CN110588264A - 一种陆空两栖无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陆空两栖无人机，包括底板、4个旋翼与4个旋翼电机，底板中央固定安装有姿态调节机构；姿态调节机构包括中心电机，中心电机的输出轴为中心轴，中心轴两侧对称设有多级齿轮传动机构，中心电机的动力通过中心轴上的中心齿轮同时传递给两侧的多级齿轮传动机构；旋翼电机固定连接在旋翼轴外端，旋翼轴内端传动连接有旋翼轴齿轮；旋翼的旋叶固定在其外接圆环上形成轮式旋翼；多级传动机构的末级传动轴能够轴向滑移以切换末级齿轮与同组旋翼轴上旋翼轴齿轮的啮合方式，从而带动旋翼轴转动以调节旋翼姿态。本发明解决了陆空两栖无人机结构累赘且飞行姿态调节不够灵活的技术问题，并能实现飞行与行走工作模式的无缝切换。

Description

一种陆空两栖无人机

技术领域

本发明属于无人机技术领域，尤其涉及一种能够陆空两栖的无人机。

背景技术

现如今，高科技产品让我们的生活变得越来越便利。高科技产品的多元化是发展必然，且更趋于精巧化、无人化、智能化发展。现在市场上的无人小车和无人机都是单一化的产品，无法应对多变的环境。由此可见陆空两用无人机将可能是无人机今后的发展方向，具有非常广阔的发展空间。而现如今市场上的无人机却有着一些很明显的缺点：1）例如，传统的无人机电池的设计一般是在无人机上只挂载一块大电池，这样造成的后果就是无法精确的确保无人机在工作的过程中的续航时间，造成对资源的相对浪费。2）传统无人机工作的范围就只能在空中，即使能够陆空两栖也需要单独增加行走轮，体积庞大且笨拙，如发明专利（CN105711824A）中公开的一种设有使其成为两栖式的附件的旋翼无人机。3）传统的旋翼无人机和固定翼无人机在空中的飞行通过障碍时，因为施加力的方向是固定的，只能依靠转速或推力来改变各个分力的大小，最终让合力来改变无人机的运动，这不仅让无人机的运动变得很僵硬，并且因此施力的方向是相同的，所以最终的合力也是有一定限度的。

因此，需要一种无人机飞行器，能够灵活调节飞行姿态，从而使无人机有不同的运动状态来更加轻松的通过障碍。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种陆空两栖无人机，解决现有技术中陆空两栖无人机结构累赘且飞行姿态调节不够灵活的技术问题，能够简化结构，使飞行与行走共用执行机构，无需增加行走轮；能够通过姿态调节机构灵活调整飞行姿态，并能实现飞行与行走工作模式的无缝切换。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种陆空两栖无人机，包括底板、4个旋翼与用于带动对应旋翼旋转的4个旋翼电机，翼的旋叶固定在其外接圆环上形成轮式旋翼；底板中央固定安装有姿态调节机构；姿态调节机构包括中心电机，中心电机的输出轴为中心轴，中心轴两侧对称设有多级齿轮传动机构，中心电机的动力通过中心轴上的中心齿轮同时传递给两侧的多级齿轮传动机构；

姿态调节机构两侧分别设有平行于中心轴的一组同轴的旋翼轴；旋翼轴中部通过限位支座支撑在底板上，并且旋翼轴通过旋转限位机构与限位支座转动连接，使得旋翼轴被限制在90°范围内转动；旋翼电机固定连接在旋翼轴外端，旋翼轴内端传动连接有旋翼轴齿轮；旋翼轴齿轮为只在圆周的1/4圆弧上有齿的不完全齿轮；旋

多级传动机构的末级传动轴能够轴向滑移以切换末级齿轮与同组旋翼轴上旋翼轴齿轮的啮合方式，啮合方式包括同时与两个旋翼轴齿轮啮合以及单独与两个齿轮分别啮合，从而带动旋翼轴转动以调节旋翼姿态，并且配合旋转限位机构能够将旋翼锁定在分别对应飞行或行走状态时的水平或竖直姿态。

进一步的，所述旋转限位机构包括固定套接在旋翼轴上的套环，旋翼轴通过套环与限位支座上的弧形槽转动连接；套环上设有夹角为90°的扇形限位件；弧形槽两侧的限位支座顶面位于同一高度，并且与旋翼轴的轴线等高，从而使得旋翼轴正反转90°时均能通过扇形限位件侧面与限位支座顶面的配合恰好被限位。

