CN112027065A - 一种具备地形自适应起降和行走功能的四旋翼无人机 - 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四旋翼无人机，涉及四旋翼无人机领域，能够适应各类复杂地形，且具备行走能力。本发明包括：安装平台、控制盒、旋翼、支臂。旋翼安装平台的四个角处固连旋翼安装臂，旋翼安装臂的另一端设置电机连接并驱动旋翼。旋翼安装平台、控制盒、起落架安装平台沿竖直方向依次连接，起落架安装平台两侧对称安装六个支腿，支腿具有三段三关节，关节处设置电机并由所述电机驱动。起落架上设置距离传感器和角度传感器，控制盒连接并控制旋翼、支臂，并通过智能自主降落控制系统的设计，降低了降落操作的技术门槛。同时通过六足仿生设计，提高了无人机对复杂地形着陆的适应能力与行走能力，拓宽无人机应用前景。

Description

一种具备地形自适应起降和行走功能的四旋翼无人机

技术领域

本发明涉及四旋翼无人机领域，尤其涉及一种具备地形自适应起降和行走功能的四旋翼无人机。

背景技术

随着无人机的发展，因为其小巧、方便、易操作等特点，无人机被应用到越来越多的场合，例如植保、灾区搜寻、投放物资、矿井搜寻、秘密侦查。因为各类场合的地形多样，所以对无人机的地形适应能力提出了更高的要求。

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，现有技术中，能自适应地形的无人机设计少，专利号为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技术。但是这样的结构，每个支腿只能改变足端的落点高度，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。

专利号为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。

专利号为CN109204785A的《一种全地形自适应性无人机垂直起降起落架》中提出的全地形自适应起落架，其采用的承载块与地面是面接触，对地形的适应能力有限。并且每个承载柱只能在导轨上移动，可移动范围有限，所以落点选择有限。

综上，现有技术中的无人机不能在各类崎岖地形中自适应起降，起落稳定性待提高，且不具有地面行走功能。

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四旋翼无人机，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，拓展了无人机的功能范围。

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四旋翼无人机，包括旋翼、旋翼电机、旋翼安装臂、控制盒、旋翼安装平台、起落架、起落架安装平台、距离传感器、角度传感器。

旋翼安装平台是顶面为正方形的长方体，旋翼安装平台的四个角处固定连接旋翼安装臂，旋翼安装臂的另一端设置旋翼电机，旋翼电机的输出轴连接并驱动旋翼。旋翼安装平台、控制盒、起落架安装平台沿竖直方向依次连接，起落架安装平台上设置起落架。

起落架安装平台为长方体，沿起落架安装平台的两侧边对称安装六个起落架，起落架具有三段两关节，关节处设置电机并通过所述电机驱动，起落架和起落架安装平台活动连接，起落架上设置距离传感器和角度传感器，控制盒连接并控制所述电机、旋翼电机、距离传感器、角度传感器。

进一步的，起落架包括第一骨节、第二骨节、第三骨节、驱动电机。起落架安装平台、第一骨节、第二骨节、第三骨节依次活动连接，驱动电机设置在各个连接处。

进一步的，角度传感器设置在所述连接处。

进一步的，距离传感器设置在第二骨节末端底部。

进一步的，起落架的末端还设置足垫。

进一步的，足垫为半球形。

进一步的，足垫采用橡胶材料制作。

进一步的，控制盒包括电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控制调节电机角度和旋翼电机转速，控制器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，能够自主识别地面参数并完成智能降落。

本发明的有益效果为：

本发明采用模仿蜘蛛腿的六足结构作为无人机的起落架，每个起落架具有三个自由度，足端运动空间更大，落点更加灵活。起落架配合距离和角度控制器依据地貌调整合适的起降位姿，具有较强的地形适应能力。六足结构本身也具有更好的稳定性，即便在某一足悬空时，也能保证机体的稳定。

由于起落架的变形能力，起落架具备行走能力，在难以飞行的狭小空间中能够切换为行走模式，拓展了无人机的功能范围。

起落架与地面采用点接触方式，以任意角度着地时，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，对地形的斜度和不平整度适应能力更强。

