CN113955102B - 一种陆空双域变构涵道无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种陆空双域变构涵道无人机,其包括机身、连杆机构和驱动组件;结构简单但具有适应陆空双域行动的能力,通过在机身与驱动组件之间设置连杆机构,使得利用连杆机构即可改变驱动组件的工作状态来达到改变无人机工作状态的目的,整体状态切换过程简单,同时驱动组件的各组成件在两种工作状态下均能起到正向作用,解决了现有无人机状态切换时有较多组件无法同时适用双状态的工作反而增加整体重量和阻力起到反向作用。有陆地模式与飞行模式,可以做到无缝的在两种模式之间进行转换而无需其他辅助机构。
Description
技术领域
本发明应用于双域无人机领域,具体是一种陆空双域变构涵道无人机。
背景技术
无人机是一种有动力、可控制、可执行多种任务的无人驾驶航空器,自诞生以来,主要应用于军事方面,作为智能化和信息化的武器,无人机在侦察、监视、通信、远距离攻击等方面发挥了重要的作用。近年来,无人机在民用方面的应用也越来越多,各国在无人机的民用方面逐渐开放。无人机已经广泛应用于公共安全、应急搜救、农林、环保、交通、通信、影视航拍等多个领域。毫无疑问,随着技术的更新和发展,民用无人机将迎来井喷式的发展,应用前景十分广阔。
由于陆空两栖***要兼具地面运动能力和空中运动能力,其功能是地面机器人和飞行机器人的结合设计。目前国内外对于陆空两栖***平台机械结构设计都各自特点,且是针对特定场景而设计的。常用的地面机器人有轮式结构、履带结构、仿生足式结构以及几种复合式结构。相对于轮式和履带式两种结构的机器人来说,使用仿生足式结构的机器人对于复杂的非结构化环境适应能力更强。而飞行机器人常用的有固定翼式、多旋翼式、倾转式、直升机式等结构形式,其中多旋翼相对于其他的形式结构具有可控性强、机动性好等优势,是一种成本低,效率高的方案。因此多旋翼式结构渐渐成为陆空两栖***平台最主要结构方式。目前流行的陆空两栖平台区别也仅在于地面行走部分的设计差异。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足,提供一种陆空双域变构涵道无人机。
为解决上述技术问题,本发明的一种陆空双域变构涵道无人机,其包括机身、连杆机构和驱动组件;
所述连杆机构对称设置于机身两侧,所述驱动组件对应设置在连杆机构一端;
所述连杆机构用于改变驱动组件的工作状态,所述驱动组件包括由电机驱动的转动件。
作为一种可能的实施方式,进一步的,所述连杆机构包括驱动杆,所述机身上对应驱动杆设置有用于控制驱动杆摆动的第一舵机,所述驱动杆一端与第一舵机输出端连接,其另一端与推杆一端转动链接,所述推杆与机身之间设有限位摆杆,所述限位摆杆一端与推杆中部转动连接,其另一端与机身一侧的底角转动连接,所述推杆另一端与驱动组件底座一端固定连接,所述驱动组件底座与机身之间设有从动杆,所述从动杆一端与机身一侧的顶角转动连接,其另一端与驱动组件底座远离推杆的一端连接。
作为一种可能的实施方式,进一步的,所述驱动组件包括电机座、电机和转动件,所述电机座通过销连接于驱动组件底座上,所述电机一端安装于电机座上,其另一端与转动件传动连接,所述驱动组件底座上设置有用于控制电机座摆动角度的第二舵机。
作为一种可能的实施方式,进一步的,所述驱动组件还包括涵道件,所述涵道件套设在转动件***并与电机座外缘固定连接。
作为一种可能的实施方式,进一步的,所述机身为镂空式双层矩形架,所述机身内设有舵机安装槽,所述机身四角对应连杆机构开设有安装孔。
作为一种可能的实施方式,进一步的,所述转动件为螺旋桨式叶片。
作为一种可能的实施方式,进一步的,所述第一舵机工作带动驱动杆摆动推动推杆向外移动直至所述驱动组件底座从竖直状态摆动至水平状态,完成无人机从第一状态至第二状态的转变过程,过程中所述限位摆杆和从动杆配合转动。
