一种仿生球形结构无人机的制作方法

本实用新型涉及航空系统技术领域，尤其涉及一种仿生球形结构无人机。

背景技术：
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无人机被广泛的应用于航拍测绘、影视拍摄、敌情勘测、灾情检测、电力巡检等领域，是飞行器家族当中的佼佼者。尤其多旋翼无人机是一种结构新颖、性能优越的垂直起降飞行器，具有操作简单、携带负载能力强的特点，具有极其重要的军用及民用价值。

球形飞行器作为一种新型的飞行器，具有结构对称，占用空间小，球形外壳可以保护飞行器内部电子设备及旋翼等优点。传统的球形飞行器大多为单旋翼或者多旋翼，该类的球形飞行器具有球形外形并且不可折叠，通过旋翼产生升力来抵消球形飞行器的自身重量，然后通过调整控制舵面来调节飞行器的姿态，实现球形飞行器的可控飞行。并且旋翼是球形飞行器产生升力的主要部件，旋翼的尺寸直接影响到球形飞行器的最终尺寸，这种不可折叠的球形结构设计直接导致球形飞行器的整体尺寸较大。针对此问题，实用新型人曾申请过一件专利《一种便携式可折叠球形无人机》，该专利结合球形飞行器和多旋翼飞行器的优点，提出了一种便携式可折叠球形无人机的概念。但是在此专利中主要提出的是一种手动式的折叠展开方案。在某种特殊情形下会给使用者带来不便。

技术实现要素：
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本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的便携式可折叠球形无人机的一些缺陷，提供一种仿生球形结构无人机，该无人机具有便携可折叠、自动展开,多地形起降等优点。

本实用新型所采用的技术方案有：一种仿生球形结构无人机，其特征在于：包括机身、若干个机臂、与机臂数量相等的控制模块、电源模块、信号接收模块、陀螺仪模块、气压定高模块、限位模块、自动展开模块；

所述机身分为上下两部分，机身上部为球冠状壳体，其表面切除若干个安装槽用于和机臂安装配合，使无人机在折叠状态整体为球形，机身下部为流线型空心壳体，流线型空心壳体用于安装控制模块、自动展开模块及电源模块；

所述机臂包含机臂壳体、转轴、转轴安装孔、电机、多叶旋翼，所述机臂壳体为四分之一球面状，所述机臂壳体边缘部分较中间部分厚，所述机臂壳体进行镂空处理，所述电机设置在机臂壳体的弧面内，所述多叶旋翼上的转轴与电机的输出轴固连，所述机臂壳体的一端通过转轴与机身铰接，转轴安装于转轴安装孔中，使得机臂壳体能够相对机身绕转轴转动。

所述控制模块与电源模块、信号接收模块、陀螺仪模块、气压定高模块、自动展开模块以及各个机臂的电机电气相连，所述信号接收模块、陀螺仪模块、气压定高模块及自动展开模块均设置在机身内，所述信号接收模块用于接收遥控器的命令并将其传递给控制模块；所述陀螺仪模块用于测量无人机相对与地面的姿态、加速度及角速度并将其传递给控制模块；所述气压定高模块用于测量飞行器的高度并将其传递给控制模块；所述控制模块用于根据信号接收模块、陀螺仪模块、气压定高模块的输入控制各个机臂的电机工作；

所述自动展开模块包括直线舵机、自锁卡盘、对角拉力装置以及自锁卡盘配合孔，所述自锁卡盘与直线舵机固定连接且位于直线舵机的下部，所述自锁卡盘配合孔设置于机臂壳体上，所述对角拉力装置分别安装在处于对角线位置的两个机臂上，所述自锁卡盘的上设有与自锁卡盘配合孔相配合的圆柱形凸台。

进一步地，所述直线舵机的控制线与控制模块的舵机控制接口电气连接，直线舵机与电源模块及控制模块共同安装在流线型空心壳体内。

进一步地，所述无人机机臂处于折叠状态时，机臂转到与机身下部的限位模块完全贴合，机臂壳体上的自锁卡盘配合孔与自锁卡盘上的圆柱形凸台相配合，所述多叶旋翼及电机藏于机身内腔，无人机整体呈球形。

