一種新型水陸空潛四棲遙控機(jī)器

褚福碩，王智華，許少博，楊三永

（廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東　湛江　524088）

一種新型水陸空潛四棲遙控機(jī)器

褚福碩，王智華，許少博，楊三永

（廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東湛江524088）

為解決目前海洋上機(jī)器自動(dòng)化探查技術(shù)中分離式技術(shù)的不成熟與作品設(shè)計(jì)的缺陷問(wèn)題，對(duì)水陸空三棲遙控機(jī)器進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)六軸多旋翼飛行器以及萬(wàn)向輪并加入潛水模塊，增加機(jī)械自動(dòng)化探查功能并實(shí)現(xiàn)水陸空潛四棲的可行性。該四棲遙控機(jī)器通用性強(qiáng)，不停留于模型不變的老舊模式，同一車(chē)體通過(guò)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)變化能實(shí)現(xiàn)水陸空潛四棲運(yùn)動(dòng)，相比普通兩棲有更多的功能，同時(shí)設(shè)計(jì)輕巧，減少了機(jī)器探查技術(shù)因分離式探查而帶來(lái)的器械成本，其簡(jiǎn)單的操作運(yùn)行模式更具研究?jī)r(jià)值。

四棲；遙控；飛行器；潛水

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于多棲跨?？诊w行器的研究著重在大型可應(yīng)用軍事型無(wú)人機(jī)的開(kāi)發(fā)，如2008年10月美國(guó)先期研究計(jì)劃局（DARPA）提出了一種融合飛機(jī)空中飛行能力、水面航行能力，以及潛艇水下航行能力的混合飛行平臺(tái)的設(shè)想（圖1），但因受限于大型潛水器上動(dòng)力系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)布局等難題，故還需長(zhǎng)時(shí)間的研究才能實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)關(guān)于大型多棲飛行器上的研究中外形設(shè)計(jì)多于技術(shù)開(kāi)發(fā)，關(guān)鍵技術(shù)還不成熟，并且關(guān)于多棲飛行器的研究尚未開(kāi)展，故對(duì)于大型多棲遙控的關(guān)鍵難題仍有待深入研究。

圖1　DARPA的“遙控潛艇”概念設(shè)計(jì)圖［1］

目前用于各種用途的遙控飛行器層出不窮，但是能把各種功能集于一體的遙控器卻為數(shù)不多，本文著眼于小型可應(yīng)用的基于無(wú)線電遙控技術(shù)（RC）多棲飛行器的研究，將各類(lèi)用途的飛行器整合在一起，設(shè)計(jì)出一種適應(yīng)水陸空潛四種不同環(huán)境的遙控機(jī)器，該遙控機(jī)器能持續(xù)完成各種不同環(huán)境的工作任務(wù)，從而大大降低多棲探查工作的復(fù)雜性。

1　結(jié)構(gòu)組成

水陸空潛水四棲遙控機(jī)器系統(tǒng)由陸地系統(tǒng)，飛行系統(tǒng)，潛水系統(tǒng)3部分組成，成品如圖2所示。

1.1潛水系統(tǒng)組成及原理

1.1.1沉浮系統(tǒng)組成及原理包括水袋，沉浮控制器，六通道遙控設(shè)備，主要工作原理是基于無(wú)線電遙控（RC）潛艇中的水泵系統(tǒng)。水泵系統(tǒng)是RC潛艇中常見(jiàn)的一種潛水系統(tǒng)，其原理是基于水泵對(duì)水做功來(lái)達(dá)到向艇內(nèi)引入（排出）水的目的。如圖3所示，水泵串聯(lián)電磁閥，控制板并聯(lián)水泵與電磁閥，水泵吸水時(shí)電磁閥解鎖，控制板控制吸水速度和吸水量以完成下沉；之后電磁閥鎖定，水泵停止吸水，潛艇實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)懸??；當(dāng)潛艇潛水超過(guò)可控范圍后，控制板會(huì)自動(dòng)控制水泵抽水，從而使?jié)撏Ц〉剿妗?/p>

圖2　四棲遙控機(jī)器成品圖

圖3　水泵沉浮系統(tǒng)原理所示

1.1.2密封艙組成主要包括鋰電池，72 MHz接收機(jī)，電子調(diào)速器（電調(diào)），電機(jī)，舵機(jī)，沉浮系統(tǒng)等（如圖4所示）。鋰電池為潛艇提供動(dòng)力，電調(diào)連接電機(jī)通過(guò)RC接收機(jī)控制電調(diào)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，完成對(duì)潛艇速度的調(diào)控；接收機(jī)連接舵機(jī)和螺桿，密封艙外的螺桿連接兩個(gè)方向舵，完成對(duì)方向的控制。

