一种多旋翼跨介质海洋环境探测平台及其探测方法与流程

本发明涉及一种环境探测平台，尤其是一种多旋翼跨介质海洋环境探测平台及其探测方法。

背景技术：

跨介质海洋探测设备最早可追溯到1934年提出的潜空两栖跨介质飞机概念。然而，由于水环境和空气环境之间的显著差异，航行器要同时满足两种介质的要求并不是一件容易的事。尽管美国等一些国家提出了许多载人两栖飞机设计方案，但最终都没有真正地实现海空两栖航行。近几十年，随着无人系统技术的发展，跨介质探测装备的研究取得较大进展，产生了很多的概念和变体，与有人航行器相比，这种系统的复杂度和技术难度有所降低。但是，总体来看这些跨介质探测设备仅能进行浅海航行，难以满足深海探测需求。

跨介质海洋环境探测平台还存在许多技术难题需要克服。如，探测平台空中飞行和深潜对重量需求的矛盾、介质之间模态过渡的实现、满足要求的多种介质推进系统设计、姿态稳定性等。为了解决这些问题，本发明提出了一种多旋翼跨介质海洋环境探测平台。

技术实现要素：

发明目的：提供一种多旋翼跨介质海洋环境探测平台，能够满足跨介质时姿态平稳的需要。

技术方案：本发明所述的多旋翼跨介质海洋环境探测平台，包括控制仓、四组旋翼机构、漂浮气囊、设备安装框架、传感机构安装盒、夹紧机构以及配重调整机构；

四组旋翼机构均安装在控制仓上；设备安装框架为u形框架；设备安装框架的两侧上边缘均固定在控制仓的下侧面上；漂浮气囊环绕式安装在设备安装框架的上部；配重调整机构安装在设备安装框架的下侧面上，用于调整设备整体的重量；夹紧机构安装在设备安装框架的左侧壁上，用于将传感机构安装盒夹紧安装在设备安装框架内；在传感机构安装盒的外侧壁上设置有水深传感器、温度传感器以及盐度传感器；在设备安装框架上安装有一个用于为漂浮气囊充放气的气泵；在设备安装框架的右侧外壁上安装有一个声呐；

在控制仓内设置有gps模块、陀螺仪、控制器、存储器、气泵驱动电路以及无线通讯模块，在控制仓的外侧壁上安装有气压传感器；声呐、无线通讯模块、存储器、气压传感器、水深传感器、温度传感器、气泵驱动电路以及盐度传感器均与控制器电连接；控制器通过气泵驱动电路驱动气泵充放气；配重调整机构以及四组旋翼机构均由控制器驱动。

进一步的，每组旋翼机构均包括旋翼悬臂、旋翼、旋翼驱动电机以及圆筒形涵道；四个旋翼悬臂的一端分别安装在控制仓的前后左右四个侧面上，且四个旋翼悬臂呈十字形分布；旋翼驱动电机安装在旋翼悬臂的另一端上，且旋翼驱动电机的输出轴竖直向上；旋翼安装在旋翼驱动电机的输出轴上；圆筒形涵道固定在旋翼悬臂上，且圆筒形涵道的中心线与旋翼驱动电机的输出轴轴线相重合；旋翼的叶片尖端贴近圆筒形涵道的内侧壁；四个圆筒形涵道通过连接板连接；在连接板的中心处且位于控制仓的上方设置有一个通气口；

在控制仓内设置有旋翼电机驱动电路，旋翼电机驱动电路与控制器电连接，控制器通过旋翼电机驱动电路协调控制四个旋翼驱动电机。

进一步的，在每个旋翼驱动电机的下方均安装有一个浮力罐；浮力罐为双层结构，外层为炭纤维外壳，内部为充满高压气体的不锈钢储气罐。

进一步的，夹紧机构由夹紧螺栓以及压板组成；在设备安装框架的左侧面下部设置有一个螺纹孔；夹紧螺栓螺纹旋合在螺纹孔上，且夹紧螺栓的端部伸入设备安装框架内；夹紧螺栓的伸入端旋转式安装在压板的左侧面上，且压板位于设备安装框架内；在夹紧螺栓上螺纹旋合安装有一个用于并紧的夹紧螺母；压板的右侧面按压在传感机构安装盒的左侧面上。

