新型倾转旋翼水上无人机设计
来源： 发布时间：2023-12-04
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基本信息
第一作者姓名：孙齐圣
性别：男
民族：汉族
第一作者学校：上海外国语大学附属外国语学校
第一作者人所在年级：高二
辅导教师姓名：朱皓斌
作品摘要
*结构组成：
（1）机体部分：3D打印机身外壳、激光切割骨架、碳纤维机臂。
（2）动力系统：无刷电机、电子调速器、螺旋桨；
（3）控制系统：Pix飞控、信号接收机、GPS、数传；
（4）倾转系统：转动舵机、拉杆；
（5）地面站系统：电脑地面站、遥控器；
*主要特征：
(1) 独特倾转结构设计，使无人机在水上面上不需要滑行，就可以垂直起飞；
(2) 在空中可在固定翼模式下高效水平飞行，利用机翼产生的升力节省电量，提高无人机续航时间；
(3) 优秀的水动性能及小浮筒设计，提高无人机抗浪性，可让无人机在水面上稳定滑行执行任务。
*主要用途：
当遇到洪涝灾害或水质污染的问题时，我们设计的水上无人机可以快速飞到目标区域上空，执行水面和空中的救援或检测任务。由于这款无人机可以在水上垂直起降，又能在水平高效飞行，功能及续航时间远远超过一般的多旋翼无人机，可以极大提升水上无人机实用性，让无人机更好服务人们的生活。
*创新点：
(1) 通过模型设计与飞控程序，让无人机既能在水面上垂直起飞，也能在空中高速水平飞行；
(2) 独特的前掠翼和后掠翼设计，使无人机升力更大，极大提高无人机的低速性能；
(3) 通过流体力学仿真软件分析出飞机的最优外形与最佳飞行迎角，提高无人机的飞行性能和续航时间。
(4) 分布式小浮筒设计，提高无人机抗浪性，可让无人机在水面上稳定滑行执行任务。
作品说明
*问题提出：
*提出的问题和解决的问题：
这些年由水资源引发的问题越来越严重，水上无人机得到很多研究者的关注。目前已经存在的水上无人机有两类，一类是多旋翼垂直起降无人机，这类无人机通过在普通多旋翼无人机上携带浮筒实现，但由于多旋翼无人机航程有限，没法长时间执行任务。第二类是固定翼水上无人机，这种无人机虽然可以长时间飞行，但是起飞需要相当长的水域进行滑跑，很多水域不具备这样的条件。所以这两种无人机在解决水上问题时都有很大局限性。
研究问题的原因和意义：
通过研究能够从水面垂直起降且飞行时间较长的无人机，来解决无人机应对复杂水域起降与作业的问题，从而更加凸显水上无人机相较船只和传统无人机的优势，对解决水质采样和洪涝灾害救援问题具有重大意义。
*解决方案：
解决问题的办法：
为了解决以上问题，我的想法是设计制作一个既可在水上垂直起降，又可长时间飞行的水上无人机。通过设计独特的倾转结构，可以让无人机起飞时是四旋翼模式，水平飞行时是固定翼模式，这样无人机就兼顾了垂直起飞和长续航。
发明研究的重点：
1、如何设计倾转机构与动力转换方式，让无人机既能垂直起飞，又能水平飞行；
2、如何设计既适合飞行、又适合在水面滑行、高强度、重量轻的机身。
发明研究的难点：
1、无人机飞控倾转功能改写与烧录；
2、利用Fluent等有限元分析软件对机体进行流体力学分析；
3、通过机身与机翼结构设计来提高无人机的抗浪性和抗风性。
发明研究的难点：
1、无人机飞控倾转功能改写与烧录；
2、利用Fluent等有限元分析软件对机体进行流体力学分析；
3、通过机身与机翼结构设计来提高无人机的抗浪性和抗风性。
本发明使用方法、附图说明性文字：
这款倾转旋翼水上无人机，采用固定翼与多旋翼相融合的机体布局。在垂直起飞的时候，无人机是四旋翼模式。四个电机的轴线保持水平，产生垂直向上的拉力，使无人机垂直上升；水平飞行时，无人机是固定翼模式。无人机通过倾转机构，控制四个电机完成旋转，四个电机与水平面夹角为90°，电机产生向后的推力，此时无人机依靠机翼和升力体机身获得升力，而且仅需要很小的动力就可以维持正常飞行，大大提高续航时间，提高水上无人机的工作时间，这样以来，我们的水上无人机就既可以在水上垂直起降，又可以利用固定翼的升力优势进行长时间工作。
*使用或试用效果：
经过实验数据记录与分析验证，证明了本作品运行稳定、合理可靠，能够可以在不同水域执行水上作业任务，比一般的水上无人机有显著优势。
(1) 水动力试验：无人机水上航行稳定、转向灵活，高速滑行时无较大水花，小浮筒工作正常，抗风、抗浪性较强。
(2) 无人机飞行试验：无人机在水面上顺利垂直起飞，飞到高空后，通过倾转机构成功切换成固定翼模式。固定翼模式下飞行稳定性，可进行大角度爬升与俯冲动作，姿态控制灵活，
*优点：
我们设计的这款倾转旋翼水上无人机，既能在水上垂直起降，又能在水平飞行过程中依靠机翼产生升力，使用很小的动力维持正常飞行，提高续航时间。可以胜任狭小水域的起降并长时间执行任务，比一般的水上无人机有显著优势，尤其是在水质采样和洪涝灾害救援方面有着巨大应用价值。我们希望这种无人机在未来能够推广开，让水上无人机真正服务于人们生活。
*还需进一步研究的问题：
在无人机内部增加水样采集器、光电传感器等设备，检验其实际作业能力。
作品图片
查新说明
*查新网址与关键词：
关键词1：（倾转旋翼or动力旋转）and
(无人机or水上无人机)，结果：找到4条专利
关键词2：（船身式or长续航）and (无人机or水上无人机)，结果：找到2条专利
关键词3：(无人机or水上无人机) and（飞控程序or流体力学），结果：找到5条专利
*与本发明最相近的发明专利、研究文献的名称与摘要：
名称：一种四倾转旋翼无人机
专利类型：实用新型
申请(专利)号： CN202222310466.4
授权公告日： 2023-04-07
申请人：优选空天防务科技(北京)有限公司
摘要：本实用新型公开了一种多旋翼载人飞行器，包括具有可载人容纳腔的飞行器主体及设置在飞行器主体上的至少三个机臂，每个机臂上均设有第一螺旋桨及第二螺旋桨，第一螺旋桨位于机臂的上方，第二螺旋桨位于机臂的下方，第一螺旋桨通过第一驱动装置驱动旋转，第二螺旋桨通过第二驱动装置驱动旋转。上述多旋翼载人飞行器，在满足自身载重的情况下，通过在每个机臂上方和下方配置较小尺寸的螺旋桨来代替传统的在每个机臂上单独配置一个大尺寸螺旋桨的方案，能够有效地减少整机占用面积。同时，多旋翼载人飞行器在飞行过程中通过分别调整不同驱动装置的转速即可完成各种飞行动作，方便控制，机动性能和操控性能好。