CN111661316B - 一种具备地形自适应起降和行走功能的变体六旋翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备地形自适应起降和行走功能的变体六旋翼无人机，涉及六旋翼无人机领域，能够在复杂地形下稳定起降落，且能在地面上移动。本发明包括：安装平台、控制盒、旋翼、支臂。沿安装平台的两侧边对称安装六个支臂，支臂具有三段两个关节，支臂上安装旋翼。安装平台上控制盒连接并控制旋翼、支臂，并通过距离传感器、角度传感器回传数据自主智能调节飞行器落地姿态和坐标。本发明的设计特点在于集成了机身和起落架，并具有智能自主降落控制系统，同时利用六足仿生结构设计，提高无人机着陆时复杂地形适应能力，以及额外的行走能力，拓宽无人机的应用前景。

Description

一种具备地形自适应起降和行走功能的变体六旋翼无人机

技术领域

本发明涉及六旋翼无人机领域，尤其涉及一种具备地形自适应起降和行走功能的变体六旋翼无人机。

背景技术

多旋翼无人机的应用范围涉及到日常生活的各个方面，特别是由于其突出的小巧、方便易于操作的特点，其应用场合也越来越宽泛。然而随着应用场合的多样化，多旋翼无人机的续航能力，复杂地形起降能力被提出了更高的要求。

传统的橇式或者轮式起落架的多旋翼无人机对起降地面要求较高。由于缺乏地形自适应的能力，在复杂地面进行起降时，往往需要操控人员根据经验和操控技术额外进行调控，大大增加起飞难度，当操作人员视线受阻无法得到多旋翼无人机的起降的地面信息时，甚至常会发生无人机无法降落或者侧翻损坏的事故。

为了解决地形自适应的问题，现有技术提供了如下方案：中国专利，公开号为CN209274889U的《一种植保无人飞机复杂地形自适应起落架》中提出了一种采用四根独立伸缩的杆结构作为无人机起落架的地形自适应方案。但是由于自适应起落架的自由度不高，每个支腿只能改变着足端落点的高度，而不能改变足端落点的平面位置。同时，四足结构在某一足悬空时稳定性比较差。

中国专利，公开号为CN106043673A的《一种可在任意地形降落的无人机》中提出了一种通过支撑杆与机体连接的固定环作为无人机的起落架。该发明的固定环与地面是线接触，能够适应的地形情况有限。对于地面斜度较大，不平整度较大的地形仍然不能适应，并且无法保证机体在不平整地形下处于水平姿态，不利于无人机起飞降落。并且，对于上述发明而言，为了满足地形自适应的要求，自适应起落架结构往往比较复杂，结构重量较大，而无人机的重量增加会大大缩短其续航能力。另一方面，常规的多旋翼无人机只能通过飞行或者人为移动改变空间位置，在诸如矿井，地道等具有狭小探索空间的应用场景，时常会出现飞行需要的空间得不到满足的情况，无人机难以继续行进，完成飞行任务。综上，现有技术中的多旋翼无人机，地面自适应能力较薄弱、智能性低、对操作人员的依赖性强，不具有自主稳定降落的能力且对飞行空间要求较高，无法满足狭小空间内的应用场景。

发明内容

本发明提供一种具备地形自适应起降和行走功能的变体六旋翼无人机，能够在远离操作人员视线的复杂地形下自主稳定起降落，且能在地面上移动。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具备地形自适应起降和行走功能的变体六旋翼无人机，包括：安装平台、控制盒、旋翼、支臂。安装平台为轴对称图形，沿安装平台的两侧边对称安装六个支臂，支臂具有三段两个关节，支臂上安装旋翼。安装平台上还设置控制盒，控制盒连接并控制旋翼、支臂。

支臂能够收起或展开，展开时的支臂模仿蜘蛛的腿部结构，通过三个关节增强支臂的自适应性能。并且六足结构具有很强的稳定性，在行走和自适应着陆时能满足主机身结构的稳定性，使其能在凹坑，斜坡等各类复杂地形起降，或实现行走功能。

