一种抗风型立方体无人机装置的制作方法

本实用新型涉及一种无人机，具体涉及一种抗风型立方体无人机装置。

背景技术：

当前，无人机在航拍、探测、侦察等任务中的应用已经取得了长足的发展。其操作简便、飞行及维护费用低、工作效率高等突出优势得到了广泛认同。在无人机的主要类型中，固定翼无人机有其特定的局限性，比如飞行场地的要求和低速性能差等性能限制。相比之下，多旋翼无人机则具有体积和质量小、隐蔽性和安全性好、可灵活垂直起降、飞行高度低、机动性强、结构简单操作灵活和成本较低等优点。

普通的用于航拍、探测、侦察等任务的多旋翼无人机多是采用将若干旋翼均匀排列于同一圆周平面内，在无人机的中部核心区域使用下挂式云台，将电池、飞行控制、摄录或探测等设备安装于平台之上。这种无人机设计与安装方法虽然结构简单、易于安装，但也存在操控难度大、维护不方便、抗风能力差、损毁故障率高等缺陷，具体表现如下：

（1）无人机的多旋翼既要承担提供升力的任务，又要承担航向控制的任务，使得控制与操纵的难度较大；

（2）无人机的多旋翼在一个平面内展开，分布范围较大，导致抗风能力差（一般只能在5级以下的风速内飞行），当遇到突发的侧风或强风时，往往会导致无人机倾翻直至坠毁；

（3）无人机降落过程是无人机操纵的关键环节，一旦操作失误或降落时遇到强风，极易造成无人机侧倾落地，导致螺旋桨损坏。

以上常见多旋翼无人机在抗风能力等方面存在的问题主要是由于无人机的结构设计与控制方式所造成的，通过一定的改进和完善，能够在一定程度上提高无人机的抗风能力，从而提高无人机的应用功能与应用范围。

技术实现要素：

实用新型目的：本实用新型的目的在于克服现有多旋翼无人机结构设计的不足，通过设计一种外罩缓冲垫的立方体型多旋翼无人机装置，能够有效解决多旋翼无人机在操控难度大、维护不方便、抗风能力差、损毁故障率高等方面的缺陷。

技术方案：本实用新型所述的一种抗风型立方体无人机装置，包括由六块外壳面板构成的立方体机体，所述机体外立方体的各棱角和棱边均包裹有外罩缓冲垫，每个外壳面板上均设有通孔，通孔处设有螺旋桨和螺旋桨电机，各个螺旋桨电机分别通过支撑杆与立方体内部中心的飞行控制盒连接，所述飞行控制盒内安装有无人机飞行智能控制模块；所述无人机飞行智能控制模块包括主控制器，所述主控制器的输入端分别连接有多个传感器模块，所述主控制器的输出端分别连接有多个螺旋桨电机驱动模块，所述主控制器还连接有GPS模块，无线通信模块，存储器模块，任务载荷模块，接口模块和电源模块。

进一步的，所述外罩缓冲垫的厚度超过无人机每个平面上的螺旋桨的高度。

进一步的，电池、任务载荷模块、传感器置于立方体内部靠近棱角、棱边刚性强的位置。

进一步的，所述传感器模块包括三轴陀螺传感器，三轴加速度传感器，三轴地磁传感器和飞行高度传感器。

进一步的，所述无线通信模块包括遥控器无线接收模块和无线XBEE通信模块。

进一步的，所述存储器模块包括用于存储航点信息以及控制参数的EEPROM 和用以记录各个传感器采集到的数据以及飞行命令等参数的大容量数据存储器。

进一步的，所述主控制器与螺旋桨电机驱动模块、电源模块之间均设有隔离模块。

有益效果：本实用新型的目的在于克服现有多旋翼无人机结构设计与控制方法的不足，通过设计一种外罩缓冲垫的立方体型多旋翼无人机装置，能够有效解决多旋翼无人机在操控难度大、维护不方便、抗风能力差、损毁故障率高等方面的缺陷。具体而言，一是通过多旋翼功能分组的方法，采用独立的螺旋桨控制航向，在一定程度上有效解决了无人机飞行操控复杂的问题，提高了无人机的抗风能力；二是通过螺旋桨的集成布置以及功能互换机制，确保无人机在飞行过程中突遇强风状态时仍能在空中维持飞行状态；三是通过在立方体外壳的外层包裹一层外罩缓冲垫，确保无人机在降落过程中突遇强风状态时能够安全着陆；四是通过将飞行智能控制元器件置于立方体内部的正中位置，将电池、任务负载（如摄像头）、传感器等元件置于立方体内部靠近棱角、棱边等刚性强的位置，能够较一般的多旋翼无人机更好地对这些元器件起到保护作用。

