一种共轴水空动力装置与变构型跨介质航行器

本发明属于无人机，具体涉及一种共轴水空动力装置与变构型跨介质航行器。

背景技术：

1、水空跨介质无人机指具备一般航行器空中飞行能力，同时具备水下航行器能力的在水中航行的一类航行器，同时具备在水空介质交界面完成单次或重复多次跨越的能力。它在空中能够起到监视、拍摄、布放等任务，进入水中可完成在水面下的信息收集、满足水下科研任务目标需求。水空跨介质无人机与市售一般空中航行器或水下航行器相比，它拓宽了航行器的应用方向，从而满足更广泛的任务要求。

2、多旋翼类水空跨介质无人机是跨介质无人机中一大热门门类，通过将多旋翼类航行器的特性和功能结构融入到跨介质无人机中，实现了多旋翼类跨介质无人机垂直起降、稳定悬停、飞行灵活的特征。

3、然而在各种因素影响下，多旋翼类水空跨介质航行器所具备的空水航行能力同时是其优势点也是其劣势点。多旋翼类水空跨介质航行器的外形结构尚无统一标准，多数多旋翼类航行器并未针对其自身运动模式进行流体外形的优化，导致航行器为克服航行阻力消耗大量能量，从而使航行器所能满足的任务广度受到续航时间的限制。

4、水空跨介质航行器作为具备快速灵活的航行功能的航行器，其动力系统的研究是水空跨介质航行器的核心之一。为实现高效的空中飞行与水下航行，再加上目前螺旋桨的动力学特性无法做到水空功能的兼容，其动力系统必须针对两种航行模式设计成空中动力系统与水中动力系统的组合。

5、专利cn201910843423.2公开了一种共轴式水空双动力无人机控制系统，无人机的机体上设置有多个机臂，每个机臂的末端对称安装有水上动力单元和水下动力单元；水上动力单元包括水上电机、水上螺旋桨；水下动力单元包括水下电机、水下螺旋桨；水上动力单元安装在机臂上侧，水下动力单元安装在机臂下侧，但是复杂的流体外形增加了航行器阻力。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种共轴水空动力装置与变构型跨介质航行器，共轴水空动力装置具有双电机、空中螺旋桨与水下螺旋桨，且针对介质使用对应类型的旋翼。在满足一般四旋翼航行器垂直起降、稳定悬停、飞行灵活的特征外，收折机臂后能以机体轴线为最小阻力方向前进，通过设置所述空水动力系统，使水空跨介质航行器高速航行，并保持在最佳效率。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种共轴水空动力装置与变构型跨介质航行器，包括浮力外壳、设备密封舱以及共轴动力装置；

4、所述设备密封舱置于浮力外壳内部，所述共轴动力装置通过平行四边形机构连接于设备密封舱上，为航行器提供空中、水下航行动力。

5、所述设备密封舱外均匀布置四组共轴动力装置，四组共轴动力装置可较好的进行机身的扭矩平衡和控制。

6、所述共轴动力装置包含空中电机、水下电机与附属部分，附属部分包含顶罩、穿线仓、连接杆、侧罩；顶罩安装于穿线仓的开口端，并与穿线仓固接，空中电机安装于穿线仓远离顶罩的一端，并通过螺钉与穿线仓固接，连接杆贯穿穿线仓以及空中电机的轴心，一端与穿线仓内圆柱外壳固接，在远离穿线仓一端与水下电机固接，侧罩安装于空中电机与水下电机之间，包裹连接杆，优化共轴动力装置的流体外形。所述穿线仓为中空圆柱形结构，供输电线缆和信号线缆穿过，一端开口，且拥有外圆柱外壳与内圆柱外壳，并沿周向一侧设置内部中空的伸出端。

7、所述浮力外壳包围设备密封舱，浮力外壳为回转圆柱体外型，浮力外壳的艏部为半圆球形壳体，以减少多旋翼水空跨介质变体航行器航行时阻力；浮力外壳提供一定浮力，减少机体为抵抗水中重力而消耗的能量输出。

8、所述平行四边形机构包含第一平行杆与第二平行杆，第一平行杆与第二平行杆相互平行，一端分别铰接于设备密封舱中部伸出的外耳处。第一平行杆与第二平行杆在远离设备密封舱一端分别与穿线仓的伸出端铰接。如此设置，可保证机臂在收折过程中保证浮力外壳的轴线和共轴动力装置的轴线始终平行。

