CN112549886A - 一种适用于多地形且具有行走功能的两栖六旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于多地形且具有行走功能的两栖六旋翼飞行器，涉及多旋翼飞行器技术领域，能在复杂地形下自适应起降和行走。本发明包括：中央平台、控制盒、支臂、旋翼。沿中央平台对称布局安装各个支臂，支臂和旋翼配合安装成组合支臂。本发明模块化了旋翼自主收放机构和起落架支臂，且具有复杂地形稳定行走功能。同时利用旋翼收放装置的机构设计，使旋翼水平倾转和支臂运动解耦，实现了地形自适应起降，充分满足其两栖设计需求，拓展了多旋翼的应用前景。

Description

一种适用于多地形且具有行走功能的两栖六旋翼飞行器

技术领域

本发明涉及多旋翼飞行器技术领域，尤其涉及一种适用于多地形且具有行走功能的两栖六旋翼飞行器。

背景技术

多旋翼飞行器由于其操作简单，控制灵活等优势，在军用、民用等多个领域均得到了广泛应用，在军事侦察，应急救援等方面具有极大的发展前景。但随着多旋翼飞行器的迅速发展，使用要求不断提高。为了使其具备更好的环境适应性，满足其两栖的设计要求，保证地面移动时的灵活性以及空中飞行的轻便性，多旋翼飞行器的构型变换成为未来飞行器的研究重点

目前传统无人机的构型相对固定，对复杂地形的适应性较差，且不具有地面移动能力。仅有的一些陆空两栖飞行器其构型变换也主要通过人为手段进行干预，其自动化、智能化水平低，无法实现完全自主运行。本发明通过模块化旋翼收放结构和起落架支臂，并融合仿生结构设计，可以满足在复杂地形下完成自适应起降和复杂地形稳定行走功能。

针对提出的适用于多地形的可行走模块化六旋翼飞行器和现有专利进行对比。专利号为CN108583181A的《可变形陆空两栖无人机》提出了一种采用电机驱动齿轮带动机架旋转的变形方案，但是该发明中起落架采用弧形设计，着陆时与地面是线接触，在复杂地面条件下甚至是点接触，易造成无人机的侧翻。且切换至滚动行走状态时，由于其结构为类桶状设计，对地面平整度要求较高，在斜坡等复杂地形下易造成无人机的失衡，行走功能具有一定的局限性。本发明的起落架为六个仿生设计的模块化支臂，每个支臂为3个自由度，可以较大幅度的调整落点，能够在着陆时保证机体的平稳，且行走时为仿机器人行走姿态，对地面平整度要求较低。专利号为CN109592025的《多旋翼无人机飞行器，套件及其可折叠旋翼组件》提出了一种蜗杆驱动的旋翼自主折叠方式，有较好的可折叠性。但是该方案仍局限于传统无人机构型，不具有地形自适应能力与行走功能，极大的限制了其应用场景。本发明采用的模块化设计在兼顾折叠性的同时还具有良好的地形自适应能力。

对于上述发明而言由于需满足多地形行走和起降的要求，需兼顾折叠性和地形适应性，传统无人机构型往往难以满足上述条件，且两栖无人机结构往往较为复杂，结构重量大，无人机的重量增加会大大缩短其续航能力。本发明创新性的提出了一种两栖六旋翼飞行器，通过模块化旋翼收放机构和起落架支臂，在满足上述需求的同时有效的减少了结构质量，提高了无人机的续航时间。

另一方面，由于目前陆空两栖飞行器的构型转换自动化程度不高，在应急救援等紧急情况下无法实现完全自主运行，难以满足其使用需求。

发明内容

本发明提供一种适用于多地形且具有行走功能的两栖六旋翼飞行器，能够完全自主切换地面行走与空中飞行姿态，智能化程度较高，对环境有较高适应性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于多地形且具有行走功能的两栖六旋翼飞行器，包括：安装平台、控制盒、组合支臂。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所述组合支臂，安装平台上还设置控制盒，控制盒连接并控制所述组合支臂。所述组合支臂包括旋翼和支臂，支臂具有三段两个关节，旋翼一端连接支臂的底脚，另一端连接支臂，支臂展开时，旋翼张开；支臂收起时，旋翼折叠进支臂内的空间，随支臂收起。

