CN104443391A - 可吸附多功能微型飞行装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可吸附多功能微型飞行装置，包括本体、旋翼、真空泵、上吸附盘、侧吸附盘、侧吸支撑腿、太阳能电池板、摄像头、控制模块和远程遥控器，其中旋翼通过支撑架与本体连接，旋翼通过电机驱使运动，上吸附盘设在本体顶端的面板上，侧吸附盘通过吸盘支架与本体连接，真空泵设在本体的下方，真空泵通过管路与上吸附盘和侧吸附盘连接，真空泵对上吸附盘和侧吸附盘进行排气，侧吸支撑腿的上端与本体连接，侧吸支撑腿上连接有舵机，通过舵机控制侧吸支撑腿的开合，有益效果：使飞行器的侦测工作时间延长，节约能源；可应用在军用和民用领域，实际应用价值大。

Description

可吸附多功能微型飞行装置

技术领域

本发明涉及一种飞行装置，特别涉及一种可吸附多功能微型飞行装置。

背景技术

目前，公共领域安全、国防安全、环境安全以及危险作业等一系列领域使世界上的多数国家对空中飞行装置越来越重视，尤其是微型化、智能化的飞行装置，国内外已研究开发出多款飞行装置，比如，哈佛大学研制的苍蝇飞行机器人；瑞士洛桑联邦工学院开发的一种新型飞行机器人；加拿大公司研发出一款名叫“侦察者”的飞行机器人；中国科学院沈阳自动化研究所研制出的一种可在天上飞行同时能变换集中形状的蛇形机器人，这款机器人可使用普通的车用汽油，最快时速可达每小时70公里。

虽然国内外研制出了多款空中飞行装置，普遍被应用在多个领域，但是存在着以下诸多问题：

1、结构设计不合理，有的把爬壁机器人和飞行机器人只在硬件上将二者合为一体，而忽略了功能上的合二为一，使飞行机器人的结构分布不合理，不能达到相应的使用功能；

2、同类可吸附飞行装置在侧吸时的机械结构是固定结构，造成飞行器的尺寸过大，调节重心平衡困难，导致机构受力不合理，并且在支撑处是点支撑，导致在壁面吸附时会出现结构失稳的问题；

3、普通吸附飞行机器人工作时，其耗费的电量无法即时补充，如果电量耗尽则无法继续使用；

4、现有的多数飞行机器人主要利用人为遥控操作，主要依靠人的视角观察飞行姿态和飞行周围环境，极大地限制了飞行机器人的飞行范围；

5、现有的可吸附飞行机器人在吸附时，为了保持吸附力会一直耗费电量，原因是没有考虑到吸附装置没有必要一直工作。

发明内容

本发明的主要目的是为了解决现有的微型飞行装置在使用中存在的较多问题而提供的一种可吸附多功能微型飞行装置。

本发明提供的可吸附多功能微型飞行装置包括本体、旋翼、真空泵、上吸附盘、侧吸附盘、侧吸支撑腿、太阳能电池板、摄像头、控制模块和远程遥控器，其中旋翼通过支撑架与本体连接，旋翼通过电机驱使运动，上吸附盘设在本体顶端的面板上，侧吸附盘通过吸盘支架与本体连接，真空泵设在本体的下方，真空泵通过管路与上吸附盘和侧吸附盘连接，真空泵对上吸附盘和侧吸附盘进行排气，侧吸支撑腿的上端与本体连接，侧吸支撑腿上连接有舵机，通过舵机控制侧吸支撑腿的开合，摄像头分别安设在本体顶端的面板和吸盘支架上，太阳能电池板围设在本体的架体上，太阳能电池板给控制模块中的单片机控制模块和真空泵提供电力，控制模块设在本体的架体内腔中，驱使旋翼的电机、驱使侧吸支撑腿的舵机、真空泵和摄像头由控制模块控制工作，远程遥控器指令控制模块工作。

旋翼设置有四个，每个旋翼下方均设有起落架。

旋翼与本体连接的支撑架上设有电子调速器，电子调速器与驱使旋翼的电机连接，电子调速器控制电机的工作。

侧吸支撑腿末端的平板上固定有粘性材料。

真空泵、上吸附盘和侧吸附盘组成吸附装置，真空泵通过管路分别与上吸附盘和侧吸附盘连接，连接管路上设有第一电磁阀、第二电磁阀和第一继电器，连接管路上还设有第一单向阀和第二单向阀，控制模块中的单片机控制模块通过线路与真空泵连接，连接线路上设有第二继电器，单片机控制模块控制第一继电器和第二继电器指令第一电磁阀和第二电磁阀开合，从而控制真空泵、上吸附盘和侧吸附盘的工作。