进一步的，多级齿轮传动机构包括初级传动轴、次级传动轴与末级传动轴；所述初级传动轴上同时传动连接有第一大齿轮与第一小齿轮；第一小齿轮与中心齿轮啮合以带动次级传动轴转动以及第一大齿轮转动；次级传动轴上设有第二大齿轮与第二小齿轮，次级传动轴能够轴向滑移以切换与初级传动轴上齿轮的啮合状态，从而改变传动转速；末级传动末级齿轮与第二大齿轮保持啮合状态，从而输出不同的转速给旋翼轴齿轮。

进一步的，底板前后端对称设有电池盒，并且前后端均并排设有至少两个电池盒。

进一步的，底板上还安装有电路板与控制器，控制器中配置有姿态调整控制程序，用于控制姿态调整速度与姿态调整角度以及控制中心电机持续转动以阻抗旋翼的水平或竖直姿态的改变。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过姿态调节机构向多级齿轮传动机构传动，由于多级齿轮传动机构能够切换末级齿轮与同组旋翼轴上旋翼轴齿轮的啮合方式，从而能够实现各旋翼姿态独立调节以及多个旋翼姿态同时调节，旋翼姿态调节十分灵活，能够整体组合出无人机的各种飞行姿态。本发明是通过调整旋翼的角度来改变无人机的飞行姿态，这与现有技术依靠转速或推力来改变各个分力的大小来改变无人机的运动在机理上有着本质的不同。

2、本发明的旋翼轴被限制在90°范围内转动，从而能够将旋翼调整在分别对应飞行或行走状态时的水平或竖直姿态。水平或竖直姿态通过姿态调节机构连续调整旋翼角度自然形成，无需停机进行切换，实现了飞行与行走工作模式的无缝切换。同时，由于旋翼为轮式旋翼，不仅能够飞行，同时也能在路面上进行滚动以实现无人机陆地行走，与现有技术需单独设置行走轮相比，大大简化了结构，同时减轻了无人机重量。

3、旋转限位机构能够对旋翼轴的正反转进行双向限位，结构简单，限位角度准确。

4、多级齿轮传动机构不仅能调节旋翼姿态，并且能够以不同的速度来调节旋翼姿态，满足快速调节与慢速调节的需求。

5、电池盒的设置方式可实现根据用电量需求来配置相应数量的电池模块，同时，电池盒对称设置，可满足无人机配重平衡的需求。

6、控制器中的姿态调整控制程序能够中心电机持续转动以维持旋翼的水平或竖直姿态：当切换到竖直姿态后，即使在外力作用下旋翼轴反向转动，由于中心电机持续转动，从而带动多级传动机构持续传动，尤其是末级齿轮正向转动，那么就能将旋翼轴复位，从而阻抗旋翼姿态的改变；当切换到水平姿态后，反之亦然。

附图说明

图1是本具体实施方式中陆空两栖无人机的俯视图；

图2是姿态调节机构的局部放大图；

图3是支座结构示意图；

图4是旋翼与旋翼轴组成的旋翼总成结构图；

图5是图4的分解示意图；

图6是旋翼总成与底部的安装结构示意图；

图7是对图6中旋转限位机构的局部放大图；

图8是底板结构示意图；

图9是飞行状态示意图；

图10是行走状态示意图。

附图标记说明：1-旋翼，2-旋翼轴，3-左密封端盖，4-长盖板，5-右密封端盖，6-螺钉，7-限位支座，8-限位支座盖板，9-支撑轴，10-铆钉，11-电池盒，12-摄像头，13-螺钉，14-螺钉，15-气压缸，16-usb接口，17-type-c接口，18-旋翼轴齿轮，19-螺母，20-末级齿轮，21-第二大齿轮，22-套筒，23-第二小齿轮，24-复位弹簧，25-第一小齿轮，26-套筒，27-第一大齿轮，28-套筒，29-螺母，30-中心齿轮，31-中心电机，32-电机盖板，33-短盖板，34-底板，35-螺母，36-旋翼电机定子，37-旋翼电机转子，38-托座，39-螺钉，40-键，41-销钉，42-键，43-轴承，44-末级传动轴，45-次级传动轴，46-初级传动轴，47-机壳，48-机架杆，49-电路板，50-控制器，51-旋转限位机构，511-扇形限位件。

具体实施方式

参考图1至图3所示，一种陆空两栖无人机，包括底板34、4个旋翼1与用于带动对应旋翼1旋转的4个旋翼电机，旋翼1的旋叶固定在其外接圆环上形成轮式旋翼；底板34中央固定安装有姿态调节机构；姿态调节机构包括中心电机31，中心电机31的输出轴为中心轴，中心轴两侧对称设有多级齿轮传动机构，中心电机31的动力通过中心轴上的中心齿轮同时传递给两侧的多级齿轮传动机构；中心齿轮30通过键与中心轴传动连接，并通过螺母29进行轴向锁定；中心电机31通过电机盖板32与螺钉13、螺钉14固定在底板34上；

