CN108128108A - 一种基于仿生学原理的三栖运动四旋翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于仿生学原理的三栖运动四旋翼无人机，包括机身，机身底部密封设置底座机构及舱体，舱体内设有控制装置，底座机构包括若干条端部固定有浮台的支撑腿，浮台为设有进出水控制阀和进气控制阀的密封充气气垫，进气控制阀通过充气管与舱体内的压缩空气存储器连接；舱体下端密封设置高度可调的吊舱推进器；控制装置控制进出水控制阀和进气控制阀的开关以及吊舱推进器的高度。利用本发明的四旋翼无人机，可以实现崎岖地面、沙地、泥沼、水面等任意位置停放，可以在水面或水面以下工作，还可以在遥控下缓慢浮至水面重新起飞，大大增加其工作的自由程度。

Description

一种基于仿生学原理的三栖运动四旋翼无人机

技术领域

本发明新型涉及飞行技术领域，具体为一种基于仿生学原理的三栖运动四旋翼无人机。

背景技术

无人驾驶飞行器(Unmanned Aerial Vehicle)简称无人机，英文缩写为UAV，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人航空器。从技术角度定义，无人机可以分为：无人多旋翼飞行器、无人固定翼飞机、无人垂直起降飞机、无人飞艇、无人直升机、无人伞翼机等。无人机系统由飞行器平台系统、信息采集系统和地面控制系统组成。机上无驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。

无人机上会搭载高清数码摄像机、照相机、GPS定位系统、热红外传感器、加速度传感器等设备，这是实现其功能的基础。例如高清摄像机可实现实时传输拍摄影响，定位自主巡航监测，高危地区探测等功能，广泛应用于警用、城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾等行业。而GPS定位系统、姿态、加速度等传感器则装备于大多数无人机上，用于确定无人机的位置和调整无人机运动姿态，在实现无人机飞行的精确控制中起到至关重要的作用。现今大部分无人机采用直升机的飞行原理进行设计，满足应用中垂直升降和高空悬停的要求，在结构形式上多采用单轴单桨、单轴共桨和多旋翼(例如，四旋翼)等。

四旋翼无人机又称四旋翼直升机，是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器。四旋翼无人机器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，两个相对的旋翼逆时针旋转，另两个旋翼则顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。传统直升机配备有一个主转子和一个尾桨，通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置。四旋翼无人机则是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。

与传统直升机相比，四旋翼无人机的优点在于，各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当无人机平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。此外，四旋翼无人机具有体积小、可自由悬停、操控简单、维护方便、运动性能好、环境友好等优点，广泛应用于航空摄影、农业防护、巡航监测、消防救灾、管道检测、环境保护、物流运输等方面，应用前景十分广阔。

目前，四旋翼无人机的应用主要集中于空中无人机方面，公告号为CN104176248A的中国专利文献公开了一种双发动机四轴四旋翼无人机，由航空发动机、旋翼机体、动力分配传动系统、飞行控制系统、四个旋翼总成等构成，旋翼机旋翼为可变桨距旋翼，且具有旋翼转动驱动部分以及旋翼桨角度调整部分。所述四旋翼机使用两台航空发动机驱动四个旋翼，每个发动机驱动对称轴上的一对螺旋桨且中间添加减速机构；旋翼桨角度调整机构驱动可变桨距螺旋桨改变桨距以改变升力；发动机工作在较高效率区间，通过调节桨距实现悬停、前飞、后飞等姿态控制；飞控系统由ARM、GPS、三轴陀螺仪等构成，精确、可靠。采用此发明的双发方案，当出现一台发动机故障时，可以通过提升另一台发动机功率，基本保持飞机姿态，实现安全降落，具有很高的可靠性。

