CN109455293A - 一种具有自稳功能的多旋翼无人机起落架及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有自稳功能的多旋翼无人机起落架及其控制方法，包括连接架，连接架的四个角部固定有第一至第四自稳调节臂，第一至第四自稳调节臂结构完全相同，包括支撑臂，第一舵机，连接臂，第二舵机以及缓冲臂；支撑臂上端固定在连接架上，支撑臂中设置有第一舵机，第一舵机的输出轴与连接臂上端固定连接，连接臂下端与第二舵机的输出轴固定连接，第二舵机设置在缓冲臂中。具有自稳功能的多旋翼无人机起落架，该无人机起落架克服了无人机不能在地形崎岖不平的环境下起飞和降落的缺陷，可作为辅助机构装载到相应体积大小的多旋翼无人机上，从而实现无人机的平稳降落。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，主要涉及一种具有自稳功能的多旋翼无人机起落架及其控制方法。
背景技术
目前国内无人机技术发展迅猛，但无人机在野外执行起降任务时可能会遇到地势复杂、地形崎岖等情况，导致无人机难以平稳起降。现有的无人机起落架形式单一、结构相对固定等缘故，导致其对复杂崎岖地形的适应能力较差，在无人机降落过程中，由于自身重量的影响，着陆时会有较大的冲击力，使得无人机机体在复杂崎岖地形容易倾倒和侧翻，机翼和机体容易受损，不利于无人机安全着陆。
再者，由于无人机在降落时其桨叶转速会逐渐下降，无人机无法依靠旋翼的不同转速来实现最后阶段的平稳降落，而具有自稳功能的多旋翼无人机起落架可以实现无人机在降落的最后阶段保证机身的平衡。
此外，现有的缓冲起落架具有体积较大，不能收缩等特点，使得无人机飞行安全系数降低并且飞行阻力增加，不利于无人机稳定飞行。因此，适用于复杂崎岖地形起降的新型无人机起落架设计就显得尤为重要。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种具有自稳功能的多旋翼无人机起落架及其控制方法，该无人机起落架克服了无人机不能在地形崎岖不平的环境下起飞和降落的缺陷，可作为辅助机构装载到相应体积大小的多旋翼无人机上，从而实现无人机的平稳降落。
为达到上述目的，本发明所述一种具有自稳功能的多旋翼无人机起落架包括连接架，连接架的四个角部固定有第一至第四自稳调节臂，第一至第四自稳调节臂结构完全相同，包括支撑臂，第一舵机，连接臂，第二舵机以及缓冲臂；支撑臂上端固定在连接架上，支撑臂中设置有第一舵机，第一舵机的输出轴与连接臂上端固定连接，连接臂下端与第二舵机的输出轴固定连接，第二舵机设置在缓冲臂上。
进一步的，连接架上固定有通信连接的姿态传感器和信号处理模块，姿态传感器用于采集起落架沿x轴的倾斜角度沿y轴的倾斜角度和沿z轴的加速度az，并将采集到的和az传递至信号处理模块；
信号处理模块和第一舵机、第二舵机通过通信线连接；信号处理模块用于根据接收到的倾斜角度沿y轴的倾斜角度和沿z轴的加速度az进行逻辑运算后输出pwm信号，控制第一舵机和第二舵机的转动。
进一步的，姿态传感器采用mpu6050模块，mpu6050模块内部集成有mems加速度计，mems陀螺仪和数字运动处理器，
mems加速度计用于实时感知重力加速度g在加速度计所在起落架的坐标系的x、y、z三个方向上的分量大小gx,gy,gz；mems陀螺仪用于实时感知陀螺仪沿所在机体坐标系三个方向上的旋转角度θx,θy,θz，数字运动处理器用于运用姿态融合算法由gx,gy,gzθx,θy,θz计算起落架沿x轴的倾斜角度沿y轴的倾斜角度和沿z轴的加速度az。
进一步的，连接架包括相互平行的第一主梁和第二主梁，第一主梁与第二主梁通过相互平行的若干附梁固定连接。
进一步的，第一主梁、第二主梁、第一附梁以及第二附梁均采用圆形截面杆。
进一步的，支撑臂和缓冲臂上均开有用于安装舵机的内嵌式安装槽，第一舵机与第二舵机的主体分别安装并固定在支撑臂和缓冲臂上的内嵌式安装槽中。
进一步的，支撑臂通过套盖固定在连接架上。
进一步的，套盖中开设有用于与连接架过盈配合的通孔，套盖与支撑臂通过紧固件固定连接。
