CN106114099B - 一种地空两栖四旋翼无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地空两栖四旋翼无人机，它包括无人机机体（1）和设置于机体（1）内的控制单元和电池，机体（1）的四个角落处均连接有机臂（2），四个机臂（2）的末端均连接有模式切换机构，模式切换机构由舵机A（3）、舵机座（4）、无刷电机（5）、阶梯轴（6）、桨座（7）、螺旋桨（8）、单向轴承（9）和车轮（10）组成，阶梯轴（6）的小轴上安装有单向轴承（9），车轮（10）旋转安装于单向轴承（9）上。本发明的有益效果是：续航时间长、可以完成相对精细操作的同时拥有灵活的机动性和较高的越障能力以及移动速度、使用寿命长。

Description

一种地空两栖四旋翼无人机
技术领域
本发明涉及四旋翼无人机及智能小车的技术领域，特别是一种地空两栖四旋翼无人机。
背景技术
由于无人机飞行器体积小巧，携带方便，行动灵活、迅速，应用广泛等特点，无人机飞行器领域近年来持续火热，其潜力也正被不断挖掘。但就目前而言，无人机飞行器普遍拥有续航时间过短的问题，无法长时间执行任务；并且其难以飞出非常平稳、精细的飞行路径，使得在某些特定环境下，比如在管道中的飞行极为困难。另一方面，遥控智能小车是各大高校和相关科技企业的研究重点，其具有能耗低，操作简单，行动稳定等特点，然而其在灵活性和越障能力方面远不如无人机飞行器，尤其在地形复杂，或存在沟壑、墙体等环境下，遥控智能小车的行驶会受到非常大的阻碍，因此智能小车往往只在较为平坦的平面上作业，其相较于无人机飞行器少了一个移动维度。
因此亟待需既有无人机飞行器的功能又有遥控智能小车的功能的无人机，其可以飞行以获得灵活迅速的移动，或在地面行走以获得较长的续航时间及精准的定点移动。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种续航时间长、可以完成相对精细操作的同时拥有灵活的机动性和较高的越障能力以及移动速度、使用寿命长的地空两栖四旋翼无人机。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种地空两栖四旋翼无人机，它包括无人机机体和设置于机体内的控制单元和电池，所述的机体的四个角落处均连接有机臂，四个机臂的末端均连接有模式切换机构，模式切换机构由舵机A、舵机座、无刷电机、阶梯轴、桨座、螺旋桨、单向轴承和车轮组成，舵机A固定于机臂的末端，舵机座为U形支架，舵机A位于舵机座内，舵机A的输出端与舵机座的一侧壁连接，舵机座的顶部固定安装有无刷电机，无刷电机垂直于舵机座的顶表面设置，无刷电机的输出轴上顺次连接有桨座和阶梯轴，桨座上安装有多个螺旋桨，阶梯轴的小轴上安装有单向轴承，车轮旋转安装于单向轴承上，车轮的半径大于螺旋桨的长度，所述的机体的下部固定有两个舵机B，两个舵机B的输出端均连接有起落架，所述的控制单元与无刷电机、舵机A和舵机B连接，电池与控制单元和无刷电机连接。
所述的相邻两个机臂之间的夹角均为90°。
所述的车轮外圆上设置有辐条。
所述的机体的顶部设置有四根卡条。
所述的桨座上安装有三个螺旋桨。
所述的机臂的末端连接有安装板，所述的舵机A固定于安装板上。
所述的两个起落架呈夹角设置。
本发明具有以下优点：
（1）行动迅速、灵活。在四旋翼飞行模式下，无人机可以较快地飞行。且其在空中的飞行使其可以跨越大部分地面障碍及复杂地形，使其得以非常迅捷地移动。
（2）行动范围广泛。以四旋翼方式飞行的无人机可以灵活地飞到各种地方，及大部分任务所需的高度，并且其起降几乎不受地形条件的约束。
