一种共轴旋翼跨介质多栖无人系统的制作方法

1.本技术涉及无人系统技术领域，尤其是涉及一种具有复用型变体机构的共轴旋翼跨介质多栖无人系统，例如无人机、无人车、无人艇等。


背景技术：

2.目前，利用水面起降的水路两栖飞机、水面飞机已处于成熟发展阶段，但具备水下潜航与水中反复出入能力的跨介质无人系统仍在航行时的动力、出入水能力、密封性等方面的存在问题。
3.中国专利申请cn201711386555公开了一种固定翼海空多栖航行器与控制方法，可实现空中大范围飞行观测，也可实现水下长航程滑翔观测，并且依靠所具备的垂直起降功能实现在水、空中不同运动模式的切换。但其在水下运动时，只能通过调节机体浮心的前移与后移，结合固定翼进行锯齿状的水下滑翔运动，这种运动方式速度慢，转向路径长，动力效率低。同时，由于存在固定翼，该多栖航行器在空中运动时需要进行旋翼与固定翼的模式转换，这导致航行器在空中的运动控制系统变得十分复杂，还增大了机体体积。
4.中国专利申请cn201810255330.3公开了一种共轴倾转海空航行器，该本发明通过共轴的海空两用的组合电机与倾转组合电机的矢量配合，实现对共轴倾转航行器在水中、空中跨介质的全方位运动。但其水下运动需要四个水下推进器产生相同斜向下的力，竖直分量一直进行重力抵消，水平分量控制前行和转向，下潜的能量消耗大，且水下的运动控制系统复杂。
5.中国专利申请cn201910533404公开了一种十字型共轴倾转旋翼两栖无人机，其设置了倾转式的共轴多旋翼机构，通过对旋翼进行倾转控制，代替通过电机的增减速改变反扭力矩来改变机体的偏航角度，水下运动时倾转两侧电机朝前，机体保持水平以减少阻力，提高电机最大升力的利用效率，使无人机实现在空中以及水下大阻力情况下的自身旋转以及工作。但其在水下运动时，机体的平均密度大于水，在自然状态下机体会下沉，需要两个共轴多旋翼机构上的电机持续增减速来调节机体的上浮与下潜，上浮与下潜的能量消耗大，且水下的运动控制系统复杂。


技术实现要素：

6.本技术公开了一种无人系统，以解决传统单介质或两栖无人机器人环境适应性差的问题。
7.根据本技术的一种实施方式，提供了一种无人系统，包括主体舱以及与主体舱连接的动力系统，所述动力系统包括相对所述主体舱对称布置的多个动力单元；
8.每个动力单元均包括一变体机构以及安装在该变体机构上的共轴旋翼组件，所述变体机构包括与所述主体舱固定连接的固定支架、与所述固定支架转动连接的转动支架，所述转动支架安装有驱动电机以及与所述驱动电机的输出轴连接的动力杆；所述共轴旋翼组件包括以共轴方式安装在所述动力杆的轴向外侧的螺旋桨和所述动力杆的轴向内侧的
滚动轮；
9.其中，所述主体舱还包括驱动机构，该驱动机构通过推杆连接所述转动支架，用于驱动所述转动支架在竖直平面内相对所述固定支架转动不同角度，以将所述螺旋桨及所述滚动轮置于分别与所述无人系统的多个运动模式对应的多个工作位置。
10.在其他的一些示例中，所述滚动轮包括中心轮轴、外围轮圈以及用于连接所述中心轮轴与所述外围轮圈的多个桨叶片，所述中心轮轴可移动地套设在所述动力杆上；所述驱动机构通过所述推杆驱动所述滚动轮沿所述动力杆轴向方向移动，以在第一工作状态和第二工作状态之间进行切换；其中，在所述第一工作状态，所述滚动轮与所述动力杆之间动力耦合；在所述第二工作状态，所述滚动轮与所述动力杆之间解除动力耦合。
11.在其他的一些示例中，所述旋转支架包括套设在所述动力杆外部的滑套，所述推杆与所述滑套连接；所述滚动轮通过轴承组件固定安装在所述滑套的一端，使得所述滚动轮能够相对所述滑套自由转动。
12.在其他的一些示例中，所述滚动轮或所述轴承组件设有第一锁定机构，所述动力杆上设有第二锁定机构，在所述第一工作状态，所述第一锁定机构与所述第二锁定机构卡合，以在所述滚动轮与所述动力杆之间实现动力耦合；在所述第二工作状态，所述第一锁定机构与所述第二锁定机构分离，以在所述滚动轮与所述动力杆之间解除动力耦合。
13.在其他的一些示例中，所述滑套在沿垂直于所述转动支架的转动平面方向的两侧设有两个相对所述滑套中心线偏心设置的卡销，每个卡销通过一所述推杆与所述驱动机构连接。
