CN110203386A - 一种新构型全向共轴式无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新构型全向共轴式无人机，它由球形网状外壳、三轴内部转动机构、共轴式无人直升机三部分组成。球形网状外壳位于无人机最外侧，包裹着内部转动机构以及共轴式无人直升机；内部转动机构，由内外环组成，外环通过转动轴承与球形网状外壳连接；共轴式无人直升机通过支撑杆以及转动轴承连接于所述内部转动机构内环，共轴式无人直升机位于球形网状外壳中心。该发明属于无人机结构设计和运动控制技术领域。

Description

一种新构型全向共轴式无人机

技术领域

本发明涉及一种新构型全向共轴式无人直升机，属于无人机结构设计和运动控制技术领域。

背景技术

常规无人直升机航程近、留空时间短，可持续作业能力有限，碰撞易碎落。如何充分利用无人直升机有限的能源，尽可能的扩大其作业范围，一直是一项丞待解决的难题。此外，目前主流无人机大多采用的四轴结构的设计，这种设计最大缺陷就在于其安全性，高速转动的螺旋桨裸露在外，当碰撞障碍物时缺乏有效的防护措施，增加了飞行器起降难度，限制了其在复杂的救援、探测任务中的运用。

当前无人直升机在执行某项飞行任务的控制策略中，全都是任务一开始就起飞，完成任务后再返回并降落。尚未见到有人探索在不需要飞行的阶段利用球形外壳在地面滚动运行，在需要飞行的阶段起飞完成任务。另外，在避障策略中，也是针对飞机本身去考虑，例如在机身加装探测雷达，引入主动避障系统，障碍规避系统是自主飞行小型无人直升机的一个核心系统，它是一种基于机器视觉的障碍规避算法，通过机载摄像头捕捉周围的物理场景并对场景进行建模，从而实现小型无人直升机动态规避障碍物的功能，给出小型无人直升机飞抵目标点的飞行路径。高性能、高可靠性的控制算法可以大幅度提高无人直升机飞行的可靠性，但都没法完全保证无人直升机的飞行安全，对于飞行场合极为苛刻，极大地限制了飞行器的运用场景，且没有很好的节约能量。利用足球形网状外壳的包裹，使无人直升机具备陆空两用性，提升了无人直升机的安全性，扩展了无人机的适用范围，使其可被用于完成艰巨的勘测、救援任务。

发明内容

本发明的目的在于针对无人直升机航程近、常规飞行能耗大以及适用场地有限等缺点，提供了一种新构型全向共轴式无人机，本发明提高无人机的安全性、拓展无人机的适用范围，提供一种陆空两用新构型全向共轴无人直升机，解决极端、复杂的救援、勘测任务中无人机使用限制的问题。

为达到上述目的，本发明的构思是：本发明由球形网状外壳、三轴内部转动机构、共轴式无人直升机三部分组成。球形网状外壳位于无人机最外侧，包裹着内部转动机构以及共轴式无人直升机；内部转动机构，由内外环组成，外环通过转动轴承与球形网状外壳连接；共轴式无人直升机通过支撑杆以及转动轴承连接于所述内部转动机构内环，共轴式无人直升机位于球形网状外壳中心。该发明属于无人机技术领域，特别涉及一种球形无人机。提出了一套全向滚动控制与飞行控制相结合的运动控制策略。

该构思中球形外壳包裹着整个无人直升机，借助于外壳的保护，无人机可以实现地面滚动以替代空中飞行来节约能耗，扩大作业范围，使得无人机可以在狭小复杂的环境下工作，拓展其适用范围，同时还可以避免无人机触物以及机翼伤人。通过机载传感器实时监测障碍物位置，当无人机接近障碍物或地面，即可操控无人直升机的旋翼总距控制输出，适当减速，避免球壳猛烈撞击。该方法在保证无人直升机安全的前提下，节省了燃料的消耗，对当前舰载无人直升机的着舰控制以及复杂环境下的勘测救援无人机的发展具有很好的参考借鉴意义。

