CN107215158A - 陆空两用旋翼飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了陆空两用旋翼飞行器。空中侦查无人机无法详细了解地面情况，现有地面侦查机器人的机动性和规避障碍物的能力较差。本发明包括载体板和旋翼变形臂。旋翼变形臂包括第一变形块、第二变形块、第三变形块、第四变形块、电机底座、两用轮翼、第一驱动件、第二驱动件、第三驱动件、第四驱动件和轮翼电机。第一变形块与第二变形块的内端构成第一转动副。第二变形块的外端与第三变形块的内端构成第二转动副。第三变形块的外端与第四变形块的内端构成第三转动副。第四变形块的外端与电机底座的内端构成第四转动副。本发明具有飞行和陆行两种模式，能够同时承担空中侦查无人机和地面侦查机器人的功能。
Description
技术领域
本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种陆空两用旋翼飞行器。
背景技术
2008年5月12日14时28分04秒，以四川省汶川县映秀镇为震中发生了中华人民共和国自建国以来影响最大的一次地震。然而就是这样一场牵动了亿万国人的史诗级大地震的震中受灾情况却在40多个小时之后，才第一次被搜救人员所了解。缺乏可以快速进入受灾中心的手段，缺乏行之有效的侦测手段是导致这一次信息屏障的主要原因。在随后中国发生的一系列大型自然或人为灾害中或多或少都遇到看相类似的问题。尽管在后来的灾害救援中也启用了空中侦查无人机，但是他们都存在着确认疑似有幸存者位置的之后，需要再派地面侦查机器人再次进入灾害现场进行详细搜寻。这就造成了时间上的极大损失，不利于对被困人员的营救。即使地面侦查机器人可以通过空中侦查无人机的吊装进入灾区，但是这也会造成极大的动力浪费，造成救援效率下降。同时由于地面侦查机器人的机动性和规避障碍物的能力较差，如果灾区发生次生灾害，那就有可能造成地面侦查机器人的损失。
因此，设计一种同时具有地面侦查机器人与空中侦查无人机功能的侦查装置能够大大提高对于灾后被困人员的搜救效率和搜救成功率。有效服务于被困人员，帮助他们能够尽快脱离受困的处境。
发明内容
本发明的目的在于提供一种陆空两用旋翼飞行器。
本发明陆空两用旋翼飞行器，包括载体板(19)和旋翼变形臂。所述的旋翼变形臂包括第一变形块(1)、第二变形块(2)、第三变形块(3)、第四变形块(4)、电机底座(5)、两用轮翼(6)、第一驱动件、第二驱动件、第三驱动件、第四驱动件和轮翼电机(18)。
所述的第一变形块(1)与第二变形块(2)的内端构成公共轴线平行于载体板(19)顶面的第一转动副，第二变形块(2)由第一驱动件驱动。第二变形块(2)的外端与第三变形块(3)的内端构成第二转动副，第三变形块(3)由第二驱动件驱动。第三变形块(3)的外端与第四变形块(4)的内端构成第三转动副，第四变形块(4)由第三驱动件驱动。第四变形块(4)的外端与电机底座(5)的内端构成第四转动副，电机底座(5)由第四驱动件驱动。所述的第一转动副的公共轴线与第二转动副的公共轴线不共面且垂直；第二转动副的公共轴线与第三转动副的公共轴线共面且垂直；第三转动副的公共轴线与第四转动副的公共轴线垂直；所述的轮翼电机(18)固定在电机底座(5)的外端，轮翼电机(18)的输出轴轴线与第四转动副的公共轴线垂直；所述的两用轮翼(6)由旋翼和行进轮组成；所述的旋翼由轮毂和n片叶片组成，3≤n≤10；所述的轮毂与轮翼电机(18)的输出轴固定；所述的n片叶片的内端均与轮毂外圆周面固定；n片叶片沿轮毂的周向均布；n片叶片的外端均与呈圆筒状行进轮的内壁固定。
两块载体板(19)上下平行设置，且均呈矩形状。所述的旋翼变形臂共有四根；四根旋翼变形臂的第一变形块(1)顶面与位于上部载体板(19)底面的四个角分别固定。四根旋翼变形臂的第一变形块(1)底面与位于下部载体板(19)顶面的四个角分别固定。