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是本发明实施例的结构示意图；

图2是无人机的着陆示意图；

图3是无人机在执行矿井搜寻任务的工作阶段示意图。

其中，1-旋翼、2-旋翼电机、3-旋翼安装臂、4-控制盒、5-旋翼安装平台、6-起落架、61-第一骨节、62-第二骨节、63-第三骨节、64-驱动电机、65-足垫、7-起落架安装平台、8-距离传感器、9-角度传感器。

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。

一种具备地形自适应起降和行走功能的四旋翼无人机，如图1所示，包括旋翼1、旋翼电机2、旋翼安装臂3、控制盒4、旋翼安装平台5、起落架6、起落架安装平台7、距离传感器8、角度传感器9。

旋翼安装平台5是顶面为正方形的长方体，旋翼安装平台5的四个角处固定连接旋翼安装臂3，旋翼安装臂3的另一端设置旋翼电机2，旋翼电机2的输出轴连接并驱动旋翼1。旋翼安装臂3采用碳纤维材料，有足够的强度且重量较轻，减少了动力源的负担。

旋翼安装平台5、控制盒4、起落架安装平台7沿竖直方向依次连接，起落架安装平台7上设置起落架6。起落架安装平台7上除了控制盒4，还可以安装高能电池、GPS导航装置、微型摄像装置及其他拓展功能块。

起落架安装平台7为长方体，沿起落架安装平台7的两侧边对称安装六个起落架6，起落架6具有三段两个关节。起落架6包括第一骨节61、第二骨节62、第三骨节63、驱动电机64、足垫65。足垫65为半球形，采用橡胶材料制作。

起落架安装平台7、第一骨节61、第二骨节62、第三骨节63依次活动连接，驱动电机64和角度传感器9设置在各个关节处。第二骨节62末端底部还设置角度传感器9。

控制盒4包括电机控制器64、旋翼电机控制器2，均采用PID控制，距离传感器8、角度传感器9为控制盒提供实时的地面参数和支腿参数。

起落架6的设置模仿了蜘蛛的六足结构，包括六个支腿，每个起落架6包含三节骨节，采用了驱动电机64驱动，具有三个自由度，其中驱动电机64采用了伺服电机。

起落架6三节骨节的自由度从内至外分别是摆动自由度、转动自由度、转动自由度。通过三个伺服电机的配合控制，起落架6可以在较大范围内自由地选择足端着地点。伺服电机可以驱动各节骨节有足够大的转动角度，使各足端着地点可以有一定的高度差，因此避开一些凹坑等难以支撑的位置。

并且六足结构有足够的稳定性，当无人机停在地面时，如果遇到起落架某一只足端着地处的石块松动滚落，导致该足悬空，此时剩余五个起落架支足6仍然能够保证机体平稳地停在地面上。各起落架支足6足够的自由度以及整体的稳定性，使得六足结构可以具备在复杂地形的行走能力。

控制盒4加载了飞行控制系统和起落架控制系统。在无人机飞行状态时，控制盒4控制驱动电机64，将起落架6卷缩在机身下侧方便无人机做飞行机动动作。在无人机降落过程中，控制盒4接收距离传感器8传来的距离数据，计算得到起落架6目标着地点以及起落架6目标关节角度，然后驱动驱动电机64带动各支腿转目标位置，由角度传感器9将关节角度传送给控制盒4。控制盒4确定起落架6到达目标位姿时，驱动电机6锁死关节角度。最终使得无人机六足同时着地，保证了机身的平稳。

本发明实施例的工作状态包括飞行状态、降落状态、行走状态。无人机在飞行状态时，由旋翼电机2驱动旋翼1给无人机提供动力。在控制盒4中的指令控制起落架6各支腿的驱动电机64转动，使各起落架6收贴在机身下方并保持该姿态。这样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。

在接近目标位置时，无人机转为着陆状态，图2是无人机在崎岖不平的模拟地形上的着陆的示意图。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2减速使无人机缓慢下降。距离传感器8测量无人机与地面的距离，将数据传送给控制盒4，控制盒4确定六个合理的着陆点，并根据着陆点计算处各起落架6的关节夹角。通过角度传感器9实时测量各关节角度，通过驱动电机64驱动起落架6转动调整位姿。角度传感器9将角度数据传送给控制盒4，当控制盒4确定各关节角度达到目标数值后将电机锁死，使无人机保持适合起降的姿态着陆，因六个起落架6足端同时接触到地面，保证了机身的平稳。足垫64采用半球形设计，使得第三骨节63以与接触面任意角度着地时都能保证稳定的受力点，足端只受到地面法向力，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，某只起落架6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，此时剩余五只起落架6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。无人机着陆之后，旋翼电机2锁死，旋翼1停止工作。六个起落架6相互配合，模仿蜘蛛的爬行姿态前进。