14.在其他的一些示例中，所述转动支架包括一环形主体，该环形主体沿径向向外延伸形成一筒形部，所述驱动电机安装在该筒形部中；所述固定支架包括第一半球形壳体和第二半球形壳体，两个半球形壳体以从两侧夹持所述环形主体的方式，通过壳体内部的连接轴连接为一体，使得所述环形主体在外力驱动时，能够在所述两个半球形壳体之间绕所述连接轴转动。
15.在其他的一些示例中，所述两个半球形壳体与所述环形主体之间分别设有密封圈，以在所述两个半球形壳体之间形成一密封舱室，该密封舱室内设有电路板，该电路板与所述驱动电机连接。
16.在其他的一些示例中，所述固定支架还包括用于进水或排水的沉浮水箱。或者也可以在所述主体舱设置所述沉浮水箱。
17.在其他的一些示例中，所述主体舱设有控制单元，该控制单元与所述驱动机构连接，并通过设置在所述固定支架内部的线路与所述电路板连接。
18.在一些更具体的示例中，该无人系统中，所述工作位置至少包括：第一工作位置，所述转动支架在竖直平面内与所述固定支架基本上相互垂直，使得所述螺旋桨及所述滚动轮的旋转面位于水平面内，且所述滚动轮处于所述第二工作状态；第二工作位置，所述转动支架在竖直平面内与所述固定支架基本上共轴设置，使得所述螺旋桨及所述滚动轮的旋转面位于垂直面内，且所述滚动轮处于所述第一工作状态；以及位于所述第一工作位置与所述第二工作位置之间的第三工作位置，所述转动支架在竖直平面内与所述固定支架之间形成一预定夹角，使得所述螺旋桨及所述滚动轮的旋转面位于倾斜面内，且所述滚动轮处于所述第二工作状态。
19.在一些更具体的示例中，该无人系统包括四个所述动力单元，其中，第一动力单元及第三动力单元的螺旋桨和桨叶片为正向结构，第二动力单元及第四动力单元的螺旋桨和桨叶片为反向结构，所述第一动力单元及所述第二动力单元设置在所述主体舱的一侧，所述第三动力单元及所述第四动力单元设置在所述主体舱的另一侧；在所述第一工作位置下，该无人系统能够执行飞行运动模式，由四个螺旋桨提供动力实现空中飞行和悬停；在所述第二工作位置下，该无人系统能够执行地面运动模式，由四个滚动轮提供地面推力，或执行水下运动模式，由所述主体舱同侧的滚动轮的桨叶片提供水中推力；在所述第三工作位置下，该无人系统能够执行水面运动模式，由所述主体舱同侧的螺旋桨提供空气推力。
20.本技术中的无人系统，优先地，所述驱动机构通过推杆驱动所述转动支架在竖直平面内相对所述固定支架在180
°
范围内转动。
21.本技术通过动力传动杆切换的方式进行动力结构选择，并采用单杆共轴结构，实现了传统无人飞机和无人水面船的空气螺旋桨、无人舰船和潜艇的水用螺旋桨、无人小车的路面滚轮的结合，解决了传统单介质或两栖无人机器人的环境适应存在局限的问题，能够应对自然环境地形多样的情况，具有结构简单、切换方便快速的特点。
22.通过以下参照附图对本技术的示例性实施例的详细描述，本技术的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
23.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
24.在附图中：
25.图1为根据本技术实施例的无人系统整体结构示意图；
26.图2为根据本技术实施例的无人系统单个动力单元结构示意图；
27.图3、图4为根据本技术实施例的无人系统单个动力单元分解结构示意图；
28.图5为根据本技术实施例的无人系统的飞行运动模式示意图；
29.图6为根据本技术实施例的无人系统的水面运动模式示意图；
30.图7为无人系统在水面运动模式下进行翻转的示意图；
31.图8为根据本技术实施例的无人系统的水下运动模式示意图；
32.图9为根据本技术实施例的无人系统的地面运动模式示意图。
具体实施方式
33.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本技术及其应用或使用的任何限制。
