0 引　言

跨介质无人机是指具备在空中、水中多种介质中作业能力的飞行器，是集飞行器、水面舰艇、潜航器等多种航行器功能于一身的新型运载工具^[1-2]。其概念最初是在1934年提出，但由于空气和水2种介质存在着巨大的物理性差异，因此飞行器想要同时具备空中飞行、水下航行的能力是一件非常困难的事情^[3-4]。

随着科学技术水平的不断提高，跨介质无人机的研究取得了较大进展^[5-6]。2014年，Hamzeh等^[7]研发设计了一款四旋翼跨介质飞行器，飞行器两侧搭载储水舱以调节飞行器重力实现下潜与上浮，从空中进入水里时储水舱吸水，重力增加，实现下潜与上浮。但由于储水舱中液体的晃动，使其并不易于控制。2015年，美国罗格斯大学研发了名为Navigator两栖样机^[8]，该样机采用共轴八旋翼布局，上层4个旋翼，下层4个旋翼，通过上下2层旋翼的相互配合实现跨介质过程以及空中飞行、水下航行的能力，但该样机在运动过程中需要有线控制。因此活动距离有限，并且这种布局方式容易使旋翼损坏。

相比较国外，国内针对跨介质无人机的研究相对较晚。2015年，北京航空航天大学研制出一款仿“鲣鸟”的跨介质飞行器^[9]，其采用鲣鸟头部和身体外形，机翼结构采用后掠变体设计，该机虽然完成了水空兼容性设计并且对入水冲击载荷进行了仿真分析，但并未对入水后的轨迹变化开展进一步研究。2019年上海交通大学研制出带浮筒式的跨介质旋翼固定翼复合飞行器“哪吒”^[10-11]，该飞行器采用了海空两用的机翼设计，将水下滑翔机和无人机进行了有机融合，通过实验验证了该样机具备25米级水下航行和较好的跨介质和空中飞行能力。

综合现有的海空一体无人机研究来看，大多数研究未充分考虑海浪、海风等对无人机跨介质飞行的影响，造成海空一体无人机跨介质航行的安全性和可靠性还存在很多问题，而且绝大多数潜深都在几十米以内，还难以满足深潜航行的性能要求。因此，针对这些问题，本文提出一个具有深潜功能的变结构海空一体无人机设计方案，建立其虚拟实体模型，并对其性能进行仿真分析，为海空一体跨介质平台研发提供了一种新思路。

1 总体设计

为了实现多介质中的航行能力和最大300 m的下潜深度，本文设计的海空一体无人机整体结构如图1所示。

海空一体无人机主要包括推进系统、旋翼收放和固定系统、浮力系统、控制系统、外壳和电源等。无人机总体高度为1.8 m，主体最大直径0.75 m，总重量约49 kg，其重量分布如表1所示。对各部分的详细设计过程进行介绍。

1.1 推进系统

由于空中和水下2种工作环境存在巨大差异，针对海空一体无人机设计了2套推进系统。1套是空中推进系统，适合空中飞行；1套是水下推进系统，适合水中航行并保持姿态稳定。

1.1.1 空中推进系统

空中飞行推进系统采用无刷直流电机和旋翼的方式，其主要结构如图2所示。

空中飞行推进系统主要包括主旋翼系统和辅旋翼系统。主旋翼系统主要包括动力总成和主旋翼，其动力总成包括2个电机、电调及螺旋桨，总重量约4 kg。主旋翼采用了同轴反浆的推进方式，用来提供海空一体无人机的主要升力。每个螺旋桨可提供的常规飞行拉力为13 kg，最大起飞拉力为26.5 kg，当100%油门推进时能保证拉动整个海空一体无人机。

