CN108458892B - 一种具有岩石样本采集和搬运功能的旋翼式火星无人机 - Google Patents

Abstract

一种具有岩石样本采集和搬运功能的旋翼式火星无人机，涉及旋翼式火星无人机，为了满足火星大气环境中样本采集任务的需求。飞行动力装置的底端与控制装置的顶端连接，左端采集功能装置和右端采集功能装置对称式位于控制装置的左右两侧并与控制装置连接，图像采集装置的顶端与控制装置的底端连接；飞行动力装置为共轴反桨双旋翼结构，用于提供动力；右端采集功能装置和左端采集功能装置均用于样本的采集；图像采集装置用于图像的采集；控制装置用于驱动控制飞行动力装置，还用于控制图像采集装置的旋转角度。本发明适用于火星大气环境中岩石样本的采集和搬运。

Description

一种具有岩石样本采集和搬运功能的旋翼式火星无人机

技术领域

本发明涉及旋翼式火星无人机。

背景技术

对地外星球生命、水源的探测与研究一直都是人类深空探测计划的重要组成部分，由于火星与地球在太阳系中相邻并具有与地球相似的体积尺寸、四季变化，对火星生命、水源的探测在世界范围内受到了各国科学家的高度重视。由于火星表面复杂的地形结构极大地限制了火星漫游车的活动范围，火星车难以直接探测深沟、峡谷等被人类认为存在或曾经存在水源的区域，研制一种适用于火星大气环境并能够对火星车难以到达区域进行岩石、土壤样本采集的火星无人机成为了近年来火星探测的关注点。根据旋翼结构，火星无人机主要包括：固定翼式、旋翼式、浮空气球等，其中固定翼式无人机难以实现探测区域的准确降落；浮空气球主要用于对火星表面的高空探测任务；因而，能够实现对探测区域准确飞行与定点垂直起降的旋翼式火星无人机成为了最佳选择。由于火星的飞行环境与地球截然不同，极低的大气密度、低温限制了无人机的飞行性能；此外，无人机进行岩石样本采集和搬运功能相关的技术方面仍存在大量空白。因而研制具有岩石样本采集和搬运功能的旋翼式火星无人机对我国未来深空探测意义重大。

现有旋翼式无人机低雷诺数环境气动特性差，而无法满足火星独特的气体环境工作，不具备对岩石、土壤的定点采集功能。

发明内容

本发明的目的是为了满足火星大气环境中样本采集任务的需求，从而提供一种具有岩石样本采集和搬运功能的旋翼式火星无人机。

本发明所述的一种具有岩石样本采集和搬运功能的旋翼式火星无人机，包括飞行动力装置1、控制装置2、右端采集功能装置3、左端采集功能装置4和图像采集装置5；

飞行动力装置1的底端与控制装置2的顶端连接，左端采集功能装置4和右端采集功能装置3对称式位于控制装置2的左右两侧并与控制装置2连接，图像采集装置5的顶端与控制装置2的底端连接；

飞行动力装置1为共轴反桨双旋翼结构，用于提供动力；

右端采集功能装置3和左端采集功能装置4均用于样本的采集；

图像采集装置5用于图像的采集；

控制装置2用于驱动控制飞行动力装置1，还用于控制图像采集装置5的旋转角度。

优选的是，飞行动力装置1包括上端旋翼1-2、下端旋翼1-3、内轴1-4和外轴1-5；

内轴1-4与外轴1-5共轴且内轴1-4穿出外轴1-5，内轴1-4与外轴1-5独立旋转，内轴1-4的顶端固定有上端旋翼1-2，外轴1-5的顶端固定有下端旋翼1-3。

优选的是，飞行动力装置1还包括通讯单元1-1，用于与外部设备进行通讯，通讯单元1-1位于内轴1-4的最顶端。

优选的是，控制装置2包括一号高速无刷电机2-1、一号齿轮2-2、二号齿轮2-3、三号齿轮2-5、四号齿轮2-4、二号高速无刷电机2-6、扭矩电机2-7、无人机外壳2-8和底端支架2-9；

一号高速无刷电机2-1驱动一号齿轮2-2，一号齿轮2-2和二号齿轮2-3啮合，二号齿轮2-3驱动内轴1-4，二号高速无刷电机2-6驱动三号齿轮2-5，三号齿轮2-5和四号齿轮2-4啮合，四号齿轮2-4驱动外轴1-5，扭矩电机2-7的输出轴连接图像采集装置5；

一号高速无刷电机2-1、一号齿轮2-2、二号齿轮2-3、三号齿轮2-5、四号齿轮2-4、二号高速无刷电机2-6、扭矩电机2-7均位于无人机外壳2-8内，底端支架2-9固定于无人机外壳2-8外部的底端。

