一種新型水陸空潛四棲遙控機器

褚福碩，王智華，許少博，楊三永

（廣東海洋大學海洋與氣象學院，廣東　湛江　524088）

一種新型水陸空潛四棲遙控機器

褚福碩，王智華，許少博，楊三永

（廣東海洋大學海洋與氣象學院，廣東湛江524088）

為解決目前海洋上機器自動化探查技術中分離式技術的不成熟與作品設計的缺陷問題，對水陸空三棲遙控機器進行改進，通過六軸多旋翼飛行器以及萬向輪并加入潛水模塊，增加機械自動化探查功能并實現水陸空潛四棲的可行性。該四棲遙控機器通用性強，不停留于模型不變的老舊模式，同一車體通過簡單的結構變化能實現水陸空潛四棲運動，相比普通兩棲有更多的功能，同時設計輕巧，減少了機器探查技術因分離式探查而帶來的器械成本，其簡單的操作運行模式更具研究價值。

四棲；遙控；飛行器；潛水

目前國內外關于多棲跨海空飛行器的研究著重在大型可應用軍事型無人機的開發，如2008年10月美國先期研究計劃局（DARPA）提出了一種融合飛機空中飛行能力、水面航行能力，以及潛艇水下航行能力的混合飛行平臺的設想（圖1），但因受限于大型潛水器上動力系統和結構布局等難題，故還需長時間的研究才能實現。國內關于大型多棲飛行器上的研究中外形設計多于技術開發，關鍵技術還不成熟，并且關于多棲飛行器的研究尚未開展，故對于大型多棲遙控的關鍵難題仍有待深入研究。

圖1　DARPA的“遙控潛艇”概念設計圖［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不多，本文著眼于小型可應用的基于無線電遙控技術（RC）多棲飛行器的研究，將各類用途的飛行器整合在一起，設計出一種適應水陸空潛四種不同環境的遙控機器，該遙控機器能持續完成各種不同環境的工作任務，從而大大降低多棲探查工作的復雜性。

1　結構組成

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

1.1潛水系統組成及原理

1.1.1沉浮系統組成及原理包括水袋，沉浮控制器，六通道遙控設備，主要工作原理是基于無線電遙控（RC）潛艇中的水泵系統。水泵系統是RC潛艇中常見的一種潛水系統，其原理是基于水泵對水做功來達到向艇內引入（排出）水的目的。如圖3所示，水泵串聯電磁閥，控制板并聯水泵與電磁閥，水泵吸水時電磁閥解鎖，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，潛艇實現動態懸浮；當潛艇潛水超過可控范圍后，控制板會自動控制水泵抽水，從而使潛艇浮到水面。

圖2　四棲遙控機器成品圖

圖3　水泵沉浮系統原理所示

1.1.2密封艙組成主要包括鋰電池，72 MHz接收機，電子調速器（電調），電機，舵機，沉浮系統等（如圖4所示）。鋰電池為潛艇提供動力，電調連接電機通過RC接收機控制電調實現對電機轉速的控制，完成對潛艇速度的調控；接收機連接舵機和螺桿，密封艙外的螺桿連接兩個方向舵，完成對方向的控制。

圖4　密封艙內部原理

1.1.3水面及水下力學分析如圖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生動力，當通過控制器使水泵吸水時，飛行器重力上升，根據阿基米德浮力原理，浸入靜止流體（氣體或液體）中的物體受到一個浮力，其大小等于該物體所排開的流體重量，方向垂直向上并通過所排開流體的形心，而飛行器在此過程中體積不變，浮力不變，潛艇下沉，當浮力等于潛艇重力時，潛艇在水下實現動態平衡。

潛艇無橫傾、無縱傾狀態的平衡方程如（1）式所示：

圖5　潛艇平衡狀態（W=浮力，G=重力，B=橫傾）

圖6　潛艇縱傾平衡狀態

圖7　潛艇橫傾平衡狀態

1.2空中運作原理及組成

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

1.2.2六軸飛行原理六旋翼飛行器每個旋翼在產生升力的同時也會產生相對于機體軸的反扭矩，因此6個旋翼產生的反扭矩就組成了飛行器的偏航力矩，當反扭矩相互抵消時，即可實現偏航穩定控制，電機1、3、5逆時針旋轉的同時，電機2、4、6順時針旋轉，因此當飛行器平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消，即在物理上實現偏航力矩接近于0，而且通過飛行控制器改變旋翼的轉速保證飛行器姿態的保持［2］，如圖8～圖9所示。

圖8　六軸飛行器螺旋槳旋轉方向

圖9　六軸飛行器控制原理

1.2.3結構特性六軸飛行器是一個在空間具有6個活動自由度（分別沿3個坐標軸作平移和旋轉動作）但只有6個控制自由度（6個電機的轉速）的系統，因此被稱為欠驅動系統（只有當控制自由度等于活動自由度時才是完整驅動系統），不過對于姿態控制本身（分別沿3個坐標軸作旋轉動作）而言是完整驅動的。與直升機相比，六軸飛行器可以實現的飛行姿態較少，但是基本的前進、后退、平移等狀態都可以實現，另外六軸飛行器的機械結構遠遠比直升機簡單，維修和更換的開銷也非常小，這讓六軸飛行器有了比直升機更大的應用優勢。

