一种防摔全自动傻瓜无人机的制作方法

本实用新型属于遥控机器人技术领域，尤其涉及一种防摔全自动傻瓜无人机。

背景技术：

安全（伤人伤物及摔机）和难驾驶，是航空器特别是无人机想要快速发展的两只拦路虎。

一次次地摔机，是99%以上无人机爱好者和使用者血淋林的心病，更是想要使用无人机的潜在用户很难跨越的鸿沟。

更有甚者，每次摔机导致人员伤亡和贵重物品损失，甚至刑拘的新闻报道，让整个行业蒙上阴影，甚至阻碍了行业的发展。

人工喷药对作业者毒性大，效率低、费水费药。无人机喷药正好高效、环保地解决我国7亿农民的喷药问题。但无人机驾驶技术很难，这个先进技术没法普及7亿农民，年900亿价值无法惠及广大农民。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种防摔全自动傻瓜无人机，旨在解决上述的技术问题。

本实用新型是这样实现的一种防摔全自动傻瓜无人机，所述防摔全自动傻瓜无人机包括无人机机身，无人机骨架、电气系统，动力装置、遥控装置、支脚架，若干缓冲机构，所述无人机骨架设于所述无人机机身上，所述电气系统和动力装置均设于所述无人机骨架上，若干所述缓冲机构分别设于所述无人机机身上，所述电气系统连接所述动力装置，所述电气系统通过通信连接所述遥控装置，所述支脚架分别设于所述无人机机身上。

本实用新型的进一步技术方案是：所述缓冲机构包括缓冲轴、压板、压簧（及保险销，所述缓冲轴上设有多个能量定位孔，所述缓冲轴的一端分别穿过所述压板及压簧设于所述缓冲座上，所述保险销置于其中一个所述能量定位孔内。

本实用新型的进一步技术方案是：所述无人机机身上嵌入了若干个能量释放腱。

本实用新型的进一步技术方案是：若干个所述长行程阻尼器的支脚架分别设于所述无人机机身上。

本实用新型的进一步技术方案是：所述无人机机身包括第一圆环、第二圆环、第三圆环、第四圆环、若干保护格网，所述第一圆环连接所述第二圆环，所述第二圆环连接所述第三圆环，所述第三圆环连接所述第四圆环，所述第四圆环连接所述第一圆环，所述第一圆环的两面分别设有所述保护格网，所述第二圆环的两面分别设有所述保护格网，所述第三圆环的两面分别设有所述保护格网，所述第四圆环的两面分别设有所述保护格网；所述无人机机身采用耐摔材料，所述无人机机身组成的圆环在四个基础上成双数扩展。

本实用新型的进一步技术方案是：所述电气控制系统包括中央处理器、供电装置、遥控器接收模块、陀螺仪、卫星定位系统及若干电子调速器或通道，所述中央处理器的输入端分别连接所述遥控器接收模块的输出端、陀螺仪的输出端及卫星定位系统输出端；若干所述电子调速器或通道的一端分别连接所述中央处理器的输出端，每条所述电子调速器或通道的另一端连接一个所述动力装置的电机或燃料发动机或舵机，所述电子调速器或通道与所述电机或燃料发动机或舵机一一对应，所述供电装置分别电性连接所述中央处理器、遥控器接收模块、陀螺仪、卫星定位系统及若干电子调速器或通道。

本实用新型的进一步技术方案是：所述中央处理器根据陀螺仪和卫星定位系统判断无人机姿态和GPS位置控制电机或燃料发动机或舵机的输出量平衡无人机姿态和位移。

本实用新型的进一步技术方案是：通过GPS定位采集器把指定点的定位数据发送给本无人机，或本无人机自己到指定点做位置采集。

本实用新型的进一步技术方案是：处理器通过这些位置采集点计算出立体轨迹或航线，实现无人机全自动傻瓜飞行。

本实用新型的进一步技术方案是：所述动力装置（30）包括螺旋桨及电机或燃料发动机或舵机，所述电机或燃料发动机或舵机的极轴上设有螺旋桨，所述电机或燃料发动机或舵机的控制端连接所述电气控制系统（20）。

