CN105539037A - 一种能在地面滚动的陆空四旋翼无人飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能在地面滚动的陆空四旋翼无人飞行器，属于四旋翼无人飞行器技术领域，包括四旋翼机构、柔性球壳机构、及控制系统，四旋翼机构与柔性球壳机构之间通过转轴和轴承耦合连接，四旋翼机构由碳纤维加工而成，柔性球壳机构由聚甲醛材料加工而成，轴承为塑料轴承，四旋翼机构由基座、长轴、短轴、安装架、驱动电机和旋翼构成，基座内部设有控制系统，柔性球壳机构由两固定座和多条弧形柔性杆组成，弧形柔性杆的中心处设有滚动环，弧形柔性杆穿插在滚动环内，控制系统包括蓄电池、控制组件和传感器系统。本发明应用范围广，四旋翼无人飞行器不仅可以任意飞行，而且可以实现在地面上滚动和自由行走，还可以防止高空摔落后损坏。

Description

一种能在地面滚动的陆空四旋翼无人飞行器

技术领域

本发明涉及一种四旋翼无人飞行器，特别是涉及一种能在地面滚动的陆空四旋翼无人飞行器，属于四旋翼无人飞行器技术领域。

背景技术

四旋翼无人飞行器以其垂直起降，可操作性强，方便带载等特点，在军用和民用方面都有着很高的应用价值。它可以作为一种轻量化的空中军事力量，担任空中侦察、情报收集、指挥控制和电子干扰等任务，发展至今更可参与直接攻击重要目标的任务。在民用方面，可以完成包括大气监测、森林火灾预警、农产品病情监测，空中摄影和社区安防巡检等任务。由于飞行器机器人的出色表现，全世界也掀起了研究其的热潮。

Draganflyer是美国一家商业公司开发的商品，其控制系统由遥控信息接收装置、微型控制器、角速度传感器、红外热传感模块构成了它的导航与控制系统。使其能够稳定地在室外进行飞行，并且采用了碳纤维、高密尼龙等材料，使得该本体较为轻便，但是负载能力很小，仅可负载4盎司的重物。

斯坦福大学在STARMAC项目中以Draganflyer的产品为平台，但是对其的控制系统及航姿参考系统进行了重新的设计，使用了基于加速度计、陀螺仪、磁力计、GPS和超声波传感器等组合的导航系统，可以实现跟踪预定航点轨迹飞行，并采用了先进的控制方法，取得了很好的控制效果(如图2)。

宾夕法尼亚大学通过对设计出了一款四旋翼飞行器HMX-4(如图3)，值得一提的是他们在飞行器中加入了视觉定位，通过两种传感器的融合，得到了更高精度的姿态数据。在控制算法上，他们运用了线性化算法，配合着高精度的姿态数据得到了比较理想的控制效果。目前，该种四轴飞行器可以实现在特定环境下完全自主的飞行,而他们则把研究点放在了多机协同的控制中。

相比于国外，国内在四旋翼飞行器的研究方面起步较晚，近些年各高校也逐渐进行深入的研究，取得了一定的研究成果。在国内企业方面，诸如大疆创新科技公司在四旋翼飞行器上面具有很强的实力，他们的产品也逐渐在国内国外占了很大的市场。

相比较于固定翼飞行器，四旋翼飞行器的显著优点在于其机械结构简单，可以在比较狭小的空间内垂直升降、飞行、着陆，同时，四旋翼飞行器也是研究导航控制、通信、传感器技术等优秀的试验平台，在智能控制、飞行路径规划、多机协同及智能避障等方面均具有较大的科研价值。但由于其在地面无法实现行走，只能远距离实现观察，大大限制了机器人的应用和发展。研制一种能在陆空都可以行走和飞行的机器人，对救援和近距离查看显得十分必要和迫切，具有具有重要的意义。

发明内容

本发明的主要目的是为了解决目前现有技术中四旋翼无人飞行器存在的上述问题，提供一种应用范围广、不仅可以任意飞行、而且可以实现在地面上滚动和自由行走，还可以防止高空摔落后损坏的能在地面滚动的陆空四旋翼无人飞行器。

