CN112550682A - 负表面着陆机构、旋翼无人机及其着陆与起飞方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负表面着陆机构、旋翼无人机及其着陆与起飞方法，所述着陆机构用于实现无人机在着陆面为负表面上的着陆与起飞，包括底座、支杆、顶座、基板、微刺阵列、驱动装置和复位组件等，基板的顶部设有高出无人机的背部最高点的微刺阵列，微刺阵列包括倾斜设置于基板上的多个微刺；通过基板在顶座上往复运动，实现微刺与粗糙/柔软负表面之间的结合与分离。本发明通过微刺结构与负表面的机械结合，使无人机着陆，解决了基于仿生干黏附材料的着陆方式不能在粗糙负表面着陆的问题，在一些需要无人机长时间悬停的任务中，可省去执行任务过程中维持无人机高度所需的能量，延长无人机的工作时间，可用于巡检、监控以及摄像等领域。

Description

负表面着陆机构、旋翼无人机及其着陆与起飞方法

技术领域

本发明涉及无人飞行器技术领域，具体涉及一种负表面着陆机构、旋翼无人机及其着陆与起飞方法。

背景技术

着陆是无人机安全自主飞行过程中最为重要的环节，现有微型飞行器一般着陆在地面上，着陆方式单一，这样的着陆方式限制了无人机的应用。对于需要长时间悬停的任务(例如会场拍摄、监控等)，如果无人机能够着陆在附近高处的负表面上，便可省去维持无人机高度需要的能量，能够延长无人机的工作时间。

现有提出的有望用于无人机在负表面着陆的方式有静电附着法，如参考文件1：Perching and takeoffofa robotic insect on overhangs using switchableelectrostatic adhesion[J].Science,2016,352(6288):978-982，M.A.Graule,P.Chirarattananon,S.B.Fuller,N.T.Jafferis,K.Y.Ma,M.Spenko,R.Kornbluh6,R.J.Wood；基于仿生干黏附材料的着陆起飞方法，如参考文件2：基于仿生干黏附材料的无人机及非水平表面着陆起飞方法，中国专利201910627348.6，何青松、徐显锐、霍凯、王朝阳等人。但是静电附着需要较大的电源模块，这违背了无人机轻量化的要求，不利于实际应用。基于仿生干黏附材料的着陆起飞方法在光滑的着陆面上可以稳定的着陆，但是对于粗糙着陆面，仿生干黏附材料与着陆面之间的有效接触面积大大降低。

在公开号为CN108583863B的中国专利中“一种具有壁面着陆与起飞功能的四旋翼飞行器”中，公开了一种连接在在旋翼机本体上的起落机构，起落机构包括连接架、支杆、支腿、U形的起落架、转轴、滑行轮、粘附机构、弹性元件、锁紧簧片等，需要旋翼飞行器翻转较小角度后，通过粘附装置来平衡四旋翼飞行器的重力，四旋翼飞行器本体变换姿态使其顶面贴近壁面，使四旋翼飞行器稳定着陆，其起落结构体积较大，结构和运行原理较复杂，且也是通过粘附原理与壁面吸附。

发明内容

技术目的：针对现有微型无人机着陆方式存在的技术问题，本发明提出了一种负表面着陆机构、旋翼无人机及其着陆与起飞方法，其可以实现无人机在粗糙负表面上稳定可靠的起飞和着陆。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

一种负表面着陆机构，用于实现无人机在着陆面为负表面上的着陆与起飞，其特征在于：包括底座、支杆、顶座、基板、微刺阵列、驱动装置和复位组件，通过底座将着陆机构安装在无人机的机身的背部，底座上设有机座和围绕机座均匀布置的多个支杆，驱动装置安装在机座上，各支杆的顶部固定连接顶座，顶座连接两块基板，基板的顶部设有高出无人机的背部最高点的微刺阵列，微刺阵列包括倾斜设置于基板上的多个微刺；通过驱动装置和复位组件使基板在顶座上往复运动，实现微刺与粗糙负表面之间的结合与分离。即基板由驱动装置驱动在顶座上移动，带动微刺阵列移动，实现无人机在负表面着陆时使微刺刺入负表面，复位组件用于使基板在外部驱动力消失后回到原位，实现无人机起飞时在微刺脱离负表面，