旋翼安装在支臂上，使得整机集成度高，结构重量轻，减轻了负载，也一定程度上提高了无人机的续航能力。

进一步的，支臂包括第一骨节、第二骨节、第三骨节、舵机、角度传感器、距离传感器。安装平台、第一骨节、第二骨节、第三骨节依次活动连接，连接处均设置舵机。在第一骨节和第二骨节的连接处设置角度传感器，第二骨节和第三骨节的连接处设置距离传感器。

舵机用于调节各关节处的偏转角，通过关节处的舵机控制，扩大了支臂的运动范围，从而满足无人机的运动需求。

进一步的，安装平台和第一骨节连接处的自由度为摆动自由度；第一骨节和第二骨节，第二骨节和第三骨节之间的自由度为转动自由度。

进一步的，旋翼包括桨叶、旋翼电机、旋翼安装平台、连杆、齿轮轴、传输齿轮、齿轮盘。旋翼电机的输出轴上安装桨叶，旋翼电机设置在旋翼安装平台上，旋翼安装平台底部连接连杆，连杆底部设置通孔，齿轮轴和第二骨节固定连接，齿轮轴穿过连杆上的通孔和连杆固定连接，齿轮轴顶部的齿和齿轮盘啮合，传输齿轮安装在第二骨节上，第一骨节上安装齿轮盘，齿轮盘和传输齿轮啮合。

进一步的，在第三骨节的末端固定连接足垫。

进一步的，足垫为半球形，且采用橡胶材料制作，既保证了支臂着地时受力点的稳定性，又能为行走和起降提供额外的缓冲能力，增强支臂着陆和行走时的稳定性。

进一步的，控制盒包括舵机控制器和旋翼电机控制器，处理操控信号以及传感器信号，通过PID控制调节舵机角度和旋翼电机转速，控制系统具有自主识别地形参数，智能调节降落位置与着地姿态的能力。

本发明的有益效果是：

本发明采用模仿蜘蛛腿的六足结构，在起降过程中增加了着陆点可选的空间范围，增强了无人机的地形适应能力；

本发明采用舵机控制支臂的各个关节，使其可以收缩或者展开，使得无人机同时具备飞行，行走及地形起落自适应的能力，拓展了无人机的功能范围；

本发明采用齿轮间的配合，使得旋翼平面在支臂转动时不发生偏转，一体多用实现起落架和机体高集成度设计，减轻结构重量，增加无人机续航时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是实施例中无人机收起状态示意图；

图2是实施例中无人机伸展状态示意图；

图3是无人机在障碍模型上的着陆示意图；

图4是旋翼的局部结构示意图。

其中，1-安装平台、2-控制盒、3-旋翼、31-桨叶、32-旋翼电机、33-旋翼平台、34-连杆、35-齿轮轴、36-传输齿轮、37-齿轮盘、4-支臂、41-第一骨节、42-第二骨节、43-第三骨节、44-足垫、45-舵机、46-角度传感器、47-距离传感器。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例提供一种具备地形自适应起降和行走功能的变体六旋翼无人机，如图1所示，包括：安装平台1、控制盒2、旋翼3、支臂4。安装平台1为长方体，在安装平台1的宽边上对称安装六个支臂4，支臂4上安装旋翼3。

支臂4包括第一骨节41、第二骨节42、第三骨节43、舵机45、角度传感器46、距离传感器47。

安装平台1、第一骨节41、第二骨节42、第三骨节43依次活动连接，连接处均设置舵机45，舵机45可偏转角度为180度。在第一骨节41和第二骨节42的连接处设置角度传感器46，第二骨节42和第三骨节43的连接处设置距离传感器47。

安装平台1和第一骨节41连接处的自由度为摆动自由度；第一骨节41和第二骨节42，第二骨节42和第三骨节43之间的自由度为转动自由度。由于支臂4模仿的蜘蛛足，这三个运动关节分别模拟的是髋关节、膝关节和踝关节，旋翼3安装在膝关节处。