技术要点：（1）新构型全向共轴式无人机的运动系统分为四个部分，分别是1、球形外壳，2、三轴内部转动机构，3、共轴式无人直升机，4、机载传感器。我们按照欧美坐标系规定机体坐标系，X轴垂直于支撑杆向前，Y轴沿着支撑杆向右，Z轴由右手定则确定指向下。（2）当新构型直升机需要在地面上沿着X轴正方向滚动的时候，飞行控制器通过操控纵向周期变距，使得旋翼a₁和a₂同时朝着X轴正方向倾斜，共轴直升机产生俯仰力和力矩，该力和力矩通过支撑杆传递到内环上，再通过连接轴承传递到外环上，最终通过连接轴传递到球形外壳上，带动整个球体朝着X轴正方向滚动。同理，Y轴方向的运动也可以由横向周期变距来实现。沿着任意方向的运动则需要同时改变纵向周期变距和横向周期变距来实现。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种新构型全向共轴式无人机，包括：一个球形外壳(1)、三轴式内部转动机构和一个处于中心位置的共轴式无人直升机（5）相连接；其特征在于：所述球形外壳(1)采用足球形网状镂空设计，在保证共轴式直升机（5）的旋翼能够产生升力的前提下，确保了整个系统能够在地面平稳滚动；所述三轴式内部转动机构由外环(2)与内环(3)组成，连接球形外壳(1)与共轴式无人直升机(5)，并将共轴式无人直升机(5)产生的升力及其分力传递到最外层的球形外壳(1)上，是整个全向共轴式无人机动力来源的传导关键；所述共轴式无人直升机(5)由上下两个旋翼以及中间的机身组成，机翼位于机身上下两端，两个旋翼的上机翼a1与下机翼a2呈对称分布，机身内部装载有飞行/滚动控制器、惯性导航系统、动力系统和伺服系统航电设备，从而保证整个全向共轴式无人机能够实现自主空中飞行和地面全向滚动。

所述外环通过一对转动轴承与所述球形外壳的一对共轴顶点相连，该外环可提供所述共轴式无人直升机X1轴的轴向运动。

所述内环与所述外环通过一对X2轴轴向对称的转动轴承相连，所述内环可提供所述共轴式无人直升机X2轴的轴向运动，所述X1轴与所述X2轴垂直相交于球形外壳的球心O。

所述共轴式无人直升机通过支撑杆以及转动轴承与所述内环连接，提供所述共轴式无人直升机X3轴的轴向运动，所述X3轴与所述X2轴垂直相交于球形外壳的球心O。

所述共轴式无人直升机相对于所述球形外壳的球心O呈对称分布，且所述共轴式无人直升机的重心与所述球形外壳的球心O重合。

所述球形外壳由60个Y字形接头与90根曲杆插销式拼接而成，每个Y字形接头上连接三根曲杆，每根曲杆具有相同弧度，且与Y字形接头的插销弧度相同。

所述Y字形接头有两种构型：a型和b型，所述a型Y字形接头共有2个、b型Y字形接头共有58个，2个所述a型Y字形接头位于所述球形外壳两端轴对称位置，用于球壳拼接以及装配所述转动轴承固定所述外环。

所述Y字形接头、曲杆、外环、内环和支撑杆均由轻质复合材料制成。

所述共轴式无人直升机的两个旋翼之间的距离相比常规共轴式无人直升机有了较大的增加，减少了两个旋翼之间气动耦合的影响，在单个旋翼最大升力不变的情况下能够产生更大的滚转或俯仰力矩，更利于整个全向共轴式无人机在地面滚动的时候的能量节约。

所述共轴式无人直升机的对称布局相比于四旋翼或多旋翼球形无人机更加能够充分利用球内的有限空间，通过扩大旋翼直径来产生更大的升力，更利于整个系统在空中飞行的时候增加有效载荷。