进一步地，所述无人机处于展开状态时，控制模块发出自动展开的控制信号，直线舵机工作，自锁卡盘向上直线运动后与自锁卡盘配合孔相分隔开，机臂向上翻转到指定阈值时在限位模块和对角拉力装置的共同作用下完成展开状态下机身与机臂位置的双向锁定。

进一步地，所述机臂还包含支撑杆和支撑杆安装孔，所述支撑杆安装于支撑杆安装孔中，以防止无人机在展开状态时多叶旋翼的升力引起机臂的变形。

进一步地，所述每个机臂上分别安装一个电机，机臂上设有电机座孔，所述电机与电机座孔呈过盈配合连接，多叶旋翼安装在电机的输出轴上。

进一步地，所述电机为空心杯电机或盘状无刷电机。

进一步地，所述支撑杆为圆柱形碳纤维支撑杆。

本实用新型具有如下有益效果：

1.仿照瓢虫的翅翘结构对无人机的四分之一球状壳体进行优化设计，机臂壳体结构具有如下优点：球壳边缘厚度较厚，中间厚度较薄，并在保证结构强度的基础上进行适当的镂空处理，使得无人机壳体的整体重量最小化；

2.独特的自动展开结构设计，使得无人机可以从折叠状态到展开状态迅速转换，从而保证无人机支持多种起飞方式(地面起飞、手抛起飞、弹射起飞等)；

3.独特的机身外形及内部中空结构设计，除了保证无人机在折叠状态向展开状态过程中的姿态自稳，而且使得无人机可以在海面降落，并且无人机一部分处于水下状态，一部分浮在液面以上，方便无人机实现多次水面起降；

4.无人机展开状态呈四旋翼模式，机身下部的流线型空心壳体结构除了具有气流导向的作用，而且用于安装控制模块及电源等设备，使得无人机在展开状态时，无人机整体重心靠下，增加无人机的飞行稳定性；

5.无人机的旋翼采用多叶桨结构，充分利用无人机折叠状态的球形内部空间。

附图说明：

图1是本实用新型展开状态时的侧视图；

图2是本实用新型展开状态时的俯视图；

图3是本实用新型折叠状态时的结构示意图；

图4是本实用新型机身的结构示意图；

图5是本实用新型机臂的结构示意图。

图中：

1-机臂壳体，2-电源模块，3-控制模块，4-自锁卡盘，5-直线舵机，6-流线型空心壳体，7-球冠状壳体，8-对角拉力装置，9-自锁卡盘配合孔，10-支撑杆安装孔，11-多叶旋翼，12-电机，13-转轴安装孔，14-支撑杆。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

如图1和图2所示，本实用新型仿生球形结构无人机，包括机身、若干个机臂、电源模块、控制模块、与机臂数量相等的限位模块及转轴、自动展开模块。

机身分为上下两部分，机身上部为球冠状壳体7，其表面切除若干个安装槽用于和机臂安装配合，使无人机在折叠状态整体为球形；机身下部为一个十字型流线型空心壳体6，流线型空心壳体6用于安装控制模块3、自动展开模块及电源模块2，并且流线型空心壳体6可以保证无人机在水面降落后，无人机上半部分漂浮于水面以上，方便无人机在水面运动及无人机从水面多次次起飞。而且该仿生球形结构无人机的机身还具有一定的气流导向作用，在无人机完成手抛起飞或弹射起飞(其余起飞方式类同)时，无人机在空中自动展开，无人机的球冠状壳体7自动展开可以提供类似于降落伞一样的阻力，然后流线型空心壳体6提供一定的气流导向力，保证无人机的下落姿态，使得无人机在下落过程中自动稳定姿态，减小对飞控的依赖程度，便于人员进行操控，进而顺利完成飞行任务。

