本发明涉及无人机领域，尤其是涉及一种水空跨域无人机。
背景技术：
1、随着海洋科学的快速发展和人类在海洋中的活动不断多样化，出现了许多新兴的海洋科学和工程需求，包括迫切需要联合海空作业任务。这些任务包括实时观测大气和海洋环境中具有高时空变异性的海洋现象，桥墩损耗检查，海洋救援探测和深海水样采集分析等，相关人员可以及时获得丰富、全面的信息数据，同时对这些事件的发展进行分析和预测。总体来说，这些任务对于实时性的要求较高，需要海空两种介质的数据共享与互通。显然，传统单一介质的飞行器以及潜航器已经无法满足这类新兴任务的需求。因此，可连续跨域穿梭的水空跨域无人机（unmanned aerial-aquatic vehicle, uaav）是实现海空跨域任务的最优解。实现这种无人机的首要问题是使其能够在水空两种介质中稳定运行，且在水空界面能够稳定跨域。由于水的密度和粘度比空气大的多，机器在水中受到的阻力要比在空气中更大，这就要求无人机在空中进入水中或水中飞到空中时，能够快速切换模式，以保证无人机在各个介质下的机动能力。现阶段水空跨域无人机主要依据空中无人机（uav）和水下无人机（uuv）等进行改进设计。uav已经发展出固定翼、多旋翼、混合动力等多种构型，其各有优点。uuv则有类似于海龙等构型。以上类型的无人机器中，不论哪种形式其均有一个共同点：采用螺旋桨式执行器作为主动力源，对uav和uuv的改进大致可分为以下几种策略：1）保持传统的uav构型不变，对其进行防水密封处理，并选择合适的执行器以满足其在空中和水下作业的力矩和推力需求。2）将uav与uuv两个系统进行结合，在不同介质下采用不同的螺旋桨执行器。
2、其中，第二类跨域无人机由于需要两套螺旋桨导致整体机体庞大、有效载荷低，并非主流的技术方向。对于第一类跨域无人机，其难点在于一方面在于水空跨域切换，尤其是从空气进入水中的阶段，现有技术一般是采用无动力切换的方式，即在即将接触水面时，将动力关闭，依靠重力落入水中，直至桨叶浸没于水中后，再次启动实现空水介质切换，此外对于水空介质切换，由于进入空中的初期扭矩过大，因此会导致能量的浪费以及发热严重。
3、另一方面，第一类跨域无人机还存在以下问题：推进器的重心高度相比于机体的重心高度不可调，会导致无人机无法平衡空中的能耗和水中的稳定性，尤其是采用采用如中国专利cn118928737a公开了一种速比连续可调的水空两用推进器时，此问题更加严重。
技术实现思路
1、本发明的目的就是为了提供一种水空跨域无人机，通过设置矢量旋转机臂调节旋翼推进器的重心以及桨叶装置的位置，从而可以针对空中和水中实现不同的重心布置，在空中时，抬高重心更加节能，在水中时压低重心更加稳定，平衡稳定和节能。
2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
3、一种水空跨域无人机，包括机体、多个旋翼推进器，以及将各旋翼推进器设置于机体上的矢量旋转机臂，所述旋翼推进器包括旋翼壳体、旋翼动力单元、桨叶装置和机臂连接夹，所述旋翼动力单元设于旋翼壳体中且输出端连接桨叶装置，所述桨叶装置位于旋翼壳体外，所述机臂连接夹设于旋翼壳体上；
4、所述矢量旋转机臂包括：
5、安装于机体上的舵机架和机臂支撑架，
6、舵机，安装于舵机架上，
7、机臂碳管，通过机臂轴承安装于机臂支撑架上，一端连接舵机的输出轴，另一端通过机臂连接夹连接对应的旋翼推进器；