旋翼3包括桨叶31、旋翼电机32、旋翼安装平台33、连杆34、齿轮轴35、传输齿轮36、齿轮盘37。旋翼电机32采用无刷电机，其输出轴上安装桨叶31，旋翼电机32设置在旋翼安装平台33上，旋翼安装平台33底部连接连杆34，连杆34底部设置通孔，齿轮轴35和第二骨节42固定连接，齿轮轴35穿过连杆34上的通孔和连杆34固定连接，齿轮轴35顶部的齿和齿轮盘37啮合，传输齿轮36安装在第二骨节42上，第一骨节41上安装齿轮盘37，齿轮盘37和传输齿轮36啮合。

安装平台1上设置控制盒2，包括舵机控制器和旋翼电机控制器，均采用PID控制，旋翼电机控制器连接并控制旋翼3、支臂4。

本实施例主要分为三个工作状态：飞行状态、降落状态、行走状态。

无人机在飞行状态时的状态如图1所示，由旋翼电机32驱动六个桨叶31给无人机提供动力。控制盒2中的舵机控制器发送指令控制支臂4上的各个舵机45转动，使各支臂4收起，紧贴在机身下方并保持该姿态。这样的位姿使得无人机的重量更加集中，方便无人机做飞行机动动作，提高无人机的飞行性能。

在支臂结构变化时，旋翼平面仍然能够保持水平，如图4所示。当第二骨节42绕前面的关节顺时针转动时，由于牵连运动，安装在第二骨节42的旋翼平台33也有顺时针转动的趋势，同时由于齿轮轴35、传输齿轮36、齿轮盘37的啮合，使得旋翼平台33有相对于第二骨节42逆时针的转动趋势，牵连运动与相对运动产生的角位移相互抵消，使得平台的角度不发生变化，从而保持水平。

无人在接近目标位置时转为着陆状态，示意图如图2所示。无人机在达到任务地点需要降落时，在目标位置上空，旋翼电机33减速使无人机缓慢下降。距离传感器47测量无人机与地面的距离，将数据传送给控制盒2，控制盒2确定六个合理的着陆点，并根据着陆点计算着落时各支臂的目标关节角度。通过角度传感器46测量当前时刻各个关节角度，通过舵机45驱动各关节转动，再将转动后关节间的角度数据传送给控制盒3，与目标关节角度进行比对，当控制盒3确定各关节角度达到目标角度后将电机锁死，使机身保持该姿态着陆。着落时，六个足端同时接触到地面，保证了机身的平稳。无人机在崎岖不平的模型上着陆的示意图如图3所示。

并且，足垫44采用半球形设计，使得第三骨节43与接触面任意角度着地时，都能保证稳定的受力点，足端只收到地面法向力，不会受到额外的力矩。在无人机着陆后，如果因为某种原因，例如：某只足端接触点的石块滚落；或者地面是松软草地，某只足端落在了表面难以识别的小凹坑，使得该只足处于悬空状态，此时剩余五只足仍然能够保证机体的重心落在稳定区域内，保证了机体的稳定。

无人机在着陆后，如果要在狭小难以飞行的场合工作，如矿坑内搜寻任务，就转为行走状态。无人机的着陆之后，旋翼电机32锁死，桨叶31停止工作。六个支腿的总共18个舵机45驱动各支臂运动。每个支臂有三个自由度，可以保证六足结构平稳地完成模仿蜘蛛的爬行前进模式。

无人机结构变化为伸展状态，进入行走运动模式时，六个支臂分为两个工作组，每个工作组由安装平台1一侧的最前支臂，和另一侧靠后两个支臂组成，两个运行组交替运行。这样保证每个工作组运行时，都有三足接地组成一个稳定的三角形支架结构。