本实用新型的有益效果是：无人机及装载物合计40公斤以下，在100米以内低空飞行时摔下，本无人机能吸收大部分势能和动能，从而把损失减少到最小，甚至为0；通过GPS定位采集器把指定点的定位数据发送给本无人机，或本无人机自己到指定点做位置采集。再利用计算机技术，把这些定位点数据计算后或在数字地图上设点，控制本无人机实现全自动傻瓜飞行完成3维度及以下维度运动轨迹，如空中运动或留视觉或打印三维图等。实现没有无人机驾驶技术的人完全驾驶无人机能力，让无人机不再

高不可攀，从而走入千家万户，成为我们身边工作生活地好帮手。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的防摔全自动傻瓜无人机的结构图。

图2是本实用新型实施例提供的飞行控制系统结构框图。

图3是本实用新型实施例提供的缓冲机构结构图。

图4是本实用新型实施例提供的全自动傻瓜飞行航线示例图。

具体实施方式

图1示出了本实用新型提供的防摔全自动傻瓜无人机，包括无人机机身10，无人机骨架20、电气系统，动力装置30、遥控装置、支脚架50，若干缓冲机构40，所述无人机骨架20设于所述无人机机身10上，所述电气系统和动力装置30均设于所述无人机骨架20上，若干所述缓冲机构40分别设于所述无人机机身10上，所述电气系统连接所述动力装置30，所述电气系统通过通信连接所述遥控装置，所述支脚架分别设于所述无人机机身上。

图3示出了所述缓冲机构包括缓冲轴402、压板405、压簧403及保险销404，所述缓冲轴402上设有多个能量定位孔401，所述缓冲轴402的一端分别穿过所述压板405及压簧403设于所述缓冲座401上，所述保险销404置于其中一个所述能量定位孔401内。当无人机触碰地面地瞬间，冲击力超过保险销的强度，保险销脆裂，压簧储存的弹簧势能（W=1/2kx²）弹簧弹性势能瞬间触发释放来，冲散从高处摔下的动能（Ek＝1/2mv2）和重力势能（EP＝mgh）。

所述无人机机身10上嵌入了若干个能量释放腱101。这个腱就在每个圆环等份的凹块，它相当于一个同轴的2根杠杆，三角形夹角有弹簧。当无人机触碰地面地瞬间，夹角的变化，类似弹簧势能（W=1/2kx²）冲散从高处摔下的动能。美国有个兽医学会研究了132只猫,分别从6米到100米高度摔下,能活下来的占90%.另外,在20米高度以内,随着高度的增大,死伤率越大.超过20米高度,随高度的增加,死伤率反而减少。原因是猫没有锁骨,它们的脊椎骨也比其它动物更柔软有弹性。

若干个所述长行程阻尼器的支脚架分别设于所述无人机机身上。它让触地时间变长，并释放弹性势能来冲散从高处摔下的动能，从而受到的冲击力变小；阻尼器可以是弹簧、或液体、或气体。

所述无人机机身包括第一圆环、第二圆环、第三圆环、第四圆环、若干保护格网，所述第一圆环连接所述第二圆环，所述第二圆环连接所述第三圆环，所述第三圆环连接所述第四圆环，所述第四圆环连接所述第一圆环，所述第一圆环的两面分别设有所述保护格网，所述第二圆环的两面分别设有所述保护格网，所述第三圆环的两面分别设有所述保护格网，所述第四圆环的两面分别设有所述保护格网；所述无人机机身采用耐摔材料，所述无人机机身组成的圆环在四个基础上成双数扩展。图2示出了所述电气控制系统包括中央处理器、供电装置、遥控器接收模块、陀螺仪、卫星定位系统及若干电子调速器或通道，所述中央处理器的输入端分别连接所述遥控器接收模块的输出端、陀螺仪的输出端及卫星定位系统输出端；若干所述电子调速器或通道的一端分别连接所述中央处理器的输出端，每条所述电子调速器或通道的另一端连接一个所述动力装置的电机或燃料发动机或舵机，所述电子调速器或通道与所述电机或燃料发动机或舵机一一对应，所述供电装置分别电性连接所述中央处理器、遥控器接收模块、陀螺仪、卫星定位系统及若干电子调速器或通道。

