CN109159894A - 一种陆空两栖球形无人机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机技术领域，特别涉及一种球形无人机。一种陆空两栖球形无人机，包括：内部的旋翼式无人机以及外部的球形机架；球形机架包括：内环、外环以及保护环；内环与外环相互垂直交叉，嵌套构成一组平衡环架，两只保护环与外环粘接，相邻环与环之间的夹角为60°；旋翼式无人机通过支撑杆以及连接轴承安装在内环内部，旋翼式无人机位于球形机架的中心位置，旋翼式无人机的重心配置在球形机架的中心轴线上，且位于旋翼式无人机桨盘平面下方。本发明采用“1球+1环+1杆”的结构，结构上更加简单灵活，质量大大减轻，执行任务时可保证拍照和运动更加灵活。

Description

一种陆空两栖球形无人机

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，特别涉及一种球形无人机。

背景技术

球形无人机是一种新型的无人驾驶飞行器，具有以任意姿态垂直起降、地面滚动行走、墙面攀爬、空中定点悬停和高机动飞行等功能，能够有效地抵抗外界不利环境、坠落和碰撞等的影响，因此，球形无人机不仅具有运动模式的多样性和灵活性，而且在工业、国防和农业等领域有着广泛的应用前景。

球形无人机因其具有独特的构型和灵活的运动模式，受到了国内外专家学者的关注。球形无人机的概念来源于2011年日本防卫省技术研究所先进技术推进中心的一项发明。该中心研制了一款黑色的球形无人机，可以在街巷里自由穿梭、定点悬停、垂直起飞和降落以及连续触地反弹。该飞机重量为350g，球壳直径为42cm，飞行时间约8分钟。

此后，佐治亚理工大学研制了一款名为“Hopping Rotochute”的球形无人机，通过驱动螺旋桨和改变桨盘倾斜度来实现空中全方位运动。2016年，瑞士无人机制造商Flyability在美国AUVSI Xponential无人机系统展上推出了Elios可碰撞无人机，其原型机Gimball球形无人机曾在Drones For Good大赛上夺得头筹。

与传统无人机不同，球形无人机具有以下特点和优势：(1)球形无人机外观呈球形，所有内部装置都置于球形保护壳中，可以防止碰撞或者滚动时对内部装置的破坏，并可实现任意姿态起飞和着陆；(2)球形无人机通过螺旋桨提供升力和滚动推力，具有飞行、滚动和攀爬多种运动模式；(3)球形无人机呈轴对称或者中心对称结构，内部结构紧凑，所占存放空间较小。目前，球形无人机的设计和研究还处在起步阶段。

发明内容

本发明的目的是：为扩展球形无人机的应用领域和工作范围，提供一种陆空两栖球形无人机，主要可用于特殊环境下的侦察、监视和检测。

本发明的技术方案是：一种陆空两栖球形无人机，它包括：内部的旋翼式无人机以及外部的球形机架；

球形机架包括：内环、外环以及保护环；内环与外环相互垂直交叉，嵌套构成一组平衡环架，内环与外环分别提供两个正交垂直方向的绕轴旋转；保护环的数量有两只，两只保护环与外环粘接，相邻环与环之间的夹角为60°；

旋翼式无人机通过支撑杆以及连接轴承安装在内环内部，旋翼式无人机位于球形机架的中心位置，旋翼式无人机的重心配置在球形机架的中心轴线上，且位于旋翼式无人机桨盘平面下方。

上述方案中的球形机架支撑起整个飞行器，并将内部的旋翼式无人机与外部环境相隔绝，一方面防止螺旋桨叶片伤害人类，另一方面避免碰撞在障碍物上时损坏无人机，实现对人类和无人机的双重保护。球形机架中的内环、外环组成平衡环架，可以保证飞行器任意姿态着陆后，无人机在重力的作用下自主调整姿态，从而保证以任意姿态再次起飞。为了实现球形无人机在重力作用下自主调整姿态，在安装和装配上述装置时，需要将无人机重心配置在中心轴线上，且重心位于桨盘平面的下方。此外，球形机架可以保证无人机在地面上全向滚动和墙面攀爬，通过搭载摄像机可用于侦察、监视和狭小空间检测。

本发明具有三种运动模式：空中自由飞行、地面滚动行走和墙面坡面攀爬。

空中自由飞行模式为基本运动模式，通过旋翼式无人机的电机提供动力，根据四个电机转速的不同实现多种飞行动作。空中自由飞行模式还可分为任意姿态垂直起飞和降落、空中定点悬停和障碍物依靠悬停、空中平飞等，其控制方法与普通无人机相同。

地面滚动行走模式由球形机架与内部旋翼式无人机配合实现，旋翼式无人机提供运动的动力，通过球形机架上各环之间的旋转运动组合，实现地面滚动行走。

墙面坡面攀爬模式同样由球形机架与内部旋翼式无人机配合实现，旋翼式无人机提供运动的动力，球形机架紧贴墙面坡面完成攀爬。

有益效果：

(1)本发明通过保护环与外环组成球形保护壳，并通过内环与外环组成平衡环架，组成“1球+1环+1杆”的结构，结构上更加简单灵活，质量大大减轻，执行任务时可保证拍照和运动更加灵活。本发明与现有球形机器人和无人机相比，具有结构新颖、简单灵巧、运动灵活等特点，在军事和民用领域具有广阔的应用前景。

