一种折叠臂两栖四旋翼无人机

1.本发明涉及无人机技术领域，具体为一种折叠臂两栖四旋翼无人机。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.无人机可以看做是能够执行特定任务且能够飞行的机器人，而一些作业任务并不仅局限在空中，可能存在空地结合，使得无人机的运动模态单一，能够执行任务的范围受限；一些结构可变的无人机/移动机器人的方案虽然能够多栖作业，但通常为固定结构且体积大，越障能力不理想，仍然存在可执行任务范围受限的问题；与此同时目前的无人机智能化程度不理想，难以同时满足多运动模态、越障能力以及精准控制与自主决策能力的需求。


技术实现要素：

4.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种折叠臂两栖四旋翼无人机，将轮式机器人的结构和四旋翼无人机结合，使其能够通过折叠变形在轮式机器人和四旋翼无人机之间切换，从而使无人机能够适应地面场景和空中场景下不同的作业任务需求。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明的第一个方面提供一种折叠臂两栖四旋翼无人机，包括通过铰接轴销活动连接机身两侧的机臂，机臂远端的上表面设有与旋翼电机连接的旋翼，下表面设有通过减速齿轮组与旋翼电机连接的车轮，机身上设有变形舵机，变形舵机的输出轴连接一字型舵臂，一字型舵臂的两端分别通过万向球头连接杆与机臂上设置的万向球头支座活动连接；通过变形舵机带动一字型舵臂的两端绕输出轴转动，经对应的万向球头连接杆带动万向球头支座和机臂运动，使机臂与机身之间的角度改变实现展开或折叠。
7.机身上设有机载电脑、飞控板、分电板和电池；机身上表面连接分电板，分电板上方设有两层隔板，隔板形成的空间从上至下分别容纳机载电脑和飞控板，机身内部设有电池。
8.机臂近端通过铰接轴销与机身活动连接，铰接轴销中部设有弹簧；弹簧包括螺旋的弹簧本体和连接在弹簧本体两端的两个伸向外侧的钢丝，其中一根钢丝伸向机臂下方，另一根钢丝伸向机身的下方。
9.机臂上表面连接绕铰接轴销转动的万向球头支座和限位支座，万向球头支座通过对应的万向球头连接杆与一字型舵臂的一端活动连接，一字型舵臂和所连接的变形舵机均位于机身上表面。
10.限位支座的顶端设有定位杆，伸向机身上方，在机臂展开至水平状态时，定位杆与机身抵接。
11.万向球头连接杆包括，活动连接在一字型舵臂两端的第一球头杆；每一侧机臂的
万向球头支座顶端活动连接第二球头杆，两组第二球头杆的球头方向相反；第一球头杆的球头与同一侧万向球头支座顶端第二球头杆的球头通过连接杆活动连接。
12.一字型舵臂的两端朝向机身两侧的机臂时，一字型舵臂带动万向球头连接杆对万向球头支座向两侧机臂施力，推动机臂折叠。
13.一字型舵臂的两端连线指向机身轴线时，一字型舵臂带动万向球头连接杆对万向球头支座向机身轴线施力，拉动机臂伸展至水平状态。
14.旋翼电机的输出轴一端连接旋翼，另一端通过减速齿轮组连接车轮。
15.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
16.1、在四旋翼无人机的基础上，增加了轮式机器人的运动模态，并且具备变形能力，能够通过折叠变形在轮式机器人和四旋翼无人机之间切换，从而使无人机能够适应地面场景和空中场景下不同的作业任务需求。
17.2、机臂折叠时，车轮侧部接触地面，使机身能够距离地面一定距离，从而避开地面上一定高度的凸起物，具备一定程度的避障功能；而当飞行状态下遇到无法穿过的孔洞等障碍时，在无人机上升阶段收起机臂使其切换至折叠状态以缩小无人机整体直径，形成自由上抛的运动，在穿过孔洞后，机臂重新展开恢复飞行，从而使其具备一定的空中避障能力。
附图说明
18.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
19.图1为本发明一个或多个实施例提供的旋转臂两栖四旋翼无人机的水平状态，即空中运动模态下俯视视角结构示意图；
20.图2为本发明一个或多个实施例提供的旋转臂两栖四旋翼无人机的水平状态，即空中运动模态下的前视视角结构示意图；