作为一种可能的实施方式,进一步的,所述无人机处于第一状态时,所述涵道件水平置于地面;所述转动件同时同向转动其扭力带动无人机整体重心瞬间发生改变并依照惯性利用涵道件的圆形截面表面进行地表滚动;所述转动件同时反向转动导致涵道件受到两股径向力,从而带动无人机整体发生转动。
作为一种可能的实施方式,进一步的,所述无人机处于第二状态时,所述涵道件摆动至竖直状态,所述转动件转动产生升力,带动无人机向上飞起,所述第二舵机工作带动控制电机座摆动调节转动件角度进行无人机飞行角度的调节。
本发明采用以上技术方案,具有以下有益效果:
本发明结构简单但具有适应陆空双域行动的能力,通过在机身与驱动组件之间设置连杆机构,使得利用连杆机构即可改变驱动组件的工作状态来达到改变无人机工作状态的目的,整体状态切换过程简单,同时驱动组件的各组成件在两种工作状态下均能起到正向作用,解决了现有无人机状态切换时有较多组件无法同时适用双状态的工作反而增加整体重量和阻力起到反向作用。有陆地模式与飞行模式,可以做到无缝的在两种模式之间进行转换而无需其他辅助机构。陆地模式依靠电力***产生的反扭进行驱动,配合矢量***控制电机进行方向控制;飞行模式为涵道双旋翼,主要由电机的俯仰以及差动来控制,两种模式之间通过五连杆***进行转换。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细的说明:
图1为本发明第一状态结构整体示意图;
图2为本发明连杆机构第一状态结构示意图;
图3为本发明连杆机构状态改变过程结构示意图;
图4为本发明连杆机构第二状态结构示意图;
图5为本发明驱动组件结构示意图;
图6为本发明驱动组件转动件调节状态结构示意图;
图7为本发明升降受力示意图;
图8为本发明俯仰受力示意图;
图9为本发明横滚受力示意图;
图10为本发明偏航受力示意图;
图11为本发明前进受力示意图;
图12为本发明转向受力示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施方式中的附图,对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示,本发明提供了一种陆空双域变构涵道无人机,其包括机身1、连杆机构2和驱动组件3;
所述连杆机构2对称设置于机身1两侧,所述驱动组件3对应设置在连杆机构2一端;
所述连杆机构2用于改变驱动组件3的工作状态,所述驱动组件3包括由电机31驱动的转动件32。
如图2所示,所述连杆机构2包括驱动杆21,所述机身1上对应驱动杆21设置有用于控制驱动杆21摆动的第一舵机11,所述驱动杆21一端与第一舵机11输出端连接,其另一端与推杆22一端转动链接,所述推杆22与机身1之间设有限位摆杆23,所述限位摆杆23一端与推杆22中部转动连接,其另一端与机身1一侧的底角转动连接,所述推杆22另一端与驱动组件底座25一端固定连接,所述驱动组件底座25与机身1之间设有从动杆24,所述从动杆24一端与机身1一侧的顶角转动连接,其另一端与驱动组件3底座远离推杆22的一端连接。
所述第一舵机11工作带动驱动杆21摆动推动推杆22向外移动直至所述驱动组件底座25从竖直状态摆动至水平状态(过程如图3所示),完成无人机从第一状态(图2)至第二状态(图4)的转变过程,过程中所述限位摆杆23和从动杆24配合转动。
如图5-6,所述驱动组件3包括电机座33、电机31和转动件32,所述电机座33通过销连接于驱动组件底座25上,所述电机31一端安装于电机座33上,其另一端与转动件32传动连接,所述驱动组件底座25上设置有用于控制电机座33摆动角度的第二舵机34。
作为一种可能的实施方式,进一步的,所述驱动组件3还包括涵道件35,所述涵道件35套设在转动件32***并与电机座33外缘固定连接。