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，用于驱动关节活动。

展开时的支臂模仿蜘蛛的腿部结构，通过三个关节可以较大范围的调整落点，增强支臂的自适应性能，能够保证飞行器在行走和起降时具有良好的稳定性，能够降落在凹坑，斜坡等各类复杂地形。

第一骨节和第二骨节的连接处设置角度传感器，通过角度测量获得支臂位姿；第二骨节和第三骨节的连接处设置距离传感器，用于采集支臂距地高度信息。

进一步的，旋翼包括桨叶、旋翼电机、旋翼安装平台、滑块、丝杠、丝杠电机。丝杆电机安装在第三骨节的底脚内侧，丝杆电机连接并驱动丝杠，丝杆另一端连接滑块。旋翼安装平台为长条形，底部设置凹槽，滑块设置在旋翼安装平台底部的凹槽中。旋翼安装平台一端设置旋翼安装平台，另一端和第二骨节活动连接，旋翼安装平台上设置旋翼电机，旋翼电机的输出轴上安装桨叶。

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，第三骨节底脚外侧设置挡片，保证飞行器着陆后旋翼能保持与着陆支腿重叠，避免因为旋翼横向与着陆支腿交错，进而在行走时发生与其它支腿的碰撞。

进一步的，第三骨节的底脚处固定连接足垫，在保证支臂着地稳定性的同时，又能为行走和起降提供额外的缓冲减震能力。

进一步的，足垫为半球形，采用橡胶材料制作。

进一步的，控制盒采用PID控制方法，控制舵机、丝杠电机、旋翼电机。通过PID控制调节舵机角度，旋翼电机转速和丝杆行程。

本发明的有益成果是：

本发明支臂和旋翼配合安装成了组合支臂，旋翼能够根据工况选择收起或展开，实现飞行或者爬行，完全自主的切换地面行走与空中飞行姿态；

本发明采用仿生结构设计，通过三关节结构，在起降过程中较大程度的增加了着陆点调整范围，增强了无人机的地形自适应能力；

本发明采用舵机控制支臂的各个关节，使其可以自由收缩或者展开，使得多旋翼飞行器具备陆空两栖功能，并能充分完成复杂地形自适应，拓展了无人机的功能范围；

本发明采用丝杆驱动旋翼安装平台，通过连杆机构使得旋翼平面在支臂适应地形转动时不发生偏转，实现起落架和旋翼的高集成度模块化设计，减轻整机的结构重量，增加了无人机续航时间。

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是实施例中着陆状态示意图；

图2是实施例中飞行状态示意图；

图3是实施例中在复杂地形降落的示意图。

其中，1-中央平台、2-控制盒、3-旋翼、4-支臂、31-桨叶、32-旋翼电机、33-旋翼安装平台、34-滑块、35-丝杆、36-丝杆电机、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-挡片、48-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。

本发明实施实例提供一种适用于多地形且具有行走功能的两栖六旋翼飞行器，如图1、2所示，包括：中央平台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所述组合支臂，安装平台1上还设置控制盒2。

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。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48。

旋翼3包括桨叶31、旋翼电机32、旋翼安装平台33、滑块34、丝杆35、丝杆电机36。丝杆电机36安装在第三骨节43末端，丝杆35由丝杆电机36驱动，丝杆35另一端连接滑块，滑块34可以在旋翼安装平台33底部的滑槽中自由滑动，旋翼安装平台33的另一端与第二骨节42活动连接，由滑块34带动旋翼安装平台33进行姿态调整，旋翼电机32安装在旋翼安装平台33上，旋翼电机32的输出轴上安装桨叶31。

上述装置组成的旋翼收放机构，使得旋翼平面不会随着支臂4偏转而发生改变，使旋翼平面与支臂4偏转解耦，为自适应地面条件降落提供了前提，且使得旋翼3不会干涉地面行走。

中央平台1和第一骨节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。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。

飞行器通过结构变化，使得支臂同时承担起落架地形自适应和行走的功能。行走模式支臂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，增强了飞行器的地形适应能力，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。

