CN110588263A - 一种多栖无人移动平台系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多栖无人移动平台系统及其控制方法，系统包括密封车体、车轮、涵道旋翼、推力桨，在密封车体内安装有主控制器、无线通信装置、发电机以及大容量动力电池，车轮、涵道旋翼、推力桨分别与主控制器电连接；所述车轮通过翻转轴装置连接在密封车体底部两侧，涵道旋翼通过旋转轴装置与密封车体相连，推力桨通过伸缩轴装置连接在密封车体尾部，所述密封车体上安装有高清红外相机以及高精度GPS。本发明一种多栖无人移动平台能够在空中、路面、水面、甚至是雪地及沼泽地这种恶劣环境下使用，提升无人移动平台的运动范围和自主切换动力模式的能力，同时提供更长的续航时间。

Description

一种多栖无人移动平台系统及其控制方法

技术领域

本发明属于多栖机器人技术领域，尤其涉及一种多栖无人移动平台系统及其控制方法。

背景技术

随着新一轮科技革命方兴未艾，人工智能与传统机械、材料、电子及自动化等技术的快速融合，不断孵化出具有颠覆性的新概念智能移动平台，但各种单栖移动平台都有各自局限性，因此设计和研发同时具备多种能力的多栖无人移动平台逐渐成为研究热点。

近年来世界各地研究出了大量两栖或三栖无人创新移动平台，有的平台采用固定翼式结构，在陆地行驶或停放时可以把机翼折叠起来，使空间资源得到优化，但采用固定翼式结构的飞行器需要很长的滑跑才能起飞；有的利用旋翼机原理飞行的多栖移动平台，虽具备垂直起降、定点悬停等优点，但是裸露的螺旋桨会对周围物体构成很大的威胁；也有单独采用涵道螺旋桨设计的多栖移动平台，但其平飞速度较小、稳定性较差，且准确度和灵活机动性能也有待于提升。

目前，采用以上各种结构形式的两栖或三栖移动平台虽然可以具有水陆空多栖移动能力，但无法满足沼泽、雪地等恶劣环境下的工作要求，且存在续航时间短、动力不足、运动范围小的缺点。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种多栖无人移动平台系统及其控制方法，能够在空中、路面、水面、甚至是雪地及沼泽的恶劣环境下使用，提升无人移动平台的运动范围和自主切换动力模式的能力，同时提供更长的续航时间。

一种多栖无人移动平台系统，包括密封车体、车轮、涵道旋翼、推力桨，在密封车体内安装有主控制器、无线通信装置、发电机以及大容量动力电池，车轮、涵道旋翼、推力桨分别与主控制器电连接；所述车轮通过翻转轴装置连接在密封车体底部两侧，涵道旋翼通过旋转轴装置与密封车体相连，推力桨通过伸缩轴装置连接在密封车体尾部，所述密封车体上安装有高清红外相机以及高精度GPS。

所述翻转轴装置包括底座、转动轴、一号舵机、第一从动轮和第一主动轮，底座固定在密封车体底部两侧，轮毂电机以及一号舵机与主控制器相连；当决策为地面驾驶模式时，主控制器发出信号控制轮毂电机转动，带动车轮转动使多栖无人移动平台系统运动；

所述涵道旋翼由旋转轴装置以及涵道风扇组成，涵道风扇包括风扇扇叶以及涵道风扇电机，主控制器控制涵道风扇电机的转速来实现多栖无人移动平台系统的空中起降和飞行运动；若多栖无人移动平台系统需在空中长航时远距离飞行，主控制器发出指令使推力桨转动来实现空中的推进。

所述旋转轴装置包括二号舵机、第二主动轮、第二从动轮以及旋转轴，主控制器发出指令启动二号舵机，第二主动轮与第二从动轮啮合，第二从动轮与转动轴固定在一起使整个涵道旋翼旋转至预定位置。