9、所述第一平行杆与外耳的铰接处安装扭转弹簧，扭转弹簧用于撑开第一平行杆与外耳，并在安装后预先产生一定的扭矩，使第一平行杆绕铰接孔产生远离与外耳的趋势。

10、位于所述设备密封舱靠近共轴动力装置一端面设置绕线轮与减速电机，且绕线轮与减速电机的轴线和设备密封舱轴线重合，绕线轮固连于减速电机的输出轴上，减速电机与设备密封舱固连。

11、所述穿线仓与第二平行杆的铰接孔处连接拉索一端，拉索另一端穿过穿线孔，缠绕于绕线轮上并在扭转弹簧的作用下时刻保持绷紧；拉索采用耐腐蚀耐摩擦的碳纤维编织绳。

12、所述空中电机包括第一定子和第一转子，第一线圈安装于第一定子周向外侧，第一磁铁安装于第一转子周向内侧，第一转子从内部远离第一定子一端伸出空心轴，并通过第一轴承与第一定子实现转动连接，在空心轴靠近第一定子的端面上安装轴端挡圈，实现空心轴与第一轴承的轴向固定，从而防止第一转子脱出。

13、所述第一转子周向外侧伸出铰接端，绕所述转子对向布置，并与空中螺旋桨一端铰接。

14、所述水下电机包括第二定子、第二转子和涵道环，第二定子一端面与涵道环固接，第二定子、第二转子以及水下螺旋桨都安装于涵道环的涵道内，第二线圈安装于第二定子周向外侧，第二磁铁安装于第二转子周向内侧，第二转子从内部远离第二定子一端伸出中心轴，并通过第二轴承与第二定子实现转动连接，在中心轴靠近第二定子的端面上安装第二轴端挡圈，实现中心轴与第二轴承的轴向固定，从而防止第二转子脱出；涵道环设置于水下螺旋桨外围，为圆筒形结构，内部形成涵道。

15、所述第二转子外侧设置水下螺旋桨，水下螺旋桨中心为圆柱壳体结构，圆柱壳体结构可完全套住第二转子，并通过螺钉实现水下螺旋桨与第二转子的固连。

16、所述涵道环在远离穿线仓一端设计防脱槽，橡胶座套于防脱槽上。当多旋翼水空跨介质变体航行器位于陆地时，展开的机臂与共轴动力装置承担起落架的作用。

17、一种共轴水空动力装置与变构型跨介质航行器的运行方法，包括以下步骤；

18、航行器进行构型的切换时，减速电机驱动绕线轮旋转，当机臂展开时，绕线轮放出拉索，平行四边形机构因为扭转弹簧的扭转力而展开，并完成机臂展开；当机臂收折时，绕线轮在抵抗扭转弹簧的扭转力的同时收回拉索，完成机臂收折；

19、绕线轮同时缠绕四组拉索，同时且同步的完成四组机臂与共轴动力装置的展开和收折；

20、跨介质飞行器拥有三种工作状态，空中作业状态、水下作业状态和水下高速状态；

21、进入空中作业状态时，机臂展开，空中电机工作，在空中能够起到监视、拍摄、布放的任务；

22、进入水下作业模式时，机臂展开，水下电机工作，完成在水面下的信息收集、满足水下科研任务目标需求；前两种模式满足一般四旋翼航行器垂直起降、稳定悬停、飞行灵活的特征；

23、进入水下高速状态时，机臂收折，水下电机工作，空中螺旋桨在水流作用下向后折叠，跨介质飞行器调整姿态并沿阻力最小的轴线方向前进，快速到达更远的任务目标位置。

24、本发明的有益效果：

25、本发明采用共轴双桨的布局模式，可完成水空动力的自由切换。

26、本发明的变构型航行器为回转圆柱体外型，在满足一般四旋翼航行器垂直起降、稳定悬停、飞行灵活的特征外，通过减小沿轴线方向的水流的阻力来提高此方向的作业性能，从而使航行器能够快速的抵达任务点，可最大效果提高动力装置的推进效率。

27、本发明通过绕线轮实现对四组机臂展开与收折的同时控制，实现航行器的构型变换以满足各种作业与速度的需求。