CN113511040B - 一种陆空两栖多模态运载平台 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人运载技术领域，具体是一种陆空两栖多模态运载平台，所述运载平台包括上层板、中层板和下层板；所述下层板的下表面设置地面行驶装置，下层板的上表面设置中层支架和俯仰协调机构；所述中层支架上设置俯仰开合件，俯仰开合件一面固定在中层支架顶部，另一面固定在中层板的下表面；所述俯仰协调机构一端固定在下层板的上表面，另一端固定在中层板的下表面；所述中层板的上表面两端对称设置齿轮箱，齿轮箱上设置上层板，上层板上设置四个机臂折叠转台，齿轮箱的两端分别连接驱动机臂折叠转台，机臂折叠转台通过机架连接机臂，机臂的远端设置旋翼。该发明可以提高面对应用场景变化的灵活性与适应性、执行任务的稳定性与可靠性。

Description

一种陆空两栖多模态运载平台

技术领域

本发明属于无人运载技术领域，具体是一种陆空两栖多模态运载平台。

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运载都是单一化的产品，无法应对多变的环境。由此可见陆空两用无人运载将可能是无人运载今后的发展方向，具有非常广阔的发展空间。而现如今市场上的无人运载却有着一些很明显的缺点：1）例如，传统的无人运载平台电池的设计一般是在无人运载平台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运载平台在工作的过程中的续航时间，造成对资源的相对浪费。2）传统无人运载平台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。

中国专利申请CN112319773A公开了一种具有多机翼同步折叠机构的无人机，包括机体和若干推进器，机体圆柱状回转体，推进器绕机体中心线圆周均布，推进器通过机臂连接在机体表面，推进器为喷气式发动机或者是螺旋桨式。推进器共三个，机臂与机体的连接为可旋转的活动连接，机臂的旋转轴线垂直于机体中心线并与机体中心线相交。无人机还包括若干尾翼，尾翼圆周均布在机体尾部，尾翼数量与推进器数量相同，尾翼根部设有折叠机构用于将尾翼伸出或收回。但该专利结构复杂，需要调整各个推进器的角度来实现无人运载的俯仰，操作不方便，且无法实现陆地行驶。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种陆空两栖多模态运载平台，该发明可以提高面对应用场景变化的灵活性与适应性、执行任务的稳定性与可靠性，优化系统动力与续航能力等综合性能指标。

为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种陆空两栖多模态运载平台，所述运载平台包括上层板、中层板和下层板；

所述下层板的下表面设置地面行驶装置，下层板的上表面设置中层支架和俯仰协调机构；所述中层支架上设置俯仰开合件，俯仰开合件一面固定在中层支架顶部，另一面固定在中层板的下表面；所述俯仰协调机构一端固定在下层板的上表面，另一端固定在中层板的下表面；

所述中层板的上表面两端对称设置齿轮箱，齿轮箱上设置上层板，上层板上设置四个机臂折叠转台，齿轮箱的两端分别连接驱动机臂折叠转台，机臂折叠转台通过机架连接机臂，机臂的远端设置旋翼；

所述中层板中心位置设置飞控板，飞控板用于控制机臂的折叠与展开、旋翼的启停、俯仰协调机构的俯仰角度以及地面行驶装置的启停。

优选地，所述俯仰协调机构包括水平丝杠、滑块、直线推杆和气压直线推杆；所述水平丝杠固定在下层板上，滑块套设在丝杠上，滑块上连接直线推杆的一端，直线推杆的另一端连接于中层板；与直线推杆相平行设置气压直线推杆，气压直线推杆一端连接下层板，另一端连接中层板。

