跨介质航行器及其控制方法

技术领域

本申请涉及航行器领域，具体涉及一种跨介质航行器及其控制方法。

背景技术

跨介质航行器为可以在水下、水面、空中等至少两个介质内航行的航行器。当跨介质航行器在水面航行时，跨介质航行器会推动水体产生船行波，船行波增加跨介质航行器航行的阻力，提高跨介质航行器的功耗。

发明内容

本申请实施例提供一种跨介质航行器及其控制方法，目的在于解决跨介质航行器产生的船行波提高功耗的技术问题。

本申请第一方面的实施例提供了一种跨介质航行器，包括：

壳体，具有收容腔；

减阻机构，包括支架和球鼻附体，支架和壳体可移动连接，球鼻附体与支架连接；

减阻机构具有第一状态和第二状态，在减阻机构处于第一状态的情况下，球鼻附体收容在收容腔内；在支架相对壳体移动，减阻机构从第一状态切换至第二状态的情况下，球鼻附体的至少部分伸出收容腔，以产生与跨介质航行器的船行波相干涉抵消的波。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，支架的一端与壳体转动连接，另一端与球鼻附体相连接，减阻机构包括用于驱动支架相对壳体转动的第一驱动件。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，支架包括伸缩杆和第二驱动件，伸缩杆的一端与壳体转动连接，另一端与球鼻附体相连接，第二驱动件用于驱动伸缩杆伸缩。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，球鼻附体包括球鼻件和第三驱动件，球鼻件与支架转动连接，第三驱动件用于驱动球鼻件相对支架转动。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，球鼻件具有相隔离的腔室和安装槽，第三驱动件设置于腔室内，第三驱动件的驱动轴伸入安装槽，支架的一端伸入安装槽与位于安装槽内的驱动轴转动连接。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，球鼻件包括相对设置的球鼻前端和尾端，球鼻前端具有光滑的球面。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，在减阻机构处于第一状态的情况下，尾端背离球鼻前端的端面与壳体拼合形成平滑表面。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，跨介质航行器还包括至少两组水翼，至少两组水翼沿壳体的轴向间隔设置，减阻机构沿壳体的轴向设置在两组水翼之间。

第二方面，提供了一种跨介质航行器的控制方法，方法应用于如上述的跨介质航行器，方法包括：

在跨介质航行器处于水下或空中航行时，控制减阻机构切换至第一状态；

在跨介质航行器处于水面航行时，控制减阻机构切换至第二状态。

根据本申请第二方面前述任一实施方式，控制减阻机构切换至第二状态包括：

检测跨介质航行器的航行姿态信息和航行速度；

根据航行姿态信息和设定姿态信息的差值、以及航行速度和设定速度的差值，执行以下至少一个步骤，以使球鼻附体产生与跨介质航行器的船行波相干涉抵消的波：

(1)控制第一驱动件带动支架和球鼻附体相对壳体转动第一角度；

(2)控制第二驱动件带动伸缩杆相对壳体伸缩第一长度；

(3)控制第三驱动件带动球鼻附体相对支架和转动第二角度。

在本申请实施例提供的跨介质航行器及其控制方法中，通过设置支架和壳体可移动连接，使得球鼻附体可以在收容腔内外切换，以适应跨介质航行器在不同介质内航行；通过设置在减阻机构处于第二状态的情况下，球鼻附体的至少部分伸出收容腔，以产生与跨介质航行器的船行波相干涉抵消的波，从而降低跨介质航行器在水面航行的阻力，提高跨介质航行器的航速，降低跨介质航行器的功耗，减小跨介质航行器实现水面到空中的跨域作业过程中的推力需求，降低跨介质航行器自水面滑跑起飞的难度；通过设置在减阻机构处于第一状态的情况下，球鼻附体收容在收容腔内，以在跨介质航行器处于空中或水下航行时，减小减阻机构产生的阻力。

附图说明

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征，附图并未按照实际的比例绘制。

图1是本申请第一方面实施例提供的一跨介质航行器处于第一状态下的立体结构示意图；

图2是本申请第一方面实施例提供的一跨介质航行器的处于第一状态下剖面结构示意图；

图3是本申请第一方面实施例提供的一跨介质航行器处于第二状态下的剖面结构示意图；

图4是本申请第一方面实施例提供的减阻机构的减阻原理示意图；

图5是本申请第一方面实施例提供的球鼻附体的剖面结构示意图。

附图标记说明：

100、跨介质航行器；

1、壳体；11、收容腔；12、安装腔；

2、减阻机构；21、支架；22、球鼻附体；23、第一驱动件；211、伸缩杆；212、第二驱动件；221、球鼻件；222、第三驱动件；2211、腔室；2212、安装槽；2213、球鼻前端；2214、尾端；