然而，由于底部结构的限制，无人机在停放时对地面环境要求很高，在崎岖的地面或沙地上无法平稳停靠，也无法在水面停放，更无法实现水面自由运动。此外，该无人机也不能潜入水下工作，无人机工作环境的限制在很大程度上影响了其应用。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于仿生学原理的三栖运动四旋翼无人机，可实现崎岖地面、沙地、泥沼、水面等任意位置停放，可以在水面或水面以下工作，还可在遥控下缓慢浮至水面重新起飞，大大增加其工作的自由程度。

一种基于仿生学原理的三栖运动四旋翼无人机，包括机身，机身下带有密封的舱体，机身固定在底座机构上，所述舱体内设有控制装置，所述的底座机构包括若干条端部固定有浮台的支撑腿，所述浮台为带有进出水控制阀和进气控制阀的密封充气气垫，所述进气控制阀通过充气管与舱体内的压缩空气存储器连接；所述舱体下连接有高度可调的吊舱推进器；所述控制装置控制进出水控制阀和进气控制阀的开关以及吊舱推进器的升降。

所述的机身上固定连接有四个机臂，机臂上设置由电机驱动的螺旋桨，所述电机与所述控制装置电性连接。

所述机身、舱体、机臂、电机和螺旋桨均采用防水材料制备。

在上述技术方案中，无人机部分结构借鉴水黾科昆虫的身体构造，即采用仿生水黾的底座机构，可实现无人机在崎岖地面、沙地、泥沼、水面等任意位置停放。通过密封处理，对机身内的主要构件进行保护，使无人机可以潜入水面以下工作，还可在遥控下缓慢浮至水面重新起飞。

所述的舱体下半部设置有高度调节机构，用于调整连接在舱体底部的吊舱推进器的高度，当无人机在水面工作时可让吊舱推进器伸入水面，保证其工作效率，无人机停放于陆地上时则升高吊舱推进器，防止地面撞击吊舱推进器。

底座机构上设有四条支撑腿，所述支撑腿端部均设有浮台，支撑腿和浮台通过螺栓连接。所述浮台主体为密封充气气垫，当无人机停放在崎岖路面上时，浮台底部受挤压变形，与地面接触面积增大，停放更平稳。

无人机停于水面时，浮台可提供较大浮力与无人机重力平衡，使其稳定浮于水面上。

在无人机需要下沉时，浮台上进出水控制阀打开，水进入浮台内，无人机整体重量增加并下潜至一定深度开始工作。所述舱体内设有压缩空气存储器，通过充气管与浮台上的进气控制阀连接。在无人机需要上浮时，同时打开进出水控制阀和进气控制阀，浮台内的水排出来，压缩空气存储器将空气充入浮台内。

优选地，所述控制装置包括飞行控制板和遥控信号接收机，所述遥控信号接收机接收到遥控发出的无线信号并输入到所述飞行控制板，飞行控制板根据接收到的无线信号进行控制，做出进一步飞行指令。

当无人机需在水面工作时，通过遥控传送的信号最终到达飞行控制板，发出指令控制电机旋转速度，缓慢降低无人机高度，使无人机降落在水面成漂浮状态，同时控制吊舱推进器的降至水面以下并进入工作状态，无人机在水面运动。通过改变吊舱推进器的角度，改变无人机在水面的运动方向。

优选地，所述的舱体内装有分别通过防水导线与四个螺旋桨连接的四个电子调速器和提供能量的电池。电子调速器用来控制螺旋桨的速度，电子调速器的信号通过导线传输给飞行控制板，并由飞行控制板来控制电机的转速，从而控制螺旋桨的速度。电池为整个四旋翼无人机提供续航所需的能量。

