学号

报告题目

跨介质航行器飞行控制系统设计

题目来源（划√）

实践教学□

科教融合☑

创新创业□

产教融合□

国际合作□

本研贯通□

论文类型（划√）

工程设计类☑

理论研究/论文类□

其 他 □

报告日期

2023 年 3 月 2 日

报告地点

一、选题背景、意义及依据

随着军事对抗技术与手段的发展，单介质空间航行器在多维态势感知、信息交互、突防攻击等方面的能力受到制约，研究适应多介质环境的跨介质航行器已成为军事强国的重要发展方向。水空跨介质航行器具备空中飞行，水下潜航，飞行器速度快，隐蔽性好以及独一无二的反复介质跨越等优点。因此，此类航行器无论是在军用应用领域还是在民用领域都有着广阔的应用前景。

1)民用领域

由于水空跨介质航行器同时具备无人飞行器和水下潜航器的功能，在大型桥梁检修工作中，既可检测水下结构体状态，又可观测水上部分情况。另一方面，水空跨介质航行器可以飞行较长距离后潜入水中，进行失事沉船与飞机的搜救打捞工作，从而大大节省此前通过母船机械布放水下航行器进行工作的时间。此外，其它应用方向主要包括:低空航线、海上航道、港湾的勘测及测量；灾难、危险区域的搜索和救援；海底通信电缆线路勘察；铺设光纤电缆；执行生态系统监测任务等。

2)军事领域

水空跨介质航行器的活动范围涉及到空中、水下两种介质，侦察监视和覆盖范围远远大于单一介质航行器，因而可在大范围内进行低空及超低空、沿岸和港口水面及水下目标军事侦察、监视等任务[1]。此外，利用水空跨介质航行器空中飞行速度快、水下航行隐蔽性强的特点，采用空中/水下多次交替运动的模式，可以使航行器快速接近目标区域，实现隐蔽载运的目的，如加装战斗部，能作为反辐射和微型攻击武器，摧毁敌方雷达等电子设施。同时，水空跨介质航行器利用快速、隐蔽的优势，还能够用于目标搜索、战损评估、信息中继、实施军事海底地形探查和测绘、进行核生化探测和危险区域标定、快速清理航道、进行反水雷任务、实施反潜位置标定等军事用途。未来信息化海战场将是岸、海、空、天、潜多维一体的联合作战[2]，在未来联合作战行动中，跨介质航行器将具备远程、高精度的探测能力，具有更广的作战范围和更强的独立作战能力。

意义过于笼统。这里欠缺对什么样的水空跨介质航行器进行控制，控制的难点在哪里的描述。

二、国内外研究现状

自1934 年苏联工程师 Ushakov 提出飞行潜艇项目 LPL 以来，研究人员针对不同的任务背景和作战要求，提出了多种不同思路的跨介质飞行器方案。按照飞行器结构的不同，可将现有研究成果分为跨介质固定翼飞行器、跨介质旋翼飞行器以及跨介质仿生飞行器三类[3]，由于在本设计中以研究旋翼式为主，因此以下研究现状围绕旋翼跨介质航行器展开。

2.1 无人空中水下航行器HUAUV

2014 年，巴西南里奥格兰德大学的助教Paulo Drews-Jr[4]等人提出了一种双层共轴八旋翼结构的无人空中水下航行器 HUAUV。HUAUV 采用分层动力布局、接力推进跨越的思想完成空中飞行、水下潜航以及水空介质跨越的基本功能，空中飞行时只有空中动力机构(空中旋翼) 工作，水下动力机构(水下螺旋桨) 静止; 水下航行时水下动力机构(水下螺旋桨)工作，空中动力机构(空中旋翼) 静止。

2.2 两栖无人机Naviator

2015年，美国罗格斯大学开发了“Naviator”两栖无人机[5]，不同于在水面活动的类型，该无人机可以下潜到水下游行。“Naviator”两栖无人机采用四旋翼结构，具有四对共轴双旋翼单元，通过调节电机的转速实现六自由度运动，各个模块部件均能够防水。无人机下沉到水下，带绿色桨叶电机降速导致机身出现倾斜角度，从而实现游行。但将空气旋翼直接作为水下航行推进机构效率很差，无人机水下运动速度远不如水下螺旋桨，而且随着转速的增加，极易烧毁电机。

2.3 两栖无人机Loon Copter

奥克兰大学嵌入式系统研究实验室开发的Loon Copter 两栖无人机几乎与 Naviator 同时进行，这是一种能在空中、水面以及水下不同条件下进行拍摄的无人机 Loon Copter。Loon Copter采用的是最简单的单层四旋翼布局，两组旋翼既提供空中飞行的升力，也提供水下航行的推力。当切换成水下模式运动时，无人机能利用其自身的压载系统自动将螺旋桨的朝向由向上转换成向后，提高了运动的机动性。

2.4 两栖无人机Cracuns

2016年，美国约翰•霍普金斯大学研发的“Cracuns”水陆两栖无人机。该款两栖无人机机身整体闭合密封，是一款既可以在空中飞行，也能在水面活动的四旋翼无人机[6]。“Cracuns”能够水中长时间待命起飞，接收到指令后可以在水面升空，具备较强的隐蔽性能，有着良好的军用前景。