一种具有自稳功能的多旋翼无人机起落架的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、姿态传感器实时感知重力加速度g在加速度计所在机体的坐标系的x、y、z三个方向上的分量大小gx,gy,gz；姿态传感器沿所在机体坐标系三个方向上的旋转角度θx,θy,θz，数字运动处理器dmp由gx,gy,gz和θx,θy,θz计算出起落架沿x轴的倾斜角度沿y轴的倾斜角度和沿z轴的加速度az；
步骤二、姿态传感器将无人机的起落架沿x轴的倾斜角度沿y轴的倾斜角度和沿z轴的加速度az实时传输给信号处理模块，信号处理模块进行逻辑运算后输出pwm信号并传递至第一至第四自稳调节臂上的第一舵机和第二舵机；第一至第四自稳调节臂上的第一舵机和第二舵机根据信号处理模块传来的pwm信号动作。
进一步的，步骤二中：第一至第四自稳调节臂分别为第一自稳调节臂、第二自稳调节臂、第三自稳调节臂和第四自稳调节臂，设第一自稳调节臂和第三自稳调节臂的连线方向为x轴方向，第一自稳调节臂和第二自稳调节臂的连线方向为y轴方向，某时刻起落架沿x轴的倾斜角度为沿y轴的倾斜角度为沿z轴的加速度为az；
当姿态传感器2感知到无人机沿z轴的加速度az≠0：
若则pwm信号驱动第一自稳调节臂、第二自稳调节臂上的第一舵机顺时针旋转，第二舵机逆时针旋转，使第一自稳调节臂和第二自稳调节臂收缩；第三自稳调节臂、第四自稳调节臂上的第一舵机逆时针旋转，第二舵机顺时针旋转，使第三自稳调节臂和第四自稳调节臂伸张，直至
若第一至第四稳调节臂上的第一舵机和第二舵机的转向和当时的第一舵机和第二舵机的转向相反，使第一自稳调节臂、第二自稳调节臂伸张，第三自稳调节臂、第四自稳调节臂收缩，直至
若则pwm信号驱动第二自稳调节臂和第四自稳调节臂上的一舵机顺时针旋转，第二舵机逆时针旋转，第一自稳调节臂和第三自稳调节臂上的第一舵机逆时针旋转，第二舵机顺时针旋转，直至
若则第一至第四稳调节臂上的第一舵机和第二舵机的转向和时，第一舵机和第二舵机的转向相反，使第一自稳调节臂、第三自稳调节臂收缩，第二自稳调节臂、第四自稳调节臂伸张，直至
当az＝0时：第一自稳调节臂、第二自稳调节臂、第三自稳调节臂和第四自稳调节臂12上的第一舵机逆时针旋转，第二舵机逆时针旋转，使第一至第四缓冲臂折叠。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，四条自稳调节臂可伸展或折叠，具有结构简单、可轻松拆卸等特点，可作为辅助机构装载到相应体积大小的多旋翼无人机上，从而实现无人机的平稳降落。
进一步的，第一主梁、第二主梁、第一附梁以及第二附梁均采用圆形截面杆，增强杆件的抗弯能力。
进一步的，支撑臂通过套盖固定在连接架上，套盖中开设有用于与连接架过盈配合的通孔，套盖与支撑臂通过紧固件固定连接，方便拆卸。且该起落架各模块在结构上相对独立，四条自稳调节臂可轻松拆卸或安装，具有互换性强的特点。
进一步的，缓冲臂采用弹性模量小于1Gpa的柔性材料，如PP塑料、聚乳酸PLA等，提高缓冲效果。
附图说明
图1为本发明整体示意图；
图2为连接架结构示意图；
图3为套盖示意图；
图4为是姿态传感器与x、y、z坐标轴相对位置示意图；
图5为单支自稳调节臂的结构示意图；
图6为四个自稳调节臂折叠状态示意图；
附图中：1-连接架、2-姿态传感器、3-信号处理模块、、5-第一主梁、6-第二主梁、7-第一附梁、8-第二附梁、9-第一自稳调节臂、10-第二自稳调节臂、11-第三自稳调节臂、12-第四自稳调节臂、13-套盖、131-第一固定块，132-第二固定块，14-支撑臂、15-第一舵机、16-连接臂、17-第二舵机、18-缓冲臂。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种具有自稳功能的多旋翼无人机起落架具有结构简单、互换性强、可轻松拆卸等特点，可作为辅助机构装载到相应体积大小的多旋翼无人机上，从而实现无人机的平稳降落。如图1所示，该起落架包括连接架1、姿态传感器2、信号处理模块3和第一至第四自稳调节臂。