作为优选，所述顶座设有滑槽，滑槽的下方设有第一限位孔，滑槽的两端分别安装一块基板，两块基板上的微刺阵列中的微刺倾斜方向均朝向基板的内侧；各基板的底部设有与滑槽适配的滑轨，滑轨的下方设有第二限位孔，各基板的第二限位孔与顶座的第一限位孔位置相对；复位组件包括弹簧，弹簧的两端分别固定在位置相对的第一限位孔和第二限位孔内，弹簧的轴向与滑轨的滑动方向相同。

作为优选，所述驱动装置采用舵机，机座为舵机座，舵机设有转动角度可调的输出轴，输出轴的端部设有联轴器、线轴和拉线，拉线的一端缠绕在线轴上、另一端固定连接基板。

作为优选，所述基板的底部设有拉环，拉线的一端缠绕在线轴上，另一端系在拉环上，拉线采用刚性绳。

作为优选，所述着陆机构为对称结构，安装在无人机背部的中心位置，机座设置于底座的中心位置。

作为优选，所述微刺阵列采用刚性材料制成，用于刺入粗糙负表面并且在刺入着陆面后，承受无人机的重力且形变在预设范围内。

作为优选，所述负表面着陆机构还设有充电接口。

一种旋翼无人机，其特征在于：包括机身、旋翼、用于控制旋翼运行的旋翼电机以及所述负表面着陆机构，着陆机构的底座安装于机身的背部、基板高出旋翼的顶部，实现无人机在着陆面为负表面上的着陆与起飞。

作为优选，还包括无人机主控制器和遥控模块，着陆机构的着陆和起飞操作由遥控模块控制。

一种旋翼无人机的着陆与起飞方法，其特征在于，包括步骤：

旋翼无人机逐渐靠近粗糙负表面，直到微刺接触到粗糙负表面，舵机接收到控制信号，舵机输出轴转动，拉线拉动基板向内侧运动，弹簧压缩，微刺阵列中的微刺刺入粗糙负表面，无人机可着陆在粗糙负表面上；

起飞时，首先使舵机复位，压缩的弹簧复位，推动基板将微刺从粗糙负表面推出，同时启动旋翼的电机，旋翼无人机即可飞离粗糙负表面。

有益效果：本发明与现有技术相比具有如下技术效果：

本发明所述一种旋翼无人机在粗糙负表面的着陆方法，通过微刺结构与粗糙负表面的机械结合使无人机着陆，解决了基于仿生干黏附材料的着陆方式不能在粗糙负表面着陆的问题；在一些需要无人机长时间悬停的任务中，这一着陆方法可省去执行任务过程中维持无人机高度所需的能量，能够延长无人机的工作时间，可用于巡检、监控以及摄像等领域，具有一定的推广价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的可在粗糙负表面着陆的旋翼无人机整体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的无人机在粗糙负表面着陆示意图；

图3是本发明实施例提供的着陆机构的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的着陆机构的局部剖视图；

图5是本发明实施例提供的着陆机构的底座与舵机座的示意图；

图6是本发明实施例提供的着陆机构的顶座示意图；

图7是本发明实施例提供的着陆机构的基板示意图；

图中标号示意如下：1-1、旋翼无人机；1-2、着陆机构；2-1、微刺；2-2、粗糙负表面；4-1、底座；4-2、舵机；4-3、联轴器；4-4、线轴；4-5、弹簧；4-6、基板；4-8、拉线；4-9、顶座；4-10、支杆；5-1、舵机座；6-1、第一限位孔1；7-2、滑槽；7-1、第二限位孔2；7-3、拉环。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细描述。