所述的四个第一转动副公共轴线与对应第二转动副公共轴线的距离均为a，40mm≤a≤60mm；所述的四个第二转动副公共轴线与对应第四转动副公共轴线的距离均为b，70mm≤b≤90mm；所述行进轮外圆周的半径均为r， 所述的四个行进轮内端面与对应第四转动副公共轴线的距离均为d，40mm≤d≤60mm；所述的四个第一转动副的公共轴线与位于下部载体板(19)底面的距离均为c，6mm≤c≤10mm。
所述的四根旋翼变形臂分别为左前旋翼变形臂、右前旋翼变形臂、左后旋翼变形臂和右后旋翼变形臂。所述左前旋翼变形臂内第一转动副的公共轴线与右前旋翼变形臂内第一转动副的公共轴线重合。所述左后旋翼变形臂内第一转动副的公共轴线与右后旋翼变形臂内第一转动副的公共轴线重合。所述左前旋翼变形臂内第二转动副公共轴线与右前旋翼变形臂内第二转动副公共轴线的间距为e，e＞2r-b。所述左后旋翼变形臂内第二转动副公共轴线与右后旋翼变形臂内第二转动副公共轴线的间距为e。左前旋翼变形臂的两用轮翼(6)外端面与左后旋翼变形臂的两用轮翼(6)外端面共面。右前旋翼变形臂的两用轮翼(6)外端面与右后旋翼变形臂的两用轮翼(6)外端面共面。
本发明还包括控制器、摄像头和陀螺仪。所述的两个摄像头对中固定在其中一块载体板(19)上。所述的陀螺仪及控制器均固定在其中一块载体板(19)上。摄像头及陀螺仪均与控制器相连。
所述的第一驱动件包括第一电机(14)、第一锥齿轮(7)和第二锥齿轮(8)；所述的第二驱动件包括第二电机(15)、第三锥齿轮(9)和第四锥齿轮(10)；所述的第三驱动件包括第三电机(16)和连接块(13)；所述的第四驱动件包括第四电机(17)、第五锥齿轮(11)和第六锥齿轮(12)。所述的第一锥齿轮(7)与第一电机(14)的输出轴固定。所述的第二锥齿轮(8)固定在第二变形块(2)上；第二锥齿轮(8)的轴线与第一转动副的公共轴线重合；第一锥齿轮(7)与第二锥齿轮(8)啮合。所述的第三锥齿轮(9)与第二电机(15)的输出轴固定。所述的第四锥齿轮(10)固定在第四变形块(4)上；第四锥齿轮(10)的轴线与第二转动副的公共轴线重合；第三锥齿轮(9)与第四锥齿轮(10)啮合。第三电机(16)的输出轴通过连接块(13)与第三变形块(3)固定。所述的第五锥齿轮(11)与第四电机(17)的输出轴固定。所述的第六锥齿轮(12)固定在电机座上，第六锥齿轮(12)的轴线与第四转动副的公共轴线重合。第五锥齿轮(11)与第六锥齿轮(12)啮合。
所述的第一电机(14)固定在第一变形块(1)内，所述的第二电机(15)固定在第二变形块(2)内，所述的第三电机(16)固定在第三变形块(3)内，所述的第四电机(17)固定在第四变形块(4)内。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明具有飞行和陆行两种模式，能够同时承担空中侦查无人机和地面侦查机器人的功能。
2、本发明在飞行模式下，能够自动调节桨距，在风速较大的情况下使用大桨距，增强稳定性；在风速较小的情况下使用小桨距，加大飞行速度。
3、本发明在陆行模式下，能够自动调节轮距和底板高度，具有强大的地形通过能力。
4、本发明飞行灵活度高，控制简单，对起降条件要求低，可悬停。
附图说明
图1为本发明飞行模式下的整体结构示意图；
图2为本发明陆行模式下的整体结构示意图；
图3为本发明中旋翼变形臂的立体图；
图4为本发明中旋翼变形臂的传动示意图；
图5为本发明中陆行模式初始姿态的俯视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、2、3和4所示，陆空两用旋翼飞行器，包括载体板19、旋翼变形臂、摄像头、陀螺仪和控制器。旋翼变形臂包括第一变形块1、第二变形块2、第三变形块3、第四变形块4、电机底座5、两用轮翼6、第一锥齿轮7、第二锥齿轮8、第三锥齿轮9、第四锥齿轮10、第五锥齿轮11、第六锥齿轮12、连接块13、第一电机14、第二电机15、第三电机16、第四电机17和轮翼电机18。
