摘要：随着跨介质无人机在海洋监测和水下巡检等领域的应用需求增加，水空一体化无人机的设计面临水下通信受限和环境适应性不足的技术挑战。提出了一种基于跨介质通信技术的空海无人机系统，旨在实现无人机在空中和水下环境之间的无缝转换。该系统采用十字共轴多旋翼结构，通过水下光纤通信技术解决水下通信的高带宽和低损耗问题，显著提升通信效率。无人机设计包括空中、水面和水下运动模式，以及出水及入水方式，确保在不同介质中的稳定性和高效性。实验结果表明，该系统在水下信号传输和结构转换稳定性方面表现优异，适用于海洋监测、应急救援等多种复杂场景。本研究的创新点包括水下光纤通信技术的应用、高稳定性的共轴双层旋翼结构设计，以及系统集成和实验验证，为水空一体化无人机的应用提供了理论和技术支持。

　　关键词：空海一体化无人机；水下光通信；结构设计；动力系统；能源管理

　　0引言

　　近年来，无人机技术快速发展，在环境监测、海洋探测、搜救等领域的应用前景广阔[1-2]。传统无人机通常局限于空中或水下单一介质作业，难以在复杂的空水交界处实现高效巡检。现有研究多集中于单一介质性能提升，但跨介质操作仍面临较大挑战，特别是水下通信受无线电衰减影响，难以实现稳定的高带宽数据传输。因此，开发一种基于跨介质通信技术的空海无人机系统至关重要[3]。这样的无人机可以在空中和水下环境之间无缝转换，克服通信和结构转换难题，满足复杂环境下的巡检需求。提升无人机跨介质巡检能力，不仅对环境监测和应急响应等领域具有重要意义，也为无人机技术的进一步发展开辟了新的应用空间。

　　跨介质通信技术是指通过不同介质（如空气、水、土壤等）之间的信号传输实现数据交换和信息传递的技术。在许多应用场景中，尤其是涉及空中和水下环境的系统（如空海一体化无人机），由于介质的物理特性差异，传统的通信方法往往无法满足高效、稳定的信号传输需求。因此，跨介质通信技术的提出和应用，旨在解决不同环境介质下通信的挑战，确保系统在不同环境之间的顺畅通信。

　　在国外，许多研究者在水空一体化无人机系统的通信和结构设计方面做了探索[4-5]。在水空一体化无人机领域，倾转旋翼无人机的研究也取得了进展，如王宗辉等研究了倾转机翼旋翼无人机倾转过渡状态数值模拟，展示了倾转机翼旋翼无人机在多场景任务中的潜力[6-8]。为解决信号衰减问题，包晶等研究了水下无线光信道模型实验的水下信号传输方法，通过实验验证了光通信在深水中的高效性[9]。Tsai等研究了光学通信系统，实现了光学摄像头的基础通信[10]。然而，这些无人机系统在跨介质转换时仍面临稳定性问题，难以适应复杂的环境需求。

　　国内学者在水空一体化无人机跨介质通信和结构运动设计方面也取得了一些进展[11-12]。如吴忧等[13]提出水空两栖多旋翼无人机运动控制系统设计与实践，通过系统运动设计实现水下运动，但该系统在深水运动方面和算法仍面临技术瓶颈。此外，董志岩[14]提出共轴双旋翼无人直升机建模与控制算法，实现无人机的共轴控制，应用于海洋工程监测并取得了良好效果，但系统集成度和效量不高，缺乏有效的跨介质转换机制。邢文中等[15]提出水空无人机的构型设计与气动水动分析，设计了水空无人机结构，提升了无人机飞行稳定性，但其构型和气动水动难以实现水空无人机的高深水长时间作业。

　　针对跨介质无人机研究中存在的诸如通信效率不足、运动效率低、机构设计增效低和水下通信深度低等不足[16-20]，本文提出了一种基于水下光纤通信技术的水空一体化无人机系统。与传统方案不同，本系统在设计中创新性地通过十字共轴多旋翼实现跨介质切换，利用水下光通信技术实现深水通信，能够有效解决水下通信的高带宽和低损耗问题，大大提高通信效率；十字共轴多旋翼和光通信系统可以有效增加空海无人机的续航能力和通信范围。有效解决了空海无人机的结构、运动机构、通信方式等方面的低能低效难题，提高了无人机在空中和水下之间转换稳定性。

