CN110466746A - 基于静电吸附的四轴飞行器垂直壁面快速起降系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于静电吸附的四轴飞行器垂直壁面快速起降系统及方法，该系统包括安装在飞行器上的高压静电发生器、两组弹性足仿生结构以及与其连接的静电吸附电极。高压静电发生器产生高压给所述静电吸附电极荷电，为飞行器在壁面降落时提供吸附力，通过模仿昆虫的弹性腿部所设计的弹性足仿生结构将飞行器降落碰撞时的动力势能转换为弹性势能从而起到缓冲作用，避免飞行器直接撞到壁面上造成损坏，同时利用飞行器自身的惯性姿态传感器实时检测其降落碰撞过程中的线加速度和角速度来触发相应的降落策略，使其快速平稳地降落在壁面上；当飞行器需要在壁面上起飞时，停止所述高压静电发生器从而消除所述静电吸附电极对壁面的吸附力并实现起飞。

Description

基于静电吸附的四轴飞行器垂直壁面快速起降系统及方法

技术领域

本发明涉及飞行器起降技术领域，尤其涉及基于静电吸附的四轴飞行器垂直壁面快速起降系统及方法。

背景技术

无人机出色的机动性使得它在越来越广泛的领域得到应用，但高功耗导致无人机存在续航能力不足，飞行距离受限等缺陷，使其在应对要求距离较远或者持续时间较长的任务时会有些无能为力，比如需要长时间悬停监控救援地震灾后现场或者监控路口的交通流量，这已经成为了无人机发展的瓶颈。另一方面随着社会的不断发展，平面空间越来越宝贵，而传统的起降方式是无人机在平面空间上起降，这样一方面占用地面空间，另一方面无人机停靠在地面上容易被踩踏或者碾压，造成无人机的损坏。

目前壁面降落是改善无人机续航能力不足的有效方法，一方面无人机在壁面降落代替空中悬停可以提高无人机的续航能力；另一方面生活中有大量的建筑壁面可以利用，无人机在壁面上降落可以节约地面空间，同时避免了无人机停靠在地面上被踩踏或者碾压造成损坏，提高起降效率。

从当前的研究进展来看，四轴飞行器在壁面上降落的方法有：利用微刺、真空吸盘、粘垫等等结合设计巧妙的降落机构来实现在各种壁面上起降。但是当前的研究具有一些的局限性，比如这些研究有的需要手动遥控无人机在壁面上进行降落，这往往需要操作者花长时间去训练达到很高的操作水平，无疑会增大降落的失败率；有的需要在降落过程中对降落机构实现精确控制，比如借助外部传感器来实时获取飞行器的位置信息对降落机构实现精确控制，然而在降落速度比较快的时候，这会增大降落的难度。

发明内容

本发明为解决现有四轴飞行器在壁面上降落的方法无法实现其快速平稳降落的问题，提供了基于静电吸附的四轴飞行器垂直壁面快速起降系统及方法。

为实现以上发明目的，而采用的技术手段是：

基于静电吸附的四轴飞行器垂直壁面快速起降系统，包括四轴飞行器，还包括分别设置在所述四轴飞行器相邻两轴上的两组弹性足仿生结构，所述弹性足仿生结构的一端安装在所述四轴飞行器的电机机身上，所述弹性足仿生结构的一端伸出所述四轴飞行器外且连接有一静电吸附电极，所述四轴飞行器上还安装有高压静电发生器，用于产生高压给所述静电吸附电极荷电。

上述方案中，通过高压静电发生器产生高压给所述静电吸附电极荷电，为飞行器在壁面降落时提供吸附力，通过模仿昆虫的弹性腿部所设计的弹性足仿生结构将飞行器降落碰撞时的动力势能转换为弹性势能从而起到缓冲作用，避免飞行器直接撞到壁面上造成损坏，使其平稳地降落在壁面上；当飞行器需要在壁面上起飞时，停止所述高压静电发生器从而消除所述静电吸附电极对壁面的吸附力并实现起飞。

优选的，所述弹性足仿生结构包括柔性杆和弹性足支架，所述弹性足支架呈开口向上的拱形状，所述弹性足支架的一端设有圆环，所述弹性足支架的另一端开设插槽，所述弹性足支架的中部固设有一开口向下的拱形缓冲件，所述柔性杆插入所述插槽与所述弹性足支架的另一端连接，所述弹性足支架的一端通过所述圆环安装在所述四轴飞行器的电机机身上。在本优选方案中，用柔性杆模仿昆虫柔韧的触须，其合适的柔韧性使得飞行器可以轻松应对壁面，弹性足支架的拱形缓冲件进一步增强缓冲作用，避免飞行器直接撞到壁面上造成损坏，使其平稳地降落在壁面上。