所述中央处理器根据陀螺仪和卫星定位系统判断无人机姿态和GPS位置控制电机或燃料发动机或舵机的输出量平衡无人机姿态和位移。

通过GPS定位采集器把指定点的定位数据发送给本无人机，或本无人机自己到指定点做位置采集。

处理器通过这些位置采集点计算出立体轨迹或航线，实现无人机全自动傻瓜飞行。如图4举例了一个盲扫飞行的案例：我们采集了ABCDE点，这些点组成了一个不规则边行的区域。如系统设定了飞行高度H和航线的行距R，处理器就自动在这个不规则区域算出一个水平面盲扫的航线图，无人机按此航线图自动起飞、飞行和返航降落。其实利用读取的采集定位点可以控制无人机实现全自动傻瓜飞行3维度及以下维度运动轨迹，如空中运动或留视觉或打印三维图等。简单的如跟随运动，按几何图运动，方形、圆形、三角形，文字、图形等等。从而实现人人驾驶无人机，让无人机不再高不可攀，从而走入千家万户，成为我们身边工作生活地好帮手。

所述动力装置（30）包括螺旋桨及电机或燃料发动机或舵机，所述电机或燃料发动机或舵机的极轴上设有螺旋桨，所述电机或燃料发动机或舵机的控制端连接所述电气控制系统（20）。

优选的，我们还需要完成：

（一）能源设计：无人飞机动力大致可分为燃油动力、电动和其它三类。其它主要有喷气发动机、涡轮发动机和火箭发动机等几种；而燃油动力是指用汽油、煤油和甲醇等燃料发动机做动力；电动则是指以电池推动电动机做动力的动力系统。相比较而言，前两类是传统的动力系统，其发展几近百年，而电动则是最近几年才发展起来的而且是由于手机厂家为增加待机时间和减轻手机重量，不断推出容量大、体积小、重量轻的锂电池为前提而推广起来的。因此，基于蓄电池的基本特点优势和便捷的可再充电模式，可靠、方便，体积小，故选择蓄电池就是本发明设计所使用的一种动力，并给电机等部件工作提供能量。

（二）动力系统设计：目前，微型飞行器的动力装置的机翼主要有：电动机或内燃机带动螺旋桨驱动、微型涡轮发动机驱动等。虽然内燃机具有燃料效率高、输出功率大等特点，但是它的调速不方便、启动困难等缺点限制了它在微型飞行器上的应用。微型涡轮发动机从理论上说是最理想的选择，但是世界上对微型涡轮发动机的研究还不足以达到实际应用的水平。而电动机虽然由于电池容量的限制、存在飞行时间短等特点，但是它具有极高的可靠性、低噪音和价格经济等优点，使电动机装螺旋桨在微型飞行器的动力装置的机翼中使用最为普遍。

（三）飞行控制系统设计：：由遥控（通过地面站遥控指令控制）和自主飞行控制（二维、三维或四维）两种。在遥控方式下，地面操作手根据无人机的状态信息和任务要求控制无人机的飞行。在自主控制方式下，飞行控制系统根据传感器获取的飞行器状态信息和任务规划信息自动控制无人机的飞行。在半自主控制方式下，飞行控制系统一方面根据传感器获取的飞行器状态信息和任务规划信息自主控制无人机的飞行，另一方面，接收地面控制站的遥控指令，改变飞行状态。