（3）在地面行驶模式下，该无人机续航能力较强。地面行驶模式下的无人机相较于四旋翼飞行模式可以节省大量的能量消耗。
（4）移动较精确。地面行驶模式下的无人机可以被精确地控制移动距离和移动路径，并且可以精准地停在特定位置。
（5）安全性较高。由于在地面行驶模式中，轮子以较低速度转动，无人机撞到障碍物后碰撞不会对无人机及障碍物造成较大损害。
附图说明
图1 为本发明处于四旋翼飞行模式状态下的结构示意图；
图2 为本发明处于地面行驶模式状态下的结构示意图；
图3 为本发明的机臂与模式切换机构的安装示意图；
图4 为本发明的阶梯轴的结构示意图；
图5 为图1的俯视图；
图6 为图2的俯视图；
图中，1-机体，2-机臂，3-舵机A，4-舵机座，5-无刷电机，6-阶梯轴，7-桨座，8-螺旋桨，9-单向轴承，10-车轮，11-舵机B，12-起落架，13-卡条，14-安装板，15-输出轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
如图1或图2所示，一种地空两栖四旋翼无人机，它包括无人机机体1和设置于机体1内的控制单元和电池，所述的机体1的四个角落处均连接有机臂2，四个机臂2呈“X”形分布，相邻两个机臂2之间的夹角均为90°，四个机臂2的末端均连接有模式切换机构。
如图1~6所示，模式切换机构由舵机A3、舵机座4、无刷电机5、阶梯轴6、桨座7、螺旋桨8、单向轴承9和车轮10组成，舵机A3固定于机臂2的末端，舵机座4为U形支架，舵机A3位于舵机座4内，舵机A3的输出端与舵机座4的一侧壁连接，舵机座4的顶部固定安装有无刷电机5，无刷电机5垂直于舵机座4的顶表面设置，无刷电机的输出轴15上顺次连接有桨座7和阶梯轴6，桨座7上安装有多个螺旋桨8，本实施例中采用三个螺旋桨8，三个螺旋桨8呈三角形分布，阶梯轴6的小轴上安装有单向轴承9，车轮10旋转安装于单向轴承9上，车轮10的半径大于螺旋桨8的长度。当无刷电机5做正转时，单向轴承9活动，无刷电机5只能驱动螺旋桨8转动；当无刷电机5做反转时，单向轴承9锁死，无刷电机5驱动螺旋桨8和车轮10同时转动，因此使无刷电机5可以驱动车轮10旋转的旋转方向与无人机飞行时无刷电机5的旋转方向相反，从而让无刷电机5在无人机飞行时不会带动车轮10旋转，只会驱动螺旋桨8旋转。
如图1所示，机体1的下部固定有两个舵机B11，两个舵机B11的输出端均连接有起落架12，两个起落架12呈夹角设置，所述的控制单元与无刷电机5、舵机A3和舵机B11连接，通过控制单元能够控制舵机A和舵机B输出转矩，即舵机A改变无刷电机5与水平面的倾转角度，舵机B改变起落架12的升降。电池与控制单元和无刷电机5连接，电池用于给无刷电机5和控制单元供电。
所述的车轮10外圆上设置有辐条，机体1的顶部设置有四根卡条13，当车轮与地面平行时，卡条13的端部刚好卡在辐条的间隙内，阻止了车轮10在无人机飞行时随无刷电机5旋转，因为单项轴承9在实际运用中难以做到当无刷电机5以某一方向旋转时完全阻止其驱动车轮10旋转，因此卡条13起到进一步锁住车轮10的作用。所述的机臂2的末端连接有安装板14，所述的舵机A3固定于安装板14上。
该无人机拥有两种模式：一种为四旋翼飞行模式，当螺旋桨8与水平面平行时，通过无刷电机5驱动螺旋桨8可以使该无人机飞行；另一种为地面行驶模式，当车轮10与水平面垂直时，由于车轮10与地面接触且与水平面垂直，通过无刷电机5驱动车轮10可以使该无人机以小车的方式在地面行驶，而这两种模式的转换可以通过四个舵机A3实现。当无人机处于四旋翼飞行模式时，起落架放下；当无人机处于地面行驶模式时，起落架收起。