所述自动开关门装置包括密闭舱门、主轴、三号舵机、蜗轮以及蜗杆，主控制器控制三号舵机转动带动蜗杆，蜗杆与蜗轮啮合，蜗轮与主轴固定在一起带动密闭舱门的开启和关闭；当密闭舱门开启后，涵道旋翼通过旋转轴装置旋转出密封车体至垂直车体侧面的位置。

前述的一种多栖无人移动平台系统的控制方法，具体如下：

主控制器根据任务要求以及环境情况，对多栖无人移动平台系统的工作模式进行规划，当环境发生动态变化时，主控制器根据如下决策方法进行实时模式切换：若在地面驾驶模式，遇到无法逾越的障碍则决策切换为空中飞行模式；若遇到水面或雪地、冰面、沼泽地这种极端路况，则决策从地面驾驶模式或者空中飞行模式切换到水上航行及极端路况滑行模式；若在飞行过程中遇到强风的情形，则决策从空中飞行模式切换到地面驾驶模式或是水上航行及极端路况滑行模式；

所述地面驾驶模式、空中飞行模式、水上航行及极端路况滑行模式及其切换控制具体如下

(1)地面驾驶模式切换至空中飞行模式

主控制器发出指令停止轮毂电机转动将车轮旋转入车轮槽中，主控制器发出指令开启自动开关门装置，旋转轴装置将四个提供升力的涵道旋翼旋转至密封车体外，涵道旋翼的内部涵道提供升力，完成从地面驾驶模式至空中飞行模式的切换，当需要在空中长航时远距离飞行时，主控制器发出指令启动推力桨，来实现空中的推进；

(2)空中飞行模式切换至水上航行及极端路况滑行模式

减小涵道旋翼提供的升力将移动平台飞行至水面或雪地、冰面、沼泽地这种极端路况，通过旋转轴装置将四个提供升力的涵道旋翼折叠到车身内部，尾部推力桨高速转动提供水平推力和方向，完成空中飞行模式至水上航行及极端路况滑行模式的切换；

(3)水上航行及极端路况滑行模式切换至地面驾驶模式

翻转轴装置将四个车轮旋转立起预备接触地面，当接触地面稳定行驶后，伸缩轴装置将推力桨降低并控制其停止转动，由车轮驱动行驶，完成水上航行及极端路况滑行模式至地面驾驶模式的切换；

(4)其余切换模式对应上述切换的逆过程。

本发明的有益效果是：

(1)优秀的多用途性能：相比传统多栖移动平台，该平台具备良好的水面、陆地、空中甚至雪地、沼泽地的移动能力，且在成功实现全域工作的同时，还具有在单一工作模式下的优异工作性能；

(2)灵巧的转换控制：通过翻转轴装置、旋转轴装置以及伸缩轴装置的设置，使得平台具有可靠强度以及运转过程中能够完成稳定、快速的模式转换能力；

(3)优异的使用性能：本发明具有较小的结构重量，能提高飞行速度和推进效率，同时，推力桨、车轮、四个涵道旋翼的设置综合了空气动力艇、地面轮式车辆以及四旋翼飞行器的功能，且兼具垂直起降能力；

(4)高效的动力源：密封车体内设置有发电机以及大容量动力电池，能提供飞行时的动力保障，满足在不同运行状况下平台的稳定与高效运作。

附图说明

图1为本发明一种中多栖无人移动平台系统的控制关系示意图；

图2为本发明一种中多栖无人移动平台系统的地面驾驶模式图；

图3为本发明一种中多栖无人移动平台系统的飞行工作模式图；

图4为本发明一种中多栖无人移动平台系统的水上航行及极端路况滑行模式图；

图5为本发明一种中多栖无人移动平台系统中的车轮结构示意图；

图6为本发明一种中多栖无人移动平台系统中的涵道旋翼结构示意图；

图7为本发明一种中多栖无人移动平台系统中的自动开关门装置示意图；

其中，

1-密封车体，2-车轮，21-轮毂电机，22-翻转轴装置，23-底座，24-转动轴，25-一号舵机，26-第一主动轮1，27-第一从动轮1，28-车轮槽，3-涵道旋翼，31-涵道风扇，311-涵道风扇电机，312-风扇扇叶，32-旋转轴，33-二号舵机，34-第二主动轮，35-第二从动轮2，4-推力桨，41-伸缩轴装置，5-自动开关门装置，51-主轴，52-密闭舱门，53-三号舵机，54-蜗杆，55-蜗轮，6-高精度GPS系统，7-高清红外相机。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明的技术方案和效果作详细描述。