（四）、分部设计

旋翼无人机是能量源自电池，经过电调、传给电机，直接带动较长的叶片高速旋转，使空气相对叶片快速气流，在翼面上下产生压力差从而获得升力，从而抵抗重力得到飞行。

螺旋桨：大载重的用碳纤维桨。载重很大的话可以选择榉木桨，不易变形。螺旋桨规格，一般由4位数字表示，前两位数表示直径，后两位表示螺距。以1060浆为例，10表示桨的直径是10英寸，60表示浆角（螺距，6.0英寸，也就是152.4mm)。

根据流体力学，空气和水不一样，密度不同，水的密度是空气的800倍。空气密度小，为了加快空气向后流动对飞行器的推力，飞行器螺旋桨的空隙是比较大的。如果飞行器桨叶太密，向后的空气流动量就小了。三叶的效率会高，升力比同等两叶要大，但发动机马力要大，桨平衡也很难解决，两叶桨做一次平衡就能配好一对，三叶桨做两次平衡才能配好一组，8轴的话，两叶做8次平衡；太麻烦，故一般采用两叶桨。螺旋桨叶片表面积相对越大，产生推力越大、效率越高。但相对较大的螺旋桨，飞行器飞行起来会很耗电，因为螺旋桨产生的阻力会比较大。所以，选择什么型号的螺旋桨必须根据电机KV值和蓄电池提供的电压及容量进行搭配，尤其是不能选用较高KV值的电机，主要是避免电机连同电调烧掉。

螺旋桨拉力计算公式为：直径（米)×螺距(米）×浆宽度（米）×转速如P（转/秒）×1大气压力（1标准大气压）×经验系数（0.25）=拉力（公斤），前提是通用比例的浆，精度较好，大气压为1标准大气压，如果高原地区，要考虑大气压力的降低，如西藏，压力在0.6-0.7。1000米以下基本可以取1。例如：100×50的浆，最大宽度10左右，动力伞使用的，转速3000转/分，合50转/秒，计算可得：100×50×10×50P×1×0.00025=31.25公斤。如果转速达到6000转/分，那么拉力等于：100×50×10×100P×1×0.00025=125公斤

电调：电调全称电子调速器，英文electronic speed controller,简称ESC。针对电机不同，可分为有刷电子调速器和无刷电子调速器。它根据控制信号调节电动机的转速。本飞行器就是通过遥控对无刷电子调速器的控制以达到调整飞行器的各种飞行姿态和动作。电调参数：输出能力，例如：80A；电调的输出为三～四个舵机供电是没问题的

电池：模型动力的电池种类很多，镍氢(Ni-MH)、镍锰(NiOH-MnO2)、锂金属(Li)、锂聚合物（Li-Poly）等电池都行。但为了减少重量，提高电量，我们采用高性能锂离子聚合物电池组；它的参数：电压+容量+放电倍率，例如：3S(11.1V),4200mAh,30C

a、电池容量：举例5200mAh，意味着以5.2A电流放电，可以放1小时。

b、放电能力：30C电池，指的是电池的放电能力。对于30C电池，最大持续放电电流为：电池容量X放电C。例如:5200MA,30C电池，则最大的持续电流就是=5.2X30=156A（安培）。如果该电池长时间超过156安或以上电流工作，那么电池的寿命会变短。

C、电压：对于电池的单片电压，充满电时应为4.15-4.20较合适（3S电池，就是3个单片电压串接，就是4.20 V *3个，对应12.6V），用后的最低电压为单片3.7以上（3S对应11.1V，切记不要过放），长期不用的保存电压最好为3.9（3S对应11.7V）。为了提高飞行器续航能力，我们会选择电池容量大的，但本身电池的重量太重，反而降低续航时间。需要注意的是，电池的串联和并联要求单节电池或电池组的性能一致，这是因为在电路中如果有个别电池的电压过低，其它电池就会为它充电，那总电压或总电流就会低于我们的要求，同时也会造成好电池的损坏，这也是为什么锂电池要用平衡充电的原因。充电过程对电池的寿命有相当大的影响。一般来说，电池的充电时间是和充电器的电流相关联的。所以，对于16000mAH的电池，充电电压是它的额定电压，充电器的电流是5000毫安，那么充电时间就等于16000÷5000=3.2小时。但这只是说从零电压充起情况下的，属于理想状态，实际的充电时间还要看蓄电池的时间电量。但这不能说明使用大电流充电就能节约时间，实验证明，大电流充电会对电池的性能造成一定程度的破坏。