如图3和4所示，第一变形块1与第二变形块2的内端构成公共轴线平行于载体板19顶面的第一转动副。第二变形块2的外端与第三变形块3的内端构成第二转动副。第三变形块3的外端与第四变形块4的内端构成第三转动副。第四变形块4的外端与电机底座5的内端构成第四转动副。第一转动副的公共轴线与第二转动副的公共轴线不共面且垂直；第二转动副的公共轴线与第三转动副的公共轴线共面且垂直；第三转动副的公共轴线与第四转动副的公共轴线垂直。第一转动副公共轴线与第二转动副公共轴线的距离为a，a＝50mm。第二转动副公共轴线与第四转动副公共轴线的距离为b，b＝80mm。轮翼电机18固定在电机底座5的外端，轮翼电机18的输出轴轴线与第四转动副的公共轴线垂直。两用轮翼6由旋翼和行进轮组成。旋翼由轮毂和六片叶片组成；轮毂与轮翼电机18的输出轴固定。六片叶片的内端均与轮毂外圆周面固定，六片叶片沿轮毂的周向均布。六片叶片的外端均与呈圆筒状行进轮的内壁固定。行进轮外圆周的半径为r，r＝80mm。行进轮内端面与第四转动副公共轴线的距离为d，d＝50mm。第一电机14固定在第一变形块1内，第二电机15固定在第二变形块2内，第三电机16固定在第三变形块3内，第四电机17固定在第四变形块4内。第一锥齿轮7与第一电机14的输出轴固定。第二锥齿轮8固定在第二变形块2上；第二锥齿轮8的轴线与第一转动副的公共轴线重合；第一锥齿轮7与第二锥齿轮8啮合。第三锥齿轮9与第二电机15的输出轴固定。第四锥齿轮10固定在第三变形块3上；第四锥齿轮10的轴线与第二转动副的公共轴线重合；第三锥齿轮9与第四锥齿轮10啮合。第三电机16的输出轴通过连接块13与第四变形块4固定。第五锥齿轮11与第四电机17的输出轴固定。第六锥齿轮12固定在电机座上，第六锥齿轮12的轴线与第四转动副的公共轴线重合。第五锥齿轮11与第六锥齿轮12啮合。
如图1、2、3和4所示，两块载体板19上下平行设置，且均呈矩形状。旋翼变形臂共有四根。四根旋翼变形臂的第一变形块1顶面与位于上部载体板19底面的四个角分别固定。四根旋翼变形臂的第一变形块1底面与位于下部载体板19顶面的四个角分别固定。四个第一转动副的公共轴线与位于下部载体板19底面的距离均为c，c＝8mm。四根旋翼变形臂分别为左前旋翼变形臂、右前旋翼变形臂、左后旋翼变形臂和右后旋翼变形臂。左前旋翼变形臂内第一转动副的公共轴线与右前旋翼变形臂内第一转动副的公共轴线重合。左后旋翼变形臂内第一转动副的公共轴线与右后旋翼变形臂内第一转动副的公共轴线重合。左前旋翼变形臂内第二转动副公共轴线与右前旋翼变形臂内第二转动副公共轴线的间距为e，e＝120mm。左后旋翼变形臂内第二转动副公共轴线与右后旋翼变形臂内第二转动副公共轴线的间距为e。左前旋翼变形臂的两用轮翼6外端面与左后旋翼变形臂的两用轮翼6外端面共面。右前旋翼变形臂的两用轮翼6外端面与右后旋翼变形臂的两用轮翼6外端面共面。其中一块载体板19上对中固定有两个摄像头，两个摄像头均设置在左前旋翼变形臂与右前旋翼变形臂之间。陀螺仪及控制器均固定在其中一块载体板19上。摄像头及陀螺仪均与控制器相连。
该陆空两用旋翼飞行器的控制方法如下：
该陆空两用旋翼飞行器具有两种工作模式，分别为陆行模式和飞行模式。
陆行模式下，四个轮翼电机18输出轴轴线与对应第一转动副的公共轴线分别平行；四个第三转动副的公共轴线与对应轮翼电机18输出轴轴线的夹角大小均为θ。左前旋翼变形臂内两用轮翼6与右前旋翼变形臂内两用轮翼6的轮距f＝2b·cosθ+2d+e。四个第二转动副的公共轴线与下部载体板19底面所成角的大小均为α。位于下部载体板19底面与地面的距离h＝r-c+(a+bsinθ)cosα。
如图5所示，在陆行模式下，若四个第一转动副的公共轴线与对应第三转动副的公共轴线分别垂直，四个第二转动副的公共轴线均与位于下部载体板19底面垂直，则处于陆行模式的初始姿态。