作为一种可能的实施方式,进一步的,所述机身1为镂空式双层矩形架,所述机身1内设有舵机安装槽,所述机身1四角对应连杆机构2开设有安装孔。
作为一种可能的实施方式,进一步的,所述转动件32为螺旋桨式叶片。
所述无人机处于第一状态时,所述涵道件35水平置于地面;所述转动件32同时同向转动其扭力带动无人机整体重心瞬间发生改变并依照惯性利用涵道件35的圆形截面表面进行地表滚动;所述转动件32同时反向转动导致涵道件35受到两股径向力,从而带动无人机整体发生转动。
作为一种可能的实施方式,进一步的,所述无人机处于第二状态时,所述涵道件35摆动至竖直状态,所述转动件32转动产生升力,带动无人机向上飞起,所述第二舵机34工作带动控制电机座33摆动调节转动件32角度进行无人机飞行角度的调节。
无人机有陆地模式与飞行模式,可以做到无缝的在两种模式之间进行转换而无需其他辅助机构。陆地模式依靠电力***产生的反扭进行驱动,配合矢量***控制电机进行方向控制;飞行模式为涵道双旋翼,主要由电机的俯仰以及差动来控制,两种模式之间通过五连杆***进行转换。
横列双旋翼飞行器采用横向对称分布的两组升力机构,每组升力机构可绕俯仰轴独立偏转,通过控制两电动机提供的升力与两升力机构提供的升力与垂直面夹角共4个参数,就可完成对飞行器3个平动自由度,3个转动自由度的控制,完成垂直起降、平移、转向等运动。
垂直(升降)运动:飞行器垂直方向的运动由电机推力T1和T2的增加和减少来控制。如图7所示,为了实现垂直状态飞行的各自由度姿态控制,所设计无人机采用螺旋桨朝向可小范围调整的摇摆双旋翼结构,两个螺旋桨旋转方向相反,电机在机身轴线方向通过舵机控制,摆动幅度为±30°,以连杆运动平面的法线方向为前进方向(x轴),螺旋桨推力方向为垂直运动方向(z轴),垂直于飞行器轴线的两侧为偏航方向(y轴)。悬停时,两螺旋桨工作方向相反,转速相等,则反扭力相等,从而产生垂直向上的拉力克服重力,实现悬停控制。
俯仰运动:如图8所示,采用导航坐标系,通过同时同向偏转旋翼朝向来实现无人机的俯仰(前后)运动。向前运动时,矢量***控制左右两侧的电机同时向前偏转,与zy平面成β角,两电机转速相等,此时,两个旋翼产生的拉力可以分解为水平向前的倾转拉力和垂直向上用于克服重力的拉力,偏转的角度越大前倾拉力越大则前移速度/倾转速度就越高;向后平移或倾转,则两个电机同时向后倾转。在悬停时,如果产生一个x方向得扰动,使得重心前移与原铅锤面成θ角,由于重心处于形心之下,可以提供一个回正力矩My,从而达到自稳得效果。
横滚(侧滑)运动:如图9,通过改变两个电机的转速和适量修正转差带来的反扭力差来实现飞行器的横滚(侧滑)运动。当向左平移时,右侧的电机转速提高螺旋桨拉力T2加大,左侧电机转速降低螺旋桨拉力T1减少,升力方向与zx平面成φ角,从而使飞行器向左滚转;与此同时,由于两侧电机的转速差,会产生微量的反扭力差,造成飞行器的航向产生偏转,这就需要同时使两侧电机产生微量的差动偏转来修正反扭力的差值,左平移时,左侧电机顺时针旋转,右侧电机逆时针旋转,则修正方向为左侧电机向前(x)偏转,右侧电机向后(-x)偏转。向右平移(右侧滑)时,提高左电机转速,降低右的电机转速,左侧电机向后(-x)偏转修正,右侧的电机向前(x)偏转修正。同时无人机在横滚方向上也有回正力矩Mx,所以无人机也具有横向自稳能力。
偏航(转向)运动:如图10,通过差动偏转两侧电机产生扭力来实现偏航(转向)运动。当左转时,左侧电机向后(-x)偏转α角,右侧电机向前(x)偏转α角,两边电机转速不变,此时,由于两侧电机分别产生旋转力矩Mz使飞行器以机身为轴产生旋转运动,从而实现偏航运动。
陆地模式
前进运动:如图11,依靠五连杆机构可以从飞行模式转变为陆地模式,陆地模式为二轮结构,依靠电机的反扭M1和M2,提供正向的滚转力矩My向正x轴方向滚动。