优选的，所述拱形缓冲件的大小小于所述弹性足支架且所述拱形缓冲件的拱形部正对所述弹性足仿生结构的拱形部。

优选的，所述静电吸附电极为梳状静电吸附电极。在本优选方案中，采用梳状静电吸附电极进行吸附，具有质量轻便，壁面适应能力强的优点，在相同条件下具有更好的吸附效果。

优选的，所述柔性杆为塑料材质的柔性杆。

优选的，所述弹性足支架为ABS树脂材质的弹性足支架。在本优选方案中，可采用ABS树脂进行3D打印制作该弹性足支架。

本发明还提供了基于上述四轴飞行器垂直壁面快速起降系统的快速起降方法，所述四轴飞行器的降落过程为：

所述高压静电发生器产生高压给所述静电吸附电极荷电；

当四轴飞行器以初始速度v₀降落并碰撞壁面时，所述静电吸附电极接触并吸附在壁面上；直至所述弹性足支架碰撞到壁面瞬间在其水平前进方向产生反向加速度，触发所述四轴飞行器自身的螺旋桨关闭推力；

同时初始速度v₀沿四轴飞行器机身方向的分速度使得所述弹性足支架不断被压缩并产生弹性势能，初始速度v₀沿四轴飞行器机身垂直方向的分速度使得所述四轴飞行器绕所述弹性足支架的另一端旋转；

根据预设的降落策略使得所述四轴飞行器自身的惯性姿态传感器实时检测绕弹性足支架另一端旋转方向上的角速度大小，并根据所述角速度大小触发螺旋桨执行相应的动作，从而减小四轴飞行器弹离壁面时对壁面产生的拉力；

所述四轴飞行器弹离壁面时在所述柔性杆的牵引下作双摆运动，即所述四轴飞行器上摆至最高处后进行下摆，下摆过程中根据预设的降落策略使得所述惯性姿态传感器实时检测所述四轴飞行器下摆的角速度大小，并根据所述角速度大小触发螺旋桨开启推力或关闭推力，通过减小所述角速度大小从而减小四轴飞行器弹离壁面时对壁面产生的拉力，直至所述四轴飞行器平稳地降落在壁面上；

所述四轴飞行器的起飞过程为：

当所述四轴飞行器需要从壁面上起飞时，停止所述高压静电发生器从而消除所述静电吸附电极对壁面的吸附力并实现起飞。

优选的，所述四轴飞行器的降落过程预设的降落策略具体为：

当四轴飞行器降落并碰撞壁面时的初始速度v₀＜v_a时，初始速度v₀沿四轴飞行器机身垂直方向的分速度使得所述四轴飞行器绕所述弹性足支架的另一端进行旋转的角速度w＜w_a，所述弹性足支架的弹性势能开始释放并弹离壁面时对所述壁面的拉力在所述静电吸附电极的吸附能力范围内，不触发开启螺旋桨推力；

当四轴飞行器降落并碰撞壁面时的初始速度v_a＜v₀＜v_b时，初始速度v₀沿四轴飞行器机身垂直方向的分速度使得所述四轴飞行器绕所述弹性足支架的另一端进行旋转的角速度w_a＜w＜w_b，所述弹性足支架的弹性势能开始释放并弹离壁面时对所述壁面的拉力超出所述静电吸附电极的吸附能力范围，开启螺旋桨推力从而增大绕所述弹性足支架另一端的旋转扭矩；

当四轴飞行器降落并碰撞壁面时的初始速度v₀＞v_b时，初始速度v₀沿四轴飞行器机身垂直方向的分速度使得所述四轴飞行器绕所述弹性足支架的另一端进行旋转时完全倾翻于壁面上，即角速度w＞w_b，当所述弹性足支架的弹性势能开始释放时，开启螺旋桨的最大推力从而压制所述弹性足支架的反弹力。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明通过弹性足仿生机构和静电吸附机构的配合，为飞行器在壁面降落时提供较强的吸附力，同时将飞行器降落碰撞时的动力势能转换为弹性势能从而起到缓冲作用，避免飞行器直接撞到壁面上造成损坏，使其平稳地降落在壁面上；另外本发明方法还利用飞行器自身的惯性姿态传感器实时检测其降落飞行碰撞过程中的线加速度和角速度，从而触发相应的降落策略使得飞行器快速平稳降落。本发明解决了飞行器降落时的弹性碰撞问题，具有构造简单、起降稳定、壁面适应能力强、容易实现的特点。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图及飞行器停靠在壁面上的静态效果示意图。

