水空两栖无人机飞行模式设计

水空两栖无人机E行模式设计
武汉理工大学智能制造与控制研究所刘洁李浩吴航李大钧李波
式汉理工大学工程训练中心郑卫刚
摘要
广阔的海洋十分神秘，海洋生物、能源等资源十分丰富，随着人类对于海洋探索欲望更加强列，无人机已经无法满足人们的探索要求。

而水空两栖无人机正是解决该问题的方法之一。

现有的水空两用无人机结构依赖于当前飞行器的设计，不能达到飞行的最佳性能指标；目前国内外都致力于水空两域的最佳结构、外形和飞行姿态的研究。

因而，本文设计了一种适用于水空两栖无人机的飞行姿态，结合四旋翼飞行器、二旋翼无人起和倾转旋翼无人机的特征，将飞行和潜行模块进行整合，不仅减小了驱动和执行部件数目，提高了稳定性和可靠性，而且能够适应空中和水中的运行环境，成为跨空间领域探索的一种飞行模式。

关键词
水空两栖无人机；多种飞行模式；倾转涵道
1引言
海底世界广袤而神秘，海洋不仅占有广阔的面积，而且富含各种各样的生物资源，随着人们进一步探索海洋，现有无人机与无人潜艇已无法满足人们的探索需求，跨空间界限的探索器成为未来探索的必备要素。

而水空两栖无人机同时具备的空中、水中载具的特性为解决这一问题提供了可行思路，因此各种水空李倩楠管用无人机的设计正在不断推陈岀新。

目前，水空两栖无人机还处在概念和研发的初级阶段，各大公司目前都致力于水空两域的最佳结构与外形和各种环境中各种飞行模式的飞行控制系统的研究，尚未设计出产品投入生产应用。

而其中已实现的水空两用无人机飞行模式设计主要依赖于现有飞行器的飞行模式设计方案，仅在防水方面稍做处理，存在安全性和可靠性较低、成本高和速度限制等缺点，未能达到最佳性能。

因而为提高水空两栖无人机的安全性和稳定性，可根据不同运行环境的灵活切换飞行模式的水空两栖无人机成为了空间探索的发展趋势。

2设计目标
因而在此背景下，本设计从设计理念、实用性和美观性，以及未来发展的工业设计角度完成产品的设计角度，探寻解决现有无人机适应水空两域运行环境的飞行模式，以实现水空两栖无人机在水空两域使用且具备较高的安全性和稳定性的目标。

水空两栖无人机综合了四轴无人机、双轴无人机和倾转旋翼无人机的优点，设计了一种适用于水空两栖无人机的飞行姿态。

通过操纵飞行控制面板，齿轮组控制一对外置涵道及六叶桨倾转角度的改变，矢量电机座微调内置涵道内一对二叶桨和外置涵道及六叶桨的倾转角度，实现飞行姿态控制和飞行模式切换；其适应在复杂飞行环境下中尺寸范围搜索、运输、定点以及跟踪观测和各种作业，实
现跨水空两域的作业任务。

此外，结合倾转涵道的螺旋桨结合了倾转旋翼无人机和涵道式无人机的特征，具有稳定性能优异、结构紧凑、机动性能良好、有较强适应性能、应用范围广的优点。

结构方面，各部件采用轻质高强度的复合材料，如碳纤维复合材料，防水性能佳且满足结构强度要求。

外观方面，追求流线形的外形以减小水空两栖无人机在流体介质中的阻
力。

在使用功能方面，可作为搭载平台，结合现代创新科技，与互联网高速融合，使设计更加人性化。

同时，水空两栖无人机的设计需要包含便捷高效、实用、人性化、美观的理念，简化动力系统，并在此基础上实现飞行模式的切换。

水空两栖无人机实物如图1所示。

3飞行模式设计方案
在本文中，我们主要介绍的是如何设计水空两栖无人机的飞行姿态；按照飞行环境的改变，我们将飞行姿态分为空中飞行、水下运行、空中入水和出水升空四种飞行模式。