姿态调节机构两侧分别设有平行于中心轴的一组同轴的旋翼轴2；旋翼轴2中部通过限位支座7支撑在底板34上，限位支座7上可增加限位支座盖板8，并且旋翼轴2通过旋转限位机构与限位支座7转动连接，使得旋翼轴2被限制在90°范围内转动；旋翼电机固定连接在旋翼轴2外端，旋翼轴2内端传动连接有旋翼轴齿轮18；旋翼轴齿轮18为只在圆周的1/4圆弧上有齿的不完全齿轮；

多级传动机构的末级传动轴能够轴向滑移以切换末级齿轮20与同组旋翼轴2上旋翼轴齿轮18的啮合方式，啮合方式包括同时与两个旋翼轴齿轮18啮合以及单独与两个齿轮分别啮合，从而带动旋翼轴2转动以调节旋翼1姿态，并且配合旋转限位机构能够将旋翼1锁定在分别对应飞行或行走状态时的水平或竖直姿态。

多级齿轮传动机构包括初级传动轴46、次级传动轴45与末级传动轴44；所述初级传动轴46上同时传动连接有第一大齿轮27与第一小齿轮25，第一大齿轮27与第一小齿轮25通过套筒27间隔，减少相互摩擦；第一小齿轮25与中心齿轮30啮合以带动次级传动轴45转动以及第一大齿轮27转动；次级传动轴45上设有第二大齿轮21与第二小齿轮23，第二大齿轮21与第二小齿轮23通过套筒22间隔；次级传动轴45能够轴向滑移以切换与初级传动轴46上齿轮的啮合状态，从而改变传动转速；末级传动末级齿轮20与第二大齿轮21保持啮合状态，从而输出不同的转速给旋翼轴齿轮18。多级齿轮传动机构不仅能调节旋翼1姿态，并且能够以不同的速度来调节旋翼1姿态，满足快速调节与慢速调节的需求。

初级传动轴46、次级传动轴45与末级传动轴44均通过支座支撑在底板34上，并通过轴承43与支座转动连接，轴承两侧分别安装左密封盖板3与右密封盖板5；次级传动轴45与末级传动轴44均通气压缸实现轴向滑移。传动轴两端的轴承支座分别通过长盖板4与短盖板33以及螺钉6固定在对应的支座上。

气压缸与传动轴的作用关系：当气压缸15的情况处于工作状态时，气压缸15对传动轴的作用效果是推力，使其改变齿轮啮合情况，当气压缸15的工作状态处于不工作时，则由传动轴上的复位弹簧24提供主动力，使齿轮和气压缸的位置情况能恢复到工作之前的状态。

底板34上还安装有电路板49、摄像头、usb接口16、17-type-c接口17与控制器50，usb接口16、17-type-c接口用于提取无人机采集的数据。摄像头12是采用的全方位可转动摄像头，能更大程度上的增加视野，并且采用前后双摄像头设计，安装在陆空无人机的最前端和最后端，能在工作中采集更多的信息。

底板34前后端对称设有电池盒，并且前后端均并排设有至少两个电池盒11。

传统的无人机电池的设计一般是在无人机上只挂载一块大电池，以确保无人机在工作的过程中有足够的续航时间，虽然现在的电池技术已经可以不将电池的体积增大的前提下，将电池的电容量变得很大，可以提升无人机的续航，但是只能挂载一块电池却始终存在着问题。缺点一，如果无人机在实际的工作中需要的续航超过了一块电池所能提供的续航，那么，就只能让无人机的工作停下来，更换电池后，才能继续进行工作；缺点二，如果无人机在实际的工作中需要的续航比一块电池所提供的续航少，甚至远远少时，就会造成资源的“浪费”，无人机在空中工作时，轻量化是非常重要的，携带多余的电池不仅不会对无人机带来什么好处，反而会带来负担。所以最好的解决方法就是，无人机需要多长时间的续航就给无人机装载多少电池，那么就必须将电池进行小型化和模块化的设计。模块化电池设计带来的优点是很明显的，但是对于在空中工作的无人机，平衡也是一个很重要的条件，于是陆空无人机在设计之初就设计了四块电池，可以同时挂载两块或四块电池，（最终的电池挂载情况可以根据实际情况来决定）且采用对称设计来保持机体的平衡。机体上的电池盒的设计，采用的是类似卡钳的设计对来电池进行固定和调整电池的位置，例如只挂载两块电池时，是在机体的前后各挂载在一块电池，并利用卡钳将电池固定在卡钳上，而卡钳是固定在机体的卡钳轨道上的，再将卡钳在机体的卡钳轨道上进行左右的移动来调整机体的重心，最终让机体平衡，多块的装载原理也是同理的。