34.图1为根据本技术实施例的无人系统整体结构示意图。如图1所述，本技术公开了一种无人系统，包括主体舱10以及与主体舱连接的动力系统，所述动力系统包括相对所述主体舱对称布置的多个动力单元11-14。
35.每个动力单元11-14均包括一变体机构100以及安装在该变体机构上的共轴旋翼
组件111、112；121、122；131、132；141、142。
36.图2为根据本技术实施例的无人系统单个动力单元结构示意图，图3、图4为根据本技术实施例的无人系统单个动力单元分解结构示意图。如图所示，所述变体机构100包括与所述主体舱11固定连接的固定支架1、与所述固定支架转动连接的转动支架3，所述转动支架3安装有驱动电机32以及与所述驱动电机32的输出轴321连接的动力杆4。
37.以动力单元11为例，所述共轴旋翼组件包括以共轴方式安装在所述动力杆4的轴向外侧的螺旋桨111和所述动力杆4的轴向内侧的滚动轮112。
38.所述主体舱10还包括驱动机构(未图示)，该驱动机构通过推杆7连接所述转动支架3，用于驱动所述转动支架3在竖直平面内相对所述固定支架1转动不同角度，以将所述螺旋桨111及所述滚动轮112置于分别与所述无人系统的多个运动模式对应的多个工作位置。
39.所述滚动轮112包括中心轮轴、外围轮圈1121以及用于连接所述中心轮轴与所述外围轮圈1121的多个桨叶片1122。所述中心轮轴可移动地套设在所述动力杆4上。所述驱动机构通过所述推杆7驱动所述滚动轮112沿所述动力杆4轴向方向移动，以在第一工作状态和第二工作状态之间进行切换。其中，在所述第一工作状态，所述滚动轮与所述动力杆之间动力耦合。在所述第二工作状态，所述滚动轮与所述动力杆之间解除动力耦合。
40.所述旋转支架3包括套设在所述动力杆外部的滑套5，所述推杆7与所述滑套5连接。所述滚动轮通过轴承组件52、53固定安装在所述滑套5的一端，使得所述滚动轮能够相对所述滑套自由转动。
41.参照图3、图4，示例性地，所述轴承组件包括轴承52以及旋转卡销53，所述轴承52外圈固定在滑套5的推拉环51中，所述滚动轮的中心轮轴固定套设在所述旋转卡销53上，所述旋转卡销53与所述所述轴承52的内圈固定连接，从而将所述滚动轮与所述滑套5在轴向方向固定，但能够相对所述滑套5自由转动。
42.所述旋转卡销设有第一锁定机构，所述动力杆上设有第二锁定机构，在所述第一工作状态，所述第一锁定机构与所述第二锁定机构卡合，以在所述滚动轮与所述动力杆之间实现动力耦合；在所述第二工作状态，所述第一锁定机构与所述第二锁定机构分离，以在所述滚动轮与所述动力杆之间解除动力耦合。
43.示例性地，所述第一锁定机构例如为设置在所述旋转卡销端部的卡槽，该卡槽的至少一部分露出所述中心轮轴的端面。所述第二锁定机构为设置在所述动力杆上的卡销8，当所述卡销与所述卡槽卡合时，在所述滚动轮与所述动力杆之间实现动力耦合，也即驱动电机经由输出轴向动力杆提供的动力传递至所述滚动轮。
44.参照图2、图4，所述滑套5在沿垂直于所述转动支架的转动平面方向的两侧设有两个相对所述滑套中心线偏心设置的卡销6，每个卡销通过一所述推杆7与所述驱动机构连接。
45.参照图3，所述转动支架包括一环形主体31，该环形主体31沿径向向外延伸形成一筒形部311，所述驱动电机32安装在该筒形部311中。所述固定支架包括第一半球形壳体21和第二半球形壳体22，两个半球形壳体以从两侧夹持所述环形主体的方式，通过壳体内部的连接轴221连接为一体，使得所述环形主体在外力驱动时，能够在所述两个半球形壳体之间绕所述连接轴转动。
46.所述两个半球形壳体与所述环形主体之间分别设有密封圈24，以在所述两个半球
形壳体之间形成一密封舱室，该密封舱室内设有电路板23，该电路板23与所述驱动电机32连接。
47.在一些示例中，每个所述固定支架还包括用于进水和排水的沉浮水箱9。或者，所述浮沉水箱9也可以设置在主体舱上，例如在主体舱周围对称设置2个或4个浮沉水箱。
48.在一些示例中，所述主体舱设有控制单元(未图示)，该控制单元与所述驱动机构连接，并通过设置在所述固定支架内部(经由通道222)的线路与所述电路板23连接。