所述曲杆表面包裹一层柔性应力传感器，作为判断是否着陆的依据，与飞行控制器直接通信，是飞行控制器是否降低旋翼转速减小升力的信息依据。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

(1)本发明通过足球形网状外壳、三轴内部转动机构以及共轴式无人直升机三部分组成，结构上层次分明，球内的布局更加紧凑，气动效率更高，执行任务时有效载荷更大。本发明与现有球形机器人和无人机相比，具有作业范围广、结构新颖、模式多样、运动平稳、安全可靠等特点，在军事和民用领域具有广阔的应用前景，特别适用于岩洞、管廊、矿井等复杂环境下的探测和救援任务。

(2)本发明所述球形外壳采用足球形网状镂空设计，在保证共轴式直升机旋翼能够产生升力的前提下，确保了整个系统被包裹的完整性，网格均以钝角形式出现，不容易在滚动是被地面异物卡住。使其能够在地面平滑滚动。内环与外环的双层设计，确保了内部共轴式无人机产生的动力能够顺利传导到最外层的球形外壳上，从而保证无人机具有地面全向运动的能力。

(3)本发明设计的足球形网状镂空外壳，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)本发明设计的共轴式无人直升机，其两个旋翼之间的距离相比常规共轴式无人直升机有了较大的增加，在耗能相同的情况下能够产生更大的滚转或俯仰力矩，更利于整个系统在地面滚动时候的能量节约。

(5)本发明所述共轴式无人直升机的对称布局相比于四旋翼或多旋翼球形无人机更加能够充分利用球内的有限空间，通过最大化旋翼直径来产生更大的升力，更利于整个系统在空中飞行的时候增加有效载荷。

(6)本发明可根据曲杆上的应力传感器作为判断是否在地面滚动模式的依据，与飞行控制器直接通信，是飞行控制器在保证飞行器能够实现地面滚动的前提下降低旋翼转速，实现地面滚动时节约能耗的信息依据。

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

图5是机体坐标系示意图

图6是球形网状外壳的整体结构示意图

图7是a型Y字形接头的结构示意图

图8是b型Y字形接头的结构示意图

图9是a型Y字形接头与曲杆拼接的结构示意图

图10是曲杆上面包裹一层柔性应力传感器的剖面示意图

其中：1-球形外壳，2-外环，3-内环，4-支撑杆，5-共轴式无人直升机，6-转动轴承，7-a型Y字形接头，8-b型Y字形接头，9-曲杆，10-应力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

实施例一：

参见图1～图10，本新构型全向共轴式无人机包括：一个球形外壳(1)、三轴式内部转动机构和一个处于中心位置的共轴式无人直升机（5）相连接；其特征在于：所述球形外壳(1)采用足球形网状镂空设计，在保证共轴式直升机（5）的旋翼能够产生升力的前提下，确保了整个系统能够在地面平稳滚动；所述三轴式内部转动机构由外环(2)与内环(3)组成，连接球形外壳(1)与共轴式无人直升机(5)，并将共轴式无人直升机(5)产生的升力及其分力传递到最外层的球形外壳(1)上，是整个全向共轴式无人机动力来源的传导关键；所述共轴式无人直升机(5)由上下两个旋翼以及中间的机身组成，机翼位于机身上下两端，两个旋翼的上机翼a1与下机翼a2呈对称分布，机身内部装载有飞行/滚动控制器、惯性导航系统、动力系统和伺服系统航电设备，从而保证整个全向共轴式无人机能够实现自主空中飞行和地面全向滚动。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述外环(2)通过一对转动轴承(6)与所述球形外壳(1)的一对共轴顶点相连，该外环（2）可提供所述共轴式无人直升机(5)X1轴的轴向运动。

所述内环(3)与所述外环(2)通过一对X2轴轴向对称的转动轴承相连，所述内环(3)可提供所述共轴式无人直升机(5)X2轴的轴向运动，所述X1轴与所述X2轴垂直相交于球形外壳（1）的球心O。