控制模块包括有单片机控制模块、飞控板和无线数字传输模块，其中无线数字传输模块分别与飞控板和单片机控制模块连接，飞控板与控制侧吸支撑腿开合的舵机连接并控制舵机的工作，飞控板控制舵机带动侧吸支撑腿运行的同时单片机控制模块控制吸附装置工作，单片机控制模块分别与上吸附盘和侧吸附盘内的气压传感器、多功能侦测模块和真空泵连接，单片机控制模块控制气压传感器、多功能侦测模块和真空泵的工作，多功能侦测模块分别连接有温湿度传感器、烟雾传感器和灰尘度传感器。

本体上还设有远程控制装置，远程控制装置包括摄像头、显示器、远程遥控器、红外遥控器、无线视频传输模块和图像采集卡，其中远程遥控器控制本体的飞行、吸附和摄像头的工作，摄像头能够在远程遥控器的指令下把图像实时传送给无线视频传输模块，无线视频传输模块把接收到的信息实时传送给图像采集卡，图像采集卡把收到的信息实时通过显示器进行显示，红外遥控器指令控制模块中的无线数字传输模块的工作。

本发明的工作原理：

同本发明配套使用的远程遥控器给本发明提供的飞行装置发送命令实现空中飞行姿态的控制和多方位吸附的功能，具体如下所述：

控制模块中的飞控板用来感知飞行装置的运动状态和姿态。飞控板驱动舵机来实现侧吸支撑腿的伸缩。气压传感器放置在上吸附盘和侧吸附盘内来测量上吸附盘和侧吸附盘内的压力，并将压力数据信号传输到单片机控制模块上。单片机控制模块控制真空泵，用于实现多方位吸附功能。多功能侦测模块通过单片机控制模块驱动并将所测数据经无线数字传输模块发送到上位机。

当舵机处于初始位置时，侧吸支撑腿处于收缩状态，当开启侧吸功能时，远程遥控器发出信号控制舵机转动90度，此时侧吸支撑腿展开，从而靠近竖直墙壁。侧吸功能需要通过侧吸支撑腿实现。飞行装置的侧吸功能实现步骤如下：当飞行装置靠近竖直墙面时，通过红外遥控器发出信号，单片机控制模块控制第一继电器和第二继电器使第一电磁阀和第二电磁阀动作，第一电磁阀接通侧吸附盘与真空泵，同时第二个电磁阀使上吸附盘与空气相通从而实现顶部的泄压。操作手操控远程遥控器，使舵机转动90°，成竖直向下的状态。使飞行装置成水平姿态，从而使飞行装置停留于竖直壁面，此时操作手控制旋翼电机停转。

飞行装置上吸过程实现步骤如下：

当飞行装置需要上吸时，操作手控制飞行装置向上飞行贴近上方壁面。同时通过红外遥控器给真空泵发送开启信号，无线数字传输模块接受到信号后将其送往单片机控制模块处理，单片机控制模块I/O口控制第一继电器和第二继电器闭合，真空泵接通主电源并开始工作，实现吸气功能。当上吸附盘触碰到上壁面时，上吸附盘内部开始达到负压，整个飞行装置将紧贴于壁面，此时操作手用远程遥控器发出信号控制旋翼电机停转。当整个飞行装置处于吸附状态时多功能侦测模块开始工作。多功能侦测模块连接有多种传感器，包括DHT11型温湿度传感器模块、MQ-2烟雾度传感器、日本夏普GP2Y1010AU0F灰尘度传感器等。所有传感器由单片机控制模块驱动并读取所测数据，通过交替方式发送到显示器。从而可以实现空气温湿度测量、火灾预警、环境质量监测等功能。