参照图2，其中，连接架1由四根杆件构成，具体包括第一主梁5、第二主梁6、第一附梁7以及第二附梁8，第一主梁5与第二主梁6平行排布，二者通过两根相互平行的第一附梁7以及第二附梁8相连，两根附梁在两根主梁间均匀分布，且两根附梁与两根主梁垂直，附梁与主梁连接处为焊接，附梁数量可根据所搭载的无人机规格的增大扩展到3或4根，扩展后附梁相对于主梁依然保持均匀分布；为增强杆件的抗弯能力，四杆都采用圆形截面杆。
参照图3，套盖13中设有用于与连接架1过盈配合的通孔，套盖13与支撑臂14通过紧固件固定连接。套盖13包括对接的完全相同的第一固定块131和第二固定块132，第一固定块131和第二固定块132中部分别均设置有第一凹槽和第二凹槽，当第一固定块131和第二固定块132对接在一起时，第一凹槽和第二凹槽形成一个圆柱形通孔，该圆柱形通孔与第一主梁5或第二主梁6的两端过盈配合。
姿态传感器2采用发展比较成熟的mpu6050模块，通过螺栓水平固定于连接架1上。当姿态传感器与起落架相对位置如图4所示安装时，定义x、y、z轴如图4所示。
mpu6050模块内部集成有mems加速度计，mems陀螺仪，数字运动处理器dmp(digital motion processor)，
mems加速度计用于实时感知重力加速度g在加速度计所在机体的坐标系的x、y、z3个方向上的分量大小gx,gy,gz；mems陀螺仪用于实时感知陀螺仪沿所在机体坐标系3个方向上的旋转角度θx,θy,θz，mpu6050模块内部集成的数字运动处理器dmp(digital motionprocessor)用于运用姿态融合算法由gx,gy,gz和θx,θy,θz计算出起落架沿x轴的倾斜角度沿y轴的倾斜角度和沿z轴的加速度az等姿态信息。
mpu6050模块通过主I2C串行通信接口将无人机的起落架沿x轴的倾斜角度沿y轴的倾斜角度和沿z轴的加速度az实时传输给51单片机。
信号处理模块3采用现有的51单片机，通过螺栓水平固定于连接架1上，第一舵机、第二舵机通过通信线与51单片机连接。51单片机用于根据接收到的倾斜角度沿y轴的倾斜角度和沿z轴的加速度az进行逻辑运算后输出pwm信号，控制第一舵机和第二舵机的转动。
自稳调节臂结构完全相同、对称分布于连接架1下方。如图5所示，其中单个自稳调节臂由套盖13、支撑臂14，第一舵机15，连接臂16，第二舵机17以及缓冲臂18组成。其中，套盖13通过螺柱螺母紧固于在主梁上，支撑臂14上端与套盖13下端固定连接，支撑臂14和缓冲臂18上部都开有用于安装舵机的内嵌式安装槽，第一舵机15与第二舵机17的主体分别安装并固定在支撑臂和缓冲臂上的内嵌式安装槽中，第一舵机15的输出轴与连接臂16上端固定连接，连接臂16下端与第二舵机17的输出轴固定连接，第一舵机15与第二舵机17将支撑臂14、连接臂16和缓冲臂18自上而下依次相连。缓冲臂18为翼形。
一种具有自稳功能的多旋翼无人机起落架的控制方法，包括以下步骤：
首先，姿态传感器2(即mpu6050模块)内部集成的mems加速度计可以实时感知重力加速度g在加速度计所在机体的坐标系的x、y、z 3个方向上的分量大小gx,gy,gz；mpu6050模块内部集成的mems陀螺仪可以实时感知陀螺仪沿所在机体坐标系3个方向上的旋转角度θx,θy,θz，然后mpu6050模块内部集成的数字运动处理器dmp(digital motion processor)可以运用姿态融合算法由gx,gy,gz和θx,θy,θz可以计算出起落架沿x轴的倾斜角度沿y轴的倾斜角度和沿z轴的加速度az等姿态信息。
mpu6050模块通过主I2C串行通信接口将无人机的起落架沿x轴的倾斜角度沿y轴的倾斜角度和沿z轴的加速度az等姿态信息实时传输给51单片机，51单片机进行逻辑运算后输出pwm信号。
由舵机对信号处理模块传来的pwm信号进行执行，舵机的转动会改变支持臂、连接臂和缓冲臂三者的相对位置关系，从而改变单个自稳缓冲臂的垂直高度，四支自稳缓冲臂共同作用从而改变整个无人机的下落姿态。此外，缓冲臂为弧形结构，该弧形结构能够在无人机下落的时候起到一定的缓冲作用降低垂直冲击力对无人机的损害，确保在无人机下落的时候可以平稳着陆。