3、水翼；4、推进模块；51、速度传感器；52、姿态传感器。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本申请进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本申请，并不被配置为限定本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

应当理解，在描述部件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将部件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。

跨介质航行器为可以在水下、水面、空中等至少两个介质内航行的航行器。当跨介质航行器在水面航行时，跨介质航行器会推动水体产生船行波，船行波增加跨介质航行器焊航行的阻力，提高跨介质航行器的功耗。在跨介质航行器实现水面到空中的跨域作业过程中，航行阻力将提高跨介质航行器的推力需求，提高跨介质航行器自水面滑跑起飞的难度。

现有的方案均不能很好的解决技术问题，为解决上述问题，本申请实施例提供了一种跨介质航行器，以下将结合附图对跨介质航行器的各实施例进行说明。

参阅图1、图2和图3，跨介质航行器100包括壳体1和减阻机构2，壳体1具有收容腔11；减阻机构2包括支架21和球鼻附体22，支架21和壳体1可移动连接，球鼻附体22与支架21连接；

减阻机构2具有第一状态和第二状态，在减阻机构2处于第一状态的情况下，球鼻附体22收容在收容腔11内；在支架21相对壳体1移动，减阻机构2从第一状态切换至第二状态的情况下，球鼻附体22的至少部分伸出收容腔11，以产生与跨介质航行器100的船行波相干涉抵消的波。

壳体1可以为适应跨域航行的水滴型、雪茄型等。壳体1内中空形成安装腔12，跨介质航行器100的控制模块、驱动模块、通信模块、航行参数检测模块等可以全部或部分设置在安装腔12内。控制模块可以用于控制跨介质航行器100航行。驱动模块用于为跨介质航行器100航行提供动力，驱动模块可以为设置在壳体1尾部的推进模块4。通信模块用于与外部实现信号收发。航行参数检测模块用于检测跨介质航行器100的航行参数，航行参数检测模块可以包括用于检测航行速度的速度传感器51，用于检测航行姿态的姿态传感器52。收容腔11可以是壳体1的外表面凹陷形成的与安装腔12隔离的腔室，收容腔11与安装腔12隔离，以减小或避免进入收容腔11的水进入安装腔12。

减阻机构2用于减小跨介质航行器100航行产生的航行波。球鼻附体22通过支架21与壳体1连接。本领域技术人员可以根据需要设置支架21的结构，以使支架21可以相对壳体1完成转动、平移等移动操作，从而改变求鼻附体相对壳体1的姿态。减阻机构2可以凸出于壳体1在水面滑行时用于与水面接触的表面，减阻机构2距离壳体1的头部的距离大于减阻机构2距离壳体1的尾部的距离，以确保跨介质航行器100在水面航行时，球鼻附体处于水面以下。

请参阅图2，在减阻机构2处于第一状态的情况下，球鼻附体22收容在收容腔11内。在跨介质航行器100处于水下或空中航行时，球鼻附体22可以全部或部分收容在收容腔11内，以减小球鼻附体22与介质接触的面积，减小减阻机构2与介质接触产生的阻力。

请参阅图3，在支架21相对壳体1移动，以使减阻机构2从第一状态切换至第二状态的情况下，球鼻附体22的至少部分伸出收容腔11，以产生与跨介质航行器100的船行波相干涉抵消的波。在跨介质航行器100处于水面航行时，球鼻附体22可以全部或部分伸出收容腔11，以增大球鼻附体22与水面接触的面积，空中球鼻附体22保持一定的姿态，使得球鼻附体22可以产生一定频率、幅值的波，该波的相位与跨介质航行器100航行产生的船行波的相位具有差异，两者相叠加以使球鼻附体22产生的波可以干涉抵消全部或部分船行波，从而减小船行波对跨介质航行器100产生的阻力，降低跨介质航行器100的功耗。在本申请所述的跨介质航行器100产生的航行波可以理解为除去减阻机构2的跨介质航行器100产生的航行波。

请参阅图4，曲线L1为除去减阻机构2的跨介质航行器100产生的航行波，曲线L2为处于第一状态下的减阻机构2产生的波，曲线L3船行波与减阻机构2产生波相干涉得到的波。