飞行装置在吸附于壁面期间的间歇吸附功能实现步骤是：通过计算，得到飞行装置能可靠吸附时侧吸附盘内部的空气压力上限值。稳定吸附时，侧吸附盘内的气压值小于此上限值，此时可以关闭真空泵。在吸附的过程中，侧吸附盘内部装有气压传感器，气压传感器由单片机控制模块驱动和读取数据。由于气路末端装有第一单向阀和第二单向阀，则只有侧吸附盘内部漏气会导致侧吸附盘内部气压值逐渐升高。当达到设定的上限值时，单片机控制模块输出控制信号开启真空泵，从而对侧吸附盘进行排气使侧吸附盘内部的气压值下降，当低于比上限值小的某个设定值时，单片机控制模块输出控制信号将真空泵电源断开，真空泵停止抽取空气。以此实现根据侧吸附盘内部空气气压值自动间歇吸附的功能，从而大大减少了真空泵的实际工作时间，进而使真空泵的耗电量大幅减少，以节省更多的电量来提供给侦测装置和控制系统，最终使得侦测工作的时间大幅延长。

本发明的有益效果：

1、本发明侧吸时采用了支撑腿机构，提高了侧吸时的稳定性，另外，在实现侧吸功能前保持支撑腿的收缩状态，这样提高了飞行的隐蔽性；

2、本发明充分利用太阳能，使飞行器的侦测工作时间延长，节约能源；

3、本发明在吸附侦测过程中采用了间歇式吸附模式，大大增加了飞行器的持续侦测能力；

4、本发明飞行机器人基于四旋翼，飞行稳定，同时带有图像实时传输系统，能够实现不在操作者视野范围内的远距离飞行控制和侦测，可应用在军用和民用领域，实际应用价值大。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明局部结构示意图。

图3为本发明所述吸附装置结构示意图。

图4为本发明所述控制模块结构框图。

图5为本发明所述远程控制装置结构框图。

1、本体    2、旋翼    3、真空泵    4、上吸附盘    5、侧吸附盘

6、侧吸支撑腿     7、太阳能电池板   8、摄像头    9、控制模块

10、远程遥控器    11、支撑架   12、电机   13、面板   14、吸盘支架

15、舵机 16、起落架 17、电子调速器  20、第一电磁阀 21、第二电磁阀

22、第一继电器  23、第一单向阀  24、第二单向阀   25、第二继电器

30、单片机控制模块   31、飞控板    32、无线数字传输模块

33、气压传感器    34、多功能侦测模块   35、温湿度传感器

36、烟雾传感器    37、灰尘度传感器    40、显示器

41、红外遥控器    42、无线视频传输模块    43、图像采集卡。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3、图4和图5所示：

本发明提供的可吸附多功能微型飞行装置包括本体1、旋翼2、真空泵3、上吸附盘4、侧吸附盘5、侧吸支撑腿6、太阳能电池板7、摄像头8、控制模块9和远程遥控器10，其中旋翼2通过支撑架11与本体1连接，旋翼2通过电机12驱使运动，上吸附盘4设在本体1顶端的面板13上，侧吸附盘5通过吸盘支架14与本体1连接，真空泵3设在本体1的下方，真空泵3通过管路与上吸附盘4和侧吸附盘5连接，真空泵3对上吸附盘4和侧吸附盘5进行排气，侧吸支撑腿6的上端与本体1连接，侧吸支撑腿6上连接有舵机15，通过舵机15控制侧吸支撑腿6的开合，摄像头8分别安设在本体1顶端的面板13和吸盘支架14上，太阳能电池板7围设在本体1的架体上，太阳能电池板7围设在本体1的架体上，太阳能电池板7给控制模块9中的单片机控制模块30和真空泵3提供电力，控制模块9设在本体1的架体内腔中，驱使旋翼2的电机12、驱使侧吸支撑腿6的舵机15、真空泵3和摄像头8由控制模块9控制工作，远程遥控器10指令控制模块9工作。

旋翼2设置有四个，每个旋翼2下方均设有起落架16。

旋翼2与本体1连接的支撑架11上设有电子调速器17，电子调速器17与驱使旋翼2的电机12连接，电子调速器17控制电机12的工作。

侧吸支撑腿6末端的平板上固定有粘性材料。

真空泵3、上吸附盘4和侧吸附盘5组成吸附装置，真空泵3通过管路分别与上吸附盘4和侧吸附盘5连接，连接管路上设有第一电磁阀20、第二电磁阀21和第一继电器22，连接管路上还设有第一单向阀23和第二单向阀24，控制模块9中的单片机控制模块30通过线路与真空泵3连接，连接线路上设有第二继电器25，单片机控制模块30控制第一继电器22和第二继电器25指令第一电磁阀20和第二电磁阀21开合，从而控制真空泵3、上吸附盘4和侧吸附盘5的工作。

