CN109911192A - 一种可在垂直墙体栖息和起飞的四旋翼飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种可在垂直墙体栖息和起飞的四旋翼飞行器，其四个旋翼按一正方形的四角端方位分布于机体同一平面内；四旋翼分为矩形的前沿处的两支前沿旋翼和正方形后沿处的两支后沿旋翼；其中正方形的前端前方处设有夹爪；夹爪位于机体外侧且以伺服系统与机体相连；当飞行器以夹爪与竖向墙体相接，且夹爪对伺服系统施加的压力大于阈值时，伺服系统驱动夹爪附着墙体以把飞行器固定于竖向墙体立面处；当飞行器以夹爪固定于竖向墙体立面时，若后沿旋翼动力使机体向上转动至达到可脱离姿态，则所述伺服系统驱动夹爪松开使飞行器可从墙体立面处脱离；本发明可以克服目前能在垂直墙体栖息的飞行器的灵活性和稳定性差，操控繁琐且无法自主重新起飞等缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及无人飞行器技术领域，尤其是一种可在垂直墙体栖息和起飞的四旋翼飞行器。
背景技术
微型飞行器既能在空中悬停，又能快速长距离飞行，因此在军事侦查、搜索和救援等领域的运用越来越广泛。然而，微型飞行器的高能耗限制了它在空中停留的时间。在垂直表面上着陆可以帮助微型飞行器在保持一定高度的同时大大降低其能量消耗，这对于长期侦查和监测非常有利。但是，目前可在垂直墙体栖息的微型飞行器，其灵活性和稳定性较差，操控繁琐，且无法自主实现在垂直墙体栖息后的重新起飞。
发明内容
本发明提出一种可在垂直墙体栖息和起飞的四旋翼飞行器，以克服目前能在垂直墙体栖息的飞行器的灵活性和稳定性差，操控繁琐且无法自主重新起飞等缺陷。
本发明采用以下技术方案。
一种可在垂直墙体栖息和起飞的四旋翼飞行器，所述四旋翼飞行器的四个旋翼（4）按一正方形的四角端方位分布于机体（1）同一平面内；所述四旋翼分为正方形的前沿处的两支前沿旋翼和正方形后沿处的两支后沿旋翼；其中正方形的前端前方处设有夹爪（6）；所述夹爪位于机体外侧且以伺服系统（61）与机体相连；当飞行器以夹爪与竖向墙体相接，且夹爪对伺服系统施加的压力大于阈值时，伺服系统驱动夹爪附着墙体以把飞行器固定于竖向墙体立面处；当飞行器以夹爪固定于竖向墙体立面时，若后沿旋翼动力使机体向上转动至达到可脱离姿态，则所述伺服系统驱动夹爪松开使飞行器可从墙体立面处脱离。
所述矩形为正方形；所述四个旋翼（4）分别由机体的机架（5）处的四根支撑臂（2）支撑，每根支撑臂处均设有电机（3）以驱动支撑臂处的旋翼；各旋翼的旋转平面共面且相邻旋翼的旋转方向相反。
所述机体还包括电源、传感器、摄像头和飞行控制模块。
所述伺服系统包括O形环状的背衬结构（62）；所述背衬结构与机体相连；所述夹爪为带有爪指（63）的夹爪；所述夹爪还包括与爪指相连的夹爪机构。
所述背衬结构处设有与夹爪机构相连的回弹机构；所述回弹机构包括夹爪支撑弹簧；当飞行器飞行时，所述夹爪支撑弹簧使背衬结构垂直于机体；当飞行器与墙壁立面接触使夹爪对伺服系统施加的压力大于阈值时，所述夹爪支撑弹簧被伺服系统受到的压力压缩，夹爪支撑弹簧把所受压力经夹爪机构传至爪指处以驱动爪指附着于墙壁立面处。
当夹爪机构的爪指可靠附着于墙壁立面后，所述飞行控制模块控制各旋翼的动力输出以对飞行器姿态进行调整，使机体以夹爪为俯仰转轴进行俯仰转向以贴附墙壁。
设为四旋翼绕俯仰轴的质量惯性矩，为四旋翼飞行器的质量，为前沿旋翼的拉力；为前沿旋翼的拉力，为相邻两旋翼的中心距，为爪臂的长度，为四旋翼飞行器与水平面的夹角；
则飞行器在俯仰转向时的动力学方程为