两个摄像头拍摄前方图像并传输给控制器，控制器计算出前方通道的宽度s。若2d+e＜0.8s＜f，则四根旋翼变形臂内第二电机15、第四电机17转动；使得θ增大，f减小，直至f等于0.8s。若f＜0.8s＜2b+2d+e，则四根旋翼变形臂内第二电机15、第四电机17转动；使得θ减小，f增大，直至f等于0.8s。若0.8s＞2b+2d+e，则四根旋翼变形臂内第二电机15、第四电机17转动，将θ调节至0°，使得f＝2b+2d+e。
两个摄像头拍摄前方图像并传输给控制器，控制器计算出前方是否有障碍物；若有障碍物，则计算出障碍物宽度p，障碍物的高度q。若p＜0.8f且h＜1.1q＜r-c+a+bsinθ，则四根旋翼变形臂内第一电机14转动；使得α减小，h增大，直至h等于1.1q；位于下部的载体板19直接从障碍物上方通过。若p＞0.8f或1.1q＞r-c+a+bsinθ，则绕过该障碍物。
飞行模式下，四个轮翼电机18输出轴轴线及四个第二转动副的公共轴线均与位于下部载体板19底面垂直。四个第三转动副公共轴线与对应第一转动副公共轴线的夹角大小均为β，0°≤β≤60°。左前旋翼变形臂内轮翼电机18输出轴轴线与右前旋翼变形臂内轮翼电机18输出轴轴线的间距l＝e+2b·cosβ。
陀螺仪检测到陀螺仪所在载体板19顶面与水平面的夹角γ；若γ＞10°，则四根旋翼变形臂内第二电机15均转动；使得β减小，l增大，飞行稳定性增强，γ减小，直至5°＜γ＜10°。若γ＜5°，则四根旋翼变形臂内第二电机15均转动；使得β增大，l减小，飞行速度增大，γ增大，直至5°＜γ＜10°。
在陆行模式下需要飞行时，首先通过四根旋翼变形臂内第一电机14、第二电机15和第四电机17的转动，调节至陆行模式的初始姿态；然后通过四根旋翼变形臂内第一电机14、第二电机15和第三电机16的转动，从陆行模式的初始姿态转换为飞行模式。在飞行模式下需要陆行时，通过第一电机14、第二电机15和第三电机16的转动，从飞行模式转换为陆行模式的初始姿态。
陆行模式调节至初始姿态的控制方法具体如下：
四根旋翼变形臂内第一电机14均转动，直至四个第二转动副的公共轴线均与位于下部载体板19的底面垂直，即α增大至90°。四根旋翼变形臂内第二电机15、第四电机17均转动，使得四个第三转动副的公共轴线与对应轮翼电机18的输出轴轴线分别垂直，即θ增大至90°。
陆行模式的初始姿态变换为飞行模式的控制方法具体如下：
步骤一、四根旋翼变形臂内第一电机14均转动45°；使得四根旋翼变形臂均绕第一转动副公共轴线向上翻转，位于下部载体板19的底面与地面接触。
步骤二、四根旋翼变形臂内第二电机15均转动30°；使得四个两用轮翼6均向外翻转。
步骤三、四根旋翼变形臂内第三电机16转动90°；使得四个轮翼电机18的输出轴均倾斜朝向上方。
步骤四、四根旋翼变形臂内第一电机14均转动45°；使得四个轮翼电机18的输出轴轴线均与位于下部载体板19的底面垂直。
飞行模式变换为陆行模式初始姿态的控制方法具体如下：
步骤一、四根旋翼变形臂内第一电机14均转动45°；使得四根旋翼变形臂均绕第一转动副公共轴线向上翻转。
步骤二、四根旋翼变形臂内第三电机16均转动90°；使得四个轮翼电机18的输出轴均倾斜朝向外侧。
步骤三、四根旋翼变形臂内第二电机15均转动，直至四个第三转动副的公共轴线与对应第一转动副的公共轴线分别垂直。
步骤四、四根旋翼变形臂内第一电机14转动45°；使得四个两用轮翼6均与地面接触。
Claims (5)
1.陆空两用旋翼飞行器，包括载体板(19)和旋翼变形臂；所述的旋翼变形臂包括第一变形块(1)、第二变形块(2)、第三变形块(3)、第四变形块(4)、电机底座(5)、第一驱动件、第二驱动件、第三驱动件、第四驱动件和轮翼电机(18)；其特征在于：还包括两用轮翼(6)；所述的第一变形块(1)与第二变形块(2)的内端构成公共轴线平行于载体板(19)顶面的第一转动副，第二变形块(2)由第一驱动件驱动；第二变形块(2)的外端与第三变形块(3)的内端构成第二转动副，第三变形块(3)由第二驱动件驱动；第三变形块(3)的外端与第四变形块(4)的内端构成第三转动副，第四变形块(4)由第三驱动件驱动；第四变形块(4)的外端与电机底座(5)的内端构成第四转动副，电机底