　　实验结果表明，所设计的系统在水下信号传输和结构转换稳定性方面表现优异，满足了多种复杂场景的应用需求。本研究的创新点主要有运动机构切换设计、通信系统设计、浮标通信设计等，贡献主要体现在以下几个方面：

　　（1）提出并实现了水下光纤通信技术在水空一体化无人机系统中的应用，显著提升了水下信号传输效率；

　　（2）设计了具备高稳定性的共轴双层旋翼结构，提升了无人机跨介质作业的可靠性；

　　（3）通过系统集成和实验验证，为水空一体化无人机在海洋监测和应急救援等领域的应用提供了理论和技术支持。

　　1总体设计

　　空海一体化无人机平台旨在实现无人机在空中、水面和水下的多场景作业能力[21-23]，为了在不同介质中保持稳定的性能和高效的任务执行，平台在结构设计[24]、运动控制和通信技术上进行了创新性改进。

　　平台的总体设计可以分为5个主要模块[25-27]：空中运动模式、水面运动模式、水下运动模式、出水及入水模式，以及空中及水下通信模式不同的结构特征及控制模式，使空海无人机在不同的场景下能够高质量完成设定的动作。空海无人机平台总体设计如图1所示。

　　2运动模式及控制系统

　　2.1空中运动模式

　　空中运动模式是无人机在空中环境中完成飞行任务的重要模式，采用差向倾转旋翼控制方式，替代传统电机增减速控制反向扭力进行自旋调节，同时通过两侧旋翼同向倾转代替倾斜机身实现前进。这种设计利用差向倾转将一小部分升力用于自旋控制，即两侧旋翼一边向前倾转、另一边向后倾转，从而产生远大于螺旋桨反扭力的扭矩用于自旋方向的控制。同向倾转则通过调整两侧旋翼倾斜方向，将部分升力用于前进控制，使飞行前进更加稳定并显著提高电机最大升力的利用效率。差向倾转如图2所示，同向倾转如图3所示。

　　具体而言，空中运动模式包括悬停模式和前行模式。在悬停模式下，无人机通过旋翼的倾转与扭矩控制，精确调节自身的稳定性，能够在目标区域上方稳定悬停，便于实时监控与精确定位；前行模式则通过调整前后旋翼的倾斜角度和转速，实现无人机的前进与巡航，支持广域巡查任务并保持良好的机动性与稳定性。整体设计确保无人机在空中任务中兼具稳定性与操控性，并注重能源效率以延长空中巡航时间。空中运动方式如图4所示。

　　2.2水面运动模式

　　水面运动模式是无人机在水面环境中执行巡航和定位任务的重要方式，其设计充分利用上层螺旋桨和侧面电机的协同作用。上层螺旋桨露出水面提供浮力，使无人机稳定漂浮于水面，同时侧面电机倾转至垂直状态，为无人机的前行提供动力。通过调整两侧电机的转速差，无人机可以灵活改变偏航角度，实现方向调整；当两侧电机转速相同时，无人机则可保持直线平稳前进。具体而言，该模式包括偏航模式和前行模式。偏航模式通过控制左右电机的转速差，实现水面上的旋转与方向调整；前行模式则通过调整上层旋翼和侧面电机的角度与转速，使无人机在水面上平稳移动，适用于水面监控和定点巡查等任务。水面运动模式的设计通过高效的倾转控制，确保了无人机在水面上的优异操控性能，具备良好的稳定性和适应性。水面运动方式如图5~6所示。