公式1；
夹爪和墙壁之间的剪切力和法向力计算公式为；
公式2。
飞行器在俯仰转向的机体向下倾斜阶段时，前沿旋翼关闭使；当时，飞行器姿态调整完成。
当飞行器以夹爪固定于竖向墙体立面时，若后沿旋翼动力使机体向上转动至达到可脱离姿态，则所述夹爪支撑弹簧复位伸展并把机体从墙壁立面处推离，然后飞行控制模块对脱离墙体立面的飞行器进行控制，使之稳定飞行。
所述夹爪为带有三根爪指（63）的夹爪；所述爪指处设有干性粘合垫片。
本发明的飞行器可在光滑的垂直墙面上实现栖息和起飞且操作便捷、成功率高；有利于帮助微型飞行器在保持一定高度的同时大大降低其能量消耗，这对于长期侦查和监测非常有利。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明所述的飞行器整体结构立体示意图；
附图2是夹爪结构示意图；
附图3是飞行器在墙壁立面处悬停过程的示意图；
附图4是飞行器在墙壁立面处悬停过程的姿态控制流程示意图；
附图5是飞行器在墙壁立面处悬停过程的受力及动力分析示意图；
图中：1-机体；2-支撑臂；3-电机；4-旋翼；5-机架；6-夹爪；61-伺服系统；62-背衬结构；63-爪指；64-夹爪机构；100-前沿旋翼；101-支撑弹簧；102-墙体立面；103-后沿旋翼。
具体实施方式
如图1-5所示，一种可在垂直墙体栖息和起飞的四旋翼飞行器，所述四旋翼飞行器的四个旋翼4按一正方形的四角端方位分布于机体1同一平面内；所述四旋翼分为矩形的前沿处的两支前沿旋翼和正方形后沿处的两支后沿旋翼；其中正方形的前端前方处设有夹爪6；所述夹爪位于机体外侧且以伺服系统61与机体相连；当飞行器以夹爪与竖向墙体相接，且夹爪对伺服系统施加的压力大于阈值时，伺服系统驱动夹爪附着墙体以把飞行器固定于竖向墙体立面102处；当飞行器以夹爪固定于竖向墙体立面时，若后沿旋翼动力使机体向上转动至达到可脱离姿态，则所述伺服系统驱动夹爪松开使飞行器可从墙体立面处脱离。
所述矩形为正方形；所述四个旋翼4分别由机体的机架5处的四根支撑臂2支撑，每根支撑臂处均设有电机3以驱动支撑臂处的旋翼；各旋翼的旋转平面共面且相邻旋翼的旋转方向相反。
所述机体还包括电源、传感器、摄像头和飞行控制模块。
所述伺服系统包括O形环状的背衬结构62；所述背衬结构与机体相连；所述夹爪为带有爪指63的夹爪；所述夹爪还包括与爪指相连的夹爪机构64。
所述背衬结构处设有与夹爪机构相连的回弹机构；所述回弹机构包括夹爪支撑弹簧101；当飞行器飞行时，所述夹爪支撑弹簧使背衬结构垂直于机体；当飞行器与墙壁立面接触使夹爪对伺服系统施加的压力大于阈值时，所述夹爪支撑弹簧被伺服系统受到的压力压缩，夹爪支撑弹簧把所受压力经夹爪机构传至爪指处以驱动爪指附着于墙壁立面处。
当夹爪机构的爪指可靠附着于墙壁立面后，所述飞行控制模块控制各旋翼的动力输出以对飞行器姿态进行调整，使机体以夹爪为俯仰转轴进行俯仰转向以贴附墙壁。
设为四旋翼绕俯仰轴的质量惯性矩，为四旋翼飞行器的质量，为前沿旋翼的拉力；为前沿旋翼的拉力，为相邻两旋翼的中心距，为爪臂的长度，为四旋翼飞行器与水平面的夹角；
则飞行器在俯仰转向时的动力学方程为
公式1；
夹爪和墙壁之间的剪切力和法向力计算公式为；
公式2。
飞行器在俯仰转向的机体向下倾斜阶段时，前沿旋翼关闭使；当时，飞行器姿态调整完成。
当飞行器以夹爪固定于竖向墙体立面时，若后沿旋翼动力使机体向上转动至达到可脱离姿态，则所述夹爪支撑弹簧复位伸展并把机体从墙壁立面处推离，然后飞行控制模块对脱离墙体立面的飞行器进行控制，使之稳定飞行。