底板34上还设有机壳47，底板34上对应于4个旋翼1位置均设置为缺口，缺口可减轻重量，同时避免与旋翼电机发生干涉。

本发明通过姿态调节机构向多级齿轮传动机构传动，由于多级齿轮传动机构能够切换末级齿轮20与同组旋翼轴2上旋翼轴齿轮18的啮合方式，从而能够实现各旋翼1姿态独立调节以及多个旋翼1姿态同时调节，旋翼1姿态调节十分灵活，能够整体组合出无人机的各种飞行姿态。本发明是通过调整旋翼1的角度来改变无人机的飞行姿态，这与现有技术依靠转速或推力来改变各个分力的大小来改变无人机的运动在机理上有着本质的不同。

本发明的旋翼轴2被限制在90°范围内转动，从而能够将旋翼1调整在分别对应飞行或行走状态时的水平或竖直姿态。水平或竖直姿态通过姿态调节机构连续调整旋翼1角度自然形成，无需停机进行切换，实现了飞行与行走工作模式的无缝切换。同时，由于旋翼1为轮式旋翼1，不仅能够飞行，同时也能在路面上进行滚动以实现无人机陆地行走，与现有技术需单独设置行走轮相比，大大简化了结构，同时减轻了无人机重量。

参考图4与图5所示， 旋翼电机通过托座38固定在旋翼轴2上；旋翼电机定子36底部设有螺钉孔，托座38上设有与螺钉孔对应的同轴通孔，从而通过依次伸入所述通孔与螺钉孔的螺钉39将旋翼电机固定在托座3838顶面；旋翼轴2伸入托座38内，并通过销钉41与托座38固定。旋翼轴2伸入托座38顶面的半圆形凹槽内或托座38内部的圆孔内。旋翼轴齿轮18通过键40与旋翼轴2传动连接，旋翼轴2内端外表面车制螺纹，并通过螺母19将旋翼轴齿轮18压紧固定，避免旋翼轴齿轮18在旋翼轴2上滑动。螺母35将旋翼1固定在带有螺纹轴的旋翼电机上（可变速电机），再通过键42与旋翼电机轴传动。

还包括伸入托座38顶面的半圆形凹槽内或托座38内部的圆孔内并与旋翼轴2同轴设置的支撑轴9；支撑轴9一端与托座38转动连接，另一端通过铆钉10与机架杆48固定连接；机架杆48通过支座固定在底板34上。

参考图6至图8所示， 在旋转限位机构51的限位作用下，旋翼轴2到正反转到达90°后，便被限制转动，同时由于旋翼轴齿轮18为不完全齿轮，当末级齿轮20带动旋翼轴齿轮18旋转90°后，便失去啮合，停止传动，从而避免旋翼轴2继续转动而导致旋转限位机构与限位支座7之间发生较大的相互作用而损坏。

旋转限位机构51包括固定套接在旋翼轴2上的套环，旋翼轴2通过套环与限位支座7上的弧形槽转动连接；套环上设有夹角为90°的扇形限位件511；弧形槽两侧的限位支座7顶面位于同一高度，并且与旋翼轴2的轴线等高，从而使得旋翼轴2正反转90°时均能通过扇形限位件511的侧面与限位支座7顶面的配合恰好被限位。

控制器中配置有姿态调整控制程序，用于控制姿态调整速度与姿态调整角度以及控制中心电机31持续转动以阻抗旋翼1的水平或竖直姿态的改变。当切换到竖直姿态后，即使在外力作用下旋翼轴2反向转动，由于中心电机31持续转动，从而带动多级传动机构持续传动，尤其是末级齿轮20正向转动，那么就能将旋翼轴2复位，从而阻抗旋翼1姿态的改变；当切换到水平姿态后，反之亦然。

如图9所示，4个旋翼1均为水平姿态时，对应飞行状态；如图10所示，4个旋翼1均为竖直姿态时，对应行走状态。

本发明陆空无人机采用的是四旋翼类小车设计，其中的四个旋翼之间没有联系，是单独存在的，四个旋翼之间是通过中间的姿态调节机构来分别控制四个旋翼1的转动，而可变速设计是通过机体中间的次级与初级传动轴上的不同齿轮之间的啮合情况来控制的。这样设计的优点有，不仅是陆空无人机能够在地面和空中工作的关键，而且因为可以单轴转动，所以可以在空中和在陆地巧妙的通过改变旋翼的角度来通过障碍，并且因为可以改变转动的速度，所以可以实现在高速运动的情况下快速的进行改变旋翼的角度，而不需要减速后再进行旋翼的转动，能在面对复杂的环境下，快速的做出相应的姿态调节，通过障碍，提高陆空无人机在实际环境中的应变能力。