21.图3为本发明一个或多个实施例提供的旋转臂两栖四旋翼无人机的折叠变形状态，即陆地运动模态下的前视视角结构示意图；
22.图4为本发明一个或多个实施例提供的机身与机臂通过铰接轴销连接的结构示意图；
23.图5为本发明一个或多个实施例提供的变形舵机、一字型舵臂和万向球头连接杆构成的纵向折叠变形结构处的结构示意图；
24.图6为本发明一个或多个实施例提供的旋翼后出轴和车轮轴，以及配合的减速齿轮组的结构示意图；
25.图7为本发明一个或多个实施例提供的旋转臂两栖四旋翼无人机的电控系统架构示意图；
26.图8为本发明一个或多个实施例提供的旋转臂两栖四旋翼无人机的避障运动示意图；
27.图中，1、机身；2、机臂；3、变形舵机；4、飞控板；5、机载电脑；6、分电板；7、电池；8、铰接轴销；9、一字型舵臂；10、万向球头连接杆；11、旋翼电机；12、车轮；13、限位支座；14、万向球头支座；15、后出轴；16、车轮轴；17、减速齿轮组；18、隔板；19、槽孔；20、弹簧。
具体实施方式
28.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
29.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
30.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
31.正如背景技术中所描述的，作为执行任务的无人机，飞行时会遇到障碍物，现有技术依赖复杂的控制算法实现避障，使得无人机的作业范围受限。
32.因此以下实施例给出一种折叠臂两栖四旋翼无人机，将轮式机器人的结构和四旋翼无人机结合，使其能够通过折叠变形在轮式机器人和四旋翼无人机之间切换，从而使无人机能够适应地面场景和空中场景下不同的作业任务需求。
33.实施例一：
34.如图1-8所示，一种折叠臂两栖四旋翼无人机，包括：通过铰接轴销活动连接在机身两侧的机臂，机臂远端的上表面设有与旋翼电机连接的旋翼，下表面设有通过减速齿轮组与旋翼电机连接的车轮，机身上设有变形舵机，变形舵机的输出轴连接一字型舵臂，一字型舵臂的两端分别通过万向球头连接杆与机臂上设置的万向球头支座活动连接；通过变形舵机带动一字型舵臂的两端绕输出轴转动，经对应的万向球头连接杆带动万向球头支座，使机臂与机身之间的角度改变实现折叠。
35.具体的：
36.定义变形舵机3所在的一侧为四旋翼无人机的前侧；机身1上设有变形舵机3和分电板6，分电板6上方有两层隔板18，从下至上分别设有飞控板4和机载电脑5，机身1内部设有电池7；机身1两侧设有对称的机臂2，机臂2可绕机身两侧的铰接轴销8旋转，机臂2前侧设有万向球头支座14，后侧设有限位支座13，每一侧机臂2的前后两端均设有一组旋翼电机11和车轮12，旋翼电机11的后出轴15与车轮轴16通过减速齿轮组17传动；变形舵机3出轴设有一字型舵臂9，通过万向球头连接杆10连接机臂2前侧的万向球头支座14，利用中心对称原理，驱动两侧机臂2同步转动。
37.机身1和两层隔板18用m2.5铝柱支撑连接，机身1和隔板18的对应位置上打有m2.5孔用于安装螺丝。分电板6也通过螺丝固定在机身1上。
38.变形舵机3通过m4螺丝固定在机身1前方的板上，一字型舵臂9伸出到机身1上方。
39.万向球头组合杆10连接的变形机构：机臂2的折叠与伸展由变形舵机3的驱动和变形连接机构的传动来实现。由于变形舵机3的旋转与机臂2的旋转不共面，连接点极不稳定，常规的连接手段无法满足要求，因此设计万向球头组合杆10连接变形舵机3和机臂2。
40.如图5所示，变形舵机3的出轴装有一字型舵臂9，一字型舵臂9的每端分别设有一个球头杆，球头朝下；每一侧机臂2的万向球头支座14顶端也伸出一个球头杆，左侧机臂的球头朝前，右侧机臂的球头朝后；舵臂末端的球头与同侧万向球头支座14顶端的球头由连接杆组合形成万向球头连接杆10。
41.如图1-2所示，一字型舵臂9位于前后朝向时，机臂2处于水平状态，此时与标准四旋翼的外观一致。
42.如图3所示，当一字型舵臂9逆时针旋转时，舵臂带动万向球头连接杆10对万向球头支座14向两侧施加力的作用，推动机臂2向下折叠。
43.当一字型舵臂9逆顺时针旋转时，舵臂带动万向球头连接杆10对万向球头支座14向中央施加力的作用，拉动机臂2向上伸展恢复至图1和2的水平状态。