机臂包含机臂壳体1、转轴、转轴安装孔13、电机12(电机为空心杯电机或盘状无刷电机)、多叶旋翼11、支撑杆14、支撑杆安装孔10，其中，机臂壳体1为四分之一球面状，仿照瓢虫翅翘结构(瓢虫翅翘边缘轮廓厚度较厚，中间部分厚度和边缘轮廓厚度相比较薄)，该机臂壳体1边缘部分较厚，中间部分较薄，并对机臂壳体1进行适当镂空，在保证结构强度的基础上，最大限度的减少无人机整体质量。空心杯电机(或盘状无刷电机)设置在机臂壳体1的弧面内，多叶旋翼11上的转轴与空心杯电机(或盘状无刷电机)的输出轴固连；机臂壳体1设置在机身用于安装机臂的安装槽内，一端通过转轴与机身铰接，转轴安装于转轴安装孔13中，使得机臂壳体1能够相对机身绕转轴转动。支撑杆14安装于支撑杆安装孔10中，且支撑杆14具有质量轻，强度高的特点，防止无人机在展开状态时多叶旋翼的升力引起机臂的变形。限位模块与机臂一一对应设置，用于在其对应机臂的机臂壳体1相对机身的转动角度为预设的角度阈值时进行转轴的单向锁定。

自动展开模块包括直线舵机5、自锁卡盘4、对角拉力装置8以及自锁卡盘配合孔9，自锁卡盘配合孔9设置于机臂壳体1上，其中自锁卡盘4与直线舵机5固定连接，位于直线舵机5的下部，自锁卡盘4的上部有四个圆柱形凸台，用于和机臂壳体1连接配合，完成无人机在球形状态时的双向自锁，在自动展开时，直线舵机5驱动自锁卡盘4向上拉升，解除自锁。对角拉力装置8共有两个，分别安装在处于对角线位置的两个机臂上，直线舵机5的控制线与控制模块3的舵机控制接口电气连接，直线舵机5的硬件部分与电源模块2及控制模块3共同安装在流线型空心壳体6内，直线舵机5、电源模块2及控制模块3的在流线型空心壳体6内的具体位置不限，可以在满足装配及性能要求的前提下做适当的调整。通过直线舵机5及对角拉力装置8来控制无人机的自动展开，完成手抛起飞或弹射起飞(其余起飞方式类同)时，无人机在空中自动展开，顺利进行飞行任务。

无人机处于折叠状态时，各个机臂的机臂壳体1与机身表面的空缺部位相贴合，组成球体，在此状态下，可以通过调节四个多叶旋翼11的转速来实现无人机在地面上的滚动行进。

无人机处于展开状态时，限位模块在扭簧的作用下对机臂进行锁定，使得各个机臂的多叶旋翼11均处于水平状态。

控制模块分别与电源模块、信号接收模块、陀螺仪模块、气压定高模块、自动展开模块以及各个机臂的空心杯电机电气相连，其中，信号接收模块、陀螺仪模块、气压定高模块及自动展开模块均设置在机身内；信号接收模块用于接收遥控器的命令并将其传递给控制模块；陀螺仪模块用于测量无人机相对与地面的姿态、加速度及角速度并将其传递给控制模块；气压定高模块用于测量飞行器的高度并将其传递给控制模块；控制模块用于根据信号接收模块、陀螺仪模块、气压定高模块的输入控制各个机臂的电机工作。

本实用新型新型球形无人机除了硬件部分具有如上创新模块，在功能方面具有如下特色：无人机具有一键式展开的功能，支持多地形复杂环境(地面起降、手抛式起降、液面起降)起降功能，具有很好的环境适应性。

下面就以机臂为四个的新型球形无人机为例子进行说明：

四个机臂分别通过直径1.2mm的转轴与机身铰接，并且在对角线位置机臂通过对角拉力装置(如皮筋或其他产生拉力的零部件(拉簧、扭簧等))两两互拉，该对角拉力装置在无人机由折叠状态向展开状态转换时提供拉力及转矩，完成该过程的顺利转换，并且在转换后，该对角拉力装置与限位模块共同作用，完成机臂的双向锁定；四个机臂上各安装一个电机，电机与机臂电机座孔呈过盈配合连接，四个多叶旋翼分别安装在电机的输出轴上。

机身上部为球冠状，其表面切除若干个安装槽用于和机臂安装配合，使无人机在折叠状态整体为球形，折叠状态下无人机可以通过调节四个多叶旋翼的转速实现无人机在地面上的滚动行进；下部有一个流线型空心壳体，用于安装控制模块、自动展开模块及电源模块等设备，并且中空的流线型空心壳体保证无人机在水面降落后，无人机上半部分漂浮于水面以上，方便无人机在水面运动及无人机从水面多次次起飞。