进一步的，在压板的左侧面上设置有橡胶垫。

进一步的，配重调整机构包括电机安装板、四根支撑杆、四块支撑板、两个配重盒、配重盒驱动电机、两个配重块锁定机构以及两个配重块；

四根支撑杆的下端分别固定在电机安装板上侧面的四个顶角处，四根支撑杆的上端均固定在设备安装框架的下侧面上；配重盒驱动电机安装在电机安装板的下侧面上，且配重盒驱动电机的输出轴向上贯穿电机安装板；四块支撑板均竖向固定在设备安装框架的下侧面上，且前侧两块支撑板的后边缘分别固定在前侧对应的两根支撑杆上，后侧的两块支撑板的前边缘分别固定在后侧对应的两根支撑杆上；前侧的配重盒的后侧下顶角铰接式安装在前侧的两块支撑板上；后侧的配重盒的前侧下顶角铰接式安装在后侧的两块支撑板上；两个配重块分别放置在两个配重盒内；在前侧的配重盒的前侧面以及后侧的配重盒的后侧面上均设置有一个用于配重块滑出的开口；在两个配重盒相对的两个面上均纵向设置有一块释放板，两块释放板的端部交叠设置；在两块释放板的交叠位置处均设置有一个长条孔；在配重盒驱动电机的输出轴上横向固定有一个端部穿过两个长条孔的释放轴，且在配重盒驱动电机的输出轴旋转时脱离两个长条孔；两个配重块锁定机构分别安装在两个配重盒的右侧面上，用于在释放轴脱离两个长条孔前锁定两个配重块；

在控制仓内设置有配重电机驱动电路，配重电机驱动电路与控制器电连接，控制器通过配重电机驱动电路驱动配重盒驱动电机旋转。

进一步的，两个配重块锁定机构均包括锁定弹簧、定位柱以及按压环片；在配重块的右侧面上设置有一个定位孔；定位柱的左端贯穿配重盒的右侧壁后伸入定位孔内；按压环片同轴式固定在定位柱上；在对应侧的支撑板上设置有一个用于定位柱右端伸入的解锁孔；锁定弹簧套设在定位柱上，且锁定弹簧弹性支撑在按压环片与配重盒之间，用于在配重盒向下旋转时驱动定位柱的右端伸入解锁孔内，同时定位柱的左端从定位孔内抽出。

本发明还提供了一种多旋翼跨介质海洋环境探测平台的探测方法，包括如下步骤：

参数设定步骤：预先设定需要探测位置的坐标以及需要测量的各个深度，并储存在存储器中；

下潜探测步骤：

步骤一，控制器协调控制四组旋翼机构起飞，并通过gps模块实时比对坐标信息，使探测平台飞行至设定的坐标位置处，之后控制器通过气压传感器以及陀螺仪协调控制该探测平台平稳降落于水面；

步骤二，控制器通过气泵驱动电路控制气泵为漂浮气囊放气，使该多旋翼跨介质海洋环境探测平台的重力大于浮力下潜；

步骤三，水深传感器实时检测水深数据并向控制器反馈，由控制器判断是否到达设定深度，当控制器判断探测平台到达设定深度时，控制器协调控制四组旋翼机构运动产生推力，使探测平台悬浮在设定深度，同时控制器控制温度传感器、盐度传感器以及水深传感器采集该指定深度的温度、盐度以及水深数据并存入存储器中，该深度数据采集完成后控制器控制四组旋翼机构停止运动；

步骤四，重复步骤三直至探测平台采集完各个设定深度的数据后，探测完成；

上浮回收步骤：探测完成后，控制器控制配重调整机构释放配重，使探测平台的浮力大于重力浮出水面，水深传感器与气压传感器实时检测数据并向控制器反馈，由控制器判断四组旋翼机构是否完全浮出水面，当控制器判断四组旋翼机构完全浮出水面时，控制器协调控制四组旋翼机构起飞，使该多旋翼跨介质海洋环境探测平台飞回观测站完成回收。

进一步的，还包括避障步骤：声呐实时检测探测平台周围环境并向控制器反馈信号，由控制器判断周围是否存在障碍物，当控制器判断周围存在障碍物时，控制器协调控制四组旋翼机构运动产生推力避开障碍物。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：利用水深传感器、温度传感器以及盐度传感器实现数据采集；利用气泵为漂浮气囊充放气，使下潜过程中漂浮气囊体积减小浮力大于重力，实现下潜；利用配重调整机构释放配重，使重力大于浮力，实现上浮；利用夹紧机构便于安装传感机构安装盒，同时便于更换携带不同传感器的传感机构安装盒。

附图说明

图1为本发明的前视图；

图2为本发明的仰视图；

图3为本发明配重块锁定机构的局部放大图；

图4为本发明配重调整机构的左视图；

图5为本发明的俯视图；

图6为本发明的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：

如图1-6所示，本发明公开的多旋翼跨介质海洋环境探测平台包括：控制仓7、四组旋翼机构、漂浮气囊6、设备安装框架13、传感机构安装盒28、夹紧机构以及配重调整机构；

