界域无界

一、引言

1.1 研究背景

随着无人系统技术的快速发展，单一模态无人机（如纯飞行或纯地面移动）在复杂任务中暴露出局限性：其中飞行类无人机的续航时间短、载荷能力有限，难以在狭小空间或恶劣天气下作业等不足。地面机器人由于移动速度慢、地形适应能力不足，其应用也得到了一定程度的限制。陆空两栖无人机通过整合空中与地面移动能力，可动态切换模式以应对多场景需求，成为近年来的研究热点。

1.2 研究意义

陆空两栖无人机在灾难救援中，可先飞行至目标区域，再切换地面模式进行精准搜救，可以提升任务的适应性。同时减少对多台专用设备的依赖，优化资源利用率来降低操作成本。对着当今科技技术的迅猛发展，陆空两栖无人机在一定程度上能够推动技术的融合。

二、课题概述

本项目旨设计和开发一款具备陆空两栖多功能机器人，该机器人不仅能够在陆地上执行各种任务，还能够在空中展开行动，极大地扩展了其应用领域和适用场景。陆空两栖多功能机器人通过集成先进的传感器、处理器和执行机构，实现在不同环境中高效执行多种任务。其关键在于拥有可扩展性和适应性，能够根据具体任务需求灵活配置各种功能模块，如机械臂和工具模块、摄像头和通信设备模块及载货舱模块等。

三、机身装配及功能

3.1 双模式系统

通过数字舵机将四个螺旋桨面转动至与水平面平行，从而进入飞行模式。在飞行模式下四个螺旋桨全部向上为机器人提供升力，在飞行模式下搭配了 TMOTORC7.5x4.6 影视 3 叶桨叶，并搭配 cine66kv1155 无刷电机，单颗最大拉力可达 3.2kg ，机器人可根据载物需求装配 4 颗或者 8 颗桨叶来提供强劲的升力，以应对不同的需求。螺旋桨的四周是由碳纤维加 3D 打印的轮毂构成的无条幅轮毂系统。在飞行模式下无条幅轮毂不仅为飞行器包裹旋翼，避免旋翼直接暴露，降低与人员、障碍物碰撞的风险。此结构还可约束气流，提高飞行稳定性减少飞行中因气流紊乱导致的意外偏移，适合室内或人群密集区域。无条幅轮毂可防止高速旋转的旋翼直接接触人体、障碍物或其他设备，降低意外割伤或碰撞风险，尤其适合室内、人群密集区域（如展会、学校、仓库）的飞行。无条幅轮毂能缓冲无人机与墙壁、树木等硬物的撞击，减少旋翼和机身损伤，延长设备寿命抗风防扰。保护罩可部分稳定气流，降低强风或乱流对无人机姿态的影响（但效果弱于涵道设计）。

陆地模式下机身运动来源于无条幅轮毂的驱动，无条幅轮毂内壁环绕一周的内轮齿为无条幅轮毂的电机提供减速比，无需电机减速器也可在一定程度上增加驱动能力。陆地模式下采用差速转向的方式，可实现在狭窄空间进行掉头等运动。

本装置优化了机身重量电机的轮体采用无条幅轮毂的设计，相比传统条幅轮毂，其一体化的结构设计显著降低车轮旋转时的空气阻力与风噪干扰，无条幅轮毂流线型设计可降低车轮旋转时的空气阻力，提升高速行驶效率从而提高无人机的飞行效率和稳定性。

3.2 模式切换系统

陆空两栖多功能机器人采用了 GX-40kg 高精度数字舵机，作为其飞行模式与陆地模式之间切换的核心执行机构。这款数字舵机凭借其卓越的全金属钢齿设计和强大的扭矩输出能力，确保了模式切换过程的平稳与高效。其内置的感应堵转保护机制，不仅有效防止了因过载导致的设备损伤，还大幅提升了舵机的使用寿命和可靠性。此外， GX-40kg 数字舵机的高精度控制特性，使得机器人在执行模式切换时动作更加精准、响应更加迅速，从而为机器人在复杂多变的工作环境中提供了坚实的性能保障。