为说明信号处理模块的3运算逻辑，若姿态传感器2与连接架1的相对位置如图3所示，姿态传感器2通过螺栓水平固定于连接架上，其相邻两边分别平行与第一主梁5和第一附梁7。定义四支自稳调节臂分别为第一自稳调节臂9、第二自稳调节臂10、第三自稳调节臂11、第四自稳调节臂12，某时刻起落架1沿x轴的倾斜角度为沿y轴的倾斜角度为沿z轴的加速度为az。
当姿态传感器2感知到无人机沿z轴的加速度az≠0，即无人机处于降落或上升过程时：
若即无人机向前倾斜，第一自稳调节臂9和第二自稳调节臂10一侧偏高，则第一自稳调节臂9、第二自稳调节臂10做收缩动作(即第一自稳调节臂9、第二自稳调节臂10上的第一舵机15顺时针旋转，第二舵机17逆时针旋转)，第三自稳调节臂11、第四自稳调节臂12做伸张动作(即第一舵机逆时针旋转，第二舵机顺时针旋转)，直至姿态传感器感知到
若即无人机向后倾斜，第三自稳调节臂11和第四自稳调节臂12一侧偏高，则第一自稳调节臂9、第二自稳调节臂10做伸张动作，第三自稳调节臂11、第四自稳调节臂12做收缩动作，直至姿态传感器感知到
若即无人机向左倾斜，第二自稳调节臂10、第四自稳调节臂12一侧偏高，则第二自稳调节臂10、第四自稳调节臂12做收缩动作，第一自稳调节臂9、第三自稳调节臂11做伸张动作，直至姿态传感器感知到
若即无人机向右倾斜，第一自稳调节臂9、第三自稳调节臂11一侧偏高，则第一自稳调节臂9、第三自稳调节臂11做收缩动作，第二自稳调节臂10、第四自稳调节臂12做伸张动作，直至姿态传感器感知到
当姿态传感器感知到az＝0,即无人机处于水平飞行时，第一自稳调节臂9、第二自稳调节臂10、第三自稳调节臂11、第四自稳调节臂12做折叠动作(即第一舵机逆时针旋转，第二舵机逆时针旋转)至缓冲臂呈竖直状态，如图6所示，第一自稳调节臂9、第二自稳调节臂10、第三自稳调节臂11、第四自稳调节臂12构成旋翼防护罩，起到对旋翼的保护作用，同时减少无人机整体的空间体积。
Claims (10)
1.一种具有自稳功能的多旋翼无人机起落架，其特征在于，包括连接架(1)，连接架(1)的四个角部固定有第一至第四自稳调节臂，第一至第四自稳调节臂结构完全相同，包括支撑臂(14)，第一舵机(15)，连接臂(16)，第二舵机(17)以及缓冲臂(18)；支撑臂(14)上端固定在连接架(1)上，支撑臂(14)中设置有第一舵机(15)，第一舵机(15)的输出轴与连接臂(16)上端固定连接，连接臂(16)下端与第二舵机(17)的输出轴固定连接，第二舵机(17)设置在缓冲臂(18)上。
2.根据权利要求1所述的一种具有自稳功能的多旋翼无人机起落架，其特征在于，连接架(1)上固定有通信连接的姿态传感器(2)和信号处理模块(3)，姿态传感器(2)用于采集起落架沿x轴的倾斜角度沿y轴的倾斜角度和沿z轴的加速度az，并将采集到的 和az传递至信号处理模块(3)；
信号处理模块(3)和第一舵机、第二舵机通过通信线连接；信号处理模块(3)用于根据接收到的倾斜角度沿y轴的倾斜角度和沿z轴的加速度az进行逻辑运算后输出pwm信号，控制第一舵机和第二舵机的转动。
3.根据权利要求2所述的一种具有自稳功能的多旋翼无人机起落架，其特征在于，姿态传感器(2)采用mpu6050模块，mpu6050模块内部集成有mems加速度计，mems陀螺仪和数字运动处理器，
mems加速度计用于实时感知重力加速度g在加速度计所在起落架的坐标系的x、y、z三个方向上的分量大小gx,gy,gz；mems陀螺仪用于实时感知陀螺仪沿所在机体坐标系三个方向上的旋转角度θx,θy,θz，数字运动处理器用于运用姿态融合算法由gx,gy,gzθx,θy,θz计算起落架沿x轴的倾斜角度沿y轴的倾斜角度和沿z轴的加速度az。