圖4　密封艙內(nèi)部原理

1.1.3水面及水下力學(xué)分析如圖5～圖7，受浮力微大于重力作用，在水面上飛行器浮在水面并靠尾部螺旋槳產(chǎn)生動(dòng)力，當(dāng)通過(guò)控制器使水泵吸水時(shí)，飛行器重力上升，根據(jù)阿基米德浮力原理，浸入靜止流體（氣體或液體）中的物體受到一個(gè)浮力，其大小等于該物體所排開(kāi)的流體重量，方向垂直向上并通過(guò)所排開(kāi)流體的形心，而飛行器在此過(guò)程中體積不變，浮力不變，潛艇下沉，當(dāng)浮力等于潛艇重力時(shí)，潛艇在水下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。

潛艇無(wú)橫傾、無(wú)縱傾狀態(tài)的平衡方程如（1）式所示：

圖5　潛艇平衡狀態(tài)（W=浮力，G=重力，B=橫傾）

圖6　潛艇縱傾平衡狀態(tài)

圖7　潛艇橫傾平衡狀態(tài)

1.2空中運(yùn)作原理及組成

1.2.1六軸組成常見(jiàn)的六軸部件組成，即螺旋槳，電機(jī)，電調(diào)，鋰電池，飛行控制器和遙控系統(tǒng)。

1.2.2六軸飛行原理六旋翼飛行器每個(gè)旋翼在產(chǎn)生升力的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于機(jī)體軸的反扭矩，因此6個(gè)旋翼產(chǎn)生的反扭矩就組成了飛行器的偏航力矩，當(dāng)反扭矩相互抵消時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)偏航穩(wěn)定控制，電機(jī)1、3、5逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2、4、6順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時(shí)，陀螺效應(yīng)和空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)均被抵消，即在物理上實(shí)現(xiàn)偏航力矩接近于0，而且通過(guò)飛行控制器改變旋翼的轉(zhuǎn)速保證飛行器姿態(tài)的保持［2］，如圖8～圖9所示。

圖8　六軸飛行器螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向

圖9　六軸飛行器控制原理

1.2.3結(jié)構(gòu)特性六軸飛行器是一個(gè)在空間具有6個(gè)活動(dòng)自由度（分別沿3個(gè)坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作）但只有6個(gè)控制自由度（6個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速）的系統(tǒng)，因此被稱(chēng)為欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（只有當(dāng)控制自由度等于活動(dòng)自由度時(shí)才是完整驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)），不過(guò)對(duì)于姿態(tài)控制本身（分別沿3個(gè)坐標(biāo)軸作旋轉(zhuǎn)動(dòng)作）而言是完整驅(qū)動(dòng)的。與直升機(jī)相比，六軸飛行器可以實(shí)現(xiàn)的飛行姿態(tài)較少，但是基本的前進(jìn)、后退、平移等狀態(tài)都可以實(shí)現(xiàn)，另外六軸飛行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比直升機(jī)簡(jiǎn)單，維修和更換的開(kāi)銷(xiāo)也非常小，這讓六軸飛行器有了比直升機(jī)更大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1.2.4自動(dòng)控制原理機(jī)器通過(guò)算法［3］計(jì)算保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所需的旋轉(zhuǎn)力和升力，通過(guò)電子調(diào)控器來(lái)保證電機(jī)輸出力保持飛行器的穩(wěn)定飛行，在六軸飛行器上裝有3個(gè)方向的陀螺儀和三軸加速度傳感器組成的慣性導(dǎo)航模塊，可以實(shí)時(shí)計(jì)算出飛行器相對(duì)地面的姿態(tài)以及加速度、角速度，飛行控制的力。

1.3陸地運(yùn)作原理及組成

1.3.1陸地結(jié)構(gòu)組成由萬(wàn)向輪及六軸飛行器組成。

1.3.2工作原理通過(guò)六軸加裝萬(wàn)向輪，螺旋槳在低速運(yùn)行下進(jìn)行控制前進(jìn)及方向，并在遇到路上行駛較大的障礙物的時(shí)候加大轉(zhuǎn)速脫離地面來(lái)繞過(guò)障礙物。