在本实施例提供的跨介质航行器100中，通过设置支架21和壳体1可移动连接，使得球鼻附体22可以在收容腔11内外切换，以适应跨介质航行器100在不同介质内航行；通过设置在减阻机构2处于第二状态的情况下，球鼻附体22的至少部分伸出收容腔11，以产生与跨介质航行器100的船行波相干涉抵消的波，从而降低跨介质航行器100在水面航行的阻力，提高跨介质航行器100的航速，降低跨介质航行器100的功耗，减小跨介质航行器100实现水面到空中的跨域作业过程中的推力需求，降低跨介质航行器100自水面滑跑起飞的难度；通过设置在减阻机构2处于第一状态的情况下，球鼻附体22收容在收容腔11内，以使在跨介质航行器100处于空中或水下航行时，减小减阻机构2产生的阻力。

请参阅图2和图3，在一些实施例中，支架21的一端与壳体1转动连接，另一端与球鼻附体22相连接，减阻机构2包括用于驱动支架21相对壳体1转动的第一驱动件23。

通过设置第一驱动件23带动支架21相对壳体1转动，以使球鼻附体22伸出或伸入收容腔11。第一驱动件23可以设置在安装腔12内，第一驱动件23的驱动轴与支架21连接。第一驱动件23可以为旋转电机。第一驱动件23向支架21输出旋转力，支架21相对壳体1转动，以带动球鼻附体22相对壳体1转动，球鼻附体22伸出或伸入收容腔11。

可选地，第一驱动件23驱动支架21转动的角度范围为90°，即第一驱动件23可以驱动支架21最大转动90°。

如图2所示的实施例中，第一驱动件23带动支架21顺时针转动，球鼻附体22沿顺时针方向转动至收容腔11外；第一驱动件23带动支架21逆时针转动，球鼻附体22沿逆时针方向转动至收容腔11内。

在一些实施例中，支架21包括伸缩杆211和第二驱动件212，伸缩杆211的一端与壳体1转动连接，另一端与球鼻附体22相连接，第二驱动件212用于驱动伸缩杆211伸缩。

第二驱动件212可以驱动伸缩杆211伸缩，从而改变球鼻附体22相对壳体1的姿态，以控制球鼻附体22产生的波的特征。

第二驱动件212可以为直线电机，以驱动伸缩杆211的部分移动，改变伸缩杆211的长度。伸缩杆211可以中空，第二驱动件212可以收容在中空的伸缩杆211内。如图3所示的实施例中，伸缩杆211沿第一方向X设置，第二驱动件212带动伸缩杆211伸缩，以带动球鼻附体22沿第一方向X移动，以改变球鼻附体22与壳体1的最小间隔距离。

请结合参阅图5，在一些实施例中，球鼻附体22包括球鼻件221和第三驱动件222，球鼻件221与支架21转动连接，第三驱动件222用于驱动球鼻件221相对支架21转动。

球鼻件221为前端呈球形状的单体。伸缩杆211的一端可以与球鼻件221转动连接，第三驱动件222驱动球鼻件221相对伸缩杆211转动，以改变球鼻件221的,前端的朝向，以控制球鼻附体22产生的波的特征。

在一些实施例中，球鼻件221具有相隔离的腔室2211和安装槽2212，第三驱动件222设置于腔室2211内，第三驱动件222的驱动轴伸入安装槽2212，支架21的一端伸入安装槽2212与位于安装槽2212内的驱动轴转动连接。

球鼻件221的外壳围合形成腔室2211，球鼻件221的外壳部分凹陷形成安装槽2212。第三驱动件222设置于腔室2211内，第三驱动件222的驱动轴穿过安装槽2212的侧壁伸入安装槽2212。伸缩杆211的一端伸入安装槽2212并与驱动轴转动连接。第三驱动件222可以为转动电机，通过驱动轴驱动球鼻件221相对伸缩杆211转动。

将第三驱动件222设置在腔室2211内，以减小球鼻附体22的整体尺寸，避免第三驱动件222的外形干扰球鼻附体22产生的波。

在一些实施例中，球鼻件221包括相对设置的球鼻前端2213和尾端2214，球鼻前端2213具有光滑的球面。

第一驱动件23可以控制球鼻前端2213伸入、伸出收容槽，第二驱动件212可以控制球鼻前端2213到壳体1与支架21连接处的距离，第三驱动件222可以控制球鼻前端2213相对支架21的位置，通过第一驱动件23、第二驱动件212和第三驱动件222可以改变球鼻前端2213的姿态，不同姿态下的球鼻前端2213产生的波的频率、幅值等波的特征不同，产生不同波以干涉航行波。