所述共轴式无人直升机(5)通过支撑杆(4)以及转动轴承与所述内环(3)连接，提供所述共轴式无人直升机(5)X3轴的轴向运动，所述X3轴与所述X2轴垂直相交于球形外壳（1）的球心O。

所述共轴式无人直升机(5)相对于所述球形外壳(1)的球心O呈对称分布，且所述共轴式无人直升机(5)的重心与所述球形外壳(1)的球心O重合。

所述球形外壳(1)由60个Y字形接头（7、8）与90根曲杆（9）插销式拼接而成，每个Y字形接头（7、8）上连接三根曲杆（9），每根曲杆（9）具有相同弧度，且与Y字形接头（7、8）的插销弧度相同。

所述Y字形接头（7）（8）有两种构型：a型（7）和b型（8），所述a型Y字形接头（7）共有2个、b型Y字形接头（8）共有58个，2个所述a型Y字形接头（7）位于所述球形外壳(1)两端轴对称位置，用于球壳拼接以及装配所述转动轴承（6）固定所述外环（2）。

所述Y字形接头（7、8）、曲杆（9）、外环(2) 、内环(3)和支撑杆(4)均由轻质复合材料制成。

所述共轴式无人直升机(5)的两个旋翼（a1、a2）之间的距离相比常规共轴式无人直升机有了较大的增加，减少了两个旋翼之间气动耦合的影响，在单个旋翼最大升力不变的情况下能够产生更大的滚转或俯仰力矩，更利于整个全向共轴式无人机在地面滚动的时候的能量节约。

所述共轴式无人直升机(5)的对称布局相比于四旋翼或多旋翼球形无人机更加能够充分利用球内的有限空间，通过扩大旋翼直径来产生更大的升力，更利于整个系统在空中飞行的时候增加有效载荷。

所述曲杆（9）表面包裹一层柔性应力传感器（10），作为判断是否着陆的依据，与飞行控制器直接通信，是飞行控制器是否降低旋翼转速减小升力的信息依据。

实施例三：

参见附图，新构型全向共轴式无人机，包括：球形外壳、三轴式内部转动机构、共轴式无人直升机；其特征在于：所述球形外壳采用足球形网状镂空设计，在保证共轴式直升机旋翼能够产生升力的前提下，确保了整个系统能够在地面全向滚动；所述三轴式内部转动机构由内环与外环组成，连接球形外壳与共轴式无人直升机，并将共轴式无人直升机产生的升力及其分力传递到最外层的球形外壳上，是整个系统动力来源的传导关键；所述共轴式无人直升机由上下两个旋翼以及中间的机身组成，机翼位于机身两侧，机翼a1与机翼a2呈对称分布，机身内部装载有飞行/滚动控制器、惯性导航系统、动力系统、伺服系统等航电设备，是保证整个系统能够实现自主空中飞行和地面滚动的必要条件。

该新构型共轴式陆空两用无人直升机具备三种运动形式，即：地面滚动、墙/坡面爬行、空中飞行。地面滚动模式下，无人机只需提供小于无人机总重的机翼动力，通过改变共轴式无人直升机旋翼倾角，来提供无人机向前滚动的前向分力，通过三轴内部转动机构在保证不影响直升机的滚转与俯仰运动的同时，将升力因滚转与俯仰产生的分力传导到球形外壳上，确保了整个系统的动力来源不被损耗；墙/坡面爬行模式下，通过无人机自身重力、无人机机身倾斜产生的升力以及对墙/坡面压力，使得无人机能够贴近墙/坡面，并通过改变机翼转速及机身倾角就可以改变无人机滚动方向和速度；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。

Claims (11)