1.2.4自動控制原理機器通過算法［3］計算保持運動狀態所需的旋轉力和升力，通過電子調控器來保證電機輸出力保持飛行器的穩定飛行，在六軸飛行器上裝有3個方向的陀螺儀和三軸加速度傳感器組成的慣性導航模塊，可以實時計算出飛行器相對地面的姿態以及加速度、角速度，飛行控制的力。

1.3陸地運作原理及組成

1.3.1陸地結構組成由萬向輪及六軸飛行器組成。

1.3.2工作原理通過六軸加裝萬向輪，螺旋槳在低速運行下進行控制前進及方向，并在遇到路上行駛較大的障礙物的時候加大轉速脫離地面來繞過障礙物。

2　關鍵技術及其整體布局

2.1潛水與飛行的結合

該遙控機器的關鍵技術之一是飛行和潛水的結合，即將六軸多旋翼飛行系統與RC潛水系統相結合，飛行器的特點是輕巧、靈活，而潛艇的特點是笨重，因此對于多棲飛行器來說，若多旋翼飛行器飛行拉力不夠則影響穩定性，過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構，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向輪，使之可以利用六軸飛行器在陸地上進行行動，完成四棲的操作。

2.2密封

目前對于潛水器的開發與研究問題之一主要集中于防水與整體結構布局當中。該設計以淺海為主要定位目標，關鍵技術側重于防水。復雜的電子結構在遇到水后會發生短路，但在該航行器中，采用市面上704密封膠和百得膠，結合部分膠條扎帶后，將各種無法在水中運行的電子設備密封于防水裝置——亞克力管中，并用金屬箍固定亞克力管與六軸飛行器機架，樣品唯一會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刷電機，而由于無刷電機沒有電刷，也就沒有電刷遇水短路的危險。另外電機定子繞組都以絕緣導線纏繞形式安裝在電機殼內，繞組的自身絕緣性很好，防水性能優異，故整個器械做到了良好的防水功能。

2.3整體結構與布局

樣品整合時的布局會影響樣品運行穩定性與可行性，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節問題。該樣品將潛水部分固定于飛行機架下方其中一對角上兩個電機的支架上。這樣設計穩定性強，且在重心的調節方面飛行模塊和潛水模塊可同步而不用分開調節，且其余兩對電機下方安裝萬向輪也不會影響到機翼和潛水模塊螺旋槳的運行。另外需要說明的是，若該器械運用于海洋勘探、采樣及儀器的投放與回收，可能還會涉及到器械本體的用材更換與外形的重設計、海洋專業裝置的安裝、動力裝置與運行機制的改變、無線電作用于水中的衰減等問題，這些都有待以后的進一步研究。

3　航程與功耗

如圖10～圖11，由于海水阻力以及機器非流線型的結構作用，使之在水中航行功耗較大，對水中電池的消耗與遙控器檔速的設定進行評測，可見受潛艇重力影響，飛行器在空中耗能較飛行器在水面下功耗高。

圖10　電池功耗與檔速關系　

圖11　飛行器航程與檔速關系

4　技術應用分析及發展前景

傳統的海洋勘探基本以非人工智能化為主，例如海洋浮標如自沉浮式剖面探測浮標 （Argo浮標），雖然功能強大，但是造價相對昂貴，而且對于海洋基本的遠距離探測需要，在使用衛星及人工捕撈獲取數據外，基本無法實現遠距離人工操作回收儀器的功能。該多旋翼完成了對儀器的回收工作，并可以將該機器作為一種平臺，在相關技術更加成熟后加裝相應儀器，來完成一些海洋探測的基本需要，使海洋探測成本大大降低。

就目前，海洋采樣非常復雜，即使對于輕型海洋儀器來說每次的基本采樣工作都要求科考船到達確定地點，釋放海洋儀器，待數據測得后繼續前往下一個目標，這樣不可避免地會產生時間、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，若在此基礎上加裝市面上技術成熟的航拍系統，不僅可以完成陸地區域的拍攝工作，而且可以拍攝海上及近海面的圖像，從而達到了拍攝系統的整合。

圖12　Argo 浮標工作流程圖［4］

5　小結

本裝置以整合為切入點，主要考慮將市面上已經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，使機器實現海陸空潛全方位遙控。并在此基礎上改進了四棲切換，不停留于模型不變的老舊模式，實現了高效運作。

該四棲遙控機器通用性強，同一車體通過簡單的結構變化能實現水陸空潛四棲運動，相比普通兩棲有更多的功能。體積中等，結構緊湊，無需外界工具，同時設計輕巧，使其簡單的操作運行模式更具研究價值；相對現有兩棲裝置，該裝置的潛水式運行方式，具備更高機動性；采用防水封裝材料，使機器在水下亦能執行任務，具有更好的環境適應能力。與傳統裝置相比，本裝置的優勢主要體現在多功能、潛水等方面。目前在市面還無此產品的技術規模，國內對遙控技術的掌握也僅限于水上和陸地，國外也沒有與四棲類相對應的產品。

雖然對各種功能的整合突出了該機器的整體優勢，實現了四棲運行，但目前各單獨部分還達不到最佳性能（如控制深度范圍限制在2 m內），因此，在提高產品性能和加裝儀器設備并運用于實際等方面還有待進一步的研究。

［1］朱莎.水空兩用無人機動力系統設計與研究［D］.南昌：南昌航空大學，2012.

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

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

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

［5］王強.小型無人直升機航拍系統設計與實現［D］.上海：上海交通大學，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

廣東大學生科技創新培育專項資金資助項目（pdjh2015b0245）

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