优选地，所述机臂折叠转台上设置限位孔与限位销，用于机臂展开时的位置固定。

优选地，所述齿轮箱内设置两个锥齿轮组，一个锥齿轮组驱动连接一个机臂折叠转台，锥齿轮组用于将电机绕Y轴的转矩转换为绕Z轴方向的转矩，以驱动机臂折叠转台的旋转。

优选地，所述机臂折叠转台呈中心线对称的方式设置在上层板上。

优选地，所述地面行驶装置包括底盘、车轮和轮轴；底盘两端固定连接轮轴，轮轴两端连接车轮，底盘与下层板固定连接，底盘上还设置地面行驶驱动装置。

优选地，所述地面行驶驱动装置包括电池和驱动电机，电池连接驱动电机。

本发明的中层结构主要是运载平台的中间部分，可包括上层板与下层板之间的结构，其主要有两个作用：一是变形，使着陆时机臂收缩，与地面模态相匹配。二是协调，协调地面与飞行模式的姿态。底盘要与地面平行，二是使其转速与飞行同步。

本发明的陆空两栖多模态运载平台，包括安插在上层结构四个角的四个机臂，以及分别位于每个机臂远点末端的旋翼，和每个机臂近点末端的机架，平台前端两个机臂旋翼和平台后端两个机臂旋翼两两关于机身中线对称且同时同步开合。飞控板和分电板位于上层板结构的几何中心位置，同时电池可位于飞控板正下方，中层结构内的几何中心位置，以此来最大保证整体重心的位置。

俯仰协调机构安装在上层板的下方，推杆的运动直接调节了上层结构相对于水平面的俯仰角度。

底部下层机构的四个小轮支撑整个平台在地面上行驶。机臂折叠转台可以将四个机臂旋翼折叠。

上述过程中，向前和向后的推力、向上的升力，在飞行模态下，全部由四个旋翼提供。

本发明中，上层结构设置于前机身的一对可折叠机臂与旋翼，关于机身中线对称同时同步开合。设置于后机身的一对可折叠机臂与旋翼同理，展开时对称且同步，产生同样的角度。且前后两两互不干涉。这就说明，此陆空平台在飞行模式下，前机身的一对机臂的开合角度可与后机身的一对机臂的开合角度不同。以此可以来调整飞行的姿态和速度方向。

本发明中，上层结构的四个机臂可完全折叠到车身内，与平台的侧边平行。

在此情况下，整个平台的空间利用达到最大化，省去了所占用的不必要的空间，不会在地面行驶时对车身两侧的物体产生干扰。

本发明中，当开合时，机臂展开的角度由机架下方的机臂折叠转台来控制。通过嵌套的盘状结构代替转轴受力，将机臂的载荷传递到承重的碳层板上。增加了固定插销孔，达到了对机臂展开的限位。

本发明中，在能源动力系统上，整个平台共用一套电源系统。电源用并联控制平台的飞行和地面两种模态，比如用树莓派联动飞控信息控制地面模态下的运动。

本发明中，在飞行时，多模态运载平台通过主动调节中层结构的推杆长度，配合一侧的俯仰开合件（比如合页）的固定，来调节上层结构不同的俯仰角度。不同的俯仰角度使得四个旋翼所产生的升力产生不同的力矩，可以更灵活，更多姿态地控制两栖平台的运动，并且可以研究不同的俯仰角度对飞行模态下两栖平台整体平衡度的一个影响。

本发明中，上层板的机臂按位置可分为前后两组。每组机臂的折叠由上层板和中层板之间的齿轮箱驱动，齿轮箱内装备的是两套互相啮合的锥齿轮。采用两对锥齿轮的驱动方式有利于将电机绕Y轴的转矩转换为绕Z轴方向的转矩，以此种方式提供机臂展开时的动力。同时由于齿轮轴的最大尺寸方向为横向，纵方向并不占据太多空间，使整个上层平台的布置更紧凑。

本发明中的上层板、中层板、下层板均可采用碳板制作。

本发明的机臂完全展开到位后，触碰转台下方的电磁开关的触发装置，电磁开关推出插销，插进预设好的转台孔位，将转台锁死，以此来减少旋翼转动时给机臂带来的震动。

本发明中，处于中层的俯仰协调机构采用的是由步进电机控制丝杠旋转，与丝杠配套的丝杠螺母将丝杠的旋转运动转化为丝杠螺母的直线运动。螺母的水平运动又经过“摇杆滑块机构”转换成上层机构绕合页转轴的摆动。装置中采用次机构将水平运动转换成上层机构的摆动，解决了动力源尺寸过大，安装困难的问题。

