CN109515701B - 一种被动防撞减震多旋翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被动防撞减震多旋翼无人机，底板上沿同一圆周均布设置有多个相同结构的机臂，每个机臂结构为：轴承座经螺栓固定在底板上，直线轴承安装在轴承座内，碳杆内端穿过直线轴承可滑动地设置在直线轴承上，碳杆外端固联有电机座，电机安装在电机座上，旋翼安装在电机轴上，弹簧圈套在碳杆上、且抵靠在轴承座与电机座之间。本发明具有以下特点：结构简单、整机重量轻；能有效抵抗碰撞，减震效果好；碰撞后可快速恢复原始状态，使得飞行器飞行更加安全、可靠。

Description

一种被动防撞减震多旋翼无人机

技术领域

本发明涉及旋翼无人机，特别是具有 防撞减震功能的四旋翼以及多翼（六翼、八翼等）无人机。

背景技术

多旋翼无人机，是一种处在迅速发展中的新概念武器装备，其具有机动灵活、反应快速、无人飞行、操作要求低的优点。无人机通过搭载多类传感器，可以实现影像实时传输、高危地区探测功能、是卫星遥感与传统航空遥感的有力补充。目前，无人机的使用范围已经扩宽到军事、科研、民用三大领域，具体在电力、通信、气象、农业、海洋、勘探等领域应用甚广。

正是由于环境的多样性，并需要在不同较为恶劣的环境中飞行，其损坏的可能性非常大，尤其是旋翼部分，若发生碰撞，由于力量较大，很容易造成损坏，一旦损坏形成，就会造成机体不平衡，直接影响多旋翼无人机的飞行性能以及飞行安全。现有的防撞技术分为被动防撞技术和主动防撞技术。主动防撞指的是通过搭载雷达、可见光、声纳等传感器，来探测无人机周围的空间环境，使得无人机能够提前发现障碍物，从而实现避障。有代表性的技术是SLAM建图，通过雷达建立周围区域的二维\三维地图，以及确定无人机在空间中的位置，实现路径规划等任务。而被动防撞技术则指的是直接在多旋翼的机身周围固定刚性的保护罩来保护高速旋转的螺旋桨碰撞到周围的障碍物。

主动防撞技术所面临的限制在于：

（1）主动防撞技术受限于传感器本身的物理误差，不可能做到百分之百的安全检测。

（2）主动防撞所使用的传感器自身重量比较大，减少了无人机所能携带负载的重量，也减少了无人机的续航时间。

（3）主动防撞所使用的传感器价格往往比较高。使得多旋翼无人机的成本难以下降，进而限制了其更加广泛的应用。

同时，现有的被动防撞技术只是将防撞后产生的效果进行转移，并不能直接处理碰撞后的效果即无法调整无人机因为碰撞之后造成的飞行不平衡的问题。

因此，多旋翼无人机需要一种能够抵抗周围一定碰撞的机臂结构，来弥补传感器安全检测的误差，使得旋翼无人机即使在发生一定幅度的碰撞之后仍然能够维持自身的平衡或者安全飞行。

中国专利文献公开了一种“无人机折叠防撞杆及无人机”（CN207106883U）。

无人机折叠防撞杆及无人机包括了内防撞杆和外防撞杆，内防撞杆层叠设置于外防撞杆上；内防撞杆以及外防撞杆的两端分别为防撞端以及固定端；内防撞杆与外防撞杆的固定端层叠设置且可相对水平转动；内防撞杆与外防撞杆的固定端上相对位置有第一限位结构使其固定端相对转动一定角度时固定；外防撞杆的固定端底部连接至无人机机臂上。

该方案具有以下缺点：

1.发生碰撞时只能旋转到相应角度才能固定。发生碰撞时，旋转的角度大小是不确定的，可大可小，因此恰好转到限位的位置概率较低。

2.相对水平旋转过程中造成无人机不平衡。某一处发生碰撞时，造成该处内外防撞杆相对水平转动，而其余位置的防撞杆位置不变化，同时，防撞杆的重量并不低，因此会额外导致无人机飞行时不平衡。