本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：

一种能在地面滚动的陆空四旋翼无人飞行器，包括四旋翼机构、柔性球壳机构、及设置在四旋翼机构上的控制系统，所述四旋翼机构与所述柔性球壳机构之间耦合连接，所述控制系统控制所述四旋翼机构和所述柔性球壳机构，并为所述四旋翼机构和所述柔性球壳机构提供动力，所述四旋翼机构上设有转轴，所述柔性球壳机构上设有轴承，所述四旋翼机构与所述柔性球壳机构之间通过所述转轴和所述轴承耦合连接，所述四旋翼机构、所述柔性球壳机构和所述轴承均采用轻质材料，所述四旋翼机构由碳纤维加工而成，所述柔性球壳机构由聚甲醛材料加工而成，所述轴承为塑料轴承。

作为一种优选方案，所述四旋翼机构由一基座构成，所述基座内部设有容纳空间，所述容纳空间用于设置所述控制系统，所述基座的四个对称的角上均设有连接槽，四所述连接槽用于与所述控制系统相连。

作为一种优选方案，所述基座的四个所述连接槽中对称的两个连接槽内均设有长轴，另外两个对称的连接槽内均设有短轴，所述转轴设置在两所述长轴上。

作为一种优选方案，两所述长轴和两所述短轴上均设有安装架，所述安装架上设有驱动电机，所述驱动电机与旋翼相连，所述驱动电机为A2212无刷直流电机，所述驱动电机的工作电压为直流7.2V～16.8V，工作电流范围为3～30A。

作为一种优选方案，所述驱动电机用于驱动所述旋翼旋转，所述驱动电机的转速和转向可调，用于驱动每个所述旋翼均能正反两个方向上、不同速度的旋转运动，每个所述旋翼均由所述驱动电机单独控制。

作为一种优选方案，所述长轴上的所述旋翼的桨叶方向与所述短轴上的所述旋翼的桨叶方向相反，所述长轴上的两所述旋翼的桨叶方向相同，且为同一种桨叶，所述短轴上的两所述旋翼的桨叶方向相同，且为同一种桨叶。

作为一种优选方案，所述柔性球壳机构由两对称设置的固定座和多条弧形柔性杆组成，两所述固定座之间通过多条所述弧形柔性杆连接，所述弧形柔性杆的端头分别设置在两所述固定座内，并由紧定螺钉固定，所述轴承设置在所述固定座内。

作为一种优选方案，多条所述弧形柔性杆的中心处，设置有一滚动环，多条所述弧形柔性杆均穿插在所述滚动环内，所述滚动环位于任意两所述弧形柔性杆之间的滚动环本体上均设有弧形通孔。

作为一种优选方案，所述控制系统包括蓄电池、控制组件和传感器系统，所述蓄电池为11.1V锂聚合物电池。

作为一种优选方案，所述传感器系统包括加速度计、陀螺仪、磁力计和气压高度计，所述加速度计、所述陀螺仪、所述磁力计用于对所述四旋翼机构进行导航，所述气压高度计用于对四所述旋翼进行高度控制，所述气压高度计为BMP180气压高度计。

本发明的有益技术效果：

1、本发明设计的一种能在地面滚动的陆空四旋翼无人飞行器，使得四旋翼无人飞行器不仅可以任意飞行，而且可以实现在地面上滚动和自由行走，还可以防止机器人在高空摔落后造成损坏，大大增加了四旋翼飞行器的应用，很大程度上拓展了其应用范围。

2、本发明设计的一种能在地面滚动的陆空四旋翼无人飞行器，飞行测试分别在室内和室外两个试验环境下进行，室内中能够正常飞行，室外试验中，飞行器可以在较大风力下保持姿态稳定，证明机器人能在恶劣环境下行走，地面滚动试验中通过机体俯仰角的改变可以实现四旋翼机构向前或者向后的滚动，改变机体横滚角可以实现四旋翼机构的左右移动，在两个角的同时改变下可以实现四旋翼机构在起始点与任意目标点滚动。

附图说明

图1为本发明能在地面滚动的陆空四旋翼无人飞行器框架示意图；

图2为本发明四旋翼机构示意图；

图3为本发明柔性球壳机构示意图。

图中：1-四旋翼机构，2-柔性球壳机构，11-长轴，12-短轴，13-基座，14-安装架，15-转轴，16-旋翼，17-驱动电机，21-滚动环，22-轴承，23-固定座，24-弧形柔性杆。