(2)本发明通过内环与外环的自由旋转，内部旋翼式无人机在重力作用下可自主调整姿态，从而保证无人机具有任意姿态起降的性能，大大降低无人机对起飞和着陆环境的要求，解决了智能无人集群背景下群射和回收无人机的难题，实现了对全地形环境的自适应。

(3)本发明设计的球形机架，一方面隔绝了螺旋桨叶片与人类、障碍物等的接触，实现了对人类和无人机的双重保护，另一方面实现了飞行器在螺旋桨推力作用下的地面全向滚动和墙面攀爬，扩展了球形飞行器的应用领域和工作范围。

(4)本发明可根据不同任务搭载不同载荷，用以实现对地观测、目标跟踪、侦察监视，以及复杂狭小空间探测和救援等。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1的主视图；

图3是图1的俯视图；

图4是图1的左视图；

其中：1-旋翼式无人机，2-固定件，3-支撑杆，4-连接轴承A，5-内环，6-外环，7-保护环。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

参见附图1-4，一种陆空两栖球形无人机，它包括：内部的旋翼式无人机1以及外部的球形机架；

球形机架包括：内环5、外环6以及保护环7；内环5与外环6相互垂直交叉，嵌套构成一组平衡环架，其结构类似于二自由度机械式陀螺仪，内环5与外环6可以分别提供一个自由度的绕轴旋转，其组合可提供两个正交垂直方向的绕轴旋转；具体的，本例中，内环5与外环6之间通过连接轴承B以及连杆相连接，从而实现自动调整姿态、实现平衡；保护环7的数量有两只，两只保护环7与外环6粘接，相邻环与环之间的夹角为60°；具体的，本例中，内环5、外环6以及保护环7均采用碳纤维材料；

本例中的旋翼式无人机1包括：X型机架(轴距约95mm)、电机、电调、控制电路板；X型机架上搭载有任务载荷，如摄像头、图像传输设备等；进一步的，旋翼式无人机1两侧设有固定件2，旋翼式无人机1通过固定件2与支撑杆3固定连接，支撑杆3与X型机架呈“*”形布局；支撑杆3的两端通过连接轴承A4安装在内环5内，可提供一个自由度绕轴方向的旋转；为保证无人机能够实时自动调整水平姿态并稳定飞行，旋翼式无人机1位于球形机架的中心位置，旋翼式无人机1的重心配置在球形机架的中心轴线上，且位于旋翼式无人机1桨盘平面下方。

本发明具有三种运动模式：空中自由飞行、地面滚动行走和墙面坡面攀爬。

空中自由飞行模式为基本运动模式，通过旋翼式无人机的电机提供动力，根据四个电机转速的不同实现多种飞行动作。空中自由飞行模式还可分为任意姿态垂直起飞和降落、空中定点悬停和障碍物依靠悬停、空中平飞等，其控制方法与普通无人机相同。

地面滚动行走模式由球形机架与内部旋翼式无人机配合实现，旋翼式无人机提供运动的动力，通过球形机架上各环之间的旋转运动组合，实现地面滚动行走。

墙面坡面攀爬模式同样由球形机架与内部旋翼式无人机配合实现，旋翼式无人机提供运动的动力，球形机架紧贴墙面坡面完成攀爬。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，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 (5)

1.一种陆空两栖球形无人机，包括：内部的旋翼式无人机(1)以及外部的球形机架；其特征在于：

所述球形机架包括：内环(5)、外环(6)以及保护环(7)；所述内环(5)与所述外环(6)相互垂直交叉，嵌套构成一组平衡环架，所述内环(5)与所述外环(6)分别提供两个正交垂直方向的绕轴旋转；所述保护环(7)的数量有两只，两只所述保护环(7)与所述外环(6)粘接，相邻环与环之间的夹角为60°；

所述旋翼式无人机(1)通过支撑杆(3)以及连接轴承A(4)安装在所述内环(5)内部，所述旋翼式无人机(1)位于所述球形机架的中心位置，所述旋翼式无人机(1)的重心配置在所述球形机架的中心轴线上，且位于所述旋翼式无人机(1)桨盘平面下方。

2.如权利要求1所述的一种陆空两栖球形无人机，其特征在于：所述内环(5)与所述外环(6)之间通过连接轴承B以及连杆相连接。

3.如权利要求1或2所述的一种陆空两栖球形无人机，其特征在于：在所述旋翼式无人机(1)的X型机架上搭载任务载荷。

4.如权利要求1或2所述的一种陆空两栖球形无人机，其特征在于：所述内环(5)、所述外环(6)以及所述保护环(7)均采用碳纤维材料。

5.如权利要求1或2所述的一种陆空两栖球形无人机，其特征在于：所述旋翼式无人机(1)两侧设有固定件(2)，所述旋翼式无人机(1)通过所述固定件(2)与所述支撑杆(3)连接。