优选地，所述的舱体内装有水压传感器，用于测得无人机下潜的深度并传回数据。

优选地，所述的机臂上设有顺着机臂方向布置的导线夹，用于固定住连接防水电机和水密接头的防水导线，使装置更加整洁美观。

优选地，所述舱体内设有GPS模块，可以通过GPS卫星获得无人机的方位，实时报告无人机的运动位置。

优选地，所述机架主体内设有六轴陀螺仪，作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器。

优选地，所述舱体内设有超声波测距模块，可以实时测得无人机与发出遥控指令的操作人员的距离。

优选地，所述机架主体上端设有警示灯，所述舱体内设有警示模块，当无人机工作过程中遇到碰撞等危险情况时，警示模块发出信号，警示灯闪烁。

优选地，所述舱体上设有高清防水数码摄像机，可在空中、陆地、水面，水下多种环境下工作，可实时获取图像并传回操作人员处。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的基于仿生学原理的三栖运动四旋翼无人机可以在空中正常工作，工作完成后可降落至崎岖地面、沙地、沼泽、水面等任何环境下，其安全性得到保证。该四旋翼无人机还通过安装的吊舱推进器可在水面自由运动，并完成实现其在空中的所有功能。同时该无人机可下潜至水下，完成工作后，可调节浮力使无人机浮出水面。这极大拓展了四旋翼无人机的工作范围。在水面及水下工作的无人机运动更加灵活方便，其机动性得以显著提升，较大程度上减小了工作人员的操纵难度。

附图说明

图1为本发明四旋翼无人机的整体结构主视结构示意图；

图2为本发明四旋翼无人机的整体结构俯视结构示意图；

图3为本发明四旋翼无人机的整体结构轴测结构示意图；

图4为本发明四旋翼无人机的水面工作示意图；

图5为本发明四旋翼无人机的原理方框图。

其中：1、电机螺丝帽；2、螺旋桨；3、防水电机；4、电机座；5、机臂；6、舱体；7、支撑腿；8、浮台；9、吊舱推进器；10、防水导线；11、导线夹；12、水密接头；13、机身；14、进出水控制阀；15、充气管；16、进气控制阀；17、警示灯；18、高清防水数码摄像机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。

如图1、图2、图3所示，一种基于仿生学原理的三栖运动四旋翼无人机，包括机身13以及连接在机身四周均匀分布的四个机臂7，机身13下带有密封舱体6，机身13固定在底座机构上。

舱体6内设有控制装置，舱体6的下连接有高度可调的吊舱推进器9。底座机构包括四条支撑腿7，支撑腿7端部固定浮台8，浮台8主体为密封充气气垫，浮台8和支撑腿7通过螺丝连接。浮台8上带有进出水控制阀14和进气控制阀16，进气控制阀16通过充气管15与舱体内的压缩空气存储器连接。

机身13的上方设有警示灯17，机身13四周安装有连接防水导线10的水密接头12。机臂7上设有顺着机臂7方向布置的导线夹11，用于固定住连接防水电机3和水密接头12的防水导线。

机臂5端部设有电机座4，电机座4上安装有防水电机3；螺旋桨2通过电机螺丝帽1连接于防水电机3的输出端。防水电机3与电机座4通过螺丝连接。

舱体6内部还安装有提供能量的电池、连接螺旋桨2的四个电子调速器、压缩空气存储器、水压传感器、GPS模块、六轴陀螺仪、超声波测距模块和警示模块，舱体6外部设有高清防水数码摄影机18。

控制装置包括遥控信号接收机和飞行控制板，如图5所示，遥控信号接收机接收到遥控发出的无线信号并通过导线直接传输给所述飞行控制板，飞行控制板进一步做出指令。

如图4所示，当四旋翼无人机在水面工作时，浮台8可提供充足浮力与无人机重力平衡，吊舱推进器9在飞行控制板的指令下根据工作情况调整高度，吊舱推进器9高度下降，沉入水面以下并进入工作状态，驱动无人机在水面行走；当无人机停在陆地上时，吊舱推进器上升，防止与地方撞击而损坏；降落于凹凸不平的地形环境时，浮台8在无人机的重力影响下发生变形，与地面接触面积增大，帮助无人机平稳降落。