如图3所示，是无人机在执行矿井搜寻任务的工作阶段示意图。无人机进入一个矿井执行搜寻任务，可以分为三个工作阶段：进入矿井阶段、矿井内狭小空间搜寻阶段，矿井内开阔空间搜寻阶段。

进入矿井阶段：无人机从矿井口附近起飞，以飞行模式进入矿井。到达矿井内后，无人机转为着陆状态，无人机减速后悬停在矿井内，驱动电机64改变起落架6关节夹角，使得飞机可以平稳地着陆在选定好的着陆点。

矿井内狭小空间搜寻阶段：着陆后，由于矿内空间狭小，无人机进入行走模式，旋翼1停止工作。控制盒4控制驱动电机64在矿内复杂的地形下以蜘蛛的爬行模式行走，完成搜寻任务。

矿井内开阔空间搜寻阶段：无人机重新起飞，在开阔空间中完成作业。

本发明的有益效果为：

本发明采用模仿蜘蛛腿的六足结构作为无人机的起落架，每个起落架具有三个自由度，足端运动空间更大，落点更加灵活。起落架配合距离和角度控制器依据地貌调整合适的起降位姿，具有较强的地形适应能力，在无人机的降落过程中，无需人员现场操作，四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。六足结构本身也具有更好的稳定性，即便在某一足悬空时，也能保证机体的稳定。

由于起落架的变形能力，起落架具备行走能力，在难以飞行的狭小空间中能够切换为行走模式，拓展了无人机的功能范围。

起落架与地面采用点接触方式，以任意角度着地时，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，对地形的斜度和不平整度适应能力更强。

本发明具有智能控制系统，具有自动控制所述四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 (8)

1.一种具备地形自适应起降和行走功能的四旋翼无人机，包括旋翼（1）、旋翼电机（2）、旋翼安装臂（3）、控制盒（4）、旋翼安装平台（5）、起落架（6）、起落架安装平台（7）、距离传感器（8）、角度传感器（9）；

旋翼安装平台（5）是顶面为正方形的长方体，旋翼安装平台（5）的四个角处固定连接旋翼安装臂（3），旋翼安装臂（3）的另一端设置旋翼电机（2），旋翼电机（2）的输出轴连接并驱动旋翼（1）;

旋翼安装平台（5）、控制盒（4）、起落架安装平台（7）沿竖直方向依次连接，起落架安装平台（7）上设置起落架（6）；

其特征在于，起落架安装平台（7）为长方体，沿起落架安装平台（7）的两侧边对称安装六个起落架（6），起落架（6）具有三段两关节，关节处设置电机并通过所述电机驱动，起落架（6）和起落架安装平台（7）活动连接，起落架（6）上设置距离传感器（8）和角度传感器（9），控制盒（4）连接并控制所述电机、旋翼电机（2）、距离传感器（8）、角度传感器（9）。

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四旋翼无人机，其特征在于，起落架（6）包括第一骨节（61）、第二骨节（62）、第三骨节（63）、驱动电机（64）；

起落架安装平台（7）、第一骨节（61）、第二骨节（62）、第三骨节（63）依次活动连接，驱动电机（64）设置在各个连接处。

3.根据权利要求2所述的一种具备地形自适应起降和行走功能的四旋翼无人机，其特征在于，角度传感器（9）设置于所述连接处。

4.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四旋翼无人机，其特征在于，距离传感器（8）设置在第二骨节（62）末端底部。

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四旋翼无人机，其特征在于，起落架（6）的末端还设置足垫（65）。

6.根据权利要求5所述的一种具备地形自适应起降和行走功能的四旋翼无人机，其特征在于，足垫（65）为半球形。

7.根据权利要求5所述的一种具备地形自适应起降和行走功能的四旋翼无人机，其特征在于，足垫（65）采用橡胶材料制作。

8.根据权利要求2所述的一种具备地形自适应起降和行走功能的四旋翼无人机，其特征在于，控制盒（2）包括电机控制器和旋翼电机控制器，均采用PID控制方法。

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