控制盒2包括舵机控制器，旋翼电机控制器和丝杆电机控制器，采集传感器数据并发出控制信号，通过PID控制调节舵机角度，旋翼电机转速和丝杆行程。上述控制器具有自主识别地形参数，具有调节飞行器着地姿态的能力。在飞行器的降落过程中，无需人员现场操作，本实施例具有一定的智能，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，使得飞行器同时具备飞行，行走及地形起落自适应的能力，拓展了飞行器的功能范围。

本实施实例共有两个工作状态，分别为飞行状态和地面状态。

无人机在飞行状态时如图1所示，丝杆35处于伸长状态并锁住，支撑旋翼安装平台33保持稳定且桨叶平面保持水平。旋翼电机32驱动桨叶31为飞行器提供动力。

降落时，由于丝杠35处于锁定状态，桨叶平面不会随着支臂的位姿改变而发生偏转。当第二骨节42向下偏转时，旋翼安装平台33通过丝杆35上升并保持角度，使得桨叶维持水平平面。

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。在飞行器着陆后，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。

无人在接近目标位置时转为着陆状态，示意图如图2所示。飞行器在达到任务地点需要降落时，在目标位置上空，旋翼电机32减速使飞行器缓慢下降。距离传感器48测量飞行器与地面的距离，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2，与目标关节角度进行比对，当控制盒2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。飞行器在崎岖不平的模型上着陆的示意图如图3所示。

飞行器在着陆后，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。飞行器的着陆之后，旋翼电机32锁死，桨叶31停止工作。六个支臂的总共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。

飞行器结构变化为地面状态，进入行走运动模式时，丝杠电机36带动丝杠35收缩，旋翼3收起。收起后的旋翼3收纳入支臂外侧的镂空空间内，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：

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，增加飞行器续航时间；

本发明采用智能控制系统，具有自动控制所述六旋翼飞行器盲降的能力，相较于手动操控智能控制降落更加安全，也降低使用门槛，增强了所述多旋翼飞行器的市场潜力。

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)

1.一种适用于多地形且具有行走功能的两栖六旋翼飞行器，其特征在于，包括：安装平台（1）、控制盒（2）、组合支臂；

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所述组合支臂，安装平台（1）上还设置控制盒（2），控制盒（2）连接并控制所述组合支臂；

所述组合支臂包括旋翼（3）和支臂（4），支臂（4）具有三段两个关节，旋翼（3）一端连接支臂（4）的底脚，另一端连接支臂（4）外侧的一点，支臂（4）展开时，旋翼（3）张开；支臂（4）收起时，旋翼（3）折叠进支臂（4）内的空间，随支臂（4）收起。

2.根据权利要求1所述的一种适用于多地形且具有行走功能的两栖六旋翼飞行器，其特征在于，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）；

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（48）。

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变体六旋翼无人机，其特征在于，旋翼（3）包括桨叶（31）、旋翼电机（32）、旋翼安装平台（33）、滑块（34）、丝杠（35）、丝杠电机（36）；

丝杆电机（36）安装在第三骨节（43）的底脚内侧，丝杆电机（36）连接并驱动丝杠（35），丝杆（35）另一端连接滑块（34）；

旋翼安装平台（33）为长条形，底部设置凹槽，滑块（34）设置在旋翼安装平台（33）底部的凹槽中；

旋翼安装平台（33）一端设置旋翼安装平台（33），另一端和第二骨节（42）活动连接，旋翼安装平台（33）上设置旋翼电机（32），旋翼电机（32）的输出轴上安装桨叶（31）。

4.根据权利要求2所述的一种适用于多地形且具有行走功能的两栖六旋翼飞行器，其特征在于，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。

5.根据权利要求2所述的一种适用于多地形且具有行走功能的两栖六旋翼飞行器，其特征在于，第三骨节（43）底脚外侧设置挡片（47）。

6.根据权利要求2所述的一种适用于多地形且具有行走功能的两栖六旋翼飞行器，其特征在于，第三骨节（43）的底脚处固定连接足垫（44）。

7.根据权利要求6所述的一种适用于多地形且具有行走功能的两栖六旋翼飞行器，其特征在于，足垫（44）为半球形，采用橡胶材料制作。

8.根据权利要求1所述的一种适用于多地形且具有行走功能的两栖六旋翼飞行器，其特征在于，控制盒（2）采用PID控制方法。

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