4.根据权利要求1所述的一种具有自稳功能的多旋翼无人机起落架，其特征在于，连接架(1)包括相互平行的第一主梁(5)和第二主梁(6)，第一主梁(5)与第二主梁(6)通过相互平行的若干附梁固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种具有自稳功能的多旋翼无人机起落架，其特征在于，第一主梁(5)、第二主梁(6)、第一附梁(7)以及第二附梁(8)均采用圆形截面杆。
6.根据权利要求1所述的一种具有自稳功能的多旋翼无人机起落架，其特征在于，支撑臂(14)和缓冲臂(18)上均开有用于安装舵机的内嵌式安装槽，第一舵机(15)与第二舵机(17)的主体分别安装并固定在支撑臂和缓冲臂上的内嵌式安装槽中。
7.根据权利要求1所述的一种具有自稳功能的多旋翼无人机起落架，其特征在于，支撑臂(14)通过套盖(13)固定在连接架(1)上。
8.根据权利要求7所述的一种具有自稳功能的多旋翼无人机起落架，其特征在于，套盖(13)中开设有用于与连接架(1)过盈配合的通孔，套盖(13)与支撑臂(14)通过紧固件固定连接。
9.一种如权利要求2所述的具有自稳功能的多旋翼无人机起落架的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、姿态传感器(2)实时感知重力加速度g在加速度计所在机体的坐标系的x、y、z三个方向上的分量大小gx,gy,gz；姿态传感器(2)沿所在机体坐标系三个方向上的旋转角度θx,θy,θz，数字运动处理器dmp由gx,gy,gz和θx,θy,θz计算出起落架沿x轴的倾斜角度沿y轴的倾斜角度和沿z轴的加速度az；
步骤二、姿态传感器(2)将无人机的起落架沿x轴的倾斜角度沿y轴的倾斜角度和沿z轴的加速度az实时传输给信号处理模块(3)，信号处理模块(3)进行逻辑运算后输出pwm信号并传递至第一至第四自稳调节臂上的第一舵机(15)和第二舵机(17)；第一至第四自稳调节臂上的第一舵机(15)和第二舵机(17)根据信号处理模块(3)传来的pwm信号动作。
10.根据权利要求9所述的具有自稳功能的多旋翼无人机起落架的控制方法，其特征在于，
步骤二中：第一至第四自稳调节臂分别为第一自稳调节臂(9)、第二自稳调节臂(10)、第三自稳调节臂(11)和第四自稳调节臂(12)，设第一自稳调节臂(9)和第三自稳调节臂(11)的连线方向为x轴方向，第一自稳调节臂(9)和第二自稳调节臂(10)的连线方向为y轴方向，某时刻起落架1沿x轴的倾斜角度为沿y轴的倾斜角度为沿z轴的加速度为az；
当姿态传感器(2)感知到无人机沿z轴的加速度az≠0：
若则pwm信号驱动第一自稳调节臂(9)、第二自稳调节臂(10)上的第一舵机(15)顺时针旋转，第二舵机(17)逆时针旋转，使第一自稳调节臂(9)和第二自稳调节臂(10)收缩；第三自稳调节臂(11)、第四自稳调节臂(12)上的第一舵机(15)逆时针旋转，第二舵机(17)顺时针旋转，使第三自稳调节臂(11)和第四自稳调节臂(12)伸张，直至
若第一至第四稳调节臂上的第一舵机(15)和第二舵机(17)的转向和当时的第一舵机(15)和第二舵机(17)的转向相反，使第一自稳调节臂(9)、第二自稳调节臂(10)伸张，第三自稳调节臂(11)、第四自稳调节臂(12)收缩，直至
若则pwm信号驱动第二自稳调节臂(10)和第四自稳调节臂(12)上的一舵机15顺时针旋转，第二舵机(17)逆时针旋转，第一自稳调节臂(9)和第三自稳调节臂(11)上的第一舵机(15)逆时针旋转，第二舵机(17)顺时针旋转，直至
若则第一至第四稳调节臂上的第一舵机(15)和第二舵机(17)的转向和时，第一舵机(15)和第二舵机(17)的转向相反，使第一自稳调节臂(9)、第三自稳调节臂(11)收缩，第二自稳调节臂(10)、第四自稳调节臂(12)伸张，直至
当az＝0时：第一自稳调节臂(9)、第二自稳调节臂(10)、第三自稳调节臂(11)和第四自稳调节臂(12)上的第一舵机(15)逆时针旋转，第二舵机(17)逆时针旋转，使第一至第四缓冲臂折叠。
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