辅旋翼系统包括4组辅旋翼机构和收放机构，主要用来提供无人机的少部分升力和进行无人机的姿态控制。收放机构包括收放电机、丝杠、收放架，其重量约为4 kg。为了减小辅旋翼尺寸，辅旋翼每轴均采用了双螺旋桨结构，每轴辅旋翼的重量1 kg，四轴总计4 kg，每个螺旋桨常规起飞重量约3.2 kg，最大起飞重量为8.98 kg。空中推进系统的相关参数如表2所示，海空一体无人机主旋翼和辅旋翼可提供的常规起飞重量约为51.6 kg，且有一定余量，能够满足海空一体无人机的起飞和飞行要求。

空中飞行推进系统的总重量约为主旋翼5 kg、辅旋翼4 kg、收放机构4 kg，共计13 kg。

1.1.2 水下推进系统

水下推进系统主要依靠水下推进器实现海空一体无人机的水下航行和跨介质过程中的姿态控制。水下推进器的安装位置如图1(b)所示，采用T260推进器，每个推进器可提供的向前推力为6.5 kg，向后推力为3.0 kg。4个水下推进器的总重量约为4.4 kg。

1.2 旋翼收放和固定系统

为了保证海空一体无人机在水面起飞和水面降落过程中的安全性和可靠性，同时为了方便无人机的重心布置以及确保水下潜航的性能，采用变结构的设计方案。海空一体无人机的辅旋翼臂可以绕固定轴转动，从而使其具有根据作业状态进行变形的功能。为了适应4个辅旋翼臂的同时转动，采用推进盘带动连杆的驱动机构，具体结构如图3所示。利用此驱动机构，可以将推进盘的上下直线运动转变为4个辅旋翼臂的旋转运动，推进盘的上下运动则由收放电机带动丝杠来驱动。为了精确得到辅旋翼臂的摆动角度和将其在某个角度锁紧，收放电机选用了具有刹车功能的深潜伺服电机，选取电机的功率为60 W，辅旋翼臂的摆动幅度为0°~120°。

为使辅旋翼在收回过程中保持竖直状态，避免与外壳发生碰撞，以顺利收回到外壳当中，4组辅旋翼机构设计了阻挡结构，具体结构如图4所示。阻挡机构包括挡板、弹簧以及挡板拉绳，挡板的转轴固定在辅旋翼臂上，从而可以使相对辅旋翼臂转动，挡板的一端通过弹簧与辅旋翼臂连接到一起，另一端连接挡板拉绳。挡板拉绳具有一定弹性，沿着辅旋翼臂布设，并且其另一端固定在收放架上。当辅旋翼臂展开时，挡板拉绳处于放松状态，挡板在弹簧的恢复力作用下与辅旋翼臂保持平行，如图5所示。当辅旋翼臂内收的过程中，挡板拉绳会不断拉紧，从而使挡板旋转，并且最终在限位块的作用下与辅旋翼臂保持垂直。此时，给辅旋翼电机小的驱动信号，使辅旋翼旋转一端压紧在挡板上。然后，继续内收辅旋翼臂，直到辅旋翼臂全部收回到外壳内。

为了防止主旋翼在海空一体无人机潜航时旋转产生阻力，为主旋翼设计相应的固定机构。主旋翼固定机构主要包括主旋翼卡座和推动杆，具体结构如图5所示。主旋翼卡座有4个卡槽，可以沿着主旋翼臂上下移动。主旋翼卡座4个卡槽之间部分的顶端是圆弧形的，从而可以保证主旋翼卡座向上移动时，无论主旋翼处于任何角度都容易滑入卡槽内。主旋翼卡座的上下移动则是由固定在主旋翼臂侧面的微型电机通过丝杠来驱动。

1.3 浮力系统

海空一体无人机上装有4个气囊，主要为其提供足够的浮力，安装位置如图1(a)所示。每个气囊均采用碳纤维材料制作，其内径约为140 mm，高600 mm，重量约为1.44 kg，总计5.76 kg。每个气囊内部均充有3 MPa的高压气体，预计能够为无人机提供38 kg浮力，使海空一体无人机潜入水中时具有14 kg的净浮力。