附图说明

图1为本实用新型的总体结构主视图；

图2为本实用新型总体结构去除外罩缓冲垫后的结构主视图；

图3为本实用新型总体结构去除外罩缓冲垫后的立体结构示意图；

图4为本实用新型的飞行控制系统硬件结构框图；

图5为本实用新型的飞行控制系统软件结构框图。

具体实施方式

如图1到图3所示的一种抗风型立方体无人机装置，包括由六块外壳面板1构成的立方体机体，所述机体外立方体的各棱角和棱边均包裹有外罩缓冲垫5，使得无人机不论从哪个角度落地，都能得到缓冲垫的有效保护。立方体无人机外罩缓冲垫5的厚度超过无人机每个平面上的螺旋桨高度，从面确保了各螺旋桨在落地时的安全防护。每个外壳面板1上均设有通孔，通孔处设有螺旋桨2和螺旋桨电机4，各个螺旋桨电机4分别通过支撑杆3与立方体内部中心的飞行控制盒6连接，所述飞行控制盒6内安装有无人机飞行智能控制模块。

每个无人机外壳面板外都安装有螺旋桨2和螺旋桨电机4，从而共有6个螺旋桨用于无人机的飞行控制。在飞行过程中，与地面平行的上下两个螺旋桨提供升力（转向相反，类似于双层旋翼无人机），控制无人机的升降运动；与地面垂直的四个螺旋桨则提供前后以及左右的航行方向控制功能。这种设计能够有效解决无人机飞行操控复杂的问题，同时，由于采用独立的螺旋桨控制航向，在一定程度上也提高了无人机的抗风能力。立方体无人机内部对应于各螺旋桨电机安装了无人机内部支撑杆3，用于加固无人机机体强度。

该无人机装置的螺旋桨设置较为集中，且提供升力的螺旋桨采用双层结构，大大减少了迎风面积，提高了抗风能力。更为重要的是，在立方体无人机的6个平面上均布的螺旋桨的功能可以互换，当风速突增导致无人机在空中被吹翻时，新的平行于地面的上下2个螺旋桨便可由原来承担航向控制的任务转变为承担升降控制任务，而原来承担升降控制任务的螺旋桨因其所在平面被风吹成垂直于地面，则随即更换为承担航向控制任务。这种设计方法有效解决了无人机在空中因强风易导致倾翻直至坠毁的问题，即使立方体无人机在空中被强风吹翻，也可通过智能控制软件将6个螺旋桨的功能进行及时切换，从而确保无人机仍能在空中维持飞行状态，而不会坠毁。

如图2和图3所示的去除外罩缓冲垫后的结构示意图。除了包含有与图1相同的无人机外壳面板1、螺旋桨2、支撑杆3、螺旋桨电机4外，还可见无人机飞行控制盒6由六根无人机内部支撑杆3固定于无人机机体内。无人机飞行控制盒6内安装有无人机飞行智能控制元器件，同时，电池、任务负载（如摄像头）、传感器等元件置于立方体内部靠近棱角、棱边等刚性强的位置，能够较一般的多旋翼无人机更好地对这些元器件起到保护作用。

如图4所示，抗风型立方体无人机飞行控制系统硬件采用嵌入式系统设计结构，结构紧凑、可靠性高。无人机飞行控制系统的硬件设计基本结构和功能架构如图4所示，主要由以下几部分组成：

1、主控制器。主控制器可供选择的芯片种类较多，如：DSP、ARM等，这类嵌入式控制系统芯片的处理能力强，并且具有丰富的外围标准接口，如：UART、SPI、I²C等，有利于控制系统接口的扩展设计，能够有效减少外围接口芯片的数量。主控制器作为飞行控制系统的中枢，其主要任务一是对各种传感器数据进行采集并实时处理；二是接收地面控制站遥控指令，并结合当前无人机状态信息解算出系统控制量，驱动螺旋桨电机执行动作，保持无人机按照控制规律飞行；三是对机上设备管理，执行任务载荷的操作。

2、主要传感器。传感器作为控制系统的最前端，需要检测被控系统的相关参数，作为反馈量与目标值比较，按照控制规律对执行机构进行控制。立方体无人机飞行控制传感器主要有以下几种：

（1）三轴陀螺传感器。陀螺仪用于监测物体的旋转角速度，通过积分，从而获得物体转动的角度信息。可选用ST公司生产的陀螺仪芯片 L3GD20H，通过SPI总线与主控制器相连接。

（2）三轴加速度传感器。用来测量飞行器的加速度信息。选用InvenSense 公司的 MPU6000 模块，芯片内置DMP数字运动处理器，能够处理复杂的九轴的传感器数据融合算法，通过SPI总线与主控制器相连接。

（3）三轴地磁传感器。磁强计可以对地磁矢量在机体坐标系下的分量，在姿态解算中，其精度对航向角的解算非常重要。可选用霍尼韦尔公司的 HMC5883L 三轴磁强计，通过I²C总线与主控制器相连接。

（4）飞行高度传感器。用于测量无人机飞行高度。可选用MS5611型号，该传感器具有非常小的压力信息的延迟，对于飞控系统进行高程信息的采集，和 GPS 高度信息进行融合，通过I²C总线与主控制器相连接。

3、GPS模块。在进行导航控制，无人机按照设定航线飞行时，飞行控制系统需要 GPS 提供速度、经纬度、高度等信息作为量测值，而且，在机体发生故障，自动返航、丢失找寻中，GPS 都发挥着至关重要的作用。可选用瑞士ublox公司生产的u-blox LEA-6H型号，通过UART接口与主控制器相连接。