3.对碰撞之后无人机的姿态并未进行调整，只是通过防撞杆将碰撞的效果进行转移，而未能将碰撞后作用在无人机上的效果进行调整。

中国专利文献还公开了一种“一种无人机全面保护防撞装置”（CN207658041U）。

该无人机全面保护防撞装置包括有飞行控制计算机与机架、电机、旋翼。其飞行控制计算机为矩型结构，飞行控制计算机的四个竖边上均设置有机架，机架的端部设置有电机，电机的顶部设置旋翼，而电机的外壳外侧表面中间位置设置保护杆。飞行控制计算机顶部中间位置设置保护杆，保护杆的低端与电机、飞行控制计算机的外壳可拆卸连接。保护杆的顶端外侧面设置有螺纹。保护杆的顶端设置有连接架，连接架为倒T字型结构，连接架的中间侧表面上设置连接螺纹孔，连接螺纹孔与保护杆顶部螺纹连接。

该方案的缺点如下：

1.在原有的无人机架构上增添保护杆和保护线，为无人机飞行增加负担。此技术需要在电机的外壳外侧表面和飞行控制计算机顶部中间位置专门设置保护杆，再在保护杆顶端设置连接架，连接保护线构成保护结构。安装保护装置的时候增加了额外的工序，并且给无人机带来了新的负重。

2.顶部保护十字网在遇到树杈等情况时容易被树枝等细小物体干扰，影响飞行。

3.保护装置的设置较复杂，如各种螺纹的衔接、保护杆的安装和保护线的连接。

4.保护装置只能够减缓碰撞的作用、延长处理碰撞效果的时间，但是并不能调整碰撞之后作用在无人机上的效果，即无法对无人机的姿态进行调整使其平衡。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、碰撞后可快速恢复原始状态的被动防撞减震多旋翼无人机，相比传统多旋翼无人机结构具备更高的安全性与稳定性。

本发明的目的是这样实现的：一种被动防撞减震多旋翼无人机，底板上沿同一圆周均布设置有多个相同结构的机臂，每个机臂结构为：轴承座经螺栓固定在底板上，直线轴承安装在轴承座内，碳杆内端穿过直线轴承可滑动地设置在直线轴承上，外端固联有电机座，电机安装在电机座上，旋翼安装在电机轴上，弹簧圈套在碳杆上、且抵靠在轴承座与电机座之间。

所述机臂为四个；还具有截面为正方形的限位柱，限位柱设置在底板中心位置处，限位柱每边的宽度不小于碳杆直径。

所述每个机臂结构中还有支承座，该支承座固定在底板上，所述碳杆内端从支承座内安装的直线轴承上的孔中穿出，且二者形成滑动配合关系。

所述电机座由一个竖板和固联在竖板上端的水平板组成；还具有保护罩，该保护罩结构为：三根其上有孔洞用于减重的弧形板条下端均固定在电机座的水平板底面上，圈条固联在三根弧形板条上端，从而构成1/4球面形状，其中两根弧形板条垂直于碳杆，另一跟弧形板条沿碳杆同一轴线设置。

还具有顶板，该顶板经螺栓固定在四个轴承座的顶面上。

所述底板和顶板的形状均为相同的正八边形。

所述底板、顶板、限位柱、电机座、轴承座、支承座均采用碳纤维材料制作。

本发明在方案设计方面有以下考虑：

1. 不在无人机原有的架构上增加多余的结构

本发明旨在将机架进行进一步优化，将机臂设置成弹簧，改善其固有结构。

2.本发明采用被动防撞的方式减轻因为碰撞而对无人机造成的损害

弹簧的设置，使得在发生碰撞时不仅可以减轻对无人机整机的影响，同时可通过测试弹簧的形变对碰撞的效果进行转换，将结果发送到无人机控制系统，从而直接对无人机的飞行姿态进行调整。整个过程的调节都不需要人为控制，由无人机控制系统进行闭环控制。

3.防撞结构的设置简单，不会因为防撞装置对无人机的飞行造成额外的损害。

4.无人机的飞行更安全、更稳定。

本发明主要着眼于机架部分的优化问题，利用现有的结构进行改进，不存在增加结构，因此不需要人为的组装和拆卸防撞装置，同时改造后的结构不会影响无人机的飞行状态，也不会因为结构的改变而使飞行额外受到影响。

针对无人机容易撞击损坏，造成损失的问题，以及结合其他技术的缺点，提供一种具备机臂减震功能的新型多旋翼无人机，旨在使其机架通过弹簧的作用可以实现无人机整体防撞功能。