电机：传统的有刷直流电动机具有刷换方向设备、是以机械方式进行换向，存在噪声、火花及寿命短等缺点。微型无刷直流电动机采用的是电子换向，其输出功率和效率较高，同时噪音小、可控性强、寿命较长并无其他明显缺点，本次设计所选定的是无刷直流电机。它的参数：最大电流(A),最大电压(V), KV值. 例如：2860，最大电流80A, 最大电压17V, 3400KV。

相同的电机,不同的KV值，用的螺旋桨也不一样，每个电机都会有一个推荐的螺旋桨。相对来说螺旋桨配得过小，不能发挥最大推力；螺旋桨配得过大，电机会过热，会使电机退磁，造成电机性能的永久下降；

a、电机KV值：大KV配小桨，小KV配大桨。KV值是每1V的电压下电机每分钟空转的转速，例如KV800,在1V的电压下空转转速是800转每分钟。10V的电压下是8000转每分钟的空转转速。

•绕线匝数多的，KV值低，最高输出电流小，但扭力大，可带更大的桨，震动也小;

•绕线匝数少的，KV值高，最高输出电流大，但扭力小，只能带小桨，但效率高;

b、电机型号：定子粗的，力气大。电机型号，如2212，3508，4010，这些数字表示电机定子的直径和高度。前面两位是定子直径，后面两位是定子高度，单位是毫米。前两位越大，电机越肥，后两位越大，电机越高。又大又高的电机，力气大，效率高，价格贵，而且电机自重就会很大。为了驱动力增大，必须将每个单元输出的力a变为n*a，由安培力F=BIL可知，相当于增大了电流或者导线长度，考虑到硅钢片的磁化曲线，为了输出同样的转速和扭矩，缩小电机的半径，即使增加了响应的定子高度，也会造成硅钢片接近磁饱和导致的效率降低、电流增大导致效率降低和绕线困难等问题。所以我们设计采用盘式电机（又名铃铛电机）。电机的槽数在理论上是越多越好的。该电机的磁路长度非常短，采用扁平的外形，定子高度也非常小，这样有利于用较小的电流产生较大的扭矩和较低的转速，才能与大直径低转速螺旋桨匹配。

c、电机效率：3~5A，效率高;效率的标注方式是：g/W(克/每瓦）电机的功率和拉力并不是成正比的，也就是说50W的时候450g拉力，100W的时候就不是900g了，可能只有700g。具体效率查电机的效率表。

电机能耗管理：为了节约能耗，提高效率。我们使用比较大直径螺旋桨，从而提高螺旋桨效率和电机效率。现在行业使用的开环方案(飞行控制系统只管控制电调的PWM值，不管电机转速是否随之升高，只是由陀螺仪来判别飞行器的姿态），电机频繁做变速运动引起的额外能量损耗。现在无人机多轴动力系统在微风的时候这部分损耗高达25%左右，风力风向如果剧烈变化这部分损耗则变得更大。为此我们设计电调输出的导线有6根，比较粗一点的应该是电源线，其余四根应为信号线，采用串口或者其他方式与飞行控制系统进行双向通信，飞行控制系统可以给电调发送指令，电调也可以将动力系统的信息（比如电机的转速）反馈给飞行控制系统，这样飞行控制系统对动力系统的控制就是闭环控制。

推进系统各部件协调设计：

电池和电调的设计原则：

1）电池电压不能超过电调最高承载电压；

2）电池电流持续输出大于电调最大持续电流输出；

电机承受的电流由电机的负载决定，只要负载功率不超出电机额定，电机就不会有问题，而电池和电调仅提供到达这一负载的功率输出，其能力超过该功率即可，并不代表能力大于该功率的电池电调组合一定会输出最大功率。