本发明的有益效果是：

无人机通过结构变化，使得支臂同时也承担起落架地形自适应和行走的功能。行走模式模仿蜘蛛腿的六足结构，通过各个关节协调作动，在起降过程中增加了着陆点可选的空间范围，增强了无人机的地形适应能力，转动关节也在很大程度上满足支臂对斜坡和凹坑等地面的适应能力，即使对于难以满足的地面调节，也可以通过摆动关节进行合理的规避。在无人机的降落过程中，无需人员现场操作，六旋翼无人机具有一定的智能，能够自主进行降落到达任务目标位置。本发明采用舵机控制支臂的各个关节，使其可以收缩或者展开，使得无人机同时具备飞行，行走及地形起落自适应的能力，拓展了无人机的功能范围；

本发明采用齿轮间的配合，使得旋翼平面在支臂转动时不发生偏转，当机体起降发生结构变化时，能够通过齿轮结构修正自身角度保持旋翼平面水平，升力角度不发生变化，为机身变体提供了前提。

本发明一体多用实现起落架和机体高集成度设计，减轻结构重量，增加无人机续航时间。

本发明具有智能控制系统，具有自动控制所述六旋翼无人机盲降的能力，相较于手动操控智能控制降落更加安全，也降低使用门槛，增强了所述多旋翼无人机的市场潜力。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种具备地形自适应起降和行走功能的变体六旋翼无人机，其特征在于，包括：安装平台（1）、控制盒（2）、旋翼（3）、支臂（4）；

安装平台（1）为轴对称图形，沿安装平台（1）的两侧边对称安装六个支臂（4），支臂（4）具有三段两个关节，支臂（4）上安装旋翼（3）；

安装平台（1）上还设置控制盒（2），控制盒（2）连接并控制旋翼（3）、支臂（4）；

所述支臂（4）包括第一骨节（41）、第二骨节（42）、第三骨节（43）、舵机（45）、角度传感器（46）、距离传感器（47）；

所述安装平台（1）、第一骨节（41）、第二骨节（42）、第三骨节（43）依次活动连接，连接处均设置舵机（45）；

在第一骨节（41）和第二骨节（42）的连接处设置角度传感器（46），第二骨节（42）和第三骨节（43）的连接处设置距离传感器（47）；

其中，所述旋翼（3）包括桨叶（31）、旋翼电机（32）、旋翼安装平台（33）、连杆（34）、齿轮轴（35）、传输齿轮（36）、齿轮盘（37）；

旋翼电机（32）的输出轴上安装桨叶（31），旋翼电机（32）设置在旋翼安装平台（33）上，旋翼安装平台（33）底部连接连杆（34），连杆（34）底部设置通孔，齿轮轴（35）和第二骨节（42）固定连接，齿轮轴（35）穿过连杆（34）上的通孔和连杆（34）固定连接，齿轮轴（35）顶部的齿和齿轮盘（37）啮合，传输齿轮（36）安装在第二骨节（42）上，第一骨节（41）上安装齿轮盘（37），齿轮盘（37）和传输齿轮（36）啮合。

2.根据权利要求1所述的一种具备地形自适应起降和行走功能的变体六旋翼无人机，其特征在于，所述安装平台（1）和所述第一骨节（41）连接处的自由度为摆动自由度；所述第一骨节（41）和所述第二骨节（42），所述第二骨节（42）和所述第三骨节（43）之间的自由度为转动自由度。

3.根据权利要求1所述的一种具备地形自适应起降和行走功能的变体六旋翼无人机，其特征在于，在所述第三骨节（43）的末端固定连接足垫（44）。

4.根据权利要求3所述的一种具备地形自适应起降和行走功能的变体六旋翼无人机，其特征在于，所述足垫（44）为半球形，且采用橡胶材料制作。

5.根据权利要求1所述的一种具备地形自适应起降和行走功能的变体六旋翼无人机，其特征在于，所述控制盒（2）包括舵机控制器和旋翼电机控制器，均采用PID控制方法。

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