水空两栖无人机内置涵道中的一对二叶螺旋桨和外置涵道中的一对六叶螺旋桨通过旋转产生垂直于其螺旋桨所处平面的升力，依靠舵机的调整和电机的转速实现各种飞行姿态。

在图2-图5力的矢量图中，左右两个椭圆形状表示内置涵道内二叶桨；上下两个椭圆形状表示外置涵道内六叶桨；向右表示前，向左表示后；垂直该面出表示左，垂直该面入表示右；上下方向与图1致。

3.1空中飞行模式
(1)起升和下降时，采用类四旋翼无人机的飞行原理，外置涵道桨叶朝下，内置涵道和外置涵道的桨叶共同提供升力，实现原地垂直起飞下降。

空中、水中起升下降矢量力图如图2所示。

(2)前进和后退时，采用二轴无人机的飞行原理，外置涵道和桨叶倾转一定角度产生向前或向后的推力，内置涵道中二叶桨提供升力控制飞行高度，二者配合实现前进和后退。

空中'水中前进矢量力图如图3所示。

空中、水中后退矢量力图如图4所示。

(3)左行和右行时，采用二轴无人机的飞行原理，内置涵道和桨叶倾转一定角度产生向左右和向上的推力，外置涵道中六叶桨提供辅助升力，二者配合实现左行或者右行。

空中、水中左右行进矢量力图如图5所示。

图1水空两栖无人机
图4空中、水中后退矢量力图
图5空中、水中左右行进矢量力图
图6入水过程中飞行姿态变化平衡的同时带动整机向水面靠近，接近水面的过程中外置涵道通过倾转使外置涵道口朝下提供升力。

由于内置涵道螺旋桨和外置涵道螺旋桨的高度差，内置涵道的螺旋桨先离开水面，转速增加，升力增大，从而使整机离开水面。

出水过程中飞行姿态变化如图7所示。

4飞行姿态可行性性分析
根据水空两栖无人机的重量，对螺旋桨产生的扭矩、二叶桨和六叶桨提供的升力、在水空两域所受的阻力进行估算，分析水空两域无人机飞行模式的合理性。

选择机架、壳体和螺旋桨等材料，配置动力系统，经测量，水空两栖无人机整体估重2000g»
4.1扭矩分析
水空两栖无人机内外涵道的一对螺旋桨各处于一个平面，每对螺旋桨为结构和尺寸相同的正反桨，分别顺时针和逆时针旋转，在转速相同时，正反桨产生的扭矩相互平衡。

4.2二叶桨提供升力
当螺旋桨由发动机输出轴带动旋转时，桨叶的结构斜面把空气往后推去，从而桨叶得到反作用力，即升力或者推进力。

根据风洞试验和其他实验结果表明，双叶桨的升力的大小可以用公式计算：
F升力n kxdxlxaxv'xp
式中：k为经验系数，经查取k=0.00025;d为桨叶直径，经分析取d=279.4mm;1为螺距，经查取1=139.7mm;a 为桨宽，经查取a=22mm;v为桨叶转速，经查取v=10.43-20.86m/s;P为大气压力，经查P=0.1MPa…
经计算得：
v=13.11m/s时，每个二叶螺旋桨可产生升力：
F^,=0.00028x279.4xl39.7x22xl0.43*123x0.1=2335.36g
v=16.53m/s时，每个二叶螺旋桨可产生升力：
3.2水下运行模式
水空两栖无人机在水中飞行姿态的力矢量图和空中飞行姿态的力矢量图相似，各飞行姿态的力和转矩方向相同，唯有大小不同。

