一种可折叠跨介质无人机及其分介质控制方法

本技术涉及跨介质无人机，尤其涉及一种可折叠跨介质无人机及其分介质控制方法。

背景技术：

1、跨介质无人机需要在空气和水两种物理特性差异显著的环境中工作，其通常需要兼顾水下的低阻力外形与空中的多旋翼升力架构。在现有技术中，为了实现这两种形态的切换，通常在无人机主体四周设置多个独立的机臂控制单元来实现机臂的折叠与展开，并依靠常规的水浸传感器或深度计来判断设备所处的介质状态。

2、然而，现有的跨介质无人机在实际作业中存在明显的技术缺陷。由于采用分布式多驱动机构（即每个机臂配备独立的折叠电机），在水下复杂流体阻尼环境下，极易出现各个机臂展开或收拢速度不一致的现象。这种不同步会导致无人机在出入水瞬间产生极大的偏航或翻滚力矩；进一步地，现有方案往往缺乏折叠机构与旋翼转速之间的严格硬件级与软件级联锁，且单一介质传感器（如仅靠水浸触点）在波浪飞溅或桨叶甩水时极易产生误报。最终可能造成无人机在机臂未完全锁定或介质状态未完全确认时，旋翼直接全速启动，导致桨叶打水折断、机体倾覆甚至结构损毁。

技术实现思路

1、为了改善现有跨介质无人机机臂折叠不同步以及空水介质切换过程极易失稳受损的问题，本技术提供一种可折叠跨介质无人机及其分介质控制方法。

2、第一方面，本技术提供的一种可折叠跨介质无人机，采用如下的技术方案：

3、一种可折叠跨介质无人机，包括：

4、回转型密封主壳体，包括整流罩、机身中段和机身下段，用于提供水下低阻外形；

5、四个机臂，沿所述机身中段的周向分布；

6、四旋翼系统，安装于所述机臂的外端；

7、同步折叠机构，设于所述机身中段内，用于驱动机臂展开或收拢，所述同步折叠机构包括：

8、步进电机，沿所述回转型密封主壳体的轴向布置；

9、螺旋丝杆，与所述步进电机传动连接；

10、环形滑块，螺纹套设于所述螺旋丝杆外周；以及

11、四组传动杆件，连接于所述环形滑块与四个机臂的根部之间，用于将环形滑块的单次轴向位移同步转换为四个机臂的联动动作；

12、飞行控制系统，电连接所述四旋翼系统与步进电机，用于接收机臂的到位反馈与锁止反馈，并在任一机臂未展开到位或锁止反馈无效时禁止四旋翼系统进入起飞转速，以及在四旋翼系统未停转时禁止机臂收拢。

13、更进一步，所述传动杆件包括：

14、延长杆，第一端固定于所述环形滑块上；以及

15、拉杆，一端铰接于所述延长杆第二端，另一端铰接于所述机臂的根部；

16、所述无人机还包括设于所述机身下段尾部的：

17、尾翼组件，包括由防水舵机驱动偏转的前翼、水平尾翼和垂直尾翼；以及

18、水下推进器组件，包括左右并排布置且独立调速的两个尾推螺旋桨。

19、更进一步，还包括：

20、抽拉式设备架，插设于所述回转型密封主壳体内部的密封舱中，所述抽拉式设备架沿轴向划分为：

21、控制层，靠近整机质心布置，安装有包含所述飞行控制系统在内的弱电控制模块；

22、功率层，设于所述控制层一侧，安装有电调和电源分配板；以及

23、能源层，设于远离所述整流罩的一侧，安装有电池模块，用于使整机重心低于浮心；

24、所述密封舱的低位设有漏水检测模块，密封舱的外壁设有与外部水压连通的深度传感器接口。

25、第二方面，本技术提供的一种可折叠跨介质无人机的分介质控制方法，基于上述一种可折叠跨介质无人机，包括：

26、在水下巡航状态下，保持所述机臂收拢，通过设于所述机身下段尾部的尾推螺旋桨与尾翼组件执行航行控制；

27、在接收到出水指令且无人机接近水面时，获取深度参数与姿态参数，当所述深度参数与所述姿态参数达到预设阈值时，进入出水准备状态；

28、控制所述同步折叠机构展开所述机臂，并在接收到全部到位且锁止连续有效的反馈信号后，控制所述四旋翼系统预转；

29、控制四旋翼系统以推力斜坡增加总推力进入离水爬升状态，并在检测到有效的水触发变干信号后，切换为空中控制状态；

30、在执行入水任务且无人机触水后，控制四旋翼系统降速停转，控制同步折叠机构收拢机臂，并切换由尾推螺旋桨接管。

31、更进一步，在所述出水准备状态中，当外部水深不大于0.30m、上浮速度不大于0.15m/s、横滚角和俯仰角均不大于8°且角速度不大于20°/s时，允许执行所述机臂的展开动作；