机臂壳体为四分之一球面状(与实用新型人之前的专利中提及的流线型长条状壳体相比，该壳体外形分布更加均匀，与流线型长条状的壳体相比保护旋翼的效果更好)，仿照瓢虫翅翘结构(瓢虫翅翘边缘轮廓厚度较厚，中间部分厚度和边缘部分相比较薄)，该机臂壳体边缘部分较厚，中间部分较薄，并对机臂壳体进行适当镂空，在保证结构强度的基础上，最大限度的减少无人机整体尺寸。该机臂壳体具有保护旋翼的作用，防止意外发生时多叶旋翼受损，及保护人员安全，防止无人机旋翼误伤周围人员。

空心杯电机及多叶旋翼分别为无人机的动力及升力装置，为无人机飞行提供动力及升力，对角拉力装置和限位模块结构共同作用，使无人机可以自动展开，并且保持无人机在展开状态时整体结构稳定，使无人机的机臂不会因为自身重力及旋翼旋转引入的扰动而随意活动，进而保证无人机飞行的可靠性。

自动展开模块包括直线舵机、自锁卡盘、对角拉力装置，及机臂壳体上端的自锁卡盘配合孔组成。其中自锁卡盘与直线舵机固定连接，位于直线舵机的下部，自锁卡盘的上部有四个圆柱形凸台，用于和机臂壳体连接配合，完成无人机在球形状态时的双向自锁，在自动展开时，直线舵机驱动自锁卡盘向上拉升，解除自锁。对角拉力装置共有两个，分别安装在处于对角线位置的两个机臂上，直线舵机的控制线与控制模块的舵机控制接口电气连接，直线舵机的硬件部分与电源模块及控制模块共同安装在机身流线型空心壳体内，直线舵机、电源模块及控制模块的在机身流线型空心壳体内的具体位置不限，可以在满足装配及性能要求的前提下做适当的调整。

接收模块用来接收遥控器的控制信号，陀螺仪及气压定高模块共同作用，控制模块通过调节PID参数使无人机的飞行姿态更加平稳。空心杯电机接口与空心杯电机的控制线连接。电源接口外接3.7伏锂电池，用来给系统供电。

如图3所示,为无人机的折叠存放状态，采用手动方式分别将飞行器的四个机臂绕着机臂与机身的转轴向下旋转，直至机臂与机身完全融合，机臂壳体上的自锁卡盘配合孔与自锁卡盘上的对应圆柱形凸台嵌套配合，完成无人机在自锁状态下的自锁，此时飞行器整体呈球形。

无人机的机臂进行折叠的具体过程如下：

首先，采用手动方式向下翻转机臂，使得机臂克服对角拉力装置的作用，绕机身与机臂的转轴向下转动，当机臂转到与机身下部的限位结构完全贴合时，机臂壳体上的四个自锁卡盘配合孔分别与自锁卡盘上的四个圆柱形凸台配合，此时多叶旋翼及空心杯电机藏于机身内腔，无人机整体呈球形，完成折叠状态无人机的自锁。用来保证无人机不会在携带过程中由于外界干扰而引起机臂与机身相对活动，使无人机保持球形状态，进一步便于用户携带。

如图1所示,为无人机的展开状态。展开状态飞行器呈四旋翼状态，由于飞行器的控制模块及电源模块安装于机身的流线型空心壳体内，使得无人机的重心靠下，飞行十分平稳，工作过程如下，初始状态无人机在折叠状态，控制模块发出自动展开的控制信号，直线舵机工作，然后直线舵机驱动自锁卡盘向上直线运动，处于折叠状态的无人机解除自锁，在拉力装置的作用下，无人机的四个机臂向上翻转，转到指定阈值以后，在限位模块和对角拉力装置的共同作用下完成展开状态下机身与机臂位置的双向锁定。