8、所述桨叶装置的轴线与机臂碳管垂直设置，所述机臂连接夹设于旋翼壳体的近底部处，其中，所述旋翼壳体的近底部为远离桨叶装置的一端，所述旋翼推进器在机臂碳管的带动下绕机臂碳管的轴线转动，当转动至桨叶装置位于机臂碳管上方时，所述旋翼推进器的重心高于机体的重心，当转动至桨叶装置位于机臂碳管下方时，所述旋翼推进器的低心高于机体的重心。
9、所述机臂轴承共设有多个。
10、所述矢量旋转机臂还包括舵机机臂连接件，所述机臂碳管通过舵机机臂连接件与舵机的输出轴连接。
11、所述桨叶装置的轴线在与机臂碳管的轴线垂直的平面内围绕机臂碳管的轴线转动。
12、所述旋翼动力单元包括主动力电机、辅助动力电机和转速连续变换输出装置，所述转速连续变换输出装置的输入端分别连接至主动力电机和辅助动力电机，输出端连接至桨叶装置。
13、所述转速连续变换输出装置包括太阳轮、太阳轮轴、主传动齿轮、行星轮、辅助传动齿轮、内齿圈和输出轴；
14、所述太阳轮套设并固定于太阳轮轴上，所述主传动齿轮套设并固定于太阳轮轴上，并与主动力电机的输出轴上的第一传动齿轮啮合，所述行星轮套设并固定于行星架偏轴上，所述辅助传动齿轮套设并固定于行星架偏轴上，并与辅助动力电机的输出轴上的第二传动齿轮啮合，所述太阳轮和太阳轮轴同步转动，所述辅助传动齿轮和行星架偏轴同步转动；所述太阳轮和行星轮均位于内齿圈内，内齿圈与行星轮啮合，并与输出轴固定连接，所述输出轴连接至桨叶装置。
15、所述转速连续变换输出装置还包括用于支撑输出轴的深沟球轴承。
16、所述机体包括上碳板、下碳板和航电仓，所述上碳板为用于航电仓穿过的镂空碳板，所述上碳板和下碳板存在对称排列螺孔，用于连接矢量旋转机臂。
17、所述无人机还包括电池架和脚架，所述电池架包括电池支撑柱、电池托板和电池，所述脚架包括垂直底座、脚架支撑碳管、脚架三通、脚架碳管和减震泡沫；
18、所述垂直底座与脚架支撑碳管通过螺丝夹紧连接，所述脚架支撑碳管与所述脚架三通通过螺丝夹紧连接，所述脚架三通与所述脚架碳管通过螺丝夹紧连接，所述减震泡沫套接在所述脚架碳管上，所述电池支撑柱与机体固定连接，所述电池托板与电池支撑柱通过螺丝固定连接。所述电池放置电池托板上，并用轧带绑紧。
19、一种基于上述的水空跨域无人机的控制方法，包括：
20、当处于空中飞行状态时，通过矢量旋转机臂旋转旋翼推进器使桨叶装置位于机臂碳管上方；
21、当处于水下飞行状态时，通过矢量旋转机臂旋转旋翼推进器使桨叶装置位于机臂碳管下方；
22、当处于水中跨域至空中时，控制通过矢量旋转机臂旋转旋翼推进器使位于机体同一侧两个桨叶装置的轴线的延长线相交；检测高度信息，并基于高度信息判断与水面的距离，当与水面的距离小于第一设定阈值距离时，控制旋翼推进器停转并通过矢量旋转机臂旋转旋翼推进器使桨叶装置位于机臂碳管下方切换至桨叶装置位于机臂碳管上方后，控制各旋翼推进器反向转动并逐渐调整速比驱动无人机进入空中；
23、当处于空中跨域至水中时，控制各旋翼推进器调整速比进入水中；检测高度信息，并基于高度信息判断与水面的距离，当判断进入水中后，通过矢量旋转机臂旋转旋翼推进器使位于机体同一侧两个桨叶装置的轴线的延长线相交；控制旋翼推进器停转并通过矢量旋转机臂旋转旋翼推进器使桨叶装置位于机臂碳管上方切换至桨叶装置位于机臂碳管下方后，控制各旋翼推进器反向转动。
24、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
25、1、通过设置矢量旋转机臂调节旋翼推进器的重心以及桨叶装置的位置，从而可以针对空中和水中实现不同的重心布置，在空中时，抬高重心更加节能，在水中时压低重心更加稳定，平衡稳定和节能。
26、2、机臂轴承共设有多个，可以增加矢量旋转机臂的长度，通过扩大力矩臂提升控制精度，通过优化重心分布增强稳定性，并通过改善动力分配提高效率，使无人机更适应海空跨域任务的高要求。
