本发明涉及一种厂内巡逻的无人机。
背景技术：
有人提出一种包括飞行平台的飞行器，使用者站在该平台上，平台下方安装有螺旋桨来产生升力从而将该平台从地面上提升。该平台包括使用者抓握的外围扶手，使用者调整其重量来控制倾斜，从来控制平台移动的方向。这种飞行器在亚瑟·罗伯逊等人的美国专利2953321中提出。查尔斯·齐默尔曼也在二十世纪四五时年代提出过。
尽管具有这种早期设想的飞行平台的基础理论已经建立，但商用实践和更易控制的版本还从来未实现。
cn200920050087.8、带整流装置的螺旋桨垂直起降飞行器虽然提供了一种无人飞行器，但是其平衡能力差，飞行不平稳。
技术实现要素：
针对上述内容，本发明所要解决的技术问题总的来说是提供一种设计合理、成本低廉、结实耐用、安全可靠、操作简单、省时省力、节约资金、结构紧凑且使用方便的一种厂内巡逻的无人机；详细解决的技术问题以及取得有益效果在后述内容以及结合具体实施方式中内容具体描述。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种厂内巡逻的无人机，包括顶十字架、与顶十字架外端连接的顶连接架、分布在顶连接架四周的侧支架、设置在侧支架下端的支腿、设置在顶连接架、倒置在顶十字架中心处的控制电机、其上端与控制电机下端传动连接的联轴器、其中心套上端与联轴器下端传动连接的上正旋螺旋桨、位于顶十字架下方且与侧支架中部连接的上侧环形圈、位于上侧环形圈下方且与侧支架中部连接的下侧环形圈、设置在上侧环形圈与下侧环形圈之间的环形轨道、其上端与上正旋螺旋桨中心套下端传动连接的行星齿轮机构、其根部设置在行星齿轮机构外侧壁上且其端部位于在环形轨道内的水平升降舵、其中心轴上端与行星齿轮机构下端传动连接的下方旋螺旋桨、位于下侧环形圈下方且与侧支架下部连接的底部十字架、以及设置在底部十字架中心处且与下方旋螺旋桨的中心轴下端通过轴承连接的底部轴承座，还包括有用于控制本无人机转向的路径规划及避障单元，该路径规划及避障单元固定设置于底部十字架，所述路径规划及避障单元包括控制器、光电编码器以及超声波传感器，所述控制器分别与光电编码器以及超声波传感器电连接，所述超声波传感器用于检测障碍物的位置并反馈信号至控制器，所述控制器进行路径运算以及障碍运算：
所述路径运算包括以下步骤，
s1、采用螺旋逻辑路线，假设本无人机的机身长度为a，初次环绕外圈需移动的长宽分别为l、h,本无人机从外圈向内圈移动的宽度值设为a；
s2、将初次测得的区域长、宽值l、h分别与向内圈移动宽度值a相除，商即为长、宽方向上各自所需的巡逻次数，有余数则说明还有一块宽度小于a的矩形局域需要巡逻；
s3、利用数学描述，设f={
则
所述障碍运算包括以下步骤，
a1、将本无人机的运动平面看做二维平面，与障碍物之间的距离表示为l，设定本无人机遇到障碍物的距离转弯值为k，f(l)为转弯判断值，f(l)为0按当前速度行走，为1则避障转弯，其余则减速，则有
a2、在避障转弯后，需回到原有轨迹继续移动，根据弧长和角度的关系，可得
使用本发明时，采用支腿作为落地支撑，侧支架、顶连接架、顶十字架、上侧环形圈、下侧环形圈、底部十字架形成圆柱形的框型结构构架，从而减少飞行时候的阻力，重量轻，降低了输出功率，作为主动力源的控制电机由电源提高电能，通过十字架结构，保持气流通畅，通过上正旋螺旋桨与下方旋螺旋桨实现飞行垂直升降，通过水平升降舵调整气流走向，从而避免上正旋螺旋桨与下方旋螺旋桨在升降时候的气流干涉，调整气流走向，从而使得飞行器更加稳定的飞行，通过环形轨道起到支撑叶片的作用，提高叶片的刚性，避免悬臂结构产生的变形，通过底部轴承座起到支撑作用。