如图2-4所示，一种多栖无人移动平台系统，包括密封车体1、轮毂电机21驱动的车轮2、涵道风扇电机311驱动的涵道旋翼3、推力桨4，在密封车体内安装有主控制器、无线通信装置、发电机以及大容量动力电池(图中未显示)，密封车体1上安装有高清红外相机以及高精度GPS。

所述车轮2通过翻转轴装置22连接在密封车体底部两侧，如图5所示，所述翻转轴装置包括底座23、转动轴24、一号舵机25、第一主动轮26和第一从动轮27，底座23固定在密封车体1底部两侧，轮毂电机21以及一号舵机25与主控制器相连；当决策为地面驾驶模式时，主控制器发出信号控制轮毂电机21转动，带动车轮2转动使多栖无人移动平台系统运动；

如图6所示，涵道旋翼3由旋转轴装置以及涵道风扇31组成，涵道旋翼3通过旋转轴装置与密封车体1相连，所述旋转轴装置包括二号舵机33、第二主动轮34、第二从动轮35以及旋转轴32，主控制器发出指令启动二号舵机33，第二主动轮34与第二从动轮35啮合，第二从动轮35与转动轴32固定在一起使整个涵道旋翼3旋转至预定位置；涵道风扇31包括风扇扇叶312以及涵道风扇电机311，当空中飞行模式转换前后，主控制器通过控制涵道风扇电机311的转速来实现多栖无人移动平台系统的升降。

推力桨4通过伸缩轴装置41连接在密封车体1的尾部，推力桨结构与涵道风扇31相同，主控制器启动涵道风扇电机311从而驱动风扇扇叶312转动。当决策为水上航行及极端路况滑行模式，主控制器发出指令使安装在推力桨4下面的伸缩轴装置41伸长，使推力桨4上升至适当位置，主控器发出指令启动推力桨4的涵道风扇电机311来驱动风扇扇叶312转动，从而实现在水面及极端路况中多栖无人移动平台系统的推进；此外，若多栖无人移动平台系统处于空中飞行模式时，需在空中长航时远距离飞行，主控制器发出指令使推力桨转动来实现空中的推进。

如图7所示，所述自动开关门装置5包括密闭舱门52、主轴51、三号舵机53、蜗轮55以及蜗杆54，主控制器控制三号舵机53转动带动蜗杆54，蜗杆54与蜗轮55啮合，蜗轮55与主轴51固定在一起带动密闭舱门52的开启和关闭；当密闭舱门52开启后，涵道旋翼3通过旋转轴装置旋转出密封车体1至垂直密封车体侧面的位置。

如图1所示，高清红外相机7以及高精度GPS系统6安装在密封车体1前端，在多栖无人移动平台系统工作中高清红外相机7会将视觉信息传递给主控制器，可以主动识别障碍物以及周围环境，高精度GPS系统6会时刻精准的定位多栖无人移动平台系统的位置信息，其内部设置有高速无线信息传输系统，所述高速无线信息传输系统由无线信息传输设备以及无线网卡组成，本实施例中的无线信息传输设备采用的是P900微型数传模块，P900微型数传模块会将主控制器的信息实时与地面站进行交互；地面站端会根据高精度GPS系统6通过内部高速无线传输系统反馈的位置信息时刻定位，并实时向主控制器发送多栖无人移动平台系统周围的环境信息，配合高清红外相机7可以做到更加准确的决策。

在密封车体1内部安装有发电机、油箱以及大容量电池(图中未显示)，大容量电池上安装有电池电量检测传感器会将电池电量信息传递给主控制器，由主控制器判断是否需要发电机启动来给大容量电池充电；当大容量电池电量过低时，主控制器启动发电机，及时补充大容量电池的电量，当主控制器检测到发电机油箱油量过低且大容量电池电量过低时，通过高速无线信息传输系统向地面站发出信号，由地面站端决定是就近加油还是停止任务返航。