本发明中，飞控控制采用了四环PID控制，常规无人机只有定位置定高度的控制接口，飞车为了和地面联动实现俯冲降落增加了一个速度环的控制接口，方便协同飞行机构和行驶模块的速度统一。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明运载平台采用四旋翼开合角度以及俯仰角度的改变对飞行产生的影响，借助机械结构的变化，使两栖平台在起飞和降落时更平滑流畅，克服地面效应的影响。其适应环境的能力可以在监视、地形探测、巡逻、侦察、石化应用、工业自动化、极端环境干预、交通运输等诸多领域发挥重要的作用。

附图说明

图1为本发明陆空两栖多模态运载平台的结构示意图；

图2为本发明陆空两栖多模态运载平台的中层结构的结构示意图；

图3为本发明陆空两栖多模态运载平台的正视图；

图4为本发明陆空两栖多模态运载平台的俯视图；

图5为本发明陆空两栖多模态运载平台中的齿轮箱和机臂折叠转台的结构示意图；

图6为本发明陆空两栖多模态运载平台中的齿轮箱的结构示意图

图7为本发明机臂折叠转台上的限位孔和限位销的结构示意图；

附图标记：

1、上层板；2、中层板；3、下层板；4、中层支架；5、俯仰开合件；6、齿轮箱；7、机臂折叠转台；8、机架；9、机臂；10、电机；11、飞控板；12、水平丝杠；13、滑块；14、直线推杆；15、气压直线推杆；16、限位孔；17、限位销；18、电机座；19、底盘；20、车轮；21、轮轴；22、地面行驶驱动装置；23、减震板；24、分电板；25、电池；26、桨叶。

具体实施方式

下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1-7所示，一种陆空两栖多模态运载平台，所述运载平台包括上层板1、中层板2和下层板3；

所述下层板3的下表面设置地面行驶装置，下层板的上表面设置中层支架4和俯仰协调机构；所述中层支架4上设置俯仰开合件5，俯仰开合件5一面固定在中层支架4顶部，另一面固定在中层板2的下表面；所述俯仰协调机构一端固定在下层板3的上表面，另一端固定在中层板2的下表面；

所述中层板2的上表面两端对称设置齿轮箱6，齿轮箱6上设置上层板1，上层板1上设置四个机臂折叠转台7，齿轮箱6的两端分别连接驱动机臂折叠转台7，机臂折叠转台7通过机架8连接机臂9，机臂9的远端设置旋翼；

所述中层板2中心位置设置飞控板11，飞控板11用于控制机臂9的折叠与展开、旋翼的启停、俯仰协调机构的俯仰角度以及地面行驶装置的启停。

所述俯仰协调机构包括水平丝杠12、滑块13、直线推杆14和气压直线推杆15；所述水平丝杠12固定在下层板3上，滑块13套设在水平丝杠12上，滑块13上连接直线推杆14的一端，直线推杆14的另一端连接于中层板2；与直线推杆14相平行设置气压直线推杆15，气压直线推杆15一端连接下层板3，另一端连接中层板2。

如图7所示，所述机臂折叠转台7上设置限位孔16与限位销17，用于机臂9展开时的位置固定。

如图5-6所示，所述齿轮箱6内设置两个锥齿轮组，一个锥齿轮组驱动连接一个机臂折叠转台，锥齿轮组用于将电机绕Y轴的转矩转换为绕Z轴方向的转矩，以驱动机臂折叠转台的旋转。

所述机臂折叠转台呈中心线对称的方式设置在上层板上。

所述地面行驶装置包括底盘19、车轮20和轮轴21；底盘19两端固定连接轮轴21，轮轴21两端连接车轮20，底盘19与下层板3固定连接，底盘19上还设置地面行驶驱动装置22。