1.一种新构型全向共轴式无人机，包括：一个球形外壳(1)、三轴式内部转动机构和一个处于中心位置的共轴式无人直升机（5）相连接；其特征在于：所述球形外壳(1)采用足球形网状镂空设计，在保证共轴式直升机（5）的旋翼能够产生升力的前提下，确保了整个系统能够在地面平稳滚动；所述三轴式内部转动机构由外环(2)与内环(3)组成，连接球形外壳(1)与共轴式无人直升机(5)，并将共轴式无人直升机(5)产生的升力及其分力传递到最外层的球形外壳(1)上，是整个全向共轴式无人机动力来源的传导关键；所述共轴式无人直升机(5)由上下两个旋翼以及中间的机身组成，机翼位于机身上下两端，两个旋翼的上机翼a1与下机翼a2呈对称分布，机身内部装载有飞行/滚动控制器、惯性导航系统、动力系统和伺服系统航电设备，从而保证整个全向共轴式无人机能够实现自主空中飞行和地面全向滚动。

2.根据权利要求1所述的一种新构型全向共轴式无人机，其特征在于：所述外环(2)通过一对转动轴承(6)与所述球形外壳(1)的一对共轴顶点相连，该外环（2）可提供所述共轴式无人直升机(5)X1轴的轴向运动。

3.根据权利要求1所述的一种新构型全向共轴式无人机，其特征在于：所述内环(3)与所述外环(2)通过一对X2轴轴向对称的转动轴承相连，所述内环(3)可提供所述共轴式无人直升机(5)X2轴的轴向运动，所述X1轴与所述X2轴垂直相交于球形外壳（1）的球心O。

4.根据权利要求1所述的一种新构型全向共轴式无人机，其特征在于：所述共轴式无人直升机(5)通过支撑杆(4)以及转动轴承与所述内环(3)连接，提供所述共轴式无人直升机(5)X3轴的轴向运动，所述X3轴与所述X2轴垂直相交于球形外壳（1）的球心O。

5.根据权利要求1所述的一种新构型全向共轴式无人机，其特征在于：所述共轴式无人直升机(5)相对于所述球形外壳(1)的球心O呈对称分布，且所述共轴式无人直升机(5)的重心与所述球形外壳(1)的球心O重合。

6.根据权利要求1所述的一种新构型全向共轴式无人机，其特征在于：所述球形外壳(1)由60个Y字形接头（7、8）与90根曲杆（9）插销式拼接而成，每个Y字形接头（7、8）上连接三根曲杆（9），每根曲杆（9）具有相同弧度，且与Y字形接头（7、8）的插销弧度相同。

7.根据权利要求1所述的一种新构型全向共轴式无人机，其特征在于：所述Y字形接头（7）（8）有两种构型：a型（7）和b型（8），所述a型Y字形接头（7）共有2个、b型Y字形接头（8）共有58个，2个所述a型Y字形接头（7）位于所述球形外壳(1)两端轴对称位置，用于球壳拼接以及装配所述转动轴承（6）固定所述外环（2）。

8.根据权利要求1所述的一种新构型全向共轴式无人机，其特征在于：所述Y字形接头（7、8）、曲杆（9）、外环(2) 、内环(3)和支撑杆(4)均由轻质复合材料制成。

9.根据权利要求1所述的一种新构型全向共轴式无人机，其特征在于：所述共轴式无人直升机(5)的两个旋翼（a1、a2）之间的距离相比常规共轴式无人直升机有了较大的增加，减少了两个旋翼之间气动耦合的影响，在单个旋翼最大升力不变的情况下能够产生更大的滚转或俯仰力矩，更利于整个全向共轴式无人机在地面滚动的时候的能量节约。

10.根据权利要求1所述的一种新构型全向共轴式无人机，其特征在于：所述共轴式无人直升机(5)的对称布局相比于四旋翼或多旋翼球形无人机更加能够充分利用球内的有限空间，通过扩大旋翼直径来产生更大的升力，更利于整个系统在空中飞行的时候增加有效载荷。

11.根据权利要求1所述的一种新构型全向共轴式无人机，其特征在于：所述曲杆（9）表面包裹一层柔性应力传感器（10），作为判断是否着陆的依据，与飞行控制器直接通信，是飞行控制器是否降低旋翼转速减小升力的信息依据。