图2为实施例1中弹性足仿生结构的放大示意图。

图3为实施例1的平面结构示意图。

图4为实施例1中梳状静电吸附电极的示意图。

图5为实施例2中四轴飞行器在壁面上降落过程的碰撞前阶段图。

图6为实施例2中四轴飞行器在壁面上降落过程的碰撞瞬间阶段图。

图7为实施例2中四轴飞行器在壁面上降落过程的碰撞倾翻阶段图。

图8为实施例2中四轴飞行器在壁面上降落过程的弹起上摆阶段图。

图9为实施例2中四轴飞行器在壁面上降落过程的向下摆动阶段图。

图10为实施例2中四轴飞行器在壁面上降落过程的停靠壁面阶段图。

图11为实施例2中预设降落策略的控制流程图。

图12为实施例2中四轴飞行器降落壁面时的碰撞模型。

图13为实施例2中四轴飞行器弹开壁面后类似于做双摆运动的拉格朗日运动学建模图。

图14为实施例2中四轴飞行器在壁面上起飞过程的准备起飞阶段图。

图15为实施例2中四轴飞行器在壁面上起飞过程的剥离壁面阶段图。

图16为实施例2中四轴飞行器在壁面上起飞过程的飞离壁面阶段图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

基于静电吸附的四轴飞行器垂直壁面快速起降系统，如图1和3所示，包括四轴飞行器2，以及分别设置在所述四轴飞行器2相邻两轴上的两组弹性足仿生结构，所述弹性足仿生结构的一端安装在所述四轴飞行器2的电机机身上，所述弹性足仿生结构的一端伸出所述四轴飞行器2外且连接有一静电吸附电极6，所述四轴飞行器2上还安装有高压静电发生器7，用于产生高压给所述静电吸附电极6荷电，其中高压静电发生器7能直接便捷地从四轴飞行器2中获取工作电源。

其中，如图2所示，所述弹性足仿生结构包括柔性杆5和弹性足支架3，所述弹性足支架3呈开口向上的拱形状，所述弹性足支架3的一端设有圆环31，所述弹性足支架3的另一端开设插槽32，所述弹性足支架3的中部固设有一开口向下的拱形缓冲件4，所述拱形缓冲件4的大小小于所述弹性足支架3且所述拱形缓冲件4的拱形部正对所述弹性足仿生结构的拱形部，所述柔性杆5插入所述插槽32与所述弹性足支架3的另一端连接，所述弹性足支架3的一端通过所述圆环31安装在所述四轴飞行器2的电机机身上。

其中，如图4所示，所述静电吸附电极6为梳状静电吸附电极6；所述柔性杆5为塑料材质的柔性杆5；所述弹性足支架3为ABS树脂材质的弹性足支架3。

本实施例1的工作原理为：通过高压静电发生器7产生高压给所述静电吸附电极6荷电，为四轴飞行器2在壁面1降落时提供吸附力，通过模仿昆虫的弹性腿部所设计的弹性足仿生结构将四轴飞行器2降落碰撞时的动力势能转换为弹性势能从而起到缓冲作用，避免飞行器直接撞到壁面1上造成损坏，使其平稳地降落在壁面1上；当四轴飞行器2需要在壁面1上起飞时，停止所述高压静电发生器7从而消除所述静电吸附电极6对壁面1的吸附力并实现起飞。

实施例2

本实施例2提供了基于上述四轴飞行器垂直壁面快速起降系统的快速起降方法，如图5～10所示，所述四轴飞行器2的降落过程为：

所述高压静电发生器7产生高压给所述静电吸附电极6荷电；

当四轴飞行器2以初始速度v₀降落并碰撞壁面1时，所述静电吸附电极6接触并吸附在壁面1上；直至所述弹性足支架3碰撞到壁面1瞬间在其水平前进方向产生反向加速度，触发所述四轴飞行器2自身的螺旋桨关闭推力使其失去升力；

同时初始速度v₀沿四轴飞行器2机身方向的分速度使得所述弹性足支架3不断被压缩，此时大部分初始动能转换为弹性势能；初始速度v₀沿四轴飞行器2机身垂直方向的分速度使得所述四轴飞行器2绕所述弹性足支架3的另一端旋转；