　　2.3水下运动模式

　　水下运动模式是无人机在水下环境中执行任务的关键运动控制方式，涵盖稳定性与机动性设计，主要包括悬停模式和前行模式。悬停模式通过控制旋翼倾转角度和推力大小，使无人机在水下某一位置保持稳定悬停，类似于空中悬停动作，适用于定点观测或精确作业；前行模式则将旋翼倾转至水平方向，以水平方向为基准，通过同时增加两侧电机的转速实现水下前进，通过调整两侧电机的转速差完成转向。此外，通过差动倾转旋翼并同步增加两侧电机转速，无人机可完成横滚动作，而前后电机的动态调整则控制机身俯仰轴方向的水平，进一步实现上浮与下潜操作。水下运动模式通过优化水动力结构设计，显著降低阻力并提升灵活性，以满足水下巡检与生态监测等复杂任务的需求。水下运动方式如图7所示，前行和转向动作如图8所示，横滚动作如图9所示。

　　2.4出水及入水方式

　　出水及入水方式是实现无人机在空中、水面和水下环境间跨介质转换的重要设计，采用分层控制策略以确保平稳性与可靠性。在入水过程中，无人机逐渐减速并调整倾转角度，当机体完全进入水中后，电机停止运行，上层前后电机启动以确保机体平稳入水并漂浮于水面，再通过减小前后上层电机的转速，进入水下运行模式，从而减少入水时的冲击。出水过程中，无人机通过前后上层电机增加转速，将机体从水下拉出至漂浮于水面，切换为空中模式；随后，上层电机进一步增加转速，使下层桨逐步脱离水面，再由下层桨增加转速，最终将机体完全拉离水面，进入空中飞行状态。整个过程设计充分考虑了水动力与空气动力的差异，以确保无人机在跨介质转换时的平稳过渡与高效运行。出水及入水方式如图10所示。

　　2.5水下光纤通信技术

　　水下光纤通信技术是无人机在深水环境中实现高效通信的关键技术，结合无线通信与光纤通信以满足跨介质任务的需求。在空中和水面航行模式下，无人机通过无线通信系统完成实时数据传输和远程控制；在水下环境中，采用无线通信与水下光纤通信技术相结合的方式，利用自带的光纤系留浮标进行信号传输。光纤通信具有高带宽、低损耗的特点，可确保无人机在深水环境中与控制中心保持稳定连接，满足海洋监测、搜救任务等对数据实时性的需求。整个通信技术流程如图11所示。

　　2.6动力机构

　　平台采用单一推进系统，实现空中和水下的运行。此设计大大减轻空中对多个旋翼的负担，延长空中巡航时间，并提升空中灵活性。平台采用电动机、螺旋桨和电池组组成的多旋翼电动推进系统。根据水下阻力较大，对螺旋桨的阻力远超空气介质的特征，平台采用无刷电机，该电机与一般直流电机相比，没有电刷等结构，导线均有绝缘层，遇水不易发生短路且功率大，可以在空中低阻环境下以高转速及水下高阻环境下低转速运行，可以较好地解决空中和水下的动力供给。通过计算和实验结合空中的动力需求及水下动力需求，空海无人机两栖多旋翼巡检平台采用8个由2814 900 kV的防水无刷电机与10寸的螺旋桨组成的推进单元，每个推进单元可在空中产生约2 kg的推力，水下可产生约1.7 kg推力。推进系统如图12所示。

　　3空海无人机外形结构设计

　　3.1十字形共轴结构

　　为了克服传统单一介质巡检平台的局限性，平台采用一种兼具空中飞行和水下作业能力的空海两栖巡检平台。该平台通过在两种介质中航行，拓展了现有巡检平台的作业环境和应用范围。设计了一种十字形共轴双桨倾转旋翼的结构，十字形结构能够在空中和水下环境中稳定运行，使得在水下维持机身水平的同时实现快速前行。和“X”形结构设计对比，十字形结构设计方式减少了推力损失，提高了控制效率和稳定性。十字形共轴结构如图13所示。空海无人机采用存储舱来放置视觉摄像头，为增加巡检范围，视觉摄像头前倾适宜度数。空海无人机视觉摄像头如图14所示。

