，还会产生升降、倾斜等相对位移；同理，当所述十字盘63的内盘632相对于所述主轴4倾斜时，所述旋翼拉臂65也会产生多个方向的位移，因此，所述拉杆64与所述舵机61的摇臂和所述十字盘63之间的连接、以及所述旋翼拉臂65与所述十字盘63和所述夹座7之间的连接均为活动连接，以保证不会对所述拉杆64和所述旋翼拉臂65的活动产生不良干涉。
所述轴承62为鱼眼轴承，通过所述鱼眼轴承在所述主轴4与所述十字盘63之间的承接作用，使得所述十字盘63的内盘632可以相对于所述主轴4产生倾斜。
本申请中一实施例，所述固定架1上还设置有导向架8(如图3所示)，所述导向架8上设置有导向槽81，所述导向槽81竖直布置；所述十字盘63的外盘631上设置有导向臂9，所述导向臂9与其中一个拉杆64活动连接后插入所述导向槽81内，并可沿所述导向槽81升降。
本申请中一实施例，所述拉杆64为三个，三个所述拉杆64沿所述十字盘63的外圆周均匀分布。
具体地，所述十字盘63通过三个拉杆64实现倾斜；在三维空间中，三个点可以唯一确定一个平面，而所述十字盘63的倾斜本质上是调整一个平面的方向：两个方向的倾斜自由度(俯仰和横滚)，加上一个上下移动的自由度(用于改变总桨距)，三个所述拉杆64的位置和长度可以通过力的分配精确调整所述十字盘63的倾斜角度和高度，从而实现控制需求。
并且，三个所述拉杆64之间布置成120°对称分布，可以在所述十字盘63倾斜时保持力的均匀分布，避免因受力不均导致结构变形或额外的振动。
所述水空跨介质航行器还包括浮心调节舱10(如图1和图6所示)，所述浮心调节舱10套设于所述固定架1的外围，并可相对于所述固定架1升降。所述水空跨介质航行器还包括升降装置11(如图7所示)，所述升降装置11设置于所述固定架1上，并与所述浮心调节舱10连接，以驱动所述浮心调节舱10升降。
具体地，所述浮心调节舱10在所述升降装置11的驱动下在竖直方向上进行升降，通过改变其上下位置来改变所述水空跨介质航行器的浮心与重心的相对位置，从而调整所述水空跨介质航行器在水中的姿态。
当所述水空跨介质航行器需要进入水下执行任务时，首先降低所述旋翼30的转速，使升力逐渐减小，所述水空跨介质航行器在重力作用下缓慢下降。当接触水面时，所述空中桨302在水的阻力作用下迅速折叠，减少了入水时的阻力和冲击力；此时，所述升降装置11开始工作，通过控制所述浮心调节舱10下移实现浮心位置的下降，进而实现所述水空跨介质航行器姿态由竖直状态切换为水平状态，完成空中运动到水中运动的平稳过渡。在水中运动时，只有所述水下桨301提供动力。由于所述水下桨301设计的尺寸和桨距都很小，所述驱动装置2此时仍然可以保持较高的转速，既保证了足够的推力，也保证了所述驱动装置2较高的输出效率。
当所述水空跨介质航行器需要从水下返回空中时，首先通过所述升降装置11控制所述浮心调节舱10上移，控制浮心位置上升，使所述水空跨介质航行器姿态由水平状态变为竖直状态。然后，逐渐增加所述旋翼30的转速，使所述水空跨介质航行器快速冲向水面。位于最上方的旋翼30首先离开水面，由于没有了水的阻力，位于最上方的旋翼30会突然加速，在离心力作用下，位于最上方的旋翼30的空中桨302瞬间展开，产生更大的升力，带动所述水空跨介质航行器进一步上升。然后，下方的旋翼30也离开水面，并重复上一过程。此时加大驱动力，升力急剧增加，所述水空跨介质航行器克服自身重量，实现垂直上升，进入空中飞行模式。
所述升降装置11包括电动推杆，所述电动推杆与所述浮心调节舱10连接，从而带动所述浮心调节舱10升降。
如图7所示，所述水空跨介质航行器还包括导向柱12和连接件13；所述导向柱12竖直设置于所述固定架1上；所述连接件13设置于所述浮心调节舱10内，并套接于所述导向柱12外；所述连接件13可沿所述导向柱12升降。所述导向柱12用于通过所述连接件13对所述浮心调节舱10的升降进行限位，使得所述浮心调节舱10进行升降移动时能够始终沿直线升降，而不会产生偏斜。
本申请中一实施例，所述旋翼组3为两个，两个所述旋翼组3分布于所述固定架1的上下两侧；所述驱动装置2包括两个驱动机构20，两个驱动机构20分别与两个所述旋翼组3一一对应连接，以驱动所述旋翼组3转动。即，每个旋翼组3均采用独立的驱动机构20进行驱动，从而实现不同旋翼组3的不同转速的调节。所述水空跨介质航行器在空中飞行和水下航行时，方向控制策略相同，通过所述桨距调节装置6控制位于最上方的旋翼30的周期桨距，实现精确的Pitch和Roll运动；通过两个所述驱动机构20独立控制上下旋翼30的转速差，实现所述水空跨介质航行器的偏航控制。两个所述旋翼组3的旋转中心位于一条竖直线上，使得所述水空跨介质航行器形成共轴双旋翼30结构，减少了零件使用量，降低了结构复杂度、故障率和维护成本，在保证稳定性的同时，减少重量和体积，使跨介质航行器更适合复杂环境下的作业。