根据预设的降落策略使得四轴飞行器2自身的惯性姿态传感器实时检测绕弹性足支架3另一端旋转方向上的角速度大小，并根据所述角速度大小触发螺旋桨执行相应的动作，从而减小四轴飞行器2弹离壁面时对壁面产生的拉力；

所述四轴飞行器2弹离壁面1时在所述柔性杆5的牵引下作双摆运动，以θ₁，θ₂为广义变量，建立拉格朗日动力学模型，如图13所示，即所述四轴飞行器2上摆至最高处后进行下摆，下摆过程中根据预设降落策略使得所述惯性姿态传感器实时检测所述四轴飞行器2下摆的角速度大小，并根据所述角速度大小触发螺旋桨开启推力或关闭推力，平衡重力产生的扭矩，减小下摆时的角速度大小从而减小四轴飞行器2弹离壁面1时对壁面1产生的拉力，直至所述四轴飞行器2平稳地降落在壁面1上；

如图14～16所示，所述四轴飞行器2的起飞过程为：

当所述四轴飞行器2需要从壁面1上起飞时，停止所述高压静电发生器7从而消除所述静电吸附电极6对壁面1的吸附力并实现起飞。

其中如图11所示，所述四轴飞行器2的降落过程预设的降落策略具体为：

当四轴飞行器2降落并碰撞壁面1时的初始速度v₀＜v_a时，初始速度v₀沿四轴飞行器2机身垂直方向的分速度使得所述四轴飞行器2绕所述弹性足支架3的另一端进行旋转的角速度w＜w_a，所述弹性足支架3的弹性势能开始释放并弹离壁面1时对所述壁面1的拉力在所述静电吸附电极6的吸附能力范围内，不触发开启螺旋桨推力；

当四轴飞行器2降落并碰撞壁面1时的初始速度v_a＜v₀＜v_b时，初始速度v₀沿四轴飞行器2机身垂直方向的分速度使得所述四轴飞行器2绕所述弹性足支架3的另一端进行旋转的角速度w_a＜w＜w_b，所述弹性足支架3的弹性势能开始释放并弹离壁面1时对所述壁面1的拉力超出所述静电吸附电极6的吸附能力范围，此时根据所述惯性姿态传感器实时检测到的弹性足支架3另一端旋转方向上的角速度大小w来触发开启螺旋桨推力，从而增大四轴飞行器2绕所述弹性足支架3另一端的旋转扭矩；该策略可以增加弹性足支架3弹离壁面1时的倾翻程度，减小了四轴飞行器2弹离壁面1时反弹的初始速度v₁在水平方向上的分速度，继而减小了对壁面1产生的拉力，弹性足支架3释放出的弹性势能更多地转换为重力势能，避免静电吸附电极6被扯拉脱离壁面1导致降落失败；

当四轴飞行器2降落并碰撞壁面1时的初始速度v₀＞v_b时，如图12所示，初始速度v₀沿四轴飞行器2机身垂直方向的分速度使得所述四轴飞行器2绕所述弹性足支架3的另一端进行旋转时完全倾翻于壁面1上，即角速度w＞w_b，假设碰撞壁面1的过程为一个弹性碰撞，当弹性足支架3恢复原形反弹瞬间，开始对壁面1产生拉力，若在反弹瞬间开启螺旋桨推力进行压制，可以减小弹开时对壁面1的拉力，提高降落成功率。因此在本降落策略中，当所述弹性足支架3的弹性势能开始释放时，开启螺旋桨的最大推力从而压制所述弹性足支架3的反弹力，做负功消耗弹性势能。

需要说明的是，由于现有的四轴飞行器2自身均搭载有惯性姿态传感器，因此本实施例中的线加速度、角速度等的检测均无需借助外部传感器实现。

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于静电吸附的四轴飞行器垂直壁面快速起降系统，包括四轴飞行器，其特征在于，还包括分别设置在所述四轴飞行器相邻两轴上的两组弹性足仿生结构，所述弹性足仿生结构的一端安装在所述四轴飞行器的电机机身上，所述弹性足仿生结构的一端伸出所述四轴飞行器外且连接有一静电吸附电极，所述四轴飞行器上还安装有高压静电发生器，用于产生高压给所述静电吸附电极荷电。