控制模块9包括有单片机控制模块30、飞控板31和无线数字传输模块32，其中无线数字传输模块32分别与飞控板31和单片机控制模块30连接，飞控板31与控制侧吸支撑腿6开合的舵机15连接并控制舵机15的工作，飞控板31控制舵机15带动侧吸支撑腿6运行的同时单片机控制模块30控制吸附装置工作，单片机控制模块30分别与上吸附盘4和侧吸附盘5内的气压传感器33、多功能侦测模块34和真空泵3连接，单片机控制模块30控制气压传感器33、多功能侦测模块34和真空泵3的工作，多功能侦测模块34分别连接有温湿度传感器35、烟雾传感器36和灰尘度传感器37。

本体1上还设有远程控制装置，远程控制装置包括摄像头8、显示器40、远程遥控器10、红外遥控器41、无线视频传输模块42和图像采集卡43，其中远程遥控器10控制本体1的飞行、吸附和摄像头8的工作，摄像头8能够在远程遥控器10的指令下把图像实时传送给无线视频传输模块42，无线视频传输模块42把接收到的信息实时传送给图像采集卡43，图像采集卡43把收到的信息实时通过显示器40进行显示，红外遥控器41指令控制模块9中的无线数字传输模块32的工作。

本发明的工作原理：

同本发明配套使用的远程遥控器10给本发明提供的飞行装置发送命令实现空中飞行姿态的控制和多方位吸附的功能，具体如下所述：

控制模块9中的飞控板31用来感知飞行装置的运动状态和姿态。飞控板31驱动舵机15来实现侧吸支撑腿6的伸缩。气压传感器33放置在上吸附盘4和侧吸附盘5内来测量上吸附盘4和侧吸附盘5内的压力，并将压力数据信号传输到单片机控制模块30上。单片机控制模块30控制真空泵3，用于实现多方位吸附功能。多功能侦测模块34通过单片机控制模块30驱动并将所测数据经无线数字传输模块32发送到上位机。

当舵机15处于初始位置时，侧吸支撑腿6处于收缩状态，当开启侧吸功能时，远程遥控器10发出信号控制舵机15转动90度，此时侧吸支撑腿6展开，从而靠近竖直墙壁。侧吸功能需要通过侧吸支撑腿6实现。飞行装置的侧吸功能实现步骤如下：当飞行装置靠近竖直墙面时，通过红外遥控器41发出信号，单片机控制模块30控制第一继电器22和第二继电器25使第一电磁阀20和第二电磁阀21动作，第一电磁阀20接通侧吸附盘5与真空泵3，同时第二个电磁阀21使上吸附盘4与空气相通从而实现顶部的泄压。操作手操控远程遥控器10，使舵机15转动90°，成竖直向下的状态。使飞行装置成水平姿态，从而使飞行装置停留于竖直壁面，此时操作手控制旋翼2的电机12停转。

飞行装置上吸过程实现步骤如下：

当飞行装置需要上吸时，操作手控制飞行装置向上飞行贴近上方壁面。同时通过红外遥控器41给真空泵3发送开启信号，无线数字传输模块32接受到信号后将其送往单片机控制模块30处理，单片机控制模块30I/O口控制第一继电器22和第二继电器25闭合，真空泵3接通主电源并开始工作，实现吸气功能。当上吸附盘4触碰到上壁面时，上吸附盘4内部开始达到负压，整个飞行装置将紧贴于壁面，此时操作手用远程遥控器10发出信号控制旋翼2的电机12停转。当整个飞行装置处于吸附状态时多功能侦测模块34开始工作。多功能侦测模块34连接有多种传感器，包括DHT11型温湿度传感器35模块、MQ-2烟雾传感器36、日本夏普GP2Y1010AU0F灰尘度传感器37等。所有传感器由单片机控制模块30驱动并读取所测数据，通过交替方式发送到显示器40。从而可以实现空气温湿度测量、火灾预警、环境质量监测等功能。