如图7所示，所述驱动机构20包括驱动器21、传动轴22和齿轮组件；所述传动轴22与所述驱动器21连接，以在所述驱动器21的驱动下转动；所述齿轮组件与所述旋翼组3连接，以带动所述旋翼组3转动。所述齿轮组件包括第一齿轮23和第二齿轮24；所述第一齿轮23套设于所述传动轴22上；所述第二齿轮24与所述第一齿轮23啮合，并与所述旋翼组3连接，以带动所述旋翼组3转动；所述第二齿轮24的直径大于所述第一齿轮23的直径。
位于下方的两个旋翼30通过传动盘17进行固定；所述固定架1的底部还设置有固定轴18，所述固定轴18与所述传动盘17同轴布置，且所述固定轴18向下自所述传动盘17穿过，以将所述传动盘17定位在所述固定架1的下方。对于最上方的旋翼30：对应的第二齿轮24与所述主轴4同轴布置，则所述驱动器21驱动所述第一齿轮23转动时，所述第二齿轮24可以同步带动所述主轴4转动，从而实现位于最上方的旋翼30的旋转。对于下方的旋翼30：对应的第二齿轮24与所述固定轴18同轴布置，则所述驱动器21驱动所述第一齿轮23转动时，所述第二齿轮24可以通过所述固定轴18和所述传动盘17对力的传动，同步带动下方的旋翼30旋转。
所述第一齿轮23与所述第二齿轮24形成齿轮减速结构，齿轮减速结构采用高精度的POM斜齿轮设计，传动效率高、重量轻、噪音低、自润滑。所述传动轴22采用铝合金材质，能够承受旋翼30高速旋转产生的轴向和径向力；所述固定架1采用航空铝合金材料，既保证了结构强度，又减轻了整体重量；所述驱动器21包括电机。
如图1和图8所示，所述水空跨介质航行器还包括起落架14、电子舱15和电子设备系统16；如图9所示，所述起落架14上设置有容纳位140；所述电子舱15设置于所述容纳位140内；所述电子设备系统16设置于所述电子舱15内，并与所述驱动装置2电性连接。
具体地，所述起落架14使得所述水空跨介质航行器可以从陆地起飞和降落，提高了部署和回收的效率。所述起落架14与所述固定轴18连接，并位于所述传动盘17的下方；所述起落架14还用于承载所述电子舱15和所述电子设备系统16。如图9所示，所述起落架14具有支撑杆141，所述支撑杆141为碳纤维杆，以增强所述起落架14的结构强度，同时减轻整体重量，提供更好的抗冲击能力和耐用性；在所述支撑杆141的两端安装了弯头142，所述弯头142用于吸收和分散着陆时的冲击力，减少对机身和起落架14其他部分的损伤，更好地适应不平整的地形，提高着陆和滑行的适应性、稳定性。
所述电子设备系统16设置于所述电子舱15内，所述电子舱15用于提供密封环境，从而保证所述水空跨介质航行器水下航行时所述电子设备系统16不会因进水而损坏。
如图8所示，所述电子舱15包括舱体151和盖体152，所述盖体152用于扣合于所述舱体151上，以对所述舱体151内空间进行密封；所述盖体152与所述舱体151之间设置有密封圈153。所述密封圈153涂抹密封硅脂后插入所述舱体151进行防水密封；所述盖体152上开有穿线孔、气密测试孔和充电孔，穿线孔采用电缆配合不锈钢格兰头及涂抹硅橡胶的方式防水，气密测试孔安装气密测试头，充电孔用于锂电池的充电；所述舱体151为耐压舱体151，能够在水下高压环境中有效保护内部所述电子设备系统16。
如图8所示，所述电子设备系统16包括电源161、飞行控制器162、通信装置163和电子调速器164；所述电源161、所述通信装置163、所述电子调速器164和所述驱动装置2均与所述飞行控制器162电性连接。所述飞行控制器162用于获取所述水空跨介质航行器的姿态、位置、环境和状态信息，记录所述水空跨介质航行器的运行数据和任务数据；所述通信装置163支持2.4GHz和433MHz无线通信，实现与地面站、遥控器和其他设备的实时数据传输和指令接收；所述电子调速器164用于控制所述驱动器21的运行。
综上所述，本申请提供一种水空跨介质航行器，其包括：固定架；驱动装置，设置于所述固定架上；多个旋翼；所述旋翼包括水下桨和空中桨；所述水下桨的一端与所述驱动装置连接，另一端与所述空中桨连接；所述空中桨可相对于所述水下桨转动，以在空中航行时呈与所述水下桨同轴的展开状态、在水下航行时呈相对于所述水下桨倾斜的折叠状态。本申请中将水下桨和空中桨集成在一起形成一个旋翼，设计了复合自适应旋翼结构，使所述旋翼的整体布局更加紧凑，并可以共享所述驱动装置实现空中和水下运动，同一驱动可同时服务于所述空中桨和所述水下桨，动力传递更加直接和高效，减少了额外传动装置引起的能量损失，从而在实现水下和空中高速巡航的同时，降低了驱动系统和旋翼系统的体积、重量和控制复杂度。
应当理解的是，本申请的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本申请所附权利要求的保护范围。
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