2.根据权利要求1所述的四轴飞行器垂直壁面快速起降系统，其特征在于，所述弹性足仿生结构包括柔性杆和弹性足支架，所述弹性足支架呈开口向上的拱形状，所述弹性足支架的一端设有圆环，所述弹性足支架的另一端开设插槽，所述弹性足支架的中部固设有一开口向下的拱形缓冲件，所述柔性杆插入所述插槽与所述弹性足支架的另一端连接，所述弹性足支架的一端通过所述圆环安装在所述四轴飞行器的电机机身上。

3.根据权利要求2所述的四轴飞行器垂直壁面快速起降系统，其特征在于，所述拱形缓冲件的大小小于所述弹性足支架且所述拱形缓冲件的拱形部正对所述弹性足仿生结构的拱形部。

4.根据权利要求1所述的四轴飞行器垂直壁面快速起降系统，其特征在于，所述静电吸附电极为梳状静电吸附电极。

5.根据权利要求2所述的四轴飞行器垂直壁面快速起降系统，其特征在于，所述柔性杆为塑料材质的柔性杆。

6.根据权利要求2所述的四轴飞行器垂直壁面快速起降系统，其特征在于，所述弹性足支架为ABS树脂材质的弹性足支架。

7.基于权利要求2～6任一项所述四轴飞行器垂直壁面快速起降系统的快速起降方法，其特征在于，所述四轴飞行器的降落过程为：

所述高压静电发生器产生高压给所述静电吸附电极荷电；

当四轴飞行器以初始速度v₀降落并碰撞壁面时，所述静电吸附电极接触并吸附在壁面上；直至所述弹性足支架碰撞到壁面瞬间在其水平前进方向产生反向加速度，触发所述四轴飞行器自身的螺旋桨关闭推力；

同时初始速度v₀沿四轴飞行器机身方向的分速度使得所述弹性足支架不断被压缩并产生弹性势能，初始速度v₀沿四轴飞行器机身垂直方向的分速度使得所述四轴飞行器绕所述弹性足支架的另一端旋转；

根据预设的降落策略使得所述四轴飞行器自身的惯性姿态传感器实时检测绕弹性足支架另一端旋转方向上的角速度大小，并根据所述角速度大小触发螺旋桨执行相应的动作，从而减小四轴飞行器弹离壁面时对壁面产生的拉力；

所述四轴飞行器弹离壁面时在所述柔性杆的牵引下作双摆运动，即所述四轴飞行器上摆至最高处后进行下摆，下摆过程中根据预设的降落策略使得所述惯性姿态传感器实时检测所述四轴飞行器下摆的角速度大小，并根据所述角速度大小触发螺旋桨开启推力或关闭推力，通过减小所述角速度大小从而减小四轴飞行器弹离壁面时对壁面产生的拉力，直至所述四轴飞行器平稳地降落在壁面上；

所述四轴飞行器的起飞过程为：

当所述四轴飞行器需要从壁面上起飞时，停止所述高压静电发生器从而消除所述静电吸附电极对壁面的吸附力并实现起飞。

8.根据权利要求7所述的快速起降方法，其特征在于，所述四轴飞行器的降落过程预设的降落策略具体为：

当四轴飞行器降落并碰撞壁面时的初始速度v₀＜v_a时，初始速度v₀沿四轴飞行器机身垂直方向的分速度使得所述四轴飞行器绕所述弹性足支架的另一端进行旋转的角速度w＜w_a，所述弹性足支架的弹性势能开始释放并弹离壁面时对所述壁面的拉力在所述静电吸附电极的吸附能力范围内，不触发开启螺旋桨推力；

当四轴飞行器降落并碰撞壁面时的初始速度v_a＜v₀＜v_b时，初始速度v₀沿四轴飞行器机身垂直方向的分速度使得所述四轴飞行器绕所述弹性足支架的另一端进行旋转的角速度w_a＜w＜w_b，所述弹性足支架的弹性势能开始释放并弹离壁面时对所述壁面的拉力超出所述静电吸附电极的吸附能力范围，开启螺旋桨推力从而增大绕所述弹性足支架另一端的旋转扭矩；

当四轴飞行器降落并碰撞壁面时的初始速度v₀＞v_b时，初始速度v₀沿四轴飞行器机身垂直方向的分速度使得所述四轴飞行器绕所述弹性足支架的另一端进行旋转时完全倾翻于壁面上，即角速度w＞w_b，当所述弹性足支架的弹性势能开始释放时，开启螺旋桨的最大推力从而压制所述弹性足支架的反弹力。