具体实施方式

为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1、图2和图3所示，一种能在地面滚动的陆空四旋翼无人飞行器，包括四旋翼机构1、柔性球壳机构2、及设置在四旋翼机构1上的控制系统，所述四旋翼机构1与所述柔性球壳机构2之间耦合连接，所述控制系统控制所述四旋翼机构1和所述柔性球壳机构2，并为所述四旋翼机构1和所述柔性球壳机构2提供动力，所述四旋翼机构1上设有转轴15，所述柔性球壳机构2上设有轴承22，所述四旋翼机构1与所述柔性球壳机构2之间通过所述转轴15和所述轴承22耦合连接，所述四旋翼机构1、所述柔性球壳机构2和所述轴承22均采用轻质材料，所述四旋翼机构1由碳纤维加工而成，所述柔性球壳机构2由聚甲醛材料加工而成，所述轴承22为塑料轴承。

在本实施例中，四旋翼机构1和控制系统是四旋翼无人飞行器的动力来源，而柔性球壳机构2的作用是当飞行器在空中飞行时作为保护装置，而在地面滚动时，柔性球壳机构2即作为保护装置又作为运动装置，为了减轻四旋翼无人飞行器的自重，并考虑到四旋翼无人飞行器在飞行和地面行走两种运动模式间切换时可能会与地面产生撞击，对整个机构进行了轻量化设计，在保证结构刚性的前提下，采用轻质材料进行加工，其中，四旋翼机构1主要由碳纤维加工而成，柔性球壳机构2主要采用聚甲醛材料加工而成，轴承22选用塑料轴承，这样一方面保证四旋翼无人飞行器整体质量较轻，另一方面使其具有一定的柔性，能够在碰撞发生时较好的吸收冲击力。

如图2所示，作为本实施例的一种优选方案，所述四旋翼机构1由一基座13构成，所述基座13内部设有容纳空间，所述容纳空间用于设置所述控制系统，所述基座13的四个对称的角上均设有连接槽，四所述连接槽用于与所述控制系统相连，所述基座13的四个所述连接槽中对称的两个连接槽内均设有长轴11，另外两个对称的连接槽内均设有短轴12，所述转轴15设置在两所述长轴11上。

如图1、图2和图3所示，作为本实施例的一种优选方案，四旋翼机构1与柔性球壳机构2之间通过轴承22连接，长轴11两端穿入固定在球壳机构上的两个固定座23内的轴承22中形成转动轴，从而使得四旋翼机构1可以绕长轴11相对于柔性球壳机构2进行转动。

在本实施例中，该四旋翼无人飞行器可以实现空中飞行和地面滚动两种运动方式，拓展了飞行器的应用范围，两种运动方式均由四旋翼机构1和控制系统提供动力，通过配置各旋翼的转速及转向，可以实现四旋翼机构1在空中进行上下、前后、左右飞行、侧向飞行及悬停等，也可以实现其在地面上的前后滚动及转向。

如图2所示，作为本实施例的一种优选方案，两所述长轴11和两所述短轴12上均设有安装架14，所述安装架14上设有驱动电机17，所述驱动电机17与旋翼16相连，所述驱动电机17为A2212无刷直流电机，所述驱动电机17的工作电压为直流7.2V～16.8V，工作电流范围为3～30A。

如图2所示，作为本实施例的一种优选方案，所述驱动电机17用于驱动所述旋翼16旋转，所述驱动电机17的转速和转向可调，用于驱动每个所述旋翼16均能正反两个方向上、不同速度的旋转运动，每个所述旋翼16均由所述驱动电机17单独控制。

如图2所示，作为本实施例的一种优选方案，所述长轴11上的所述旋翼16的桨叶方向与所述短轴12上的所述旋翼16的桨叶方向相反，所述长轴11上的两所述旋翼16的桨叶方向相同，且为同一种桨叶，所述短轴12上的两所述旋翼16的桨叶方向相同，且为同一种桨叶，这样做是为了抵消四旋翼无人飞行器飞行时的旋转力矩，四旋翼无人飞行器通过调整四个驱动电机17的输出能够完成向前、向后、向左、向右的平移运动，还能够完成俯仰方向、横滚方向、偏航方向上的旋转运动，由于只能通过控制四个驱动电机17的转速以改变升力来完成六个自由度的运动，故四旋翼无人飞行器是一个欠驱动系统，而运动之间就存在着耦合关系。