转向运动:如图12,通过驱动组件,可以控制轮子z轴方向的转向,使得轮子与y轴产生转向角γ,完成转向运动。
***通过陀螺仪和加速度计,以及磁力计来融合感知机体的位姿,将数据实时反馈控制器,以便更新运动姿态。当机体前进时,***通过给定指令控制输出PWM波形,输入给电机驱动模块,进而控制机体行驶的速度;当机体转弯控制时,将会结合本文最优曲率法的思想,使用磁力计所测的航向角不断修正机体的期望转向角,通过运动控制器的作用,可得到转弯的角速度值,根据运动模型计算转弯半径,然后两者相乘可得到车体运动的线速度,进而得到机体行驶速度。
以上所述为本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,根据本发明的教导,在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型,皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (8)
1.一种陆空双域变构涵道无人机,其特征在于:其包括机身、连杆机构和驱动组件;
所述连杆机构对称设置于机身两侧,所述驱动组件对应设置在连杆机构一端;
所述连杆机构用于改变驱动组件的工作状态,所述驱动组件包括由电机驱动的转动件;
所述连杆机构包括驱动杆,所述机身上对应驱动杆设置有用于控制驱动杆摆动的第一舵机,所述驱动杆一端与第一舵机输出端连接,其另一端与推杆一端转动链接,所述推杆与机身之间设有限位摆杆,所述限位摆杆一端与推杆中部转动连接,其另一端与机身一侧的底角转动连接,所述推杆另一端与驱动组件底座一端固定连接,所述驱动组件底座与机身之间设有从动杆,所述从动杆一端与机身一侧的顶角转动连接,其另一端与驱动组件底座远离推杆的一端连接。
2.根据权利要求1所述的一种陆空双域变构涵道无人机,其特征在于:所述驱动组件包括电机座、电机和转动件,所述电机座通过销连接于驱动组件底座上,所述电机一端安装于电机座上,其另一端与转动件传动连接,所述驱动组件底座上设置有用于控制电机座摆动角度的第二舵机。
3.根据权利要求2所述的一种陆空双域变构涵道无人机,其特征在于:所述驱动组件还包括涵道件,所述涵道件套设在转动件***并与电机座外缘固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种陆空双域变构涵道无人机,其特征在于:所述机身为镂空式双层矩形架,所述机身内设有舵机安装槽,所述机身四角对应连杆机构开设有安装孔。
5.根据权利要求1所述的一种陆空双域变构涵道无人机,其特征在于:所述转动件为螺旋桨式叶片。
6.根据权利要求3所述的一种陆空双域变构涵道无人机,其特征在于:所述第一舵机工作带动驱动杆摆动推动推杆向外移动直至所述驱动组件底座从竖直状态摆动至水平状态,完成无人机从第一状态至第二状态的转变过程,过程中所述限位摆杆和从动杆配合转动。
7.根据权利要求6所述的一种陆空双域变构涵道无人机,其特征在于:所述无人机处于第一状态时,所述涵道件水平置于地面;所述转动件同时同向转动其扭力带动无人机整体重心瞬间发生改变并依照惯性利用涵道件的圆形截面表面进行地表滚动;所述转动件同时反向转动导致涵道件受到两股径向力,从而带动无人机整体发生转动。
8.根据权利要求6所述的一种陆空双域变构涵道无人机,其特征在于:所述无人机处于第二状态时,所述涵道件摆动至竖直状态,所述转动件转动产生升力,带动无人机向上飞起,所述第二舵机工作带动控制电机座摆动调节转动件角度进行无人机飞行角度的调节。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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