1.4 外壳

海空一体无人机的外壳采用塑料制作，流线型设计，长1.3 m，主要是为了减小海空一体无人机在水中的阻力，并保护内部仪器设备。外壳的总重量约为4 kg。

1.5 控制系统

海空一体无人机的控制系统主要包括飞控系统、视频传感器、组合导航模块、深度传感器等。其中飞控系统又称飞行管理与控制系统，主要由主控单元、惯性测量单元等部件组成，对于提高无人机的稳定性，数据传输的精确度和可靠性有重要影响，其重量约为0.1 kg。视频传感器主要用来监测海空一体无人机在作业过程中的实时画面，并对视频信息进行处理可以有效避免障碍物的碰撞，重量约为0.1 kg。组合导航模块可以能够精确捕捉海空一体无人机的三维位置信息，提高了定位精度，有利于无人机精准实现水面起飞和水面降落，其重量约为0.05 kg。深度传感器主要用来探测海空一体无人机在水下的潜航深度，其重量约为0.1 kg。除此之外，还需安装电缆导线，重量约为0.15 kg。

1.6 电源

由于考虑到海空一体无人机的防水和承压能力，采用电池作为无人机的供电电源，安装在电源舱内。

电池容量的大小主要根据主旋翼电机、辅旋翼电机、推进器电机的耗电量来确定。然而对于收放电机和微型电机，只是在跨介质时旋翼的收放过程中短暂工作一段时间，因此在估算电池容量时可忽略不计。本文设计的海空一体无人机在空中飞行时长约为20 min，水下潜航时长约为10 min。主旋翼电机和辅旋翼电机的功率分别为790 W、500 W，因此其耗电量分别为0.263 kWh、0.167 Wh。水下推进器电机的功率为60 W，因此耗电量为0.01 kWh。海空一体无人机包含2个主旋翼电机、8个辅旋翼电机、4个水下推进器电机，因此总的耗电量约为1.9 kWh。选用的电池容量为2.6 kWh，满足供电需求，且有30%的余量。电池尺寸为340 mm×190 mm×200 mm，重量约为14 kg。

1.7 承压舱的有限元分析

承压舱设计尺寸为 $ \mathrm{\varPhi }250 \subseteq$ 475 mm，厚度约为4 mm，重量约为4.2 kg。将控制系统和电源安装在承压舱内，主要是为了保护内部仪器设备，且设计尺寸能够满足安装需求。为了验证海空一体无人机能够在水下300 m深处承受足够压强，本文利用Solidworks的Simulation模块对其进行有限元分析。由于本文设计的海空一体无人机外壳是中空结构，在水下的抗压性较强，因此只需对承压舱进行压力分析即可。在进行有限元分析过程中，编辑承压舱材料属性为铝合金，并添加夹具，在承压舱的四周和下方施加3 MPa的压强。然后对承压舱进行网络划分，进行静应力分析，如图6所示。

可知，承压舱局部最大应力值达到了89.2 MPa，而屈服强度约为505 MPa，其应力小于屈服力。因此，承压舱设计能够满足水下300 m的应力需求。

2 运动学仿真分析

本文采用收放电机控制推进盘带动连杆的驱动机构，从而带动4组辅旋翼臂绕固定轴转动。为了验证该结构设计的合理性，利用Solidworks软件对其进行运动学仿真分析。随着推进盘的不断推进，4组辅旋翼臂摆动的角度如图7所示。

可知，随着推进盘的推进，辅旋翼臂从内收状态开始抬高，最终抬高角度逐渐达到120°，状态如图8所示。

3 结　语

本文采用变结构的方式，提出一个新的具有深潜功能的海空一体无人机整体设计方案。此方案将辅旋翼臂设计成了可收放式的变形结构，这样既可提高其在跨介质过程中的可靠性和稳定性，又可减小无人机在水下潜航时的海水阻力和扰动。为验证设计方案的可行性，利用Solidworks对海空一体无人机的性能进行分析。结果表明，海空一体无人机能够满足设计的目标要求。