　　3.2防水舵机控制机臂倾转结构

　　平台设计了高精度防水舵机控制机臂倾转的技术，采用倾转共轴电机组结构，实现空中和水下的稳定航行以及过渡。通过差向倾转旋翼控制方式代替电机增减速控制反向扭力进行自旋控制，用两侧旋翼同向倾转切换组件代替倾斜机身进行前行。通过实验和应用大幅提高了电机动力利用率，大幅增加了载重能力及水下移动能力。水下运行时以旋翼水平方向为基准进行差向、差速控制，可保持水下运行时机身水平，大幅减少前行阻力以及提供较大的水下自旋所需扭力。倾转共轴电机组如图15所示。倾转模式切换组件如图16所示。

　　3.3双层旋翼结构

　　空海无人机采用共轴双层旋翼电机组结构，在出水时能够分层过渡出水，保持机体稳定。确保在水面和水下之间切换时的平稳过渡。通过双层旋翼的独立控制，实现双层旋翼的单独工作。当需要从空中模式切换到水面滑行模式或从水下模式切换到空中模式时，上层和下层螺旋桨分别独立工作，通过精确控制实现平稳过渡。共轴双层旋翼电机组如图17所示。

　　空海无人机两栖多旋翼巡检平台的主要动力机构设计在结构和功能上都进行了创新性的设计，使其具备高机动性和灵活性，能够适应复杂的空海环境。

　　通过合理的结构设计和特殊算法的配合，经过实验和实际应用，其平稳性、防水性能方面都能够达到预期效果，能够高效完成多种巡检任务。

　　3.4起落架

　　起落架两边安装密封电池舱，延长续航时间，使得无人机能够携带更多的电池，从而延长其在各种环境下的续航时间。不仅提高了无人机的工作效率，还扩大了其应用范围。电池舱安装在起落架两边，有助于平衡机身的重量分布，从而提高无人机的整体稳定性和操控性。

　　起落架两边的电池舱采用模块化设计，便于在不拆解整个机体的情况下进行电池的更换和维护，从而提高了设备的可维护性和可靠性及灵活性。起落架设计如图18所示。

　　3.5视觉机构与照明机构

　　空海无人机两栖多旋翼巡检平台系统采用双目摄像头防水摄像头和防水探照灯设计[28]，双目摄像头安装在防水密封舱中，能够在恶劣环境下稳定工作，提供高分辨率的立体图像。防水探照灯安装在电池舱前部，使空海无人机的视觉范围更大，确保了良好的照明效果，适用于夜间或低光条件下的巡检任务。此设计提高了设备的可靠性和耐用性，扩展了应用范围，使其能够在复杂的水空环境中高效完成巡检任务。视觉机构如图19所示。探照灯如图20所示。

　　3.6密封舱

　　密封舱采用了具有高防水性能材料聚氨酯橡胶[29-30]，具有硬度高、强度好、高弹性、高耐磨性、耐撕裂、耐老化、耐臭氧、耐辐射及良好的导电性的优点，确保在水下长时间作业时不会渗水。这种材料不仅能够有效阻挡水的侵入，还能承受一定的压力变化，保证设备在各种环境下的正常运行。密封舱的结构设计，采用密封舱体开槽加上密封圈，利用盖板和螺栓紧固的方式设计，提高防水性能。能够有效防止水从各个方向渗入舱内，确保内部设备的干燥和安全。密封舱防水设计图如图21所示。

　　3.7电子设备保护

　　密封舱内部电子设备采用密封胶带进行封装[31]，进行二次密封，使电子设备有更好的防潮性能。有效防止水分对电子设备的侵害，延长设备的使用寿命。

　　3.8模块化设计

　　密封舱内部采用了模块化设计，各类传感器和电路板安装在专用电路板上，减少内部走线，便于检修和维护。主控单片机安装在电路板上，并设有烧录端管脚与外置调参接口相连，实现可外部刷写程序。

　　电源设计有外置调参、充电大电流接头，通过这些接口，可以在不拆开防水密封舱的情况下对飞控进行参数修改、刷入程序以及进行充电、启动或关闭飞行器电源。大电流电源开关示意图如图22所示。