与现有技术相比，本发明技术方案带来的有益效果是：

1.结构简单、整机重量轻

现有的无人机的保护措施是在指定部位增加保护装置进行防撞，但其不仅安装和拆卸较为麻烦，而且由于保护装置有一定的重量，因此会给无人机的飞行带来额外的影响。而本发明旨在无人机原有的结构基础上进行改进，得到一种具有减震功能的机臂及无人机，不仅减少了安装和拆卸的麻烦，也减小了额外影响的可能性。同时，具有整机重量轻的特点。其一，底板、顶板、限位块、电机座以及保护罩均采用碳纤维材料制作，一则减轻重量，二则具有需要的强度；其二，保护罩采用三根弧形板条和一根圈条围合而成，且弧形板条上开有减重孔眼。

2.能有效抵抗碰撞，减震效果好

本发明的防撞装置主要为在碳杆上安装弹簧，于是碳杆可前后移动，从而实现机架长度的可调节化。无人机正常飞行时，装有弹簧的机架与平常机架一样，起到支撑无人机的作用。在发生碰撞时，保护罩最先受到碰撞，因此碰撞的作用直接传递到弹簧，引起弹簧的形变，由于碳杆（即碳纤维材料杆，一是减轻重量，二是强度好）的不可伸缩性，碳杆向后移动至顶板与底板的空隙处，由此减少碰撞的影响。碰撞结束之后，弹簧由于处于压缩状态，因此弹簧伸长到原长长度，并带动碳杆恢复到原长，与其余三个机架长度一致，无人机的姿态调整到平衡飞行状态。此外，通过弹簧的形变情况和无人机的实时姿态情况，通过闭环控制，对无人机的姿态进行实时监控与调整。

3.无人机飞行更安全、更稳定

飞行过程中，无人机遭遇碰撞，被撞机臂向机体内回缩，碰撞力一旦消失，由于弹簧力作用，被撞机臂很短时间恢复到原始位置，与其它未撞机臂的长度相同，随即保持整个机体平衡。

同样能完成本发明目的的别的替代方案有以下几种：

1.机架部分弹簧的添加是本发明的核心。本发明主要利用弹簧的形变来对碰撞产生的影响进行减缓。因此具有弹性的材料和一些具有形变的装置，如气泵、皮筋以及弹性材料等可以替换本发明的弹簧部分。

2.弹簧的形变导致碳杆前后移动。本发明将碳杆通过轴承与轴承座相连，实现在弹簧的形变方向，带动碳杆的前后移动，实现机架长度的可调节，从而实现机架在碰撞时可被动防撞的功能。

3.本发明公开了四旋翼无人机，同样地适用于六旋翼、八旋翼等多旋翼无人机方案。

附图说明

图1是本发明的立体图。

图2是图1拆除顶板后的立体图。

图3是图1所示一个机臂部分的立体图。

具体实施方式

附图中，各编号含义如下：

1、2、3、4 保护罩；5、6、7、8 电机；9、10、11、12弹簧；13 顶板；14 底板；15、16、17、18 轴承座；19、20、21、22 直线轴承；23、24、25、26 碳杆；27、28、29、30支承座；31、32、33、34电机座。

图1、图2示出，一种被动防撞减震多旋翼无人机，底板14上沿同一圆周均布设置有四个相同结构的机臂，每个机臂结构为：轴承座15经螺栓固定在底板14上，直线轴承19安装在轴承座15内，碳杆23内端穿过直线轴承19可滑动地设置在直线轴承19上，碳杆23外端固联有电机座31，电机5安装在电机座31上，旋翼6安装在电机5轴上，弹簧9圈套在碳杆23上、且抵靠在轴承座15与电机座31之间。

还具有截面为正方形的限位柱，限位柱设置在底板中心位置处，限位柱每边的宽度不小于（最好为等于）碳杆直径。限位柱的断面为正方形，正方形边长不小于碳杆直径（图中未画出）。限位柱（图中未示出）的高度小于顶板和底板之间的内空高度。支承座的通孔中安装直线轴承，碳杆（即碳纤维材料杆）可伸缩地架设在支承座（相当于简易的第二直线轴承座）和轴承座上，在结构上更稳定。

参见图3，每个机臂结构中还有支承座27，该支承座27固定在底板14上，所述碳杆23内端从支承座27内安装的直线轴承上的孔中穿出，且二者形成滑动配合关系。

电机座31由一个竖板和固联在竖板上端的水平板组成；还具有保护罩1，该保护罩1结构为：三根其上有孔洞用于减重的弧形板条下端均固定在电机座31的水平板底面上，圈条固联在三根弧形板条上端，从而构成1/4球面形状，其中两根弧形板条垂直于碳杆，另一跟弧形板条沿碳杆同一轴线设置。