27、3、舵机机臂连接件作为专用的连接部件，能够更精确地将舵机的输出轴旋转运动传递给机臂碳管，避免了直接连接可能存在的配合间隙或不对中问题，确保了旋翼推进器矢量旋转的角度控制更加精准和同步，提升了无人机在空、水两种介质下的姿态控制性能。
28、4、桨叶装置的轴线始终在一个与机臂碳管轴线垂直的平面内转动。这意味着无论在空气中还是水中，推进器产生的推力方向都能被精确地控制在特定平面内，避免了不必要的推力分量损失，使得无人机能够更高效地进行俯仰、滚转等姿态调整，有利于水空跨域时的平稳过渡。
29、5、通过设置主动力电机、辅助动力电机和转速连续变换输出装置，两个电机的动力可以被合成并连续调整输出到桨叶，使得无人机能够根据空气和水中截然不同的流体密度和阻力，无缝地调整推进器的转速和扭矩，避免了传统单电机系统在介质切换时可能出现的“扭矩冲击”或动力不足/过剩问题，从而节约了能量，减少了系统发热。
30、6、利用转速连续变换输出装置，由于空气的阻力很小而水的阻力较大，就要求水空跨域无人机的动力推进器能够提供较大的扭矩输出范围，空中情况下，推进器应呈现小扭矩且高转速的状态，水中情况下，推进器则需要呈现大扭矩且低转速的状态，不但如此，在水空交界的跨域过程中，还需要推进器能够快速的切换两种状态，以达到跨域的连续性，而一般的动力机构其扭矩范围很难满足这样的要求，本发明搭载的速比连续可调动力装置可根据主动力输入和辅助动力输入的不同转速搭配来生成相应的输出转速，同样，其输出扭矩也可根据主动力电机和辅助动力电机的转速不同而变化，以保证推进器在空气介质和水介质交界的跨域过程中实现转速从慢速到快速以及扭矩从大到小的连续变化，进而实现无人机的连续跨域。另外，本发明的矢量旋转机臂结构可使得无人机机臂发生0-360度的倾转，即改变动力系统的输出方向，当无人机在空中飞行时，矢量旋转机臂角度为0度，推进器动力方向朝上，其与一般四旋翼飞行器飞行模式相同；当无人机在水中航行时，矢量旋转机臂角度由0-360度变化。若无人机进行下潜操作，则机臂可旋转180度，使推进器动力向下，进而实现下潜；若无人机进行水下平移等操作，则机臂可旋转90-270度，以实现水下前进和后退，并且由于航行器被设计为”h”构型，其动力单元实现前进和后退运动时，可实现全动力输出，而不像”x”构型有动力耗散。
31、7、采用上、下碳板作为主承力结构，碳纤维材料具有高比强度。上碳板的镂空设计既为航电仓提供了安装空间，又减轻了重量。对称排列的螺孔便于矢量旋转机臂的标准化安装和布局调整。使得无人机在保证结构稳固的同时，获得了更大的有效载荷能力和更优的飞行/潜航性能。
32、8、模块化的电池架通过支撑柱和托板将电池稳固地固定在机体上，并用扎带绑紧，防止跨域冲击导致电池松动。脚架采用碳管和减震泡沫的组合，碳管保证支撑强度，减震泡沫则能有效吸收无人机着陆的冲击能量，保护机体和内部精密设备。
33、9、在介质切换的关键阶段，先调整推进器角度使桨叶轴线相交，这一动作有助于在出水瞬间形成更集中的推力，并可能改善稳定性。然后执行“停转-切换姿态-反向启动”的流程，有效避免了推进器在半水半空气的复杂流体中低效工作甚至损坏的风险，同时通过反向转动和调整速比来平稳克服水面张力或实现入水缓冲。
34、10、在水中翻转推进器的朝向，而非在空中进行，充分考虑了流体动力学特性后做出的一个关键优化决策。利用水的高密度特性来“阻尼”和“缓冲”翻转动作，从而在稳定性、安全性和能效方面都带来了显著优势，确保了水空跨域过程的可控和平滑。