2　關(guān)鍵技術(shù)及其整體布局

2.1潛水與飛行的結(jié)合

該遙控機(jī)器的關(guān)鍵技術(shù)之一是飛行和潛水的結(jié)合，即將六軸多旋翼飛行系統(tǒng)與RC潛水系統(tǒng)相結(jié)合，飛行器的特點(diǎn)是輕巧、靈活，而潛艇的特點(diǎn)是笨重，因此對(duì)于多棲飛行器來(lái)說(shuō)，若多旋翼飛行器飛行拉力不夠則影響穩(wěn)定性，過(guò)重則多旋翼飛行器的牽引力不足以使飛行器起飛，故采用拉力更大的六軸多旋翼飛行器，舍棄用潛艇外殼，犧牲掉最理想流線型結(jié)構(gòu)，僅在亞克力管頭部與尾部制作成流線型，雖然潛艇在水下阻力增大，最大速度減小，但做到了可以在水面及以下潛水和在空中飛行。另外，還在六軸下加裝了萬(wàn)向輪，使之可以利用六軸飛行器在陸地上進(jìn)行行動(dòng)，完成四棲的操作。

2.2密封

目前對(duì)于潛水器的開(kāi)發(fā)與研究問(wèn)題之一主要集中于防水與整體結(jié)構(gòu)布局當(dāng)中。該設(shè)計(jì)以淺海為主要定位目標(biāo)，關(guān)鍵技術(shù)側(cè)重于防水。復(fù)雜的電子結(jié)構(gòu)在遇到水后會(huì)發(fā)生短路，但在該航行器中，采用市面上704密封膠和百得膠，結(jié)合部分膠條扎帶后，將各種無(wú)法在水中運(yùn)行的電子設(shè)備密封于防水裝置——亞克力管中，并用金屬箍固定亞克力管與六軸飛行器機(jī)架，樣品唯一會(huì)暴露于水中的電子部分僅為用于飛行及水中與水面行駛用的無(wú)刷電機(jī)，而由于無(wú)刷電機(jī)沒(méi)有電刷，也就沒(méi)有電刷遇水短路的危險(xiǎn)。另外電機(jī)定子繞組都以絕緣導(dǎo)線纏繞形式安裝在電機(jī)殼內(nèi)，繞組的自身絕緣性很好，防水性能優(yōu)異，故整個(gè)器械做到了良好的防水功能。

2.3整體結(jié)構(gòu)與布局

樣品整合時(shí)的布局會(huì)影響樣品運(yùn)行穩(wěn)定性與可行性，其中主要涉及到潛水部分的重心以及搭載潛水部分的飛行器重心的調(diào)節(jié)問(wèn)題。該樣品將潛水部分固定于飛行機(jī)架下方其中一對(duì)角上兩個(gè)電機(jī)的支架上。這樣設(shè)計(jì)穩(wěn)定性強(qiáng)，且在重心的調(diào)節(jié)方面飛行模塊和潛水模塊可同步而不用分開(kāi)調(diào)節(jié)，且其余兩對(duì)電機(jī)下方安裝萬(wàn)向輪也不會(huì)影響到機(jī)翼和潛水模塊螺旋槳的運(yùn)行。另外需要說(shuō)明的是，若該器械運(yùn)用于海洋勘探、采樣及儀器的投放與回收，可能還會(huì)涉及到器械本體的用材更換與外形的重設(shè)計(jì)、海洋專(zhuān)業(yè)裝置的安裝、動(dòng)力裝置與運(yùn)行機(jī)制的改變、無(wú)線電作用于水中的衰減等問(wèn)題，這些都有待以后的進(jìn)一步研究。

3　航程與功耗

如圖10～圖11，由于海水阻力以及機(jī)器非流線型的結(jié)構(gòu)作用，使之在水中航行功耗較大，對(duì)水中電池的消耗與遙控器檔速的設(shè)定進(jìn)行評(píng)測(cè)，可見(jiàn)受潛艇重力影響，飛行器在空中耗能較飛行器在水面下功耗高。

圖10　電池功耗與檔速關(guān)系　

圖11　飛行器航程與檔速關(guān)系

4　技術(shù)應(yīng)用分析及發(fā)展前景

傳統(tǒng)的海洋勘探基本以非人工智能化為主，例如海洋浮標(biāo)如自沉浮式剖面探測(cè)浮標(biāo) （Argo浮標(biāo)），雖然功能強(qiáng)大，但是造價(jià)相對(duì)昂貴，而且對(duì)于海洋基本的遠(yuǎn)距離探測(cè)需要，在使用衛(wèi)星及人工捕撈獲取數(shù)據(jù)外，基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離人工操作回收儀器的功能。該多旋翼完成了對(duì)儀器的回收工作，并可以將該機(jī)器作為一種平臺(tái)，在相關(guān)技術(shù)更加成熟后加裝相應(yīng)儀器，來(lái)完成一些海洋探測(cè)的基本需要，使海洋探測(cè)成本大大降低。