所述夹爪为带有三根爪指（63）的夹爪；所述爪指处设有干性粘合垫片。
当飞行器停靠于墙体立面的过程中，飞行控制模块以传感器感知飞行器是否触碰墙体立面以及飞行器机体向下旋转的角度。
当飞行器达到可脱离姿态后，机体仍呈向下倾斜的姿态，所有旋翼同时启动以便在弹开墙壁后立刻飞离。
Claims (10)
1.一种可在垂直墙体栖息和起飞的四旋翼飞行器，其特征在于：所述四旋翼飞行器的四个旋翼（4）按一正方形的四角端方位分布于机体（1）同一平面内；所述四旋翼分为正方形的前沿处的两支前沿旋翼和正方形后沿处的两支后沿旋翼；其中正方形的前端前方处设有夹爪（6）；所述夹爪位于机体外侧且以伺服系统（61）与机体相连；当飞行器以夹爪与竖向墙体相接，且夹爪对伺服系统施加的压力大于阈值时，伺服系统驱动夹爪附着墙体以把飞行器固定于竖向墙体立面处；当飞行器以夹爪固定于竖向墙体立面时，若后沿旋翼动力使机体向上转动至达到可脱离姿态，则所述伺服系统驱动夹爪松开使飞行器可从墙体立面处脱离。
2.根据权利要1所述的一种可在垂直墙体栖息和起飞的四旋翼飞行器，其特征在于：所述矩形为正方形；所述四个旋翼（4）分别由机体的机架（5）处的四根支撑臂（2）支撑，每根支撑臂处均设有电机（3）以驱动支撑臂处的旋翼；各旋翼的旋转平面共面且相邻旋翼的旋转方向相反。
3.根据权利要1所述的一种可在垂直墙体栖息和起飞的四旋翼飞行器，其特征在于：所述机体还包括电源、传感器、摄像头和飞行控制模块。
4.根据权利要3所述的一种可在垂直墙体栖息和起飞的四旋翼飞行器，其特征在于：所述伺服系统包括O形环状的背衬结构（62）；所述背衬结构与机体相连；所述夹爪为带有爪指（63）的夹爪；所述夹爪还包括与爪指相连的夹爪机构。
5.根据权利要4所述的一种可在垂直墙体栖息和起飞的四旋翼飞行器，其特征在于：所述背衬结构处设有与夹爪机构相连的回弹机构；所述回弹机构包括夹爪支撑弹簧；当飞行器飞行时，所述夹爪支撑弹簧使背衬结构垂直于机体；当飞行器与墙壁立面接触使夹爪对伺服系统施加的压力大于阈值时，所述夹爪支撑弹簧被伺服系统受到的压力压缩，夹爪支撑弹簧把所受压力经夹爪机构传至爪指处以驱动爪指附着于墙壁立面处。
6.根据权利要5所述的一种可在垂直墙体栖息和起飞的四旋翼飞行器，其特征在于：当夹爪机构的爪指可靠附着于墙壁立面后，所述飞行控制模块控制各旋翼的动力输出以对飞行器姿态进行调整，使机体以夹爪为俯仰转轴进行俯仰转向以贴附墙壁。
7.根据权利要6所述的一种可在垂直墙体栖息和起飞的四旋翼飞行器，其特征在于：设为四旋翼绕俯仰轴的质量惯性矩，为四旋翼飞行器的质量，为前沿旋翼的拉力；为前沿旋翼的拉力，为相邻两旋翼的中心距，为爪臂的长度，为四旋翼飞行器与水平面的夹角；
则飞行器在俯仰转向时的动力学方程为
公式1；
夹爪和墙壁之间的剪切力和法向力计算公式为；
公式2。
8.根据权利要7所述的一种可在垂直墙体栖息和起飞的四旋翼飞行器，其特征在于：飞行器在俯仰转向的机体向下倾斜阶段时，前沿旋翼关闭使；当时，飞行器姿态调整完成。
9.根据权利要5所述的一种可在垂直墙体栖息和起飞的四旋翼飞行器，其特征在于：当飞行器以夹爪固定于竖向墙体立面时，若后沿旋翼动力使机体向上转动至达到可脱离姿态，则所述夹爪支撑弹簧复位伸展并把机体从墙壁立面处推离，然后飞行控制模块对脱离墙体立面的飞行器进行控制，使之稳定飞行。
10.根据权利要5所述的一种可在垂直墙体栖息和起飞的四旋翼飞行器，其特征在于：所述夹爪为带有三根爪指（63）的夹爪；所述爪指处设有干性粘合垫片。
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