上海交通大学海洋学院哪吒实验室开发全新构型海空两栖航行器！

科研动态

在上海交通大学海洋学院哪吒实验室里，有一款全新构型的海空两栖航行器正在演示水下“套圈”。

这是哪吒实验室的最新研究成果—Nezha-B。现有的多旋翼型海空两栖航行器往往因为旋翼机臂产生的较大阻力和不规则的机身外形而难以实现水下高速航行。受到骨头形状的启发，团队提出一种压缩横向宽度的双层错位式四旋翼布局，并基于该机身结构设计出一种方便布放、回收和携带的细长型海空两栖航行器，巧妙实现了四旋翼无人机与自治水下航行器（AUV）的多模态融合，采用该构型的航行器不依赖额外变形结构，大幅集成了四旋翼的稳定飞行和跨域以及AUV的快速灵活机动等优点。

发射管布放与回收演示

空中大机动飞行

水下上浮下潜

水面跨域起飞

空中电机纵向距离与横向距离的比例（长宽比）是“骨头”构型两栖航行器的核心参数。团队分析了长宽比与外形设计与飞行性能和航行性能的权衡关系。通过飞行动力学仿真分析，研究人员发现越细长的构型的抗干扰性越差，当长宽比大于一定值后，姿态跟踪效果显著变差，能耗大幅增加。Nezha-B整机重量仅900g，长宽比约为10，兼顾了包络半径和净浮力约束，能被塞进直径仅124mm的管中，在3级风下能够实现灵敏的姿态响应和轨迹跟踪。

Nezha-B的外形设计

鱼鳍状的浮材设计能够减小阻力提高航速。研究人员通过计算流体力学（CFD）分析对比了不同航速段内两种航行器的流场和阻力。航行阻力随速度呈平方增大的关系。与团队先前发布的Nezha-mini（https://doi.org/10.1109/LRA.2022.3176438）相比，阻力平均降低了73.6%。

两种构型CFD计算对比

团队改善了Nezha-mini的水下推进系统，新的推进器能够在降低50%能耗的基础上提供量级相当的转速，仅占总重量的3.4%，试验达到的最大航速为1.67m/s。水下运动控制延续了Nezha-mini的深度-俯仰耦合控制机制，深度控制误差小于4cm，俯仰控制误差小于5度，航向控制误差小于3度。在跨域起飞期间平均电流和峰值电流均为地面起飞和空中悬停的大约2倍，平均转速约为极限转速的54%，最大转速约极限转速的为82%。

这项研究发表在《IEEE Robotics and Automation Letters》期刊上，标题为“Design and implementation of a bone-shaped hybrid aerial underwater vehicle”。曾铮副研究员为论文的通信作者，海洋学院博士生毕鸢博为论文的第一作者。研究得到上海市“科技创新行动计划”社会发展科技攻关项目（20dz1206600），上海市自然科学基金（20ZR1424800），上海交通大学深蓝计划重点项目（SL2022ZD106，SL2023ZD206）的资助。

凭借在水空环境中的快速灵活机动能力和稳定跨域能力，Nezha-B在水下和空中均能适应和胜任狭窄环境和局促空间中的任务，这一特点使其在海事救援、管路巡检、海上风电运维等领域具有广泛的应用前景。

相关论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/10577093

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9779466

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10058166

• 信息来源：上海交通大学海洋学院。
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