4、无线通信模块。无线通讯模块主要功能是完成地面站系统与无人机飞行控制系统的信息交换。在无人机飞行控制系统中有两类无线通信：一是遥控器通信，二是无线XBEE通信。遥控器主要是为了在手动飞行模式下给无人机输送控制指令；无线XBEE通信不但有输送控制指令的作用，还有接收无人机飞行数据，监控无人机飞行状态的作用。遥控器可选用日本futaba公司的TIOCHG，接收机则采用R6208SB。无线XBEE通信采用xbee-pro900实现与地面站软件的通信，xbee-pro900具有功耗低、抗干扰能力强、传输距离长（室外环境3km）的特点，通过UART接口与主控制器相连接。

5、螺旋桨电机驱动模块。无人机飞行控制系统通过PWM（Pulse Width Modulation）脉宽调制技术，控制周期方波信号的占空比，实现对螺旋桨电机转向和转速的控制。在本实用新型中，需要同时对6个螺旋桨电机进行驱动控制。

6、存储器模块。无人机飞行控制系统的存储主要包括两部分。一部分是用于存储航点信息以及控制参数的EEPROM 和用以记录各个传感器采集到的数据以及飞行命令等参数的大容量数据存储器。大容量存储采用常见的数据存储设备 SD 卡，通过SPI总线与主控制器相连接。

7、任务载荷模块。是用户针对无人机的应用功能，如：航空拍摄、航空探测等，各种应用任务所获取的数据或控制信息均可通过UART接口与主控制器进行通信。

8、电源模块。可选用TI公司的DC-DC模块PTH08080WAD，为无人机飞行控制系统提供所需的相关电源类型。

如图5所示，抗风型立方体无人机飞行控制系统软件采用基于实时操作系统（如μC/OS-Ⅱ或Linux）的软件设计方法，能够有效保证无人机飞行控制系统的实时性，系统可靠性更高。立方体无人机飞行控制系统软件主要分为以下几个模块：

1、检测与执行元件硬件驱动模块。硬件驱动模块对底层硬件（如串口、A/D、PWM）驱动进行封装，为上层应用任务（如数据采集模块、遥测模块等）提供统一的函数接口（API）。

2、数据采集模块。数据采集模块调用检测与执行元件硬件驱动模块所提供的函数，完成传感器的数据采集（如：加速度数据、GPS 数据、飞行高度数据等）。

3、遥测遥控模块。遥测遥控模块负责将无人机的飞行参数、姿态参数、位置参数等通过无线通信模块发送回地面遥测遥控控制台，还负责接收地面遥测遥控控制台发出的指令，解码得到控制信息，并将此控制信息发送给任务管理模块。

4、姿态控制模块。将采集的三轴陀螺传感器、三轴加速度传感器、三轴地磁传感器等数据通过姿态控制模块为导航控制模块和飞控策略模块提供所需的姿态信息。

5、航向控制模块。航向控制模块负责控制无人机的动作执行机构（螺旋桨电机），通过对6个螺旋桨电机的转向与转速的分别控制，实现无人机的飞行航向与航速控制。

6、无人机飞控任务管理模块。飞控任务管理模块作为无人机软件系统的管理者，对各个任务进行调度。同时，作为无人机飞控数据通信的枢纽，将各任务的输入数据进行汇总，重新组合成其他任务所需的数据帧。

7、导航控制模块。导航控制模块实现两个功能：航线管理功能、自主导航功能。航线管理负责为导航任务提供飞行航线信息，使飞控软件根据航线信息制定导航策略。自主导航负责为飞控策略模块提供侧偏距、偏航角等数据，通过生成控制策略实现无人机飞行功能。

8、飞控策略模块。包括纵向控制策略和横侧向控制策略。纵向控制策略主要负责控制和稳定无人机的高度；横侧向控制策略主要负责控制和稳定无人机的航向角和轨迹控制等。

本实用新型的目的在于克服现有多旋翼无人机结构设计与控制方法的不足，通过设计一种外罩缓冲垫的立方体型多旋翼无人机装置，能够有效解决多旋翼无人机在操控难度大、维护不方便、抗风能力差、损毁故障率高等方面的缺陷。具体而言，一是通过多旋翼功能分组的方法，采用独立的螺旋桨控制航向，在一定程度上有效解决了无人机飞行操控复杂的问题，提高了无人机的抗风能力；二是通过螺旋桨的集成布置以及功能互换机制，确保无人机在飞行过程中突遇强风状态时仍能在空中维持飞行状态；三是通过在立方体外壳的外层包裹一层外罩缓冲垫，确保无人机在降落过程中突遇强风状态时能够安全着陆；四是通过将飞行智能控制元器件置于立方体内部的正中位置，将电池、任务负载（如摄像头）、传感器等元件置于立方体内部靠近棱角、棱边等刚性强的位置，能够较一般的多旋翼无人机更好地对这些元器件起到保护作用。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。