还具有顶板13，该顶板13经螺栓固定在四个轴承座15、16、17、18的顶面上。

底板14和顶板13的形状均为相同的正八边形。

底板、顶板、限位柱、电机座、轴承座、支承座均采用碳纤维材料制作。

四根机臂均布安装在底板上。本轴承座的顶部有一块与其底板相同的顶板，该顶板上有四个供安装顶板螺栓孔。保护罩的三根弧形板条的下部也可为一体化设置，再固定在电机座的水平板底面上。

本发明有减震功能机臂的新型多旋翼无人机包括固定顶板与底板、防撞机架、旋翼、电机。固定顶板与底板之间的四个边上设置有轴承座，固定顶板与底板的四个竖边上均设置有机架，机架周围有弹簧，机架通过轴承与轴承座连接，机架的端部设置有电机，电机的顶部设置有旋翼，旋翼的外半周设置有保护罩。

本发明的机架部分为核心部分，也是主要的防撞部分。碳杆24通过直线轴承20与轴承座16连接，碳杆的另一端部设置支承座28。碳杆23可在轴承20的带动下前后移动，实现机架的长度可调节。无人机正常飞行时，装有弹簧的机架与平常机架无异，起着安装电机及旋翼的作用。无人机受到碰撞时，此时旋翼6正常转动，由于碰撞的作用，弹簧10受力发生形变，因此碳杆受弹簧10的力的影响向后缓慢移动至顶板13与底板14（二者之间高度可容纳碳杆活动伸入和缩回）之间的空隙，此时对应机架长度慢慢缩短，以此减缓碰撞的效果，并延长处理碰撞效果的时间。无人机与墙壁或者坚硬物体的碰撞结束之后，弹簧10在自身形变的基础上伸长至原长，由此机架长度恢复至碰撞前的长度，与其余三个机架长度保持一致，无人机飞行姿态调整到之前的状态。

旋翼6的半圆周外侧设置有保护罩2，因此在发生碰撞时，与墙壁等坚硬物体直接接触的不是机体本身，因此不会直接损坏旋翼6，保护罩2不仅起到保护旋翼6的作用，也起到保护无人机全身的作用。

Claims (5)

1.一种被动防撞减震多旋翼无人机，其特征在于，底板（14）上沿同一圆周均布设置有多个相同结构的机臂，每个机臂结构为：轴承座（15）经螺栓固定在底板（14）上，直线轴承（19）安装在轴承座（15）内，碳杆（23）内端穿过直线轴承（19）可滑动地设置在直线轴承（19）上，碳杆（23）外端固联有电机座（31），电机（5）安装在电机座（31）上，旋翼（6）安装在电机（5）轴上，弹簧（9）圈套在碳杆（23）上、且抵靠在轴承座（15）与电机座（31）之间；

所述机臂为四个；还具有截面为正方形的限位柱，限位柱设置在底板中心位置处，限位柱每边的宽度不小于碳杆直径；

所述每个机臂结构中还有支承座（27），该支承座（27）固定在底板（14）上，所述碳杆（23）内端从支承座（27）内安装的直线轴承上的孔中穿出，且二者形成滑动配合关系。

2.根据权利要求1所述的一种被动防撞减震多旋翼无人机，其特征在于，所述电机座（31）由一个竖板和固联在竖板上端的水平板组成；还具有保护罩（1），该保护罩（1）结构为：三根其上有孔洞用于减重的弧形板条下端均固定在电机座（31）的水平板底面上，圈条固联在三根弧形板条上端，从而构成1/4球面形状，其中两根弧形板条垂直于碳杆，另一跟弧形板条沿碳杆同一轴线设置。

3.根据权利要求2所述的一种被动防撞减震多旋翼无人机，其特征在于，还具有顶板（13），该顶板（13）经螺栓固定在四个轴承座（15、16、17、18）的顶面上。

4.根据权利要求3所述的一种被动防撞减震多旋翼无人机，其特征在于，所述底板（14）和顶板（13）的形状均为相同的正八边形。

5.根据权利要求4所述的一种被动防撞减震多旋翼无人机，其特征在于，所述底板、顶板、限位柱、电机座、轴承座、支承座均采用碳纤维材料制作。

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