实施例

本实施例以四旋翼无人机为例，提供了一种可在粗糙负表面(例如：粗糙的天花板表面)的着陆起飞机构，包括旋翼无人机、遥控模块和着陆机构，着陆机构设计为对称结构，安装在无人机背部的中心位置；遥控模块除控制无人机的飞行外，还存在着陆和起飞时控制着陆机构的动作。着陆机构包括支架、舵机、拉线、基板、微刺、拉线、线轴、弹簧，舵机固定在支架的中心位置，输出轴与线轴联接，拉线连接在两侧的基板和线轴之间，弹簧安装在基板和支架之间。着陆机构顶部的基板上有倾斜的微刺阵列，通过微刺阵列与粗糙负表面的结合和分离实现无人机的起飞和着陆。

整体结构示意图如图1所示，包括旋翼无人机1-1和着陆机构1-2，着陆机构2-2固定安装在无人机背部的中心位置，并且着陆机构的高度高于旋翼。

无人机着陆在粗糙负表面时的示意图如图2所示，着陆机构上的微刺2-1刺入粗糙负表面2-2，与负表面结合在一起以克服无人机的重力，使无人机着陆在负表面上。

结合图3至7进一步描述所述着陆机构1-2，着陆机构包括底座4-1、舵机4-2、联轴器4-3、线轴4-4、弹簧4-5、基板4-6、微刺2-1、拉线4-8、顶座4-9、支杆4-10。所述舵机4-2安装在底座4-4中心的舵机座5-1上；舵机4-2的输出轴通过联轴器4-3与线轴4-4联接并同步转动；所述线轴4-4通过拉线4-8与两侧的基板4-6连接；所述拉线4-8的一段缠绕在线轴4-4上，另一端系在基板4-6下方的拉环上7-3；基板4-6下方设有滑轨7-2，可在顶座4-9的滑槽6-2中往复滑动；所述基板4-6和顶座4-9分别设有用于安装弹簧4-5的第一限位孔6-1、第二限位孔7-1，并且弹簧4-5的轴向与滑轨7-2或滑槽6-2的方向相同；如图4所示，弹簧4-5安装在顶座4-9和基板4-6之间，弹簧4-5的一段固定在顶座4-9的第一限位孔6-1中，另一端固定在基板4-6的第二限位孔7-1中；所述微刺4-1镶嵌在基板4-6上方，并向内倾斜一定角度。

舵机4-2转动通过拉线4-8使基板4-6向内侧滑动，基板4-6上的微刺4-7刺入粗糙负表面，如图2所示，无人机便可着陆在粗糙负表面上。此外，基板4-6与顶座4-9之间的弹簧4-5被压缩。

无人机起飞时，首先使舵机4-2复位，基板4-6在弹簧4-5弹力的作用下向外侧滑动并使微刺4-7与粗糙负表面分离，启动电机即可使无人机从负表面起飞。

即基板与着陆机构的支架之间通过一个移动副连接，移动副中包括起复位作用的弹簧，通过舵机和弹簧使基板往复运动实现微刺与粗糙负表面之间的结合与分离。

本发明中，微刺具有一定的刚性，如不锈钢材料，以保证能够刺入粗糙负表面并且在刺入着陆面后承受无人机的重力而不发生过大的变形。本发明的着陆机构可以用于粗糙或柔软负表面，对粗糙表面无硬度要求，柔软表面的硬度应在一定范围内，既能使微刺阵列刺入，又能够承受无人机的重量而不脱落。连接基板和线轴之间的拉线为刚性绳，不可伸长和缩短，无人机着陆时，舵机通过拉线拉动基板向内侧运动，基板上的微刺刺入粗糙负表面，无人机便可悬挂在负表面上，起飞时舵机复位，在弹簧弹力的作用下，微刺脱离着陆面，无人机即可飞离粗糙负表面。

安装有着陆机构的旋翼无人机着陆和起飞方法如下：

无人机逐渐靠近粗糙负表面，直到微刺接触到负表面，给舵机发送信号使其转动一定角度，拉线会收卷到线轴上，线轴与拉环之间释放出的拉线长度缩短、收紧，拉动基板向内侧运动并使弹簧压缩，向内侧倾斜的微刺刺入粗糙负表面，无人机便可着陆在粗糙负表面上。