飞行装置在吸附于壁面期间的间歇吸附功能实现步骤是：通过计算，得到飞行装置能可靠吸附时侧吸附盘5内部的空气压力上限值。稳定吸附时，侧吸附盘5内的气压值小于此上限值，此时可以关闭真空泵3。在吸附的过程中，侧吸附盘5内部装有气压传感器33，气压传感器33由单片机控制模块30驱动和读取数据。由于气路末端装有第一单向阀23和第二单向阀24，则只有侧吸附盘5内部漏气会导致侧吸附盘5内部气压值逐渐升高。当达到设定的上限值时，单片机控制模块30输出控制信号开启真空泵3，从而对侧吸附盘5进行排气使侧吸附盘5内部的气压值下降，当低于比上限值小的某个设定值时，单片机控制模块30输出控制信号将真空泵3电源断开，真空泵3停止抽取空气。以此实现根据侧吸附盘5内部空气气压值自动间歇吸附的功能，从而大大减少了真空泵3的实际工作时间，进而使真空泵3的耗电量大幅减少，以节省更多的电量来提供给侦测装置和控制系统，最终使得侦测工作的时间大幅延长。

Claims (7)

1.一种可吸附多功能微型飞行装置，其特征在于：包括本体、旋翼、真空泵、上吸附盘、侧吸附盘、侧吸支撑腿、太阳能电池板、摄像头、控制模块和远程遥控器，其中旋翼通过支撑架与本体连接，旋翼通过电机驱使运动，上吸附盘设在本体顶端的面板上，侧吸附盘通过吸盘支架与本体连接，真空泵设在本体的下方，真空泵通过管路与上吸附盘和侧吸附盘连接，真空泵对上吸附盘和侧吸附盘进行排气，侧吸支撑腿的上端与本体连接，侧吸支撑腿上连接有舵机，通过舵机控制侧吸支撑腿的开合，摄像头分别安设在本体顶端的面板和吸盘支架上，太阳能电池板围设在本体的架体上，太阳能电池板给控制模块中的单片机控制模块和真空泵提供电力，控制模块设在本体的架体内腔中，驱使旋翼的电机、驱使侧吸支撑腿的舵机、真空泵和摄像头由控制模块控制工作，远程遥控器指令控制模块工作。

2.根据权利要求1所述的一种可吸附多功能微型飞行装置，其特征在于：所述的旋翼设置有四个，每个旋翼下方均设有起落架。

3.根据权利要求1所述的一种可吸附多功能微型飞行装置，其特征在于：所述的旋翼与本体连接的支撑架上设有电子调速器，电子调速器与驱使旋翼的电机连接，电子调速器控制电机的工作。

4.根据权利要求1所述的一种可吸附多功能微型飞行装置，其特征在于：所述的侧吸支撑腿末端的平板上固定有粘性材料。

5.根据权利要求1所述的一种可吸附多功能微型飞行装置，其特征在于：所述的真空泵、上吸附盘和侧吸附盘组成吸附装置，真空泵通过管路分别与上吸附盘和侧吸附盘连接，连接管路上设有第一电磁阀、第二电磁阀和第一继电器，连接管路上还设有第一单向阀和第二单向阀，控制模块中的单片机控制模块通过线路与真空泵连接，连接线路上设有第二继电器，单片机控制模块控制第一继电器和第二继电器指令第一电磁阀和第二电磁阀开合，从而控制真空泵、上吸附盘和侧吸附盘的工作。

6.根据权利要求1所述的一种可吸附多功能微型飞行装置，其特征在于：所述的控制模块包括有单片机控制模块、飞控板和无线数字传输模块，其中无线数字传输模块分别与飞控板和单片机控制模块连接，飞控板与控制侧吸支撑腿开合的舵机连接并控制舵机的工作，飞控板控制舵机带动侧吸支撑腿运行的同时单片机控制模块控制吸附装置工作，单片机控制模块分别与上吸附盘和侧吸附盘内的气压传感器、多功能侦测模块和真空泵连接，单片机控制模块控制气压传感器、多功能侦测模块和真空泵的工作，多功能侦测模块分别连接有温湿度传感器、烟雾传感器和灰尘度传感器。

7.根据权利要求1所述的一种可吸附多功能微型飞行装置，其特征在于：所述的本体上还设有远程控制装置，远程控制装置包括摄像头、显示器、远程遥控器、红外遥控器、无线视频传输模块和图像采集卡，其中远程遥控器控制本体的飞行、吸附和摄像头的工作，摄像头能够在远程遥控器的指令下把图像实时传送给无线视频传输模块，无线视频传输模块把接收到的信息实时传送给图像采集卡，图像采集卡把收到的信息实时通过显示器进行显示，红外遥控器指令控制模块中的无线数字传输模块的工作。