一种多栖无人移动平台系统的控制方法，具体如下：

主控制器根据任务要求以及环境情况，对多栖无人移动平台系统的工作模式进行规划，当环境发生动态变化时，主控制器根据如下决策方法进行实时模式切换：若在地面驾驶模式，遇到无法逾越的障碍则决策切换为空中飞行模式；若遇到水面或雪地、冰面、沼泽这种极端路况，则决策从地面驾驶模式或者空中飞行模式切换到水上航行及极端路况滑行模式；若在飞行过程中遇到强风的情形，则决策从空中飞行模式切换到地面驾驶模式或是水上航行及极端路况滑行模式。

一种多栖无人移动平台系统的地面驾驶模式、空中飞行模式、水上航行及极端路况滑行模式及切换控制方法，具体如下：

(1)地面驾驶模式切换至空中飞行模式

当多栖移动平台为地面驾驶模式工作时，主控制器发出信号控制轮毂电机21转动带动车轮2转动，使多栖无人移动平台系统运动；遇到无法逾越的障碍则决策切换为空中飞行模式，决策转换为空中飞行模式工作时，主控制器发出信号使轮毂电机21停止转动并启动一号舵机25，其中第一主动轮26与第一从动轮27啮合，第一从动轮27与转动轴24固定在一起，从而实现车轮2向上翻转90度，将车轮2收回至密封车体1底部的车轮槽28之中；主控制器发出指令控制三号舵机53转动带动蜗杆54，蜗杆54与蜗轮55啮合，蜗轮55与主轴51固定在一起，从而带动自动关门装置5的密闭舱门52开启，当密闭舱门52开启后，主控制器发出指令启动二号舵机33，第二主动轮34与第二从动轮35啮合，第二从动轮35与转动轴32固定在一起，在二号舵机33的驱动下将涵道旋翼3旋转出密封车体1至垂直密封车体1侧面的位置，主控制器发出指令启动涵道风扇电机311，通过提高涵道风扇电机311的转速来实现多栖无人移动平台系统稳定上升；若多栖无人移动平台系统需在空中长航时远距离飞行时，主控制器发出指令启动推力桨4的涵道风扇电机311，来实现空中的推进。

(2)空中飞行模式切换至水上航行及极端路况滑行模式

当遇到遇到强风的情形，决策转换为水上航行及极端路况滑行模式，主控制器发出指令使涵道风扇电机311减速，将平台稳定降落的同时，启动三号舵机53将密闭舱门52打开，启动二号舵机33将涵道旋翼3旋转至密封车体1内，待涵道旋翼3完全收入密封车体内部之后，主控制器控制三号舵机反转从而关闭密闭舱门52，涵道风扇电机311停止转动；主控制器发出指令使安装在推力桨4下方的滚珠丝杆转动，使推力桨上升至预定位置，主控器发出指令启动推力桨4的涵道风扇电机311带动风扇扇叶312转动，从而实现多栖无人移动平台系统在水面或雪地、冰面、沼泽地上的推进。

(3)水上航行及极端路况滑行模式切换至地面驾驶模式

当决策转换为地面驾驶模式时，主控制器发出指令关闭推力桨4的涵道风扇电机311，同时启动伸缩轴装置将推力桨4降低至原位；主控制器发出指令使一号舵机25转动，将车轮2旋转至密封车体1外准备接触地面，当车轮接触地面后，主控制器发出指令开启轮毂电机21，由车轮2驱动行驶，完成水上航行及极端路况滑行模式至地面驾驶模式的切换。

(4)其余切换模式对应上述切换的逆过程。

Claims (6)