本发明的工作工程为：当无人机从四旋翼飞行模式转换到地面行驶模式时，无人机从空中着陆，起落架先接触地面，然后控制舵机A3输出转矩使车轮10和螺旋桨8与地面垂直，此时车轮10处于离地状态且起落架未收起，随后控制舵机B11输出转矩使起落架收起，车轮10接触地面，无人机进入地面行驶模式，最后只需控制无刷电机5做反转，车轮10转动。当无人机从地面行驶模式转换到四旋翼飞行模式时，控制舵机B11输出反向转矩使起落架放下，此时车轮10脱离地面，随后控制舵机A3输出反向转矩使车轮10和螺旋桨8与地面平行，无人机进入四旋翼飞行模式，最后只需控制无刷电机5做正转，只有螺旋桨8转动。这种做法使无人机在降落时不会因螺旋桨8提前离开水平状态而失速，减轻机体着陆时受到的冲击，也使无人机在起飞时不会让车轮10与地面刮擦，从而提高该无人机的使用寿命。
该无人机起落架的控制与模态转换舵机共用同一块控制芯片。由于起落架和舵机的角度都是由PWM脉冲带宽调制波决定，因此我们将控制芯片设置至少5个PWM输出，一个用于控制起落架，另外四个分别控制四个模态转换舵机。在地面行驶模式转换为四旋翼飞行模式的过程中，结构中所发生的变化为起落架放下，模态转换舵机由0o变为90o；在四旋翼飞行模式转换为地面行驶模式的过程中，变化为模态转换舵机由90o转为0o，起落架收起。因此，控制芯片在这两个不同的转换过程中要输出不同的PWM波，此时需要一个对控制芯片设置一个数字输入或模拟输入检测口，此检测口连接至接收机的除1至4之外的任意通道1至4通道用于控制四个无刷电机，在遥控器上将此通道设置为两段开关式，即遥控上开关位于0或1时接收机该通道将输出不同信号，该变化信号使控制单元输出不同的PWM信号以完成对起落架和转换舵机的控制。

Claims (4)

1.一种地空两栖四旋翼无人机，其特征在于：它包括无人机机体（1）和设置于机体（1）内的控制单元和电池，所述的机体（1）的顶部设置有四根卡条（13），所述的机体（1）的四个角落处均连接有机臂（2），四个机臂（2）的末端均连接有模式切换机构，模式切换机构由舵机A（3）、舵机座（4）、无刷电机（5）、阶梯轴（6）、桨座（7）、螺旋桨（8）、单向轴承（9）和车轮（10）组成，舵机A（3）固定于机臂（2）的末端，舵机座（4）为U形支架，舵机A（3）位于舵机座（4）内，舵机A（3）的输出端与舵机座（4）的一侧壁连接，舵机座（4）的顶部固定安装有无刷电机（5），无刷电机（5）垂直于舵机座（4）的顶表面设置，无刷电机的输出轴（15）上顺次连接有桨座（7）和阶梯轴（6），桨座（7）上安装有多个螺旋桨（8），阶梯轴（6）的小轴上安装有单向轴承（9），车轮（10）旋转安装于单向轴承（9）上，车轮（10）的半径大于螺旋桨（8）的长度，所述的机体（1）的下部固定有两个舵机B（11），两个舵机B（11）的输出端均连接有起落架（12），两个所述起落架（12）呈夹角设置，所述的控制单元与无刷电机（5）、舵机A（3）和舵机B（11）连接，电池与控制单元和无刷电机（5）连接，所述的机臂（2）的末端连接有安装板（14），所述的舵机A（3）固定于安装板（14）上。
2.根据权利要求1所述的一种地空两栖四旋翼无人机，其特征在于：相邻两个机臂（2）之间的夹角均为90°。
3.根据权利要求1所述的一种地空两栖四旋翼无人机，其特征在于：所述的车轮（10）外圆上设置有辐条。
4.根据权利要求1所述的一种地空两栖四旋翼无人机，其特征在于：所述的桨座（7）上安装有三个螺旋桨（8）。
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