行星齿轮机构包括位于上正旋螺旋桨中心套下端的输入中心格林贝尔齿轮、其外侧壁与水平升降舵根部连接的旋转行星架、径向分布在旋转行星架内的行星轴、套装在行星轴上且与输入中心格林贝尔齿轮啮合的行星格林贝尔齿轮、位于旋转行星架下方且与行星格林贝尔齿轮啮合的输出中心格林贝尔齿轮；输出中心格林贝尔齿轮位于下方旋螺旋桨的中心轴的上端部。
为了调整叶片旋转速度与螺旋桨旋转速度的配比，设计格林贝尔系减速机结构，其噪音小，传动平稳，输出效率高，输入中心格林贝尔齿轮旋转带动行星格林贝尔齿轮转动，从而带动旋转行星架旋转，从而实现叶片定速旋转，同时通过行星格林贝尔齿轮带动输出中心格林贝尔齿轮旋转，从而实现下方旋螺旋桨的旋转，从而实现一个电机多旋转输出功能，简化结构，降低了组装部件的数量，提高输出功率。
在下侧环形圈外侧壁上均布有固定支架，在固定支架上设置有摆动电机，摆动电机的输出轴连接有曲柄的一端，在曲柄的另一端连接有竖直设置的连接杆，在连接杆下端连接有水平设置的连接轴；
在底部轴承座外侧壁与侧支架之间径向分布有位于底部十字架下方的旋转轴，在旋转轴上套装有两个平行设置的支撑板，在该两个支撑板之间平行设置有三个垂直变向舵；
该两个支撑板与该三个垂直变向舵形成日字型结构，连接轴与其中一个支撑板一侧面连接。
本发明通过小功率的摆动电机-曲柄-连接杆-连接轴-支撑板-三个垂直变向舵绕旋转轴摆动，从而实现对气流的控制，通过控制各个位置垂直变向舵摆动幅度，从而实现前行、后退、转位等功能，相比于现有需要安装前行螺旋桨方案，使得飞行器结构大大的简化，同时可以实现360°任意方向的反向，不存在掉头执行步骤，使得结构极大的优化，特别是在狭长的空中通道内正反向飞行。
本发明的有益效果不限于此描述，为了更好的便于理解，在具体实施方式部分进行了更佳详细的描述。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明局部的结构示意图。
图3是本发明局部一视角的结构示意图。
图4是本发明中无人机运动的螺旋逻辑路线。
其中：1、支腿；2、侧支架；3、顶连接架；4、顶十字架；5、控制电机；6、联轴器；7、上正旋螺旋桨；8、上侧环形圈；9、下侧环形圈；10、环形轨道；11、水平升降舵；12、输入中心格林贝尔齿轮；13、行星格林贝尔齿轮；14、输出中心格林贝尔齿轮；15、旋转行星架；16、下方旋螺旋桨；17、底部轴承座；18、底部十字架；19、摆动电机；20、曲柄；21、连接杆；22、连接轴；23、固定支架；24、旋转轴；25、垂直变向舵；26、支撑板；27、路径规划及避障单元。
具体实施方式
如图1-3所示，本实施例的一种厂内巡逻的无人机，包括顶十字架4、与顶十字架4外端连接的顶连接架3、分布在顶连接架3四周的侧支架2、设置在侧支架2下端的支腿1、设置在顶连接架3、倒置在顶十字架4中心处的控制电机5、其上端与控制电机5下端传动连接的联轴器6、其中心套上端与联轴器6下端传动连接的上正旋螺旋桨7、位于顶十字架4下方且与侧支架2中部连接的上侧环形圈8、位于上侧环形圈8下方且与侧支架2中部连接的下侧环形圈9、设置在上侧环形圈8与下侧环形圈9之间的环形轨道10、其上端与上正旋螺旋桨7中心套下端传动连接的行星齿轮机构、其根部设置在行星齿轮机构外侧壁上且其端部位于在环形轨道10内的水平升降舵11、其中心轴上端与行星齿轮机构下端传动连接的下方旋螺旋桨16、位于下侧环形圈9下方且与侧支架2下部连接的底部十字架18、以及设置在底部十字架18中心处且与下方旋螺旋桨16的中心轴下端通过轴承连接的底部轴承座17。