所述底面行驶驱动装置包括电池和驱动电机，电池连接驱动电机，驱动运载平台在地面行驶。

所述飞控板下还设置减震板23，中层板2上还设置分电板24，用于将电池25的电分送给各个用电部件，比如电机等。

所述旋翼包括桨叶26、电机10和电机座18，电机座18安装在机臂9上，电机10安装在电机座上，电机的转子上连接桨叶26，驱动桨叶旋转，桨叶可以选择二桨叶、三桨叶等。

本发明提供了一种可以具备一定任务载荷功能、可随时起降的高自由度智能多模态陆空平台。按照位置、功能、结构的不同，在设计上把此多模态陆空平台分为上中下三个部分，上层机构可以折叠，主要用于提供升力，装配有四旋翼，机臂和机架等；中层机构用推杆电机可以调整上层结构与下层结构的俯仰角度；下层机构类似于汽车的底盘模型，用于支持平台的地面行驶模态。在整体设计方面，上层结构设置于前机身的一对可折叠机臂与旋翼，关于机身中线对称同时同步开合。设置于后机身的一对可折叠机臂与旋翼同理，展开时对称且同步，产生同样的角度。但前后每对机臂的展开角度两两互不干涉。在平台升起时，机臂两两展开且与地面平行，由四旋翼系统提供升力；在飞行时，多模态运载平台通过主动调节中层结构的推杆电机长度，通过一侧的合页的固定，来调节上层结构不同的俯仰角度。当平台降落在地面行驶时，两对可折叠机臂均折叠至与机身侧边平行，通过两两前后不同时的折叠顺序，避免发生干扰。下层机构的四个小轮与独立的电机支撑整个平台在地面上行驶。上述过程中，由安插在主板中间的飞控来调整各个动力的输出功率，配合三维空间内由上层和中层结构控制的动力的位置的变化，从而达到改变飞行姿态的目的。

本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种陆空两栖多模态运载平台，其特征在于，所述运载平台包括上层板、中层板和下层板；

所述下层板的下表面设置地面行驶装置，下层板的上表面设置中层支架和俯仰协调机构；所述中层支架上设置俯仰开合件，俯仰开合件一面固定在中层支架顶部，另一面固定在中层板的下表面；所述俯仰协调机构一端固定在下层板的上表面，另一端固定在中层板的下表面；

所述中层板的上表面两端对称设置齿轮箱，齿轮箱上设置上层板，上层板上设置四个机臂折叠转台，齿轮箱的两端分别连接驱动机臂折叠转台，机臂折叠转台通过机架连接机臂，机臂的远端设置旋翼；

所述中层板中心位置设置飞控板，飞控板用于控制机臂的折叠与展开、旋翼的启停、俯仰协调机构的俯仰角度以及地面行驶装置的启停；

所述俯仰协调机构包括水平丝杠、滑块、直线推杆和气压直线推杆；所述水平丝杠固定在下层板上，滑块套设在丝杠上，滑块上连接直线推杆的一端，直线推杆的另一端连接于中层板；与直线推杆相平行设置气压直线推杆，气压直线推杆一端连接下层板，另一端连接中层板。

2.根据权利要求1所述的陆空两栖多模态运载平台，其特征在于，所述机臂折叠转台上设置限位孔与限位销，用于机臂展开时的位置固定。

3.根据权利要求1所述的陆空两栖多模态运载平台，其特征在于，所述齿轮箱内设置两个锥齿轮组，一个锥齿轮组驱动连接一个机臂折叠转台，锥齿轮组用于将电机绕Y轴的转矩转换为绕Z轴方向的转矩，以驱动机臂折叠转台的旋转。

4.根据权利要求1所述的陆空两栖多模态运载平台，其特征在于，所述机臂折叠转台呈中心线对称的方式设置在上层板上。

5.根据权利要求1所述的陆空两栖多模态运载平台，其特征在于，所述地面行驶装置包括底盘、车轮和轮轴；底盘两端固定连接轮轴，轮轴两端连接车轮，底盘与下层板固定连接，底盘上还设置地面行驶驱动装置。

6.根据权利要求5所述的陆空两栖多模态运载平台，其特征在于，所述地面行驶驱动装置包括电池和驱动电机，电池连接驱动电机。

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