起飞时，首先使舵机复位，舵机输出轴反向旋转，线轴上的接线释放，弹簧失去外力压缩，压缩的弹簧推动基板将微刺从粗糙负表面推出，同时启动旋翼的电机，旋翼无人机即可飞离粗糙负表面。

作为本发明的进一步改进，无人机的着陆机构上还设有充电接口，在着陆到具有相应充电接口的负表面上时，可以给无人机充电。

本发明中的旋翼无人机，可以同时设置跟普通旋翼无人机的、用于正向水平面的着陆机构。无人机的着陆方式选择在正向水平表面或者负表面着陆。

最后有必要指出的是：以上所述仅是本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，对于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之内，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。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种负表面着陆机构，用于实现无人机在着陆面为负表面上的着陆与起飞，其特征在于：包括底座、支杆、顶座、基板、微刺阵列、驱动装置和复位组件，通过底座将着陆机构安装在无人机的机身的背部，底座上设有机座和围绕机座均匀布置的多个支杆，驱动装置安装在机座上，各支杆的顶部固定连接顶座，顶座连接两块基板，基板的顶部设有高出无人机的背部最高点的微刺阵列，微刺阵列包括倾斜设置于基板上的多个微刺；通过驱动装置和复位组件使基板在顶座上往复运动，实现微刺与粗糙负表面之间的结合与分离。

2.根据权利要求1所述的负表面着陆机构，其特征在于：所述顶座设有滑槽，滑槽的下方设有第一限位孔，滑槽的两端分别安装一块基板，两块基板上的微刺阵列中的微刺倾斜方向均朝向基板的内侧；各基板的底部设有与滑槽适配的滑轨，滑轨的下方设有第二限位孔，各基板的第二限位孔与顶座的第一限位孔位置相对；复位组件包括弹簧，弹簧的两端分别固定在位置相对的第一限位孔和第二限位孔内，弹簧的轴向与滑轨的滑动方向相同。

3.根据权利要求1所述的负表面着陆机构，其特征在于：所述驱动装置采用舵机，机座为舵机座，舵机设有转动角度可调的输出轴，输出轴的端部设有联轴器、线轴和拉线，拉线的一端缠绕在线轴上、另一端固定连接基板。

4.根据权利要求3所述的负表面着陆机构，其特征在于：所述基板的底部设有拉环，拉线的一端缠绕在线轴上，另一端系在拉环上，拉线采用刚性绳。

5.根据权利要求1所述的负表面着陆机构，其特征在于：所述着陆机构为对称结构，安装在无人机背部的中心位置，机座设置于底座的中心位置。

6.根据权利要求1所述的负表面着陆机构，其特征在于：所述微刺阵列采用刚性材料制成，用于刺入粗糙负表面并且在刺入着陆面后，承受无人机的重力且形变在预设范围内。

7.根据权利要求1所述的负表面着陆机构，其特征在于：所述负表面着陆机构还设有充电接口。

8.一种旋翼无人机，其特征在于：包括机身、旋翼、用于控制旋翼运行的旋翼电机以及如权利要求1-7任一所述负表面着陆机构，着陆机构的底座安装于机身的背部、基板高出旋翼的顶部，实现无人机在着陆面为负表面上的着陆与起飞。

9.根据权利要求4所述的旋翼无人机，其特征在于：还包括无人机主控制器和遥控模块，着陆机构的着陆和起飞操作由遥控模块控制。

10.根据权利要求8所述的旋翼无人机的着陆与起飞方法，其特征在于，包括步骤：

旋翼无人机逐渐靠近粗糙负表面，直到微刺接触到粗糙负表面，舵机接收到控制信号，舵机输出轴转动，拉线拉动基板向内侧运动，弹簧压缩，微刺阵列中的微刺刺入粗糙负表面，无人机可着陆在粗糙负表面上；

起飞时，首先使舵机复位，压缩的弹簧复位，推动基板将微刺从粗糙负表面推出，同时启动旋翼的电机，旋翼无人机即可飞离粗糙负表面。

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