18、空中 - 水上机器人的高效推进与航行技术解析

空中 - 水上机器人的高效推进与航行技术解析

1. 空中 - 水上推进齿轮箱原型

在推进系统的设计方面，一款齿轮箱原型被制造出来。它重 12 克，宽 27 毫米，长 32.5 毫米。其传动部分使用了微型钢齿轮，而齿轮箱外壳和输出连接部分则是使用 Connex Objet350 打印机进行 3D 打印的。

对于该齿轮箱的设计，使用 13 × 70 飞行螺旋桨进行分析，得出最佳传动比为 13.1:1，但由于合适尺寸齿轮的可用性，最终设计的齿轮箱传动比为 12.7:1。
使用一台 10W 的直流电机（Pololu 10:1 HPCB6V）通过脉宽调制（PWM）在一系列速度下运行该齿轮箱。通过测量电机连接和未连接齿轮箱时的速度差异，利用相关公式可以计算出齿轮箱在给定输入速度下产生的阻力扭矩，进而得出效率损失。

测试结果显示，当齿轮箱分离（空中模式）运行时，电机的最大可实现效率降低了 18%；当齿轮箱接合（水上模式）时，效率降低了 24%。在两种模式下，齿轮系旋转时的摩擦损失相似，但在空气模式下，输入轴的旋转方向与二级行星架相反，相对运动增加导致摩擦更高。此外，由于使用 3D 打印塑料来容纳传动装置，导致对准效果不佳，使得传动中的摩擦略高于预期，不过这在未来的原型中可以很容易地得到改善。

这款齿轮箱采用了独特的两级行星系统和成对的单向离合器轴承，通过简单地反转电机方向，无需额外的执行器就能控制齿轮箱的模式。最终的原型在测试中显示出了有希望的结果，能够让空中推进系统在水下更高效地运行。而且，由于齿轮箱是一个独立的附加装置，除了对现有电机进行方向控制外，车辆无需额外的控制，其简单的设计也便于集成到其他空中 - 水上系统中。

2. 水面航行机器