49.本技术中，所述工作位置至少包括：第一工作位置，所述转动支架在竖直平面内与所述固定支架基本上相互垂直，使得所述螺旋桨及所述滚动轮的旋转面位于水平面内，且所述滚动轮处于所述第二工作状态；第二工作位置，所述转动支架在竖直平面内与所述固定支架基本上共轴设置，使得所述螺旋桨及所述滚动轮的旋转面位于垂直面内，且所述滚动轮处于所述第一工作状态；以及位于所述第一工作位置与所述第二工作位置之间的第三工作位置，所述转动支架在竖直平面内与所述固定支架之间形成一预定夹角，使得所述螺旋桨及所述滚动轮的旋转面位于倾斜面内，且所述滚动轮处于所述第二工作状态。
50.示例性地，参照图1，该无人系统包括四个所述动力单元，其中，第一动力单元11及第三动力单元13的螺旋桨和桨叶片为正向结构，第二动力单元12及第四动力单元14的螺旋桨和桨叶片为反向结构。所述第一动力单元11及所述第四动力单元14设置在所述主体舱的一侧，所述第二动力单元12及所述第三动力单元13设置在所述主体舱的另一侧。因此，第一动力单元11设有正向螺旋桨和正向滚动轮，第二动力单元12设有反向螺旋桨和反向滚动轮，第三动力单元13设有正向螺旋桨和正向滚动轮，第四动力单元14设有反向螺旋桨和反向滚动轮。
51.示例性地，每个滚动轮由圆形轮和水用桨叶组成。或者所述圆形轮也可以为其他形状的地面行走机构，例如轮腿式行走机构。
52.示例性地，所述螺旋桨可以是两叶螺旋桨，也可替代为三叶或四叶螺旋桨。
53.本技术中，正向螺旋桨指正转时提供空气向上升力，反转时提供空气向下降力。反向螺旋桨指反转时提供空气向上升力，正转时提供空气向下降力。正向滚动轮(或正向桨叶片)指正转时在水中提供远离主体舱方向的推力，反转时在水中提供靠近主体舱方向的推力。反向滚动轮(或反向桨叶片)指反转时在水中提供远离主体舱方向的推力，正转时在水中提供靠近主体舱方向的推力。
54.在所述第一工作位置下，该无人系统能够执行飞行运动模式。在所述第二工作位置下，该无人系统能够执行地面运动模式或水下运动模式。在所述第三工作位置下，该无人系统能够执行水面运动模式。
55.本技术的无人系统中，每个动力单元的螺旋桨用于提供飞行运动模式的升力以及水面运动模式(水面航行模式)的推力，滚动轮用于提供水下运动模式(水下潜行模式)和地面运动模式(陆行模式)的推力，沉浮水箱用于提供水中的上浮和下沉力。所述推杆及偏心设置的卡销用于控制螺旋桨及滚动轮同步进行最多180度的绕心旋转变形。所述推杆及滑套用于控制滚动轮在动力杆上的位置，以使滚动轮与所述动力杆实现动力耦合或解除动力耦合。
56.通过在固定支架上设置数据接口c，实现固定支架上的电路板与主体舱中的控制单元进行数据交互，例如收发控制指令等。
57.本技术中的无人系统通过所述变体机构的状态切换，在水面上变形成为空气动力船的风扇提供前进动力，在陆地上变形成为四轮车的滚轮提供前进动力。同时，配合小型沉浮水箱提供的水域上浮和下沉作用力，以及变体机构与多模态运动控制单元的调整变化，该无人系统还能进一步在水下变形成为一个潜艇，实现水下潜行运动。
58.以下结合图5-9对该无人系统的上述运动模式进行具体描述。
59.图5为根据本技术实施例的无人系统的飞行运动模式示意图。如图所示，该无人系统处于空中飞行模式时，主体舱周围的四个变体机构上的四组推杆向主体舱内部推进，推杆另一端带动滑动结构(滑套5)使动力杆中心与固定支架中心呈90度夹角。驱动电机通过动力杆带动四个螺旋桨旋转。其中，第一动力单元的正向螺旋桨正转，第二动力单元的反向螺旋桨反转，第三动力单元的正向螺旋桨正转，第四动力单元的反向螺旋桨反转，使得整个无人系统如同传统四旋翼无人机那样实现空中飞行运动和空中悬停功能。