座(5)由第四驱动件驱动；所述的第一转动副的公共轴线与第二转动副的公共轴线不共面且垂直；第二转动副的公共轴线与第三转动副的公共轴线共面且垂直；第三转动副的公共轴线与第四转动副的公共轴线垂直；所述的轮翼电机(18)固定在电机底座(5)的外端，轮翼电机(18)的输出轴轴线与第四转动副的公共轴线垂直；所述的两用轮翼(6)由旋翼和行进轮组成；所述的旋翼由轮毂和n片叶片组成，3≤n≤10；所述的轮毂与轮翼电机(18)的输出轴固定；所述的n片叶片的内端均与轮毂外圆周面固定；n片叶片沿轮毂的周向均布；n片叶片的外端均与呈圆筒状行进轮的内壁固定；
两块载体板(19)上下平行设置，且均呈矩形状；所述的旋翼变形臂共有四根；四根旋翼变形臂的第一变形块(1)顶面与位于上部载体板(19)底面的四个角分别固定；四根旋翼变形臂的第一变形块(1)底面与位于下部载体板(19)顶面的四个角分别固定；
所述的四个第一转动副公共轴线与对应第二转动副公共轴线的距离均为a，40mm≤a≤60mm；所述的四个第二转动副公共轴线与对应第四转动副公共轴线的距离均为b，70mm≤b≤90mm；所述行进轮外圆周的半径均为r，所述的四个行进轮内端面与对应第四转动副公共轴线的距离均为d，40mm≤d≤60mm；所述的四个第一转动副的公共轴线与位于下部载体板(19)底面的距离均为c，6mm≤c≤10mm。
2.根据权利要求1所述的陆空两用旋翼飞行器，其特征在于：所述的四根旋翼变形臂分别为左前旋翼变形臂、右前旋翼变形臂、左后旋翼变形臂和右后旋翼变形臂；所述左前旋翼变形臂内第一转动副的公共轴线与右前旋翼变形臂内第一转动副的公共轴线重合；所述左后旋翼变形臂内第一转动副的公共轴线与右后旋翼变形臂内第一转动副的公共轴线重合；所述左前旋翼变形臂内第二转动副公共轴线与右前旋翼变形臂内第二转动副公共轴线的间距为e，e＞2r-b；所述左后旋翼变形臂内第二转动副公共轴线与右后旋翼变形臂内第二转动副公共轴线的间距为e；左前旋翼变形臂的两用轮翼(6)外端面与左后旋翼变形臂的两用轮翼(6)外端面共面；右前旋翼变形臂的两用轮翼(6)外端面与右后旋翼变形臂的两用轮翼(6)外端面共面。
3.根据权利要求1所述的陆空两用旋翼飞行器，其特征在于：还包括控制器、摄像头和陀螺仪；所述的两个摄像头对中固定在其中一块载体板(19)上；所述的陀螺仪及控制器均固定在其中一块载体板(19)上；所述的摄像头及陀螺仪均与控制器相连。
4.根据权利要求1所述的陆空两用旋翼飞行器，其特征在于：所述的第一驱动件包括第一电机(14)、第一锥齿轮(7)和第二锥齿轮(8)；所述的第二驱动件包括第二电机(15)、第三锥齿轮(9)和第四锥齿轮(10)；所述的第三驱动件包括第三电机(16)、连接块(13)；所述的第四驱动件包括第四电机(17)、第五锥齿轮(11)和第六锥齿轮(12)；所述的第一锥齿轮(7)与第一电机(14)的输出轴固定；所述的第二锥齿轮(8)固定在第二变形块(2)上；第二锥齿轮(8)的轴线与第一转动副的公共轴线重合；第一锥齿轮(7)与第二锥齿轮(8)啮合；所述的第三锥齿轮(9)与第二电机(15)的输出轴固定；所述的第四锥齿轮(10)固定在第三变形块(3)上；第四锥齿轮(10)的轴线与第二转动副的公共轴线重合；第三锥齿轮(9)与第四锥齿轮(10)啮合；第三电机(16)的输出轴通过连接块(13)与第四变形块(4)固定；所述的第五锥齿轮(11)与第四电机(17)的输出轴固定；所述的第六锥齿轮(12)固定在电机座上，第六锥齿轮(12)的轴线与第四转动副的公共轴线重合；第五锥齿轮(11)与第六锥齿轮(12)啮合。
5.根据权利要求4所述的陆空两用旋翼飞行器，其特征在于：所述的第一电机(14)固定在第一变形块(1)内，所述的第二电机(15)固定在第二变形块(2)内，所述的第三电机(16)固定在第三变形块(3)内，所述的第四电机(17)固定在第四变形块(4)内。
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