1.一种多栖无人移动平台系统，其特征在于：包括密封车体、车轮、涵道旋翼、推力桨，在密封车体内安装有主控制器、无线通信装置、发电机以及大容量动力电池，车轮、涵道旋翼、推力桨分别与主控制器电连接；所述车轮通过翻转轴装置连接在密封车体底部两侧，涵道旋翼通过旋转轴装置与密封车体相连，推力桨通过伸缩轴装置连接在密封车体尾部，所述密封车体上安装有高清红外相机以及高精度GPS。

2.根据权利要求1所述的一种多栖无人移动平台系统，其特征在于：所述翻转轴装置包括底座、转动轴、一号舵机、第一从动轮和第一主动轮，底座固定在密封车体底部两侧，轮毂电机以及一号舵机与主控制器相连；当决策为地面驾驶模式时，主控制器发出信号控制轮毂电机转动，带动车轮转动使多栖无人移动平台系统运动。

3.根据权利要求1所述的一种多栖无人移动平台系统，其特征在于：所述涵道旋翼由旋转轴装置以及涵道风扇组成，涵道风扇包括风扇扇叶以及涵道风扇电机，主控制器控制涵道风扇电机的转速来实现多栖无人移动平台系统的空中起降和飞行运动；若多栖无人移动平台系统需在空中长航时远距离飞行，主控制器发出指令使推力桨转动来实现空中的推进。

4.根据权利要求3所述的一种多栖无人移动平台系统，其特征在于：所述旋转轴装置包括二号舵机、第二主动轮、第二从动轮以及旋转轴，主控制器发出指令启动二号舵机，第二主动轮与第二从动轮啮合，第二从动轮与转动轴固定在一起使整个涵道旋翼旋转至预定位置。

5.根据权利要求1所述的一种多栖无人移动平台系统，其特征在于：所述自动开关门装置包括密闭舱门、主轴、三号舵机、蜗轮以及蜗杆，主控制器控制三号舵机转动带动蜗杆，蜗杆与蜗轮啮合，蜗轮与主轴固定在一起带动密闭舱门的开启和关闭；当密闭舱门开启后，涵道旋翼通过旋转轴装置旋转出密封车体至垂直车体侧面的位置。

6.权利要求1所述的一种多栖无人移动平台系统的控制方法，其特征在于：具体如下：

主控制器根据任务要求以及环境情况，对多栖无人移动平台系统的工作模式进行规划，当环境发生动态变化时，主控制器根据如下决策方法进行实时模式切换：若在地面驾驶模式，遇到无法逾越的障碍则决策切换为空中飞行模式；若遇到水面或雪地、冰面、沼泽地这种极端路况，则决策从地面驾驶模式或者空中飞行模式切换到水面滑行模式；若在飞行过程中遇到强风的情形，则决策从空中飞行模式切换到地面驾驶模式或是水面工作模式；

所述地面驾驶模式、空中飞行模式、水面滑行以及极端路况滑行模式及其切换控制具体如下

(1)地面驾驶模式切换至空中飞行模式

主控制器发出指令停止轮毂电机转动将车轮旋转入车轮槽中，主控制器发出指令开启自动开关门装置，旋转轴装置将四个提供升力的涵道旋翼旋转至密封车体外，涵道旋翼的内部涵道提供升力，完成从地面驾驶模式至空中飞行模式的切换，当需要在空中长航时远距离飞行时，主控制器发出指令启动推力桨，来实现空中的推进；

(2)空中飞行模式切换至水上航行及极端路况滑行模式

减小涵道旋翼提供的升力将移动平台飞行至水面或雪地、冰面、沼泽地这种极端路况，通过旋转轴装置将四个提供升力的涵道旋翼折叠到车身内部，尾部推力桨高速转动提供水平推力和方向，完成空中飞行模式至水上航行以及极端路况滑行模式的切换；

(3)水上航行及极端路况滑行模式切换至地面驾驶模式

翻转轴装置将四个车轮旋转立起预备接触地面，当接触地面稳定行驶后，伸缩轴装置将推力桨降低并控制其停止转动，由车轮驱动行驶，完成水上航行以及极端路况滑行模式至地面驾驶模式的切换；

(4)其余切换模式对应上述切换的逆过程。