Claims (10)

1.一种陆空两栖无人机，包括底板、4个旋翼与用于带动对应旋翼旋转的4个旋翼电机，其特征在于：旋翼的旋叶固定在其外接圆环上形成轮式旋翼；底板中央固定安装有姿态调节机构；姿态调节机构包括中心电机，中心电机的输出轴为中心轴，中心轴两侧对称设有多级齿轮传动机构，中心电机的动力通过中心轴上的中心齿轮同时传递给两侧的多级齿轮传动机构；

姿态调节机构两侧分别设有平行于中心轴的一组同轴的旋翼轴；旋翼轴中部通过限位支座支撑在底板上，并且旋翼轴通过旋转限位机构与限位支座转动连接，使得旋翼轴被限制在90°范围内转动；旋翼电机固定连接在旋翼轴外端，旋翼轴内端传动连接有旋翼轴齿轮；旋翼轴齿轮为只在圆周的1/4圆弧上有齿的不完全齿轮；

多级传动机构的末级传动轴能够轴向滑移以切换末级齿轮与同组旋翼轴上旋翼轴齿轮的啮合方式，啮合方式包括同时与两个旋翼轴齿轮啮合以及单独与两个齿轮分别啮合，从而带动旋翼轴转动以调节旋翼姿态，并且配合旋转限位机构能够将旋翼锁定在分别对应飞行或行走状态时的水平或竖直姿态。

2.根据权利要求1所述的陆空两栖无人机，其特征在于：旋翼电机通过托座固定在旋翼轴上；旋翼电机定子底部设有螺钉孔，托座上设有与螺钉孔对应的同轴通孔，从而通过依次伸入所述通孔与螺钉孔的螺钉将旋翼电机固定在托座顶面；旋翼轴伸入托座内，并通过销钉与托座固定。

3.根据权利要求2所述的陆空两栖无人机，其特征在于：旋翼轴伸入托座顶面的半圆形凹槽内或托座内部的圆孔内。

4.根据权利要求3所述的陆空两栖无人机，其特征在于：还包括伸入托座顶面的半圆形凹槽内或托座内部的圆孔内并与旋翼轴同轴设置的支撑轴；支撑轴一端与托座转动连接，另一端与机架杆固定连接；机架杆通过支座固定在底板上。

5.根据权利要求1所述的陆空两栖无人机，其特征在于：所述旋转限位机构包括固定套接在旋翼轴上的套环，旋翼轴通过套环与限位支座上的弧形槽转动连接；套环上设有夹角为90°的扇形限位件；弧形槽两侧的限位支座顶面位于同一高度，并且与旋翼轴的轴线等高，从而使得旋翼轴正反转90°时均能通过扇形限位件侧面与限位支座顶面的配合恰好被限位。

6.根据权利要求1所述的陆空两栖无人机，其特征在于：多级齿轮传动机构包括初级传动轴、次级传动轴与末级传动轴；所述初级传动轴上同时传动连接有第一大齿轮与第一小齿轮；第一小齿轮与中心齿轮啮合以带动次级传动轴转动以及第一大齿轮转动；次级传动轴上设有第二大齿轮与第二小齿轮，次级传动轴能够轴向滑移以切换与初级传动轴上齿轮的啮合状态，从而改变传动转速；末级传动末级齿轮与第二大齿轮保持啮合状态，从而输出不同的转速给旋翼轴齿轮。

7.根据权利要求1所述的陆空两栖无人机，其特征在于：初级传动轴、次级传动轴与末级传动轴均通过支座支撑在底板上，并通过轴承与支座转动连接；次级传动轴与末级传动轴均通气压缸实现轴向滑移。

8.根据权利要求1所述的陆空两栖无人机，其特征在于：底板前后端对称设有电池盒，并且前后端均并排设有至少两个电池盒。

9.根据权利要求1所述的陆空两栖无人机，其特征在于：底板上还安装有电路板与控制器，控制器中配置有姿态调整控制程序，用于控制姿态调整速度与姿态调整角度以及控制中心电机持续转动以阻抗旋翼的水平或竖直姿态的改变。

10.根据权利要求1所述的陆空两栖无人机，其特征在于：底板上对应于4个旋翼位置均设置为缺口。