优选的是，右端采集功能装置3与左端采集功能装置4的结构相同，以右端采集功能装置3为例进行说明；

右端采集功能装置3包括一号机械臂3-1、机械臂关节3-2、二号机械臂3-3、执行器关节3-4和末端执行器3-5；

一号机械臂3-1的一端与无人机外壳2-8转动连接，一号机械臂3-1的另一端通过机械臂关节3-2连接二号机械臂3-3的一端，二号机械臂3-3的另一端通过执行器关节3-4与末端执行器3-5连接。

优选的是，图像采集装置5包括连接杆5-1、高清摄影机架5-2和高清摄影机5-3；

连接杆5-1的顶端连接扭矩电机2-7的输出轴，连接杆5-1的底端连接高清摄影机架5-2，高清摄影机架5-2为U型，U型的开口侧设有转轴，高清摄影机5-3与高清摄影机架5-2的转轴连接且可绕该转轴旋转。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的结构设计科学合理，旋翼式无人机采用共轴反桨双旋翼结构作为无人机的动力来源，实现了火星的低雷诺数环境飞行，从而满足旋翼式无人机在火星大气环境的动力学性能指标。旋翼系统采用“顶端”布置的方式，在结构上能够减小了旋翼产生气流对位于无人机两端的采集功能装置及底端的图像采集装置的影响，实现了无人机结构的合理设计，结构新颖、机械效率高、灵活性强。

2、本发明的工作介质具有可替换性，通过替换桨叶，无人机能够在火星大气环境飞行(主要成分为二氧化碳)，同时也适用于其他气体环境飞行，既满足火星的探测任务要求，也满足对未来其他星球的探测要求。

3、本发明的气体密度具有可替换性，针对深空探测任务中不同星球的气体密度进行高雷诺数翼型和低雷诺数翼型的替换，能够满足多种不同气体环境的深空探测任务。

4、本发明具有较高的探测速率，无人机的高空飞行不受到火星复杂地形的影响，对目标区域定点飞行并垂直降落，满足火星探测的速率、精度要求。

5、本发明具有针对探测任务的悬停特性，在探测飞行过程中能够实现针对特定地点的悬停飞行，在真空室气体压力稳定的情况下，本发明能够满足较稳定的悬停飞行功能。

6、本发明具有较大的探测范围，本发明通过图像采集装置环绕拍摄，能够对周围环境进行全角度摄影，极大地提高了火星探测的范围。

7、本发明具有对不同尺寸岩石和土壤样本的采集功能，无人机两侧的采集功能装置能够对岩石进行采集；通过在火星车上更换末端执行器，能够实现对不同尺寸样本的采集。

本发明适用于具有稀薄或较高大气密度的地外星球，用于协助星球漫游车或独立执行深空探测、样本采集任务。

附图说明

图1是一种具有岩石样本采集和搬运功能的旋翼式火星无人机的立体结构示意图；

图2是一种具有岩石样本采集和搬运功能的旋翼式火星无人机的各部件离散开的结构示意图；

图3是飞行动力装置的立体结构示意图；

图4是控制装置的立体结构示意图；

图5是控制装置的俯视图；

图6是右端采集功能装置的立体结构示意图；

图7是图像采集装置的立体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

一种具有岩石样本采集和搬运功能的旋翼式火星无人机，包括飞行动力装置1、控制装置2、右端采集功能装置3、左端采集功能装置4和图像采集装置5；

飞行动力装置1的底端与控制装置2的顶端连接，左端采集功能装置4和右端采集功能装置3对称式位于控制装置2的左右两侧并与控制装置2连接，图像采集装置5的顶端与控制装置2的底端连接；

飞行动力装置1为共轴反桨双旋翼结构，用于提供动力；

右端采集功能装置3和左端采集功能装置4均用于样本的采集；

图像采集装置5用于图像的采集；

控制装置2用于驱动控制飞行动力装置1，还用于控制图像采集装置5的旋转角度。

本实施方式中，飞行动力装置1包括通讯单元1-1、上端旋翼1-2、下端旋翼1-3、内轴1-4和外轴1-5；

内轴1-4与外轴1-5共轴且内轴1-4穿出外轴1-5，内轴1-4与外轴1-5独立旋转，内轴1-4的顶端固定有上端旋翼1-2和通讯单元1-1，外轴1-5的顶端固定有下端旋翼1-3。

通讯单元1-1位于内轴1-4的最顶端，保人了火星无人机与火星漫游车进行实时通讯。上端旋翼1-2、下端旋翼1-3布置于无人机顶端，减小了旋翼系统产生的气流对无人机的采集功能装置及图像采集装置的干扰。上端旋翼1-2、下端旋翼1-3分别采用高速无刷电机通过内轴1-4与外轴1-5共轴传动，实现了旋转过程的相互独立运动的方式。