本发明的使用过程如下：

三栖运动四旋翼无人机在空中运动时，操作人员通过遥控控制其飞行速度、运动方向和姿态。

当无人机需要在地面降落时，降落前，由操作人员操纵遥控发出指令，遥控信号接收机后，飞行控制板控制螺旋桨2缓慢降低转速，吊舱推进器9高度上升，无人机缓慢下降。当无人机下端的浮台8与地面接触时，螺旋桨1完全停止工作，不产生升力。无人机重力使浮台8发生变形，与地面接触面积增大，无人机得以平稳停放。

进一步若要无人机在水面工作，如图4所示，操作人员操纵无人机平稳降落于水面，浮台8产生的浮力与无人机的重力平衡。同时控制吊舱推进器9高度下降，使其沉入水面以下，吊舱推进器开始工作，产生前进的推力，无人机在水面自由运动。通过改变吊舱推进器9的角度，改变无人机在水面的运动方向。在高清防水数码摄影机18完成水面工作后，操作人员遥控吊舱推进器9停止工作并上升至脱离水面，螺旋桨2开始工作产生升力，无人机离开水面在空中飞行。

进一步若要无人机潜入水下工作，则操作人员发出遥控信号，飞行控制板接收信号后发出指令打开进出水控制阀14，浮台8内开始进水，无人机整体下潜；无人机在水下完成工作后，飞行控制板发出指令，舱体内压缩空气存储器通过充气管15与连接的进气控制阀16向浮台内充入空气，同时进出水控制阀14向浮台8内的水流出，待浮台8内水全部流出时关闭，关闭进出水控制阀14和进气控制阀16，无人机可上浮至水面。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于仿生学原理的三栖运动四旋翼无人机，包括机身，机身下带有密封的舱体，机身固定在底座机构上，所述舱体内设有控制装置，其特征在于，所述的底座机构包括若干条端部固定有浮台的支撑腿，所述浮台为带有进出水控制阀和进气控制阀的密封充气气垫，所述进气控制阀通过充气管与舱体内的压缩空气存储器连接；

所述舱体下连接有高度可调的吊舱推进器；所述控制装置控制进出水控制阀和进气控制阀的开关以及吊舱推进器的升降。

2.根据权利要求1所述的基于仿生学原理的三栖运动四旋翼无人机，其特征在于，所述的机身上固定连接有四个机臂，机臂上设置由电机驱动的螺旋桨，所述电机与所述控制装置电性连接。

3.根据权利要求2所述的基于仿生学原理的三栖运动四旋翼无人机，其特征在于，所述机身、舱体、机臂、电机和螺旋桨均采用防水材料制备。

4.根据权利要求1所述的基于仿生学原理的三栖运动四旋翼无人机，其特征在于，所述控制装置包括飞行控制板和遥控信号接收机，所述遥控信号接收机接收到遥控发出的无线信号并输入到所述飞行控制板，飞行控制板根据接收到的无线信号进行控制。

5.根据权利要求1所述的基于仿生学原理的三栖运动四旋翼无人机，其特征在于，所述舱体设有水压传感器，用于测量无人机下潜的深度并传回数据。

6.根据权利要求1所述的基于仿生学原理的三栖运动四旋翼无人机，其特征在于，所述舱体内设有GPS模块，用于获得无人机的方位，实时报告无人机的运动位置。

7.根据权利要求1所述的基于仿生学原理的三栖运动四旋翼无人机，其特征在于，所述机身内设有六轴陀螺仪，用于水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器。

8.根据权利要求1所述的基于仿生学原理的三栖运动四旋翼无人机，其特征在于，所述舱体内设有超声波测距模块，用于实时测得无人机与发出遥控指令的操作人员的距离。

9.根据权利要求1所述的基于仿生学原理的三栖运动四旋翼无人机，其特征在于，所述机身上端设有警示灯，所述舱体内设有警示模块，当无人机工作过程中遇到碰撞等危险情况时，警示模块发出信号，警示灯闪烁。

10.根据权利要求1所述的基于仿生学原理的三栖运动四旋翼无人机，其特征在于，所述舱体上设有高清防水数码摄像机，用于在空中、陆地、水面和水下工作，实时获取图像并传回操作人员处。