　　4空海无人机应用及效果分析

　　4.1桥梁巡检

　　如图23所示，空海无人机在桥梁巡检中可对桥体结构、桥面裂缝、钢结构腐蚀、混凝土劣化、连接部位松动等进行高精度检测，通过搭载高清摄像、激光雷达、红外成像等设备，生成桥梁结构的精细影像和三维模型。应用效果显著，不仅显著提高了巡检效率和数据精度，还降低了人力成本与高空作业风险，为桥梁的日常维护和健康监测提供了科学可靠的支持。

　　4.2大坝和水库巡检

　　如图24所示，空海无人机能够对大坝和水库的结构、环境和潜在隐患识别等方面进行检测。空海无人机通过水下摄像和声呐技术检测坝体结构的裂缝和侵蚀情况，利用传感器获取水质参数，及时监控水库生态状况，并通过监测地表变化和周边地质环境识别潜在隐患。空海跨介质无人机大幅度提高了巡检效率，尤其适合复杂或高风险的水域环境。

　　4.3海底管道检测与修复

　　空海无人机通过高清摄像和声呐技术实现快速、全面的管道监测，提高检测效率和数据精度，其非接触式操作减少了人力成本和潜水员的安全风险。同时适合执行小面积的防腐涂层处理等轻度的修复任务。通过现场的应用空海无人机在海底管道检测与修复中的应用效果显著，能够高效、精准地完成检测工作，降低成本和安全风险。

　　4.4性能对比

　　空海无人机通过结构的优化设计，有效减少了风阻系数，增加了自身的重量，使其在飞行过程中的平稳性有一定的提高。在恶劣环境下的监测中，改良后的空海无人机有效提高了检测的稳定性和数据准确性，使其在风速较大、能见度低的环境中仍能保持较高的影像和数据质量。综上所述，经过优化的无人机在极端气候条件下提高了检测的可靠性。

　　为了展示本项目无人机实际效果，本文选取了国内外3款典型水空两栖无人机对比分析。这3款机型分别是新西兰奥克兰大学的LoonCopter、同济大学空海两栖无人机原型机TJ-FlyingFish、上海交通大学“哪吒”系列海空跨域无人航行器，如图25所示。表1详细对比了本空海无人机与国内外3款水空无人机在关键性能参数上的差异。

　　具体而言，本项目无人机在多个方面展现出显著优势，其十字可倾转机架设计和复用倾转多旋翼动力结构使其在空中和水下均具备出色的机动性和灵活性，能够高效地在不同介质间切换。双层共轴旋翼设计进一步增强了推力和控制性能，使其在水下能够实现更复杂的运动和作业。无人机的多样化操作模式和广泛的适用水域使其能够适应各种应用场景和任务需求，具有较高的环境适应能力。整机重量适中，保证了负载能力和稳定性，而较大的巡检深度和较长的空中续航时间使其能够覆盖更广泛的区域，执行更长时间的任务。水下续航能力强，速度快，能够高效完成水下巡检和监测任务。快速的水空切换时间和多种通信方式，尤其是光纤通信的高带宽和稳定性，使其在数据传输和远程控制方面具有明显优势，进一步扩大了无人机的应用范围和任务能力。

　　5结束语

　　本文成功设计了一种基于跨介质通信技术的空海无人机系统，实现了在跨介质环境中的无缝转换和海上风电巡检领域的应用。通过采用十字共轴多旋翼结构和水下光纤通信技术，显著提升了水下通信效率和稳定性，解决了传统无人机的水下通信挑战。该无人机系统具备空中、水面和水下多种运动模式，并能快速、平稳地实现出水及入水操作。其高带宽、低损耗的水下光通信技术，确保了海洋深水环境中的高效数据传输，为海洋经济和资源勘探开发提供了有力支持。创新点包括高稳定性的共轴双层旋翼结构、浮标通信设计及系统集成与实验验证。这些创新不仅提高了无人机的续航能力和通信范围，还增强了其在复杂环境下的适应性和可靠性。综上所述，本研究为空海跨域无人机的发展提供了理论和技术支持，展示了无人机加海洋经济的广阔应用前景。

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