使用本发明时，采用支腿1作为落地支撑，侧支架2、顶连接架3、顶十字架4、上侧环形圈8、下侧环形圈9、底部十字架18形成圆柱形的框型结构构架，从而减少飞行时候的阻力，重量轻，降低了输出功率，作为主动力源的控制电机5由电源提高电能，通过十字架结构，保持气流通畅，通过上正旋螺旋桨7与下方旋螺旋桨16实现飞行垂直升降，通过水平升降舵11调整气流走向，从而避免上正旋螺旋桨7与下方旋螺旋桨16在升降时候的气流干涉，调整气流走向，从而使得飞行器更加稳定的飞行，通过环形轨道10起到支撑叶片的作用，提高叶片的刚性，避免悬臂结构产生的变形，通过底部轴承座17起到支撑作用。
行星齿轮机构包括位于上正旋螺旋桨7中心套下端的输入中心格林贝尔齿轮12、其外侧壁与水平升降舵11根部连接的旋转行星架15、径向分布在旋转行星架15内的行星轴、套装在行星轴上且与输入中心格林贝尔齿轮12啮合的行星格林贝尔齿轮13、位于旋转行星架15下方且与行星格林贝尔齿轮13啮合的输出中心格林贝尔齿轮14；输出中心格林贝尔齿轮14位于下方旋螺旋桨16的中心轴的上端部。
为了调整叶片旋转速度与螺旋桨旋转速度的配比，设计格林贝尔系减速机结构，其噪音小，传动平稳，输出效率高，输入中心格林贝尔齿轮12旋转带动行星格林贝尔齿轮13转动，从而带动旋转行星架15旋转，从而实现叶片定速旋转，同时通过行星格林贝尔齿轮13带动输出中心格林贝尔齿轮14旋转，从而实现下方旋螺旋桨16的旋转，从而实现一个电机多旋转输出功能，简化结构，降低了组装部件的数量，提高输出功率。
在下侧环形圈9外侧壁上均布有固定支架23，在固定支架23上设置有摆动电机19，摆动电机19的输出轴连接有曲柄20的一端，在曲柄20的另一端连接有竖直设置的连接杆21，在连接杆21下端连接有水平设置的连接轴22；
在底部轴承座17外侧壁与侧支架2之间径向分布有位于底部十字架18下方的旋转轴24，在旋转轴24上套装有两个平行设置的支撑板26，在该两个支撑板26之间平行设置有三个垂直变向舵25；
该两个支撑板26与该三个垂直变向舵25形成日字型结构，连接轴22与其中一个支撑板26一侧面连接。
本发明通过小功率的摆动电机19-曲柄20-连接杆21-连接轴22-支撑板26-三个垂直变向舵25绕旋转轴24摆动，从而实现对气流的控制，通过控制各个位置垂直变向舵25摆动幅度，从而实现前行、后退、转位等功能，相比于现有需要安装前行螺旋桨方案，使得飞行器结构大大的简化，同时可以实现360°任意方向的反向，不存在掉头执行步骤，使得结构极大的优化，特别是在狭长的空中通道内正反向飞行。
在水平升降舵11上设置有位于环形轨道10内的滚珠。从而起到支撑与降低摩擦的效果。
下方旋螺旋桨16与上正旋螺旋桨7的旋向相同或相反，优选为反向，从而使得飞行更加平稳，在下方旋螺旋桨16的中心轴的上端部与输出中心格林贝尔齿轮14之间设置有电磁离合器。电磁离合器从而可以实现下方旋螺旋桨16与输出中心格林贝尔齿轮14的离合，实现下方旋螺旋桨16的旋转或停止，当需要高速飞行时候，下方旋螺旋桨16的旋转，当需要停留在空中或低速飞行的时候，下方旋螺旋桨16停止，从而节约电能，降低功耗。
