一、项目背景与待解决难题
无人水下航行器（UUV）在水下打捞、资源探测、水文测量、海洋调查等领域应用已较为成熟，但面对内河航运与复杂水域等典型场景时仍存在明显短板。现有设备多数面向海洋环境设计，难以适应内河航道狭窄、多障碍、环境多变的作业特点，导致民用市场尤其是应用于内河场景的产品较少；同时，传统潜航器往往功能相对单一，主要聚焦水下数据采集，难以兼顾水面及水面上空的信息获取，无法满足多维度环境监测与勘测需求。更关键的是，大多数水下无人航行器仅能在水面与水下工况中运行，缺乏水—空跨介质能力，无法在不同介质间灵活切换，导致任务转场效率受限。另一方面，跨越水/空气介质时阻尼与受力耦合显著，不确定因素多，尤其“出水”过程难度远高于“入水”，容易造成跨介质后的飞行或潜航不稳定，并带来较大的能量损耗。此外，传统水下无人装备的回收程序繁琐，设备造价高且对使用环境与搭载平台要求严苛，进一步抬高了使用门槛并限制规模化推广。因此，行业迫切需要一种能够在水下潜航、出水起飞与空中机动之间稳定切换的低成本、多功能、高适应性跨介质装备，以拓展复杂水域与内河航运相关任务能力并提升作业效率。
二、技术原理与创新点
（一）技术原理及创新点
本成果将水上直升机的旋翼能力与无人水下潜航器能力深度融合，构建面向复杂水域的跨介质平台，其核心通过矢量推进、水下涵道推进、浮力与重心协同调节以及闭环姿态补偿控制，实现水空双介质转换与稳定航行。装置主要由旋翼、船艏矢量基座、浮力舱、重心调整装置（步进电机+丝杆）、设备舱、平衡翼、船尾矢量基座与涵道推进装置等组成，并形成可闭环控制的跨介质作业链路：装置可依托矢量气动桨与水下涵道推进器的动力组合，在空中进行垂直飞行或在水中潜行抵达目标水域；到达后通过释放气体降低浮力、依靠涵道推进器快速下潜并执行水下作业，作业过程中由惯性测量与陀螺仪对姿态进行实时监控与调整，保持航行稳定；当任务完成后，装置上浮至水面并排水充气提高浮力，同时通过重心调整使船体达到垂直于水面的跨介质姿态条件，以较小能量损耗完成出水跨介质；随后启动旋翼垂直起飞并返航，在指定区域着陆完成回收。控制与感知方面，本成果基于开源飞控体系进行二次开发，结合MPU6050等传感器采集三轴加速度数据，通过姿态解算与闭环控制实现姿态补偿与稳定性提升，同时可搭载温度、深度、浊度等水下环境传感器及图像传输模块以实现多维数据采集与回传。
在创新点方面，本成果首先提出了基于执行机构的重心可调姿态转换方法：通过步进电机驱动丝杆改变船体结构与重心位置，使装置能够由水平漂浮快速调整为垂直漂浮，从而以垂直姿态跨越介质，显著降低跨介质阻尼并减少能量损耗。其次，本成果形成旋翼—潜航一体化跨介质动力构型，采用共轴反桨旋翼在空中提供主要升力，同时在水下可与涵道推进协同输出动力，共轴反桨既能平衡偏转力矩、提升介质转换与飞行稳定性，又能在同等升力条件下缩短旋翼尺寸，从而更适配内河狭小复杂水域的起降与转换。第三，本成果采用船艏与船尾双矢量基座结合涵道推进的复合机动系统，船艏矢量基座可改变旋翼方向以控制俯仰与偏航并在水下转向时提供额外动力，船尾矢量基座则改变推进涵道方向以提升水下机动能力，实现水空工况下更灵活、更敏捷的操纵。最后，本成果构建姿态自适应稳定控制方案，基于三轴数据解算并结合卡尔曼滤波思路与闭环PID控制，对矢量系统进行辅助姿态补偿，使装置在复杂环境下保持水空稳定航行，降低跨介质过程中的不确定因素影响。
（二）相关图片
三、技术优势与竞争力
相较传统无人水下航行器或单一介质装备，本成果的核心竞争力在于其可实现水下作业后直接出水起飞并完成空中快速转场，形成“水下作业—空中转场—便捷回收”的闭环流程，从根本上突破仅能在水面/水下工作的能力边界，显著提升任务效率。其跨介质过程通过“重心调整+垂直出水姿态”降低跨介质阻尼，并叠加姿态闭环补偿控制提高转换过程稳定性，使出水与飞行起始阶段更可靠。与此同时，共轴反桨旋翼带来小型化优势，结合高机动矢量推进，使其更适配内河狭窄、多障碍、复杂水道环境下的起降、转场与作业；模块化搭载能力则支持温度、深度、浊度等多种传感器与图传模块，实现水下、水面及水面上空的多维度信息采集与传输，满足监测、勘测、搜救等多任务需求。
四、应用场景与市场前景
在应用场景方面，本成果可直接服务于内河航运与航道管理工作，执行航道勘测、障碍物探测与水域巡检，并凭借跨介质能力实现复杂河段快速抵达与回收；在水质与生态环境监测领域，装置可在水下采集水深、浊度、温度等环境数据，并结合水面与水面上空信息，实现多维监测，为污染预警与环境评估提供支持；在搜救与应急救援任务中，装置可进入危险水域执行搜索、定位与辅助救援，降低人员风险并提升响应效率；在资源与环境勘测方面，装置可用于暗礁等普通航行器难以到达区域开展环境与资源勘测，降低任务难度与成本并减少潜在损失；同时也可用于海洋/内河科学研究、生态调查与样本采集等科研调查场景。
在市场前景方面，水下机器人行业正处于快速发展阶段，根据《2025—2030年全球及中国水下机器人行业市场现状调研及发展前景分析报告》等多份资料显示，预计到2027年我国水下机器人市场规模将超过400亿元人民币，政策层面对特种装备与水下机器人研发的支持也将进一步推动行业扩张，使面向民用与内河场景的跨介质装备具备持续增长空间。在细分领域上，有市场预测指出全球水下搜救机器人市场在2023—2027年期间预计保持10%以上年均增长率，而本成果兼具搜救与复杂水域适应能力，具有较高的匹配度与应用扩展潜力。综合来看，跨介质海空两栖潜航器可在内河航运治理、环保监测、应急救援、资源勘测与科研调查等方向形成差异化优势，并以多任务一体化、快速转场与便捷回收等特点，拓展传统水下航行器的应用边界。
五、知识产权
1.一种旋翼水下航行器，ZL202222830012.X；
2.电气工程中电气自动化融合技术软件 V1.0，2023SR0288098。
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联系人：吴老师/王老师
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