无人机的机臂进行展开的具体过程如下：

初始状态无人机在折叠状态，无人机接通电源(电源具体参数不限)，无人机遥控与无人机控制模块通信对码后，遥控的控制端发出自动展开的控制信号，控制模块的接收模块接收到该信号，并对改信号进行处理，使得直线舵机工作，然后直线舵机驱动自锁卡盘向上直线运动，当自锁卡盘上的四个小圆柱形凸台滑出机臂壳体的自锁卡盘配合孔以后，处于折叠状态的无人机解除自锁，在拉力装置的作用下，无人机的四个机臂向上翻转，转到指定阈值以后，机臂壳体与限位模块接触，此时旋翼中心轴孔的轴线与无人机机身中心线平行，在限位模块和对角拉力装置的共同作用下完成展开状态下机身与机臂位置的双向锁定，保证飞行器在飞行状态时机臂与机身的相对位置的固定，进而保证飞行的可靠性。

如图4所示，为球形飞行器机身的结构图。机身的上半部分为一个壁厚2mm的球壳切除机臂壳体部分，保证无人机在折叠状态整体为一个球形，然后在此基础上添加十字型流线型空心壳体，这样的曲面结构在气动方面具有气流导向，保证飞行器在手抛起飞或弹射起飞的过程中由折叠状态向自动展开状态转换时飞行器姿态的稳定性，并且机身壳体还用来安装控制模块、电源模块、直线舵机等部件，使得无人机整体重心靠下，提高无人机飞行的稳定性，在无人机降落时机身的流线型空心壳体最先触地，起到保护旋翼，保护飞行器内部电子设备的作用，并且内部中空的机身壳体使得无人机在水面进行降落时保证了无人机的机臂漂浮于水面之上，方便无人机在水面上进行多次起降。

如图5所示，机臂由四分之一球面状的机臂壳体及直径为1mm的圆柱形碳纤维支撑杆组成，机臂壳体起保护旋翼的作用，防止意外发生时旋翼受损及暴露在外的旋翼误伤周围人员。四分之一球面状机臂壳体是以空心球形为并把它四等分，然后切除机身的球冠部分得到，直径1.2mm孔是机臂和机身连接的转轴安装孔；1mm圆柱孔是机臂和碳纤维支撑杆的支撑杆安装孔；直径7mm的孔是空心杯电机的电机安装孔；并且对得到的壳体造型进行拓扑优化镂空处理，及仿照瓢虫的翅翘结构，对壳体进行边缘厚，中间薄的设计，极大的提高了壳体的强度，并且最大化的减轻旋翼防护壳体的质量。圆柱形碳纤维支撑杆具有质量轻，强度高的特点，防止无人机在展开状态时旋翼的升力引起机臂的变形。

本实用新型突破了传统四旋翼无人机外形设计，采用新型的可折叠球形设计。无人机具有两种状态：折叠存放状态、展开使用状态。

由折叠状态转为飞行状态时，无人机接通电源(电源具体参数不限)，无人机遥控与无人机控制模块通信对码后，遥控的控制端发出自动展开的控制信号，控制模块的接收模块接收到该信号，并对改信号进行处理，使得直线舵机工作，然后直线舵机驱动自锁卡盘向上直线运动，当自锁卡盘上的四个小圆柱形凸台滑出机臂壳体的自锁卡盘配合孔以后，处于折叠状态的无人机解除自锁，在对角拉力装置的作用下，无人机的四个机臂向上翻转，转到指定阈值以后，机臂壳体与限位模块接触，此时旋翼中心轴孔的轴线与无人机机身中心线平行，在限位模块和对角拉力装置的共同作用下完成展开状态下机身与机臂位置的双向锁定，保证飞行器在飞行状态时机臂与机身的相对位置的固定，进而保证飞行的可靠性。

由飞行状态转换为折叠状态时，首先，采用手动方式向下翻转机臂，使得机臂克服对角拉力装置的作用，绕机身与机臂的转轴向下转动，当机臂转到与机身下部的限位模块完全贴合时，机臂壳体上的四个自锁卡盘配合孔分别与自锁卡盘上的四个圆柱形凸台配合，此时旋翼及空心杯电机藏于机身内腔，无人机整体呈球形，完成折叠状态无人机的自锁。用来保证无人机不会在携带过程中由于外界干扰而引起机臂与机身相对活动，使无人机保持球形状态，进一步便于用户携带。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。