四组旋翼机构均安装在控制仓7上；设备安装框架13为u形框架；设备安装框架13的两侧上边缘均固定在控制仓7的下侧面上；漂浮气囊6环绕式安装在设备安装框架13的上部；配重调整机构安装在设备安装框架13的下侧面上，用于调整设备整体的重量；夹紧机构安装在设备安装框架13的左侧壁上，用于将传感机构安装盒28夹紧安装在设备安装框架13内；在传感机构安装盒28的外侧壁上设置有水深传感器、温度传感器以及盐度传感器；在设备安装框架13上安装有一个用于为漂浮气囊6充放气的气泵9；在设备安装框架13的右侧外壁上安装有一个声呐8；

在控制仓7内设置有gps模块、陀螺仪、控制器、存储器、气泵驱动电路以及无线通讯模块，在控制仓7的外侧壁上安装有气压传感器；声呐8、无线通讯模块、存储器、气压传感器、水深传感器、温度传感器、气泵驱动电路以及盐度传感器均与控制器电连接；控制器通过气泵驱动电路驱动气泵9充放气；配重调整机构以及四组旋翼机构均由控制器驱动。

利用水深传感器、温度传感器以及盐度传感器实现数据采集；利用气泵9为漂浮气囊6充放气，使下潜过程中漂浮气囊6体积减小浮力大于重力，实现下潜；利用配重调整机构在数据采集完成后释放配重，使重力大于浮力，实现上浮；利用夹紧机构便于安装传感机构安装盒28，同时便于更换携带不同传感器的传感机构安装盒28。

进一步的，每组旋翼机构均包括旋翼悬臂5、旋翼3、旋翼驱动电机4以及圆筒形涵道1；四个旋翼悬臂5的一端分别安装在控制仓7的前后左右四个侧面上，且四个旋翼悬臂5呈十字形分布；旋翼驱动电机4安装在旋翼悬臂5的另一端上，且旋翼驱动电机4的输出轴竖直向上；旋翼3安装在旋翼驱动电机4的输出轴上；圆筒形涵道1固定在旋翼悬臂5上，且圆筒形涵道1的中心线与旋翼驱动电机4的输出轴轴线相重合；旋翼3的叶片尖端贴近圆筒形涵道1的内侧壁；四个圆筒形涵道1通过连接板27连接；在连接板27的中心处且位于控制仓7的上方设置有一个通气口29；

在控制仓7内设置有旋翼电机驱动电路，旋翼电机驱动电路与控制器电连接，控制器通过旋翼电机驱动电路协调控制四个旋翼驱动电机4。

利用圆筒形涵道1减小了旋翼3诱导阻力，使旋翼3产生更大的推力，同时旋翼3叶片尖端贴近圆筒形涵道1，降低了叶片尖端的气流损失；利用通气口29减小上升或下降时的空气阻力。

进一步的，在每个旋翼驱动电机4的下方均安装有一个浮力罐2；浮力罐2为双层结构，外层为炭纤维外壳，内部为充满高压气体的不锈钢储气罐。

利用浮力罐2保证了该探测平台在水面上的平稳性，并可以抵抗一定的海浪扰动对起飞的影响；利用双层结构防止不锈钢储气罐在下潜过程中因水压变形。

进一步的，夹紧机构由夹紧螺栓21以及压板20组成；在设备安装框架13的左侧面下部设置有一个螺纹孔；夹紧螺栓21螺纹旋合在螺纹孔上，且夹紧螺栓21的端部伸入设备安装框架13内；夹紧螺栓21的伸入端旋转式安装在压板20的左侧面上，且压板20位于设备安装框架13内；在夹紧螺栓21上螺纹旋合安装有一个用于并紧的夹紧螺母26；压板20的右侧面按压在传感机构安装盒28的左侧面上。