本实施方式中，控制装置2包括一号高速无刷电机2-1、一号齿轮2-2、二号齿轮2-3、三号齿轮2-5、四号齿轮2-4、二号高速无刷电机2-6、扭矩电机2-7、无人机外壳2-8和底端支架2-9；

一号高速无刷电机2-1驱动一号齿轮2-2，一号齿轮2-2和二号齿轮2-3啮合，二号齿轮2-3驱动内轴1-4，二号高速无刷电机2-6驱动三号齿轮2-5，三号齿轮2-5和四号齿轮2-4啮合，四号齿轮2-4驱动外轴1-5，扭矩电机2-7的输出轴连接图像采集装置5；

一号高速无刷电机2-1、一号齿轮2-2、二号齿轮2-3、三号齿轮2-5、四号齿轮2-4、二号高速无刷电机2-6、扭矩电机2-7均位于无人机外壳2-8内，底端支架2-9固定于无人机外壳2-8外部的底端。

本实施方式中，右端采集功能装置3与左端采集功能装置4的结构相同，以右端采集功能装置3为例进行说明；

右端采集功能装置3包括一号机械臂3-1、机械臂关节3-2、二号机械臂3-3、执行器关节3-4和末端执行器3-5；

一号机械臂3-1的一端与无人机外壳2-8转动连接，一号机械臂3-1可绕一号机械臂3-1的轴线旋转，一号机械臂3-1的另一端连接机械臂关节3-2，一号机械臂3-1可绕机械臂关节3-2的轴线旋转，机械臂关节3-2和二号机械臂3-3的一端通过销连接，二号机械臂3-3可绕该销旋转，二号机械臂3-3的另一端通过执行器关节3-4与末端执行器3-5连接。

右端采集功能装置3通过一号机械臂3-1、机械臂关节3-2、二号机械臂3-3相互配合，实现末端执行器3-5沿三个方向的水平移动，保证了采集功能装置3对无人机周围土壤或岩石样本的采集功能。通过在火星车上更换末端执行器，能够实现对不同尺寸样本的采集。

本实施方式中，图像采集装置5包括连接杆5-1、高清摄影机架5-2和高清摄影机5-3；

连接杆5-1的顶端连接扭矩电机2-7的输出轴，连接杆5-1的底端连接高清摄影机架5-2，高清摄影机架5-2为U型，U型的开口侧设有转轴，高清摄影机5-3与高清摄影机架5-2的转轴连接且可绕该转轴旋转。

图像采集装置5在连接杆5-1、高清摄影机架5-2的配合运动下，能够实现高清摄影机5-3绕无人机轴线全角度的旋转及较大角度的俯仰运动，保证了无人机图像采集信息的完整性。

本发明的整体结构满足左右对称分布，保证了无人机整体质量分布的对称性，使无人机的重心与无人机的对称轴重合。减小无人机重量对其在飞行过程中姿态变化控制的影响。

工作过程：

无人机升起、下降及悬停过程：一号高速无刷电机2-1在无人机电源电压的驱动作用下进行高速旋转，一号高速无刷电机2-1的旋转运动传递至一号齿轮2-2，一号齿轮2-2与二号齿轮2-3配合将旋转运动传递至二号齿轮2-3，二号齿轮2-3与飞行动力装置1的内轴1-4连接并将旋转运动传递至内轴1-4，内轴1-4将旋转运动传递至上端旋翼1-2，实现上端旋翼1-2的高速旋转运动。二号高速无刷电机2-6的旋转运动传递至三号齿轮2-5，三号齿轮2-5与四号齿轮2-4配合将旋转运动传递至四号齿轮2-4，四号齿轮2-4与飞行动力装置1的外轴1-5连接并将旋转运动传递至外轴1-5，外轴1-5将旋转运动传递至下端旋翼1-3，实现下端旋翼1-3的高速旋转运动。当高速旋转的上端旋翼1-2与下端旋翼1-3产生沿轴向的升力大于无人机自重时，无人机实现升起运动；当高速旋转的上端旋翼1-2与下端旋翼1-3产生沿轴向的升力等于无人机自重时，无人机实现悬停运动；当高速旋转的上端旋翼1-2与下端旋翼1-3产生沿轴向的升力小于无人机自重时，无人机实现下降运动。

无人机的全角度地形观测过程：控制装置2的扭矩电机2-7的旋转运动传递至图像采集装置5的连接杆5-1，实现连接杆5-1的旋转运动并带动高清摄影机架5-2、高清摄影机5-3进行旋转，高清摄影机5-3与高清摄影机架5-2连接，在高清摄影机架5-2转轴的带动下，实现高清摄影机5-3的俯仰摆动。