如图3所示，作为本实施例的一种优选方案，所述柔性球壳机构2由两对称设置的固定座23和多条弧形柔性杆24组成，两所述固定座23之间通过多条所述弧形柔性杆24连接，所述弧形柔性杆24的端头分别设置在两所述固定座23内，并由紧定螺钉固定，所述轴承22设置在所述固定座23内。

如图3所示，作为本实施例的一种优选方案，多条所述弧形柔性杆24的中心处，设置有一滚动环21，多条所述弧形柔性杆24均穿插在所述滚动环21内，所述滚动环21位于任意两所述弧形柔性杆24之间的滚动环本体上均设有弧形通孔。

作为本实施例的一种优选方案，所述控制系统包括蓄电池、控制组件和传感器系统，所述蓄电池为11.1V锂聚合物电池，在本实施例中，在四旋翼无人飞行器的控制系统中，采集传感器的信号、转换、实时处理融合传感器数据，解算飞行姿态等运算都是通过单片机的CPU及其外设实现的，在四旋翼无人飞行器工作时需要进行大量的运算，运算主要在解姿态及相关控制上，会涉及到一些姿态矩阵及三角函数的计算，因此在微控制器的选型上要偏向于运算能力强及速度快的单片机，在综合性能、功耗、硬件资源等方面的条件后，采用STM32F103RBT6单片机做为本设计的控制芯片。

四旋翼无人飞行器的正常稳定的飞行不仅需要良好的硬件支持，还需要合理的软件操作，本实施例通过KeilμVision4开发环境对控制芯片进行编程开发，控制芯片可以直接通过使用固件库编程，固件库能够提供一些函数接口，通过这些函数接口可以直接对芯片底层进行配置，避免了复杂繁琐的寄存器配置，在整个软件设计中包含了系统时钟的初始化，接口及各外设的初始化，传感器数值的读取并滤波及姿态解算，控制算法的实现等。

作为本实施例的一种优选方案，所述传感器系统包括加速度计、陀螺仪、磁力计和气压高度计，所述加速度计、所述陀螺仪、所述磁力计用于对四所述旋翼16进行导航，所述气压高度计用于对所述四旋翼机构1进行高度控制，所述气压高度计为BMP180气压高度计。

在本实施例中选用加速度计、陀螺仪、磁力计三种传感器对四旋翼无人飞行器进行导航，为尝试对四旋翼无人飞行器进行高度控制还在硬件设计中加入了气压高度计，以加速度计与磁力计的数据与陀螺仪进行融合，弥补各传感器的测量缺陷，获得较为精确的飞行姿态；气压高度计为BMP180气压高度计，BMP180是一款高精度，低能耗的压力传感器，可以应用于各移动设备中，其精度可达0.02hPa，并且耗电量较低，标准模式下每一秒的采样，电流仅为5uA。BMP180可通过I2C协议进行数据传输，较为方便，其内部可进行温度补偿保证数据的准确性。

综上所述，本发明设计的一种能在地面滚动的陆空四旋翼无人飞行器，使得四旋翼无人飞行器不仅可以任意飞行，而且可以实现在地面上滚动和自由行走，还可以防止机器人在高空摔落后造成损坏，大大增加了四旋翼飞行器的应用，很大程度上拓展了其应用范围。

本发明设计的一种能在地面滚动的陆空四旋翼无人飞行器，飞行测试分别在室内和室外两个试验环境下进行，室内中能够正常飞行，室外试验中，飞行器可以在较大风力下保持姿态稳定，证明机器人能在恶劣环境下行走，地面滚动试验中通过机体俯仰角的改变可以实现四旋翼机构向前或者向后的滚动，改变机体横滚角可以实现四旋翼机构的左右移动，在两个角的同时改变下可以实现四旋翼机构在起始点与任意目标点滚动。