在一些实施例中，球鼻件221包括相对设置的球鼻前端2213和尾端2214，在减阻机构2处于第一状态的情况下，尾端2214背离球鼻前端2213的端面与壳体1拼合形成平滑表面。

在减阻机构2处于第一状态的情况下，球鼻附体22完全收容在收容腔11内，尾端2214背离球鼻前端2213的端面与壳体1拼合形成平滑表面，以减小跨介质航行器100航行的阻力。

在减阻机构2处于第一状态的情况下，球鼻前端2213和尾端2214可以沿壳体1的径向收容在收容腔11内。在减阻机构2处于第二状态的情况下，球鼻前端2213和尾端2214可以沿壳体1的轴向放置在收容腔11外。

在一些实施例中，跨介质航行器100还包括至少两组水翼3，至少两组水翼3沿壳体1的轴向间隔设置，减阻机构2沿壳体1的轴向设置在两组水翼3之间。

成对设置的水翼3可以为跨介质航行器100提供升力。将减阻机构2沿壳体1的轴向设置在两组水翼3之间，使得减阻机构2产生的波可以同时作用于两组水翼3产生的航行波。

本申请还提供了一种跨介质航行器的控制方法，方法应用于如上述的跨介质航行器100，方法包括：

S110，在跨介质航行器处于水下或空中航行时，控制减阻机构切换至第一状态；

可以通过环境感应模组采集的环境信息，确定跨介质航行器100处于水下、空中或水面航行。可以控制第一驱动件23驱动支架21转动，以切换至第一状态。

S120，在跨介质航行器处于水面航行时，控制减阻机构切换至第二状态。

可以控制第一驱动件23驱动支架21转动，以切换至第二状态。还可以根据环境感应模组采集的环境信息，控制第一驱动件23转动的角度、第二驱动件212伸长的长度、第三驱动件222转动的角度，以控制球鼻附体22的姿态。

在一些实施例中，S120包括：

S210，检测跨介质航行器的航行姿态信息和航行速度；

S220，根据航行姿态信息和设定姿态信息的差值、以及航行速度和设定速度的差值，执行以下至少一个步骤，以使球鼻附体产生与跨介质航行器100的船行波相干涉抵消的波：

(1)控制第一驱动件带动支架和球鼻附体相对壳体转动第一角度；

(2)控制第二驱动件带动伸缩杆相对壳体伸缩第一长度；

(3)控制第三驱动件带动球鼻附体相对支架和转动第二角度。

航行姿态信息可以包括跨介质航行器100实际相对地平线的俯仰角、横滚角等。航行速度为跨介质航行器100实际行驶的速度。设定姿态信息为用户预先设置的、或导航模块生成的、或通信模块接收的所需跨介质航行器100保持的姿态信息。设定速度为用户预先设置的、或导航模块生成的、或通信模块接收的所需跨介质航行器100保持的速度。需要校正跨介质航行器100的航行姿态信息符合设定姿态信息，航行速度符合预设速度。通过控制第一驱动件23、第二驱动件212和第三驱动件222中的至少一者，以调整球鼻附体22的姿态，得到具有不同特征的波与船行波相干涉，从而使得航行姿态信息符合设定姿态信息，航行速度符合预设速度。

可选地，可以预先训练神经网络模型，将航行姿态信息和设定姿态信息的差值、以及航行速度和设定速度的差值作为输入，训练完成的神经网络模型输出第一驱动件23、第二驱动件212和第三驱动件222的工作参数。第一驱动件23、第二驱动件212和第三驱动件222可以根据与各自对应的工作参数，通过比例、积分和微分控制算法(ProportionalIntegral Derivative，PID)进行调整。

可选地，构建以航行姿态信息和设定姿态信息的差值x、航行速度和设定速度的差值y为自变量的目标优化函数f(x，y)，在目标优化函数f(x，y)满足预设条件的情况下，球鼻附体22的姿态到达所需的减阻姿态。

轮询多个第一驱动件23、第二驱动件212和第三驱动件222的工作参数，以求目标优化函数f(x，y)的值，反复迭代计算，最终使构建的目标优化函数f(x，y)最小；若目标优化函数f(x，y)满足迭代条件，则退出迭代计算过程。满足迭代条件可以是迭代的次数大于或等于预设值，或是目标优化函数f(x，y)的值在预设范围内等。

依照本申请如上文的实施例，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本申请的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本申请以及在本申请基础上的修改使用。本申请仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。