32、在机臂的展开过程中，当展开时间超过预设时长阈值，或所述步进电机电流超出正常展开电流的预设比例时，停止展开动作并进入安全保护状态。

33、更进一步，所述四旋翼系统的预转阶段逻辑包括：控制旋翼螺旋桨目标转速为起飞转速的10%-20%，并监测四个旋翼电机的电流，当电流偏差不大于15%时允许进入离水爬升状态；

34、所述离水爬升阶段逻辑包括：在0.8-1.5s的时间区间内按斜坡上升率增加总推力。

35、更进一步，判断所述水触发变干信号以及触水信号的双冗余逻辑为：

36、同步获取水浸触点输出电压和输出水下绝对深度；

37、仅当所述水浸触点输出电压达到水浸阈值，且所述输出水下绝对深度达到深度阈值并连续保持不少于200ms时，判定为触水状态；

38、仅当水浸触点输出电压低于复位阈值，且输出水下绝对深度回到近零深度并连续保持不少于200ms时，判定为水触发变干信号有效。

39、更进一步，所述水下巡航状态下的航行控制采用分层级串级pid架构，包括：

40、外层深度控制层，以期望深度与测量深度的误差为输入，计算期望纵向速度；

41、中层水下速度控制层，以所述期望纵向速度与测量纵向速度的误差为输入，计算共同基准推力输出至所述尾推螺旋桨；

42、中层航向控制层，以期望航向角与测量航向角的误差为输入，计算差动推力输出至尾推螺旋桨；以及

43、内层姿态阻尼层，以综合姿态误差为输入，计算尾翼舵偏角输出至所述尾翼组件。

44、更进一步，所述空中控制状态下的飞行控制采用三层串级pid控制架构，包括：

45、位置外环，基于期望位置与实际位置的误差计算期望速度；

46、速度中环，基于期望速度与实际速度的误差，计算期望横滚角、期望俯仰角和总升力；以及

47、姿态内环，基于期望姿态角与实际姿态角的误差，以及角速度误差，计算三轴控制力矩，并配合所述总升力经由所述四旋翼系统的四旋翼混控分配至四个旋翼电机。

48、更进一步，所述分介质控制方法还包括异常联锁逻辑：

49、当检测到机臂未锁止、折叠动作

50、超时、旋翼电机电流异常、尾推螺旋桨失效、尾翼卡滞、漏水中任意一项触发时，进入安全保护状态；

51、处于所述安全保护状态时，依据无人机当前所处介质属性，强制执行禁止离水、定深保持、受控上浮、空中悬停或受控降落中的对应操作。

52、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

53、1.通过设置由单个轴向步进电机、螺旋丝杆和环形滑块牵引四组传动杆件组成的同步折叠机构，使得单轴直线位移强制转化为四臂同步动作，从而实现了四旋翼架构的完美物理同步，改善了现有技术中分布式独立电机因水流阻尼不均导致的异步卡滞和出水姿态倾覆问题；

54、2.通过引入水浸触点电压与绝对水深同步检测且施加不少于200ms连续确认时间窗的双冗余逻辑，使得系统对介质状态的判定不依赖单一瞬间感测，从而实现了对波浪飞溅、桨叶甩水等高频伪信号的有效过滤，显著解决了跨介质临界点误触发导致的坠机隐患；

55、3.通过在飞行控制系统中建立起飞前电流一致性校验、展开动作超时/超载断电，以及起飞爬升阶段执行0.8-1.5s推力斜坡增加的联锁算法，使得旋翼动力输出与水膜脱离时间相匹配，从而实现了机械硬件与控制软件的深度协同，有效解决了大推力阶跃导致的瞬间姿态失稳问题；

56、4.通过将抽拉式设备架按控制层、功率层和能源层分区布置，并将重质量的电池模块置于能源层（远离整流罩且处于低位），使得无人机整体重心始终低于浮心，从而实现了被动的静力学自扶正，提升了设备在波涛水面的适应性与可靠性。