另外，还包括有用于控制本无人机转向的路径规划及避障单元27，该路径规划及避障单元27固定设置于底部十字架18，所述路径规划及避障单元27包括控制器、光电编码器以及超声波传感器，所述控制器分别与光电编码器以及超声波传感器电连接，所述超声波传感器用于检测障碍物的位置并反馈信号至控制器，所述控制器进行障碍运算以及路径运算,控制器的型号为stm32f103单片机。
若是无人机随机性的进行巡逻，必定会产生大量的盲区，且会出现巡逻不完全或者多次重复巡逻某区域，这样的无人机明显是不适合进行巡逻的。因此，无人机在巡逻过程中的覆盖率和重复率是必须要考虑的，需要对无人机的工作过程中作出相应的路径规划。
参考图4，利用螺旋逻辑路线进行整体巡逻，螺旋逻辑路线能有效地改善随机运动路线所造成的高重复率及低覆盖率，达到区域全覆盖的巡逻，使得巡逻过程更加值得信赖。
本无人机单向行驶至转弯为一次巡逻过程，则巡逻一圈需要四次巡逻过程，路径运算包括以下步骤：
s1、采用螺旋逻辑路线，假设本无人机的机身长度为a，初次环绕外圈需移动的长宽分别为l、h,本无人机从外圈向内圈移动的宽度值设为a；
s2、将初次测得的区域长、宽值l、h分别与向内圈移动宽度值a相除，商即为长、宽方向上各自所需的巡逻次数，有余数则说明还有一块宽度小于a的矩形局域需要巡逻；
s3、利用数学描述，设f={
则
另外，上述螺旋逻辑路线的行走路线是理想情况下的，实际情况下，本无人机在整个巡逻过程中必定面对着众多障碍物，避障能力的有无也是衡量无人机的一个标准。假设本无人机单向行驶依次需移动的长度为m，该值m由l、h累加可得到，探测到前方物体时本无人机单向已行驶的长度为n1，该n1值由光电编码器测得，超声波回响测得本无人机离物体距离为n2，若n1+n2<m，则说明本无人机遇到了障碍物，随后则执行避障中断，否则本无人机随后按内螺旋逻辑执行转弯。
无人机在作业过程中遇到的障碍物外在形状总是不尽相同，倘若对每种形状的障碍物都设置一种避障算法，那么无人机的整个设计过程将疲于算法的设计，而且也不可能应对不同环境中不断变化的动态障碍物。鉴于此，控制器对所有障碍物统一归一为规则的外在矩形，归一化外形的建立依赖于安装在本无人机上的超声波传感器；同时，在本无人机的机身前部、左右部位均设置有光电传感器，用于确认本无人机的停止位置。
所述障碍运算包括以下步骤：
a1、将本无人机的运动平面看做二维平面，与障碍物之间的距离表示为l，设定本无人机遇到障碍物的距离转弯值为k，f(l)为转弯判断值，f(l)为0按当前速度行走，为1则避障转弯，其余则减速，则有
a2、在避障转弯后，需回到原有轨迹继续移动，根据弧长和角度的关系，可得
本发明设计合理、成本低廉、结实耐用、安全可靠、操作简单、省时省力、节约资金、结构紧凑且使用方便。
本发明充分描述是为了更加清楚的公开，而对于现有技术就不在一一举例。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；作为本领域技术人员对本发明的多个技术方案进行组合是显而易见的。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。