2.5 倾转四旋翼跨介质飞行器TCUV

其主体是一个流线型浮筒，提供机体所需的浮力，采用专门设计的水空两用推进器作为动力来源[7]，4 个推进器左右对称分布。每个推进器配有一个舵机控制推进器偏角，使推进器能够产生矢量推力，水下航行时推进器转向水平略向下，克服水的阻力与跨介质飞行器的正浮力。在这种构型下，跨介质飞行器的姿态控制既可以通过推进器推力差动实现，也可以通过改变推进器偏角实现。

研究现状整理如下表1所示：

三、课题研究目标、研究内容、研究方法及关键技术

3.1 研究目标及内容

研究目标：设计、搭建一套能够携带一定载荷出水的旋翼装置

研究内容：跨介质航行器可同时具有快速飞行能力、快速游弋能力和高隐蔽性的优点，因此极具发展潜力。本毕设主要内容包含以下几个方面:(1) 对高稳态出入水、空海跨域混合控制等关键技术进行调研，并进行文献综述；(2)利用Catia等专业软件设计出水旋翼装置；(3)搭建具有防水功能的小型样机，能够通过Pixhawk等微型控制器出水并进行方向控制。

3.2 研究方法及关键技术

完成高稳态出入水、空海跨域混合控制等关键技术调研;完成具有防水功能的小型飞行航行器设计;完成能够实现稳态出入水过程的非线性、强鲁棒控制系统设计；搭建具有防水功能的小型样机，能够通过Pixhawk等微型控制器出水并进行方向控制。

四、论文所遇到的困难和问题、拟采取的解决措施及预期达到的目标

4.1 困难与问题

（1）能量来源和重量控制问题：本跨介质航行器使用电池作为能源，采用细长的流线型外壳以降低航行阻力，所受浮力一般接近于重力。在实际任务过程中，由于出水过程极为耗能，要想达到长航时要求，跨介质航行器一般需携带较多电池，这增加了整体重量。目前开展研究中飞行器的重量都很轻[8]，水面垂直起飞难度小，这也意味着负载问题一定程度上限制了跨介质飞行器的任务扩展性。

（2）姿态控制问题：航行器出入水问题出水是潜空跨介质航行器一个关键技术难题。航行器水空介质跨越过程消耗巨大的能量，出入水过程中水面风浪对航行器的影响，以及航行器姿态调整等都是亟待解决的问题。

4.2 拟解决措施及预期目标

目前初步拟通过浮力、重力、推进器推力等建立旋翼跨介质航行器动力学模型，采用实验测定的方法，推算水空界面上推进器推力损失系数与高度的近似关系，从而提高推进效率，适当增加载荷。在出入水风浪干扰过程中，结合具体强力非线性干扰过程，结合PID控制原理设计偏角及转速控制器，完成较稳定出入水过程。预期目标为设计、搭建一套能够携带一定载荷稳定抵御风浪出入水的旋翼跨介质航行器装置。

五、论文进度安排

总体进度安排如表2所示：

六、参考文献

[1] 杨健,冯金富,齐铎,马宗成,张强.水空介质跨越航行器的发展与应用及其关键技术[J].飞航弹,2017,No.396(12):1-8+61.DOI:10.16338/j.issn.1009-1319.2017.12.01.

[2] 马晓伟,王金栋,陈觉之.潜射无人机的发展及应用前景[J].飞航导弹,2009,No.293(05):32-35.DOI:10.16338/j.issn.1009-1319.2009.05.006.

[3] 刘相知，崔维成. 潜空两栖航行器的综述与分析［J］.中国舰船研究，2019，14（S2）：1-14.

[4] 齐铎, 李永利, 张佳强, 等. 旋翼型两栖无人机的发展现状及其在近海破障作战中的应用分析[J]. 飞航导弹, 2019(11):43-47.

[5] 唐胜景,张宝超,岳彩红,桑晨,郭杰.跨介质飞行器关键技术及飞行动力学研究趋势分析[J].飞航导弹,2021,No.438(06):7-13.DOI:10.16338/j.issn.1009-1319.20210843.

[6] Drews P L J， Neto A A， Campos M F M. Hybrid unmanned aerial underwater vehicle： modeling and simulation［C］. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems，2014：4637-4642.

[7] 聂星宇,胡志强,孙浩添,耿令波.倾转四旋翼跨介质飞行器水面垂直起飞策略研究[J].舰船科学技术,2022,44(04):66-71.

[8] 孙祥仁,曹建,姜言清,李岳明,李晔.潜空跨介质无人航行器发展现状与展望[J].数字海洋与水下攻防,2020,3(03):178-184.

指导教师意见：

签名：

年    月    日

开题评议小组成员：

开题评议小组意见：（包括对论文的选题、难度、进度、工作量、论文形式意见）：

1. 论文选题: □ 有理论意义；□ 有实用价值；□ 有理论意义与实用价值；

□ 意义不大。

2. 论文的难度: □ 偏高；□ 适当；□ 偏低。

3. 论文的工作量: □ 偏大；□ 适当；□ 偏小。

4. 进度: □ 可行；□ 不可行；

5. 学生开题报告中反映出的综合能力和表达能力: □ 好；  □ 较好；一般；□ 较差。

6. 论文形式意见：□ 可行；□ 不可行；

7. 对论文选题报告的总体评价: □ 好；□ 较好；□ 一般；□ 较差。

（在相应的方块内作记号“√”）

评  议

结  论

是否同意论文选题报告：□ 同意；□ 需重做

（在相应的方块内作记号“√”）

评议小组组长签名：                     年     月     日