以上所述，仅为本发明优选的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种能在地面滚动的陆空四旋翼无人飞行器，其特征在于：包括四旋翼机构(1)、柔性球壳机构(2)、及设置在四旋翼机构(1)上的控制系统，所述四旋翼机构(1)与所述柔性球壳机构(2)之间耦合连接，所述控制系统控制所述四旋翼机构(1)和所述柔性球壳机构(2)，并为所述四旋翼机构(1)和所述柔性球壳机构(2)提供动力，所述四旋翼机构(1)上设有转轴(15)，所述柔性球壳机构(2)上设有轴承(22)，所述四旋翼机构(1)与所述柔性球壳机构(2)之间通过所述转轴(15)和所述轴承(22)耦合连接，所述四旋翼机构(1)、所述柔性球壳机构(2)和所述轴承(22)均采用轻质材料，所述四旋翼机构(1)由碳纤维加工而成，所述柔性球壳机构(2)由聚甲醛材料加工而成，所述轴承(22)为塑料轴承。

2.根据权利要求1所述的一种能在地面滚动的陆空四旋翼无人飞行器，其特征在于：所述四旋翼机构(1)由一基座(13)构成，所述基座(13)内部设有容纳空间，所述容纳空间用于设置所述控制系统，所述基座(13)的四个对称的角上均设有连接槽，四所述连接槽用于与所述控制系统相连。

3.根据权利要求2所述的一种能在地面滚动的陆空四旋翼无人飞行器，其特征在于：所述基座(13)的四个所述连接槽中对称的两个连接槽内均设有长轴(11)，另外两个对称的连接槽内均设有短轴(12)，所述转轴(15)设置在两所述长轴(11)上。

4.根据权利要求3所述的一种能在地面滚动的陆空四旋翼无人飞行器，其特征在于：两所述长轴(11)和两所述短轴(12)上均设有安装架(14)，所述安装架(14)上设有驱动电机(17)，所述驱动电机(17)与旋翼(16)相连，所述驱动电机(17)为A2212无刷直流电机，所述驱动电机(17)的工作电压为直流7.2V～16.8V，工作电流范围为3～30A。

5.根据权利要求4所述的一种能在地面滚动的陆空四旋翼无人飞行器，其特征在于：所述驱动电机(17)用于驱动所述旋翼(16)旋转，所述驱动电机(17)的转速和转向可调，用于驱动每个所述旋翼(16)均能正反两个方向上、不同速度的旋转运动，每个所述旋翼(16)均由所述驱动电机(17)单独控制。

6.根据权利要求4所述的一种能在地面滚动的陆空四旋翼无人飞行器，其特征在于：所述长轴(11)上的所述旋翼(16)的桨叶方向与所述短轴(12)上的所述旋翼(16)的桨叶方向相反，所述长轴(11)上的两所述旋翼(16)的桨叶方向相同，且为同一种桨叶，所述短轴(12)上的两所述旋翼(16)的桨叶方向相同，且为同一种桨叶。

7.根据权利要求1所述的一种能在地面滚动的陆空四旋翼无人飞行器，其特征在于：所述柔性球壳机构(2)由两对称设置的固定座(23)和多条弧形柔性杆(24)组成，两所述固定座(23)之间通过多条所述弧形柔性杆(24)连接，所述弧形柔性杆(24)的端头分别设置在两所述固定座(23)内，并由紧定螺钉固定，所述轴承(22)设置在所述固定座(23)内。

8.根据权利要求7所述的一种能在地面滚动的陆空四旋翼无人飞行器，其特征在于：多条所述弧形柔性杆(24)的中心处，设置有一滚动环(21)，多条所述弧形柔性杆(24)均穿插在所述滚动环(21)内，所述滚动环(21)位于任意两所述弧形柔性杆(24)之间的滚动环本体上均设有弧形通孔。

9.根据权利要求1所述的一种能在地面滚动的陆空四旋翼无人飞行器，其特征在于：所述控制系统包括蓄电池、控制组件和传感器系统，所述蓄电池为11.1V锂聚合物电池。

10.根据权利要求9所述的一种能在地面滚动的陆空四旋翼无人飞行器，其特征在于：所述传感器系统包括加速度计、陀螺仪、磁力计和气压高度计，所述加速度计、所述陀螺仪、所述磁力计用于对所述四旋翼机构(1)进行导航，所述气压高度计用于对四所述旋翼(16)进行高度控制，所述气压高度计为BMP180气压高度计。