60.图6为根据本技术实施例的无人系统的水面运动模式示意图。如图所示，该无人系统处于水面航行模式时，周围的四个变体机构上的四组推杆向主体舱外部推进，推杆另一端带动滑动结构使动力杆中心与固定支架中心呈钝角夹角，例如135度夹角。当整个机体向主体舱右侧水平运动时(图示方向)，驱动电机通过动力杆带动主体舱左边两个螺旋桨旋转。其中，第一动力单元的正向螺旋桨反转，第四动力单元的反向螺旋桨正转。当整个机体向主体舱左侧水平运动时，驱动电机通过动力杆带动主体舱右边两个螺旋桨旋转。其中，第二动力单元的反向螺旋桨正转，第三动力单元的正向螺旋桨反转。也即通过同侧的两个螺旋桨产生的空气推力，使得整个无人系统如同传统无人水面船那样实现水面航行运动功能。
61.当无人系统处于水面航行模式时，可能会被较大的水浪拍打导致整个机体水平翻转，用于提供空气推力的四个螺旋桨会全部没入水中，机体无法正常在水面运动。为解决该问题，当检测到机体在水面上发生水平翻转时(例如在主体舱中设置翻转检测装置)，控制驱动机构利用推杆先将转动支架调整为与固定支架水平(即二者共轴状态)后，再分别调节两个推杆的推力大小，使两个偏心卡销所受的推力大小不同(转动支架与固定支架呈水平状态时，两个偏心卡销中的一个位于较高位置，另一个位于较低位置，对较高位置的卡销施加较大的向内推力，也即拉力，如图7所示)，使动力杆中心与固定支架中心的夹角发生变化，从而控制螺旋桨和滚动轮绕心旋转变形，使四个螺旋桨重新露出水面提供空气推力，继续使机体在水面正常运动。
62.图8为根据本技术实施例的无人系统的水下运动模式示意图。如图所示，该无人系统处于水下潜行模式时，周围的四个变体机构上的四组推杆向主体舱外部推进，推杆另一端带动滑动结构使动力杆中心与固定支架中心呈180度夹角。驱动电机通过动力杆带动同侧两个螺旋桨旋转，同时所述滚动轮处于第一工作状态，通过卡销8带动滚动轮进行旋转。
63.本技术中，螺旋桨采用细长的空气桨叶，滚动轮的桨叶片采用宽大的水用桨叶。由于水用桨叶在水下的淌水率比空气桨叶大很多，从而产生的推力也会大很多，因此该无人系统在水下运动时，水用桨叶提供主要推力。
64.位于主体舱周围的四个小型沉浮水箱通过进水和排水，调节机体各方向的浮力，控制整个机体的水下平衡、水下下沉和水面上浮过程。本技术通过吸排水装置进行机体浮力状态调节，解决出水过程中空气螺旋桨碰触水面导致出水失败问题，同时减少了上浮与
下潜的能量消耗，还能帮助机体实现水下平衡调节、水面垂直起飞与降落功能。
65.当整个机体向主体舱左侧水平运动时，驱动电机通过动力杆带动主体舱右边两个滚动轮旋转。其中，第二动力单元的反向滚动轮正转，第三动力单元的正向滚动轮反转。当整个机体向主体舱右侧水平运动时，驱动电机通过动力杆带动主体舱左边两个滚动轮旋转。其中，第一动力单元的正向滚动轮反转，第四动力单元的反向滚动轮正转。通过同侧的两个滚动轮产生的水中推力，该无人系统如同传统无人潜艇那样实现水下潜行运动功能。
66.图9为根据本技术实施例的无人系统的地面运动模式示意图。如图所示，该无人系统处于地面陆行模式时，周围的四个变体机构上的四组推杆向主体舱外部推进，推杆另一端带动滑动结构使动力杆中心与固定支架中心呈180度夹角。驱动电机通过动力杆带动四个螺旋桨旋转，同时所述滚动轮处于第一工作状态，通过卡销8带动滚动轮进行旋转。
67.当整个机体向主体舱前方运动时，驱动电机通过动力杆带动主体舱两侧的四个滚动轮旋转。其中，第一动力单元的正向滚动轮反转，第四动力单元的反向滚动轮反转，第二动力单元的反向滚动轮正转，第三动力单元的正向滚动轮正转。当整个机体向主体舱后方运动时，驱动电机通过动力杆带动主体舱两侧的四个滚动轮旋转。其中，第一动力单元的正向滚动轮正转，第四动力单元的反向滚动轮正转，第二动力单元的反向滚动轮反转，第三动力单元的正向滚动轮反转。通过两侧的四个滚动轮产生的地面推力，该无人系统如同传统无人小车那样实现地面陆行运动功能。
68.以上实施例仅用以说明本技术的技术方案而非对其限制，尽管参照较佳实施例对本技术进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本技术的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本技术技术方案的精神，其均应涵盖在本技术请求保护的技术方案范围当中。