44.可以看出，变形机构是稳定的，舵机的转角与机臂2的转角呈正相关、非线性的关系，机臂2越接近展平状态，变形舵机3转角的变化带动机臂2转角变化的效率越高。
45.弹簧和限位支座：如图4所示，弹簧20位于每一侧铰接轴销8的中央，由螺旋的弹簧本体和两个伸向外侧的钢丝组成，其中一根钢丝伸向机臂2的下方，另一根钢丝伸向机身1的下方。在机臂1位于非水平状态时，弹簧20会对机臂2施加一个向上的弹力，可以有效缓解由于摩擦和气流等原因造成变形时的抖振现象。
46.限位支座13的顶端设有一个定位杆，伸向机身1的上方。在机臂2展开至水平状态时，定位杆与机身1抵接，防止机臂2进一步上翻。
47.变速齿轮组：如图6所示，旋翼电机11通过减速齿轮组17与车轮12合为一种新型的整体结构，用一个电机同时驱动旋翼和车轮12，巧妙地简化了两栖双模态的运动机构，减少了执行器的数量，减小了平台的体积和重量。
48.飞行状态下旋翼电机11最大转速约为30000rpm，考虑到地面运动时旋翼的旋转会提供侧向力，故旋翼电机11的转速不宜超过10000rpm，而车轮的直径为8mm，为控制地面的最大运行速度在2m/s左右，故选择20：1的传动比。根据标准x型四旋翼模型中各旋翼的旋转方向，前侧两齿轮组采取2级传动，传动比设为4：1和5：1；后侧齿轮组采取3级传动，即增加一级1：1的反转，以保证四个车轮的转动方向相同，且陆地运动的前向等同与空中飞行的前向。
49.电控部分：
50.控制组件：如图7所示，电池用于为无人机的所有组件供电；分电板用于将电池的电压分成多股，供各组件焊接；机载电脑用于获取无人机的飞行状态和实验数据，进行数据处理或与地面站通信；飞控板用于将机载电脑或遥控器的控制信号转化为旋翼电机的pwm信号；电调用于将所述pwm信号转化为旋翼电机的输入电压。经过上述控制组件的传导，外界的控制信号最终转化为旋翼电机的转速，控制无人机的运动。
51.飞行动力学：旋翼分别位于无人机的左前，左后，右前，右后四个方向，呈矩形分布。本实施例的两栖无人机在飞行模式下的所有姿态和位置的控制都是通过调节四个驱动电机的转速实现的。其无人机的运动状态主要分为升降运动(包括悬停)、翻滚运动、俯仰运动以及偏航运动。
52.升降运动和悬停：在保证无人机的每个旋翼转速大小相同、相邻旋翼转速方向相反的情况下，同时对每个旋翼增加/减小大小相同的转速，便可实现无人机的垂直运动；悬停的必要条件是四个旋翼的总升力恰好等于无人机的重力。
53.翻滚运动：翻滚运动是通过改变左右端的旋翼转速，形成左右侧升力差，从而在机体前后方向转轴上形成一定力矩，产生角加速度。
54.俯仰运动：俯仰运动是通过改变前后端的旋翼转速，形成前后侧升力差，从而在机
体横向转轴上形成一定力矩，产生角加速度。
55.偏航运动：偏航运动通过改变两组对角线旋翼的转速来实现。当每组对角线的两个旋翼与另一组旋翼转速之和不同时，由于两组旋翼旋转方向不同，就会导致反扭矩力的不平衡，此时便会产生绕纵向转轴的反作用力，产生角加速度。
56.陆地运动学：在陆地运动时，其运动类似于固定轮四驱车，在转向时，由于车轮侧滑，会受到未知的地面摩擦，因此没有精确的运动学模型，但大致等价于两轮差分运动模型。即通过改变左右两侧的车轮转速产生速差，从而驱动车身转向。
57.机臂折叠状态下形成近似轮式机器人的结构，通过旋翼电机作为动力，以车轮作为驱动组件在地面上执行所需的作业任务；机臂展开状态下为传统的四旋翼无人机，执行空中作业任务。
58.如图8所示，机臂折叠时，车轮侧部接触地面，使机身能够距离地面一定距离，从而避开地面上一定高度的凸起物，具备一定程度的避障功能；而当飞行状态下遇到无法穿过的孔洞等障碍时，在无人机上升阶段收起机臂使其切换至折叠状态以缩小无人机整体直径，形成自由上抛的运动，在穿过孔洞后，机臂重新展开恢复飞行，从而使其具备一定的空中避障能力。
59.上述能够通过折叠变形在轮式机器人和四旋翼无人机之间切换，从而使无人机能够适应地面场景和空中场景下不同的作业任务需求，并且结构自身具备一定的避障能力。
60.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。