无人机的岩石样本采集过程：该过程以右端采集功能装置3为例说明，右端采集功能装置3的一号机械臂3-1与无人机外壳2-8连接并能够沿一号机械臂3-1的轴线进行旋转运动，机械臂关节3-2两端各具有一个“销结构”的关节，能够实现一号机械臂3-1、二号机械臂3-3绕机械臂关节3-2的旋转运动，在无人机外壳2-8、一号机械臂3-1、机械臂关节3-2、二号机械臂3-3的共同配合下，右端采集功能装置3能够实现绕三个方向的旋转运动，并能够使末端执行器3-5移动至样本位置，通过执行器关节3-4的驱动作用，末端执行器3-5实现夹紧功能完成对样本的采样运动。

Claims (3)

1.一种具有岩石样本采集和搬运功能的旋翼式火星无人机，其特征在于，包括飞行动力装置(1)、控制装置(2)、右端采集功能装置(3)、左端采集功能装置(4)和图像采集装置(5)；

飞行动力装置(1)的底端与控制装置(2)的顶端连接，左端采集功能装置(4)和右端采集功能装置(3)对称式位于控制装置(2)的左右两侧并与控制装置(2)连接，图像采集装置(5)的顶端与控制装置(2)的底端连接；

飞行动力装置(1)为共轴反桨双旋翼结构，用于提供动力；

右端采集功能装置(3)和左端采集功能装置(4)均用于样本的采集；

图像采集装置(5)用于图像的采集；

控制装置(2)用于驱动控制飞行动力装置(1)，还用于控制图像采集装置(5)的旋转角度；

飞行动力装置(1)包括上端旋翼(1-2)、下端旋翼(1-3)、内轴(1-4)和外轴(1-5)；

内轴(1-4)与外轴(1-5)共轴且内轴(1-4)穿出外轴(1-5)，内轴(1-4)与外轴(1-5)独立旋转，内轴(1-4)的顶端固定有上端旋翼(1-2)，外轴(1-5)的顶端固定有下端旋翼(1-3)，针对深空探测任务中不同星球的气体密度进行高雷诺数翼型和低雷诺数翼型的替换；

所述控制装置(2)包括一号高速无刷电机(2-1)、一号齿轮(2-2)、二号齿轮(2-3)、三号齿轮(2-5)、四号齿轮(2-4)、二号高速无刷电机(2-6)、扭矩电机(2-7)、无人机外壳(2-8)和底端支架(2-9)；

一号高速无刷电机(2-1)驱动一号齿轮(2-2)，一号齿轮(2-2)和二号齿轮(2-3)啮合，二号齿轮(2-3)驱动内轴(1-4)，二号高速无刷电机(2-6)驱动三号齿轮(2-5)，三号齿轮(2-5)和四号齿轮(2-4)啮合，四号齿轮(2-4)驱动外轴(1-5)，扭矩电机(2-7)的输出轴连接图像采集装置(5)；

一号高速无刷电机(2-1)、一号齿轮(2-2)、二号齿轮(2-3)、三号齿轮(2-5)、四号齿轮(2-4)、二号高速无刷电机(2-6)、扭矩电机(2-7)均位于无人机外壳(2-8)内，底端支架(2-9)固定于无人机外壳(2-8)外部的底端；

所述图像采集装置(5)包括连接杆(5-1)、高清摄影机架(5-2)和高清摄影机(5-3)；

连接杆(5-1)的顶端连接扭矩电机(2-7)的输出轴，连接杆(5-1)的底端连接高清摄影机架(5-2)，高清摄影机架(5-2)为U型，U型的开口侧设有转轴，高清摄影机(5-3)与高清摄影机架(5-2)的转轴连接且可绕该转轴旋转。

2.根据权利要求1所述的一种具有岩石样本采集和搬运功能的旋翼式火星无人机，其特征在于，飞行动力装置(1)还包括通讯单元(1-1)，用于与外部设备进行通讯，所述通讯单元(1-1)位于内轴(1-4)的最顶端。

3.根据权利要求1所述的一种具有岩石样本采集和搬运功能的旋翼式火星无人机，其特征在于，所述右端采集功能装置(3)与左端采集功能装置(4)的结构相同，以右端采集功能装置(3)为例进行说明；

右端采集功能装置(3)包括一号机械臂(3-1)、机械臂关节(3-2)、二号机械臂(3-3)、执行器关节(3-4)和末端执行器(3-5)；

一号机械臂(3-1)的一端与无人机外壳(2-8)转动连接，一号机械臂(3-1)的另一端通过机械臂关节(3-2)连接二号机械臂(3-3)的一端，二号机械臂(3-3)的另一端通过执行器关节(3-4)与末端执行器(3-5)连接。

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