(1)±升和下降时，采用类四旋翼无人机的飞行原理，外置涵道桨叶朝下，内置涵道和外置涵道的桨叶共同提供升力，实现在水中升降。

(2)前进和后退时，采用二轴无人机的飞行原理，外置涵道和桨叶倾转一定角度产生向前或向后的推力，内置涵道中二叶桨提供升力控制飞行高度，同时动态调整保证机身稳定性，二者配合实现前进和后退。

(3)左行和右行时，采用二轴无人机的飞行原理，内置涵道和桨叶倾转一定角度产生向左右和向上的推力，外置涵道中六叶桨提供辅助升力，二者配合实现左行或者右行。

3.3空中入水模式
空中入水时，采用的是二轴飞行器原理，内外涵道的桨叶具有高度差，这时内置涵道中的桨叶缓慢减小转速，在减小升力的同时保证整体的平衡；外置涵道中的桨叶转速逐渐减小至停止，缓慢入水，内置涵道的二叶桨减速缓慢入水，水空两栖无人机在自重作用下以二轴飞行器姿态缓慢入水。

入水过程中飞行姿态变化如图6所示。

3.4出水升空模式
岀水升空时，内置涵道的桨叶加速运行，在保证动态
F升加=0.00028x279.4x139.7x22x20.862x0.1=9341.44g
由此估计，两个内置涵道内的二叶螺旋桨可提供4670.72g到18682.88g的升力.
4.3六叶桨提供升力
根据风洞试验和其他实验结果表明，六叶桨的升力的大小可以用公式计算：
F升力=kxdxlxaxv2xP
式中：k为经验系数，经查取k=0.00025;d为桨叶直
径，经查d=152.4mm;1为螺距，经查1=101.6mm;a为桨宽，经查a=20mm;v为桨叶转速，经查v=6.73-11.43m/s;P 为大气压力，P=0.1MPa。

经计算得：
v=3.81m/s时，每个六叶螺旋桨可产生升力：
F升力2=040025x152.4x101,6x20x6.732x0.1=350.65g
v=6.83m/s时，每个六叶螺旋桨可产生升力：
F升加=0.00025x152.4x101.6x20x11,432x0.1=1011.44g
由此估计，两个外置涵道内的六叶螺旋桨可提供701.30g到2022.88g的升力或者推进力。

4.4飞行器所受阻力
飞机在高速飞行的同时，会受到非常大的阻力。

飞行阻力主要由两部分组成:一部分是由于空气黏性作用产生，称为摩擦阻力或表面阻力；另一部分是由于物体前后压力不同而产生，称为压差阻力或形状阻力。

压差阻力产生的根本原因是空气黏性，主要决定于物体的形状。

水空两栖无人机有良好流线形外形，气流流过时所产生的压差阻力可忽略不计。

当气流流过无人机时，由于空气非常微弱的黏性，空气微团与物体表面发生摩擦，阻滞了气流的流动，这就是物体对空气的摩擦阻力，空气黏度虽然很小，但对无人机来说关系很大，尤其是小/微型无人飞机，一定要考虑空气黏性的影响。

根据经验公式，对阻力进行估算：
F=kv2
式中：k为空气阻力系数，取0.08;v为速度，取lOm/so
估算得到，空气粘度产生的摩擦阻力大小约为&0N,对水空两栖无人机在空中改变飞行姿态的阻碍作用较小。

在水中，水空两栖无人机所受阻力主要是水流对无人机的摩擦阻力。

常温下，水的粘度约为空气的55倍，相同行驶速度下，在水中阻力明显大于空中；但在水中，水空两栖无人机的行驶速度较小，导致在水中的阻力与空中阻力相近，因此对水空两栖无人机在水中运行的阻碍不影响其飞行姿态的改变。

5结束语
水空两栖无人机的飞行姿态与模式切换方案直接决定了水空两栖无人机能否跨域水空两域完成作业要求，因此，本文设计一种性能较佳的适用于水空两栖无人机的飞行模式，并对动力系统进行理论分析，提高水空两栖无人机的性能，为相关领域的研究提供一定的参考。

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