3.3 机身材料

机身采用大量碳纤维结构，以及镂空 3d 打印件陆空两栖机器人机身采用碳纤维结构与镂空 3D 打印件的组合设计具有显著技术优势。碳纤维复合材料凭借其高比强度 ≥3.5GPa/g⋅cm^-3 ）和比模量，在保证机身刚度的同时实现轻量化，整机质量较传统金属结构减轻 42% ，使飞行续航提升且地面移动能耗降低。其各向异性力学特性通过铺层优化技术实现受力路径定向增强。结合拓扑优化生成的镂空 3D 打印，创新性融合了晶格结构与仿生形态，该复合结构还展现出卓越的动态抗冲击性能，在模态切换时的机械冲击测试中，最大应力分散效率较实体结构。3D 打印技术实现的功能集成化设计，将传统需要装配件高度集成化将传动机构整合为单件整体成型，减少接口数量，显著提升系统可靠性。此外，镂空结构形成的嵌入式流道可优化空气动力学性能，飞行状态气动阻力降低 15% ，地面移动时通过网格间隙自动排除泥沙。这种材料-结构协同创新方案，为多模态机器人提供了强度、轻量化与环境适应性的三重保障。

四、产品竞争力

陆空两栖无人机通过创新设计打破了传统作业载体的空间壁垒，兼具地面灵活机动与空中快速响应的双重优势。其独特的地面移动系统无需传统轮胎结构，可在碎石、泥沼等复杂地形中稳定行进，攀爬陡坡并跨越障碍；遇阻时瞬间切换至飞行模式，保持空中作业的高效性，同时搭载多样化任务模块适应不同场景需求。无论是深入城市废墟执行立体搜救，还是在灾害现场同步完成地面障碍排查与空中全局监测，均能无缝衔接两种形态。通过高效能源组合，其地面续航与滞空时间显著超越单一功能设备，配合智能环境感知系统，可在电力巡检、边境巡逻等任务中自主选择最优行动路径，实现全地形覆盖与多维度信息采集，将复杂环境下的任务效率提升数倍，成为应对动态挑战的颠覆性解决方案。

五、应用场景与案例分析

陆空两栖无人机凭借其多模态切换能力与模块化设计，在以下场景中展现出显著优势：

（1）灾害救援

地震废墟搜救：飞行模式快速定位热源，地面模式穿越 0.5m 窄缝实施破拆；

森林火灾防控：空中热成像监测火势，地面部署阻燃剂喷洒模块。

（2）工业检测

输变电系统：飞行跨越峡谷完成导线巡检，地面模式检查塔基锈蚀；

化工厂管道：管道内壁检测。

（3）军事安防边境巡逻：昼间飞行侦察，夜间切换静音地面模式抵近监视。

（4）农业应用

精准施药：飞行模式快速绘制农田三维地图，地面模式靶向喷洒；

作物监测：多光谱成像分析病虫害，夜间自动切换地面模式补光巡检。

六、结论

陆空两栖无人机代表了无人系统向多模态、自适应方向演进的重要趋势。标志着无人系统正从单一功能向环境智能体方向跃迁。其突破性价值不仅在于机械结构的形态切换能力，更在于通过动态拓扑重构技术实现了“环境——机体——任务”的深度耦合尽管在能源效率、环境感知与法规兼容性方面仍存在挑战，但随着材料科学、人工智能与新能源技术的突破，其有望在未来十年内实现大规模商业化应用，成为智慧城市、应急救援与国防安全领域的核心装备之一。

项目类型：创新训练（省级一般项目）

项目名称：界域无界——智能双栖机器人领航者

项目来源：2024 年黑龙江省大学生创新创业训练计划项目（项目编号：S202413301044）

课题来源：2024 年度黑龙江省高等教育教学改革研究项目

课题名称：雨课堂 SPOC 平台与产业学院远程协同构建机器人通识课程实践教学体系研究（课题编号：SJGYB2024838）