就目前，海洋采樣非常復(fù)雜，即使對(duì)于輕型海洋儀器來(lái)說(shuō)每次的基本采樣工作都要求科考船到達(dá)確定地點(diǎn)，釋放海洋儀器，待數(shù)據(jù)測(cè)得后繼續(xù)前往下一個(gè)目標(biāo)，這樣不可避免地會(huì)產(chǎn)生時(shí)間、成本的消耗。該儀器攜帶輕型海洋儀器（如溫度傳感器）后，可以靈活的從指定船地點(diǎn)飛到海面及水下，完成工作后，再由人工操作回收儀器，若在此基礎(chǔ)上加裝市面上技術(shù)成熟的航拍系統(tǒng)，不僅可以完成陸地區(qū)域的拍攝工作，而且可以拍攝海上及近海面的圖像，從而達(dá)到了拍攝系統(tǒng)的整合。

圖12　Argo 浮標(biāo)工作流程圖［4］

5　小結(jié)

本裝置以整合為切入點(diǎn)，主要考慮將市面上已經(jīng)研究出的潛水以及飛行及陸行整合為一體，并加入了潛水模塊，使機(jī)器實(shí)現(xiàn)海陸空潛全方位遙控。并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)了四棲切換，不停留于模型不變的老舊模式，實(shí)現(xiàn)了高效運(yùn)作。

該四棲遙控機(jī)器通用性強(qiáng)，同一車(chē)體通過(guò)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)變化能實(shí)現(xiàn)水陸空潛四棲運(yùn)動(dòng)，相比普通兩棲有更多的功能。體積中等，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)需外界工具，同時(shí)設(shè)計(jì)輕巧，使其簡(jiǎn)單的操作運(yùn)行模式更具研究?jī)r(jià)值；相對(duì)現(xiàn)有兩棲裝置，該裝置的潛水式運(yùn)行方式，具備更高機(jī)動(dòng)性；采用防水封裝材料，使機(jī)器在水下亦能執(zhí)行任務(wù)，具有更好的環(huán)境適應(yīng)能力。與傳統(tǒng)裝置相比，本裝置的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在多功能、潛水等方面。目前在市面還無(wú)此產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)模，國(guó)內(nèi)對(duì)遙控技術(shù)的掌握也僅限于水上和陸地，國(guó)外也沒(méi)有與四棲類(lèi)相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品。

雖然對(duì)各種功能的整合突出了該機(jī)器的整體優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了四棲運(yùn)行，但目前各單獨(dú)部分還達(dá)不到最佳性能（如控制深度范圍限制在2 m內(nèi)），因此，在提高產(chǎn)品性能和加裝儀器設(shè)備并運(yùn)用于實(shí)際等方面還有待進(jìn)一步的研究。

［1］朱莎.水空兩用無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［D］.南昌：南昌航空大學(xué)，2012.

［2］楊成順.多旋翼飛行器建模與飛行控制技術(shù)研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2013.

［3］劉建威.六旋翼飛行器容錯(cuò)控制算法［J］.山東工業(yè)技術(shù)，2015（1）:11-13.

［4］余立中，商紅梅，張少永.Argo浮標(biāo)技術(shù)研究初探［J］.海洋技術(shù)，2001，20（3）:34-40.

［5］王強(qiáng).小型無(wú)人直升機(jī)航拍系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.上海：上海交通大學(xué)，2013.

Design of a New Type of Remotely Controlled Tetraphibious Vehicle for Land，Water，Air and Underwater Applications

CHU Fu-shuo，WANG Zhi-hua，XU Shao-bo，YANG San-yong
College of Ocean and Meteorology，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，Guangdong Province，China

Currently，automated detecting technologies are going through a separating technological stage，and even the triphibious remotely controlled vehicles have not been applied in detection due to immature technology and defects of works.In order to resolve this problem，the traditional remotely controlled triphibious vehicle is improved in this study by developing a hexaxial multi-rotor aircraft and omni-directional wheel and adding a submersible module，so as to augment the mechanically automated detecting function and realize the feasibility of land，water，air and underwater applications.The presented remotely controlled tetraphibious vehicle is suited to multi-purpose applications，compared with onefold function of ordinary amphibious vehicle.Through simple structural adjustment，it can realize land，water，air and underwater motions.In addition，the costs brought about by separating detection will be reduced.Featured by concise design，the operation mode of the tetraphibious vehicle is valuable for the development of marine detecting technologies.

tetraphibious；remotely controlled vehicles；aircraft；submersible

P742

A

1003-2029（2016）02-0015-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.003

2015-10-22

廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（pdjh2015b0245）

褚福碩（1995-），男，本科，研究方向海洋技術(shù)，海洋內(nèi)波。E-mail：fushuo027859@163.com