电池和电机的原则：

1）电机工作电压由电调决定，而电调电压由电池输出决定，所以电池的电压要等于或小于电机的最大电压；

2）电调最大电压不能超过电机能承受的最大电压；

机架的设计：

2kg以下的无人机可以选玻纤机架；2kg以上的用3K碳纤维。

碳纤维复合材料在无人战斗机和直升机上主要应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能。碳纤维应宇航工业对耐烧蚀和轻质高强材料的迫切需求发展起来，它主要是由碳元素组成的一种特种纤维，是继玻璃纤维之后出现的第二代纤维增强复合材料。碳纤维的含碳量在90%以上，具有优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。在2000℃以上高温惰性环境中，碳纤维是唯一的一种强度不下降的物质，更可贵的是，碳纤维与其它材料具有很高的相容性，兼备纺织纤维的柔软可加工性，并且容易复合，具有很大的设计自由度。

由桨长度，计算出机架轴距 = （桨的英寸*25.4/0.8/根号2）*2。

机架轴距计算出桨的尺寸（英寸） = （机架轴距/2）*根号2*0.8/25.4。

下面是一些桨和轴距的搭配建议：

10寸桨搭配轴距450MM机架

11寸桨搭配轴距500MM机架

12寸桨搭配轴距550MM机架

13寸桨搭配轴距600MM机架

14寸桨搭配轴距650MM机架

15寸桨搭配轴距680MM机架

16寸桨搭配轴距720MM机架

17寸桨搭配轴距780MM机架

18寸桨搭配轴距820MM机架

19寸桨搭配轴距860MM机架

20寸桨搭配轴距900MM机架

机架的平衡设计：

特别是高脚架的无人机，一定要整机的重心落入到飞行器的几何中心。

旋翼无人机的动力驱动及平衡设计（按四轴举例说明：）

四轴飞行器其构造特点是在它的四个角上各装有一旋翼，由电机分别带动，叶片可以正转，也可以反转。为了保持飞行器的稳定飞行，在四轴飞行器上装有3个方向的陀螺仪和3 轴加速度传感器组成惯性导航模块，它还通过电调来保证其快速飞行。四个电机轴距几何中心的距离相等, 当对角两个轴产生的升力相同时能够保证力矩的平衡, 四轴不会向任何一个方向倾转; 而四个电机一对正转,一对反转，使得绕竖直轴方向旋转的反扭矩平衡, 保证了四轴航向的稳定。根据四个输入力和六个坐标输出的欠驱动动力学，四个电机的转速做相应的变化即可实现四轴横向、纵向、竖直方向和偏航方向上的运动；飞行器实现空间6个自由度(分别沿3个坐标轴作平移和旋转运动)的运动。在实际使用情况下,有用的主要运动为沿3个坐标轴作平移运动和绕垂直轴的旋转运动，俯仰运动和翻滚运动为水平运动的诱导运动。四个桨产生的推力, 超过或者低于四轴本身重力的时候能够实现竖直方向上升与下降的运动, 当桨的升力与四轴本身的重力相等的时候即实现悬停。

陀螺仪的原理就是一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，用它来保持方向，制造出来的仪器就叫陀螺仪。例如，骑自行车其实也是利用了这个原理。轮子转得越快越不容易倒，因为车轴有一股保持水平的力量。遥控飞机陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。

多旋翼无人机是一种安装根据几何对称图形来确定数量的动力轴和螺旋桨的可垂直起降的无人飞行系统，也叫多轴飞行器，常见的有4轴、6轴、8轴等无人机。决定多旋翼飞行器旋翼个数的，就是飞行器稳定性、几何尺寸和单发动力性能三者的平衡。数量越多越稳定，而且可以承受双发/单发失效，但相比较旋翼直径的缩小，旋翼中心与飞行器几何中心的距离增加得更快，飞行器的尺寸也就会做得越大。此飞行器可以外挂很多设备、仪器、工具、武器等用于各种用途。当然也可以外挂我们的载体，如各类运输物资、药水等。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。