利用螺纹孔与夹紧螺栓21的组合，保证压板20将传感机构安装盒28紧压在设备安装框架13上；利用夹紧螺母26并紧，实现夹紧螺栓21的机械防松。

进一步的，在压板20的左侧面上设置有橡胶垫。利用橡胶垫防止传感机构安装盒28被挤压变形。

进一步的，配重调整机构包括电机安装板25、四根支撑杆14、四块支撑板19、两个配重盒12、配重盒驱动电机10、两个配重块锁定机构以及两个配重块11；

四根支撑杆14的下端分别固定在电机安装板25上侧面的四个顶角处，四根支撑杆14的上端均固定在设备安装框架13的下侧面上；配重盒驱动电机10安装在电机安装板25的下侧面上，且配重盒驱动电机10的输出轴向上贯穿电机安装板25；四块支撑板19均竖向固定在设备安装框架13的下侧面上，且前侧两块支撑板19的后边缘分别固定在前侧对应的两根支撑杆14上，后侧的两块支撑板19的前边缘分别固定在后侧对应的两根支撑杆14上；前侧的配重盒12的后侧下顶角铰接式安装在前侧的两块支撑板19上；后侧的配重盒12的前侧下顶角铰接式安装在后侧的两块支撑板19上；两个配重块11分别放置在两个配重盒12内；在前侧的配重盒12的前侧面以及后侧的配重盒12的后侧面上均设置有一个用于配重块11滑出的开口；在两个配重盒12相对的两个面上均纵向设置有一块释放板15，两块释放板15的端部交叠设置；在两块释放板15的交叠位置处均设置有一个长条孔；在配重盒驱动电机10的输出轴上横向固定有一个端部穿过两个长条孔的释放轴16，且在配重盒驱动电机10的输出轴旋转时脱离两个长条孔；两个配重块锁定机构分别安装在两个配重盒12的右侧面上，用于在释放轴16脱离两个长条孔前锁定两个配重块11；

在控制仓7内设置有配重电机驱动电路，配重电机驱动电路与控制器电连接，控制器通过配重电机驱动电路驱动配重盒驱动电机10旋转。

利用四根支撑杆14以及四块支撑板19保证了下方电机安装板25以及两个配重盒12的安装可靠性；利用两块释放板15以及释放轴16的配合，保证在配重盒驱动电机10的输出轴旋转时释放轴16同时脱离两个长条孔，使两个配重盒12同时绕铰接点下摆，实现了两个配重块11的同步释放；利用两个配重块锁定机构锁定两个配重块11，保证了在释放轴16脱离长条孔之前，两个配重块11不会因该探测平台的倾斜而脱离。

进一步的，两个配重块锁定机构均包括锁定弹簧24、定位柱22以及按压环片23；

在配重块11的右侧面上设置有一个定位孔18；定位柱22的左端贯穿配重盒12的右侧壁后伸入定位孔18内；按压环片23同轴式固定在定位柱22上；在对应侧的支撑板19上设置有一个用于定位柱22右端伸入的解锁孔17；锁定弹簧24套设在定位柱22上，且锁定弹簧24弹性支撑在按压环片23与配重盒12之间，用于在配重盒12向下旋转时驱动定位柱22的右端伸入解锁孔17内，同时定位柱22的左端从定位孔18内抽出。

利用锁定弹簧24、按压环片23以及定位柱22的配合，保证在配重盒12下摆前定位柱22的左端始终插装在定位孔18内，从而保证配重块11不脱落，同时保证在配重盒12旋转完成后定位柱22的左端在锁定弹簧24的作用下完全脱离定位孔18。

如图6所示，本发明还提供了一种多旋翼跨介质海洋环境探测平台的探测方法，包括如下步骤：

参数设定步骤：预先设定需要探测位置的坐标以及需要测量的各个深度，并储存在存储器中；

下潜探测步骤：

步骤一，控制器协调控制四组旋翼机构起飞，并通过gps模块实时比对坐标信息，使探测平台飞行至设定的坐标位置处，之后控制器通过气压传感器以及陀螺仪协调控制该探测平台平稳降落于水面；

步骤二，控制器通过气泵驱动电路控制气泵9为漂浮气囊6放气，使该多旋翼跨介质海洋环境探测平台的重力大于浮力下潜；

步骤三，水深传感器实时检测水深数据并向控制器反馈，由控制器判断是否到达设定深度，当控制器判断探测平台到达设定深度时，控制器协调控制四组旋翼机构运动产生推力，使探测平台悬浮在设定深度，同时控制器控制温度传感器、盐度传感器以及水深传感器采集该指定深度的温度、盐度以及水深数据并存入存储器中，该深度数据采集完成后控制器控制四组旋翼机构停止运动；

步骤四，重复步骤三直至探测平台采集完各个设定深度的数据后，探测完成；

上浮回收步骤：探测完成后，控制器控制配重调整机构释放配重，使探测平台的浮力大于重力浮出水面，水深传感器与气压传感器实时检测数据并向控制器反馈，由控制器判断四组旋翼机构是否完全浮出水面，当控制器判断四组旋翼机构完全浮出水面时，控制器协调控制四组旋翼机构起飞，使该多旋翼跨介质海洋环境探测平台飞回观测站完成回收。

进一步的，还包括避障步骤：声呐8实时检测探测平台周围环境并向控制器反馈信号，由控制器判断周围是否存在障碍物，当控制器判断周围存在障碍物时，控制器协调控制四组旋翼机构运动产生推力避开障碍物。

通过上述的多旋翼跨介质海洋环境探测平台的探测方法，能够实现该多旋翼跨介质海洋环境探测平台自动探测数据并返回观测站。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。