一种球形空地无人机

1.本发明涉及无人机技术领域，具体地的说是一种球形空地无人机。


背景技术：

2.无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制，以完成飞行行为及其他一些特定动作的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。近年来，民用无人机市场处于持续上升趋势，国内民用无人机的前景也越来越广阔。无人机在航空拍摄、空中勘探、生活记录、农药喷洒、消防监控等各个领域都有广泛的应用。由于无人机外型炫酷、结构简单、功能多样、科技感足等诸多因素吸引着越来越多的人们保有、使用无人机。
3.民用无人机大都千篇一律，但也有人试图设计新型无人机。例如，申请号为202110456139.7的中国发明专利申请，名称为折叠转桨实现姿态调整的无人机在无人机姿态调整技术上下文章，提出在对无人机姿态进行调整时，在保证四个旋翼转速保持相同时，通过改变导向座伸出量，改变无人机重心，使第二旋翼、第三旋翼和第四旋翼处于高位，第一旋翼处于低位，并位于重心两侧，提高无人机的导向性能，通过导向管和换向管将高速气流导向第二旋翼和第三旋翼，提高第二旋翼和第三旋翼处获得的升力，通过滑轨将对部分高速气流进行换向，并通往第四旋翼，使无人机沿第二旋翼和第三旋翼轴线进行侧倾。但该方案没能解决无人机运动模式单一的问题。
4.现有技术的无人机将桨叶暴露在外，使得无人机在调试、起飞、贴地飞行、失控坠落至地面等场景下，转速达上千rpm的螺旋桨会成为极其危险的利器，若螺旋桨直接接触到人体，势必造成严重的伤害。随着市场的不断扩大，人们生活中越来越多地与无人机接触，发生的伤害事故也逐渐增多。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种球形空地无人机，采用设置于球形罩壳内的机身、控制电路板以及连接装置，用户通过上位机控制球形空地无人机沿平面滚动和空中飞行两种运动模式，实现利用球形外壳沿平面滚动以及在空中飞行两种运动模式，该无人机结构简单，可以实现更多的运动模式，旋翼位于球壳内，在使用时更为安全，具有很好的应用前景。
6.实现本发明的目的具体技术方案是：一种球形空地无人机，其特点是该无人机由机身组件、控制电路板、连接装置以及球形外壳组成，用户通过上位机控制球形空地无人机沿平面滚动和空中飞行两种运动模式，所述机身组件包括：机身、无刷电机以及螺旋桨；所述机身设有四组电机安装孔，以及若干个螺丝和拓展孔；所述安装孔上方安装有无刷电机；所述无刷电机与安装孔紧固连接；所述无刷电机上安装有螺旋桨；所述螺旋桨与无刷电机紧固连接；所述控制电路板包括：核心板以及电源板；所述电源板位于机身上方，电源板与机身的螺丝孔紧固连接；所述核心板位于电源板上方，核心板与电源板为缓冲连接；所述拓展孔上安装有超声波测距传感器和九轴传感器；所述连接装置包括连接杆以及设置在括连
接杆两端的连接块，连接杆与连接块为紧固连接；所述连接杆位于机身下方，连接杆与机身为紧固连接；所述球形外壳位于两连接块之间，球形外壳与连接块通过轴承连接；所述球形外壳由完全相同的左半球形网罩以及右半球形网罩通过卡扣紧固连接而成。
7.所述球形空地无人机上可以通过预留的拓展孔安装超声波测距传感器等其他器件。
8.所述用户通过上位机控制球形空地无人机沿平面滚动的控制程序时，会按场景主动调节无刷电机转速，利用球壳沿平面滚动，具体实现步骤如下：步骤一：用户使用上位机向球形空地无人机通过蓝牙协议发送滚动模式命令；步骤二：控制电路板执行初始化程序，读取滚动模式参数，启动滚动模式控制程序；步骤三：用户使用上位机解锁球形空地无人机，发送指令；步骤四：控制电路板接收指令，使用mpc算法、油门控制算法计算无刷电机转速，发送控制pwm波；步骤五：无刷电机根据控制电路板输出的pwm波调整自身的转速，从而改变无人机姿态；步骤六：球形外壳沿平面滚动，带动无人机前进。
9.所述用户通过上位机控制球形空地无人机空中飞行的控制程序时，会将无刷电机转速提高到较高水平，脱离地面，在空中飞行，具体实现步骤如下：步骤一：用户使用上位机向球形空地无人机通过蓝牙协议发送飞行模式命令；步骤二：控制电路板执行初始化程序，读取飞行模式参数，启动飞行模式控制程序；步骤三：用户使用上位机解锁球形空地无人机，发送指令；步骤四：控制电路板接收指令，使用pid算法计算无刷电机转速，发送控制pwm波；步骤五：无刷电机根据控制电路板输出的pwm波调整自身的转速，从而改变无人机姿态；步骤六：无人机在空中运动，带动球形外壳运动。
10.本发明与现有技术相比具有如下有益的技术进步和显著的技术效果：1）球形外壳使得本发明可以沿平面运动，在接触到平面后增加用户体验的多样性。
11.2）球形外壳使得本发明在坠落时不容易损坏核心部件。
12.3）球形外壳隔离了用户与螺旋桨，增加用户体验的安全性。
13.4）球形外壳内可以安装传感器，使得无人机能更好的感知周围环境，增加自身智能性。
附图说明
14.图1为本发明结构示意图；图2为图1的俯视图；图3为机身的结构示意图；图4为初始化程序的工作流程图；
图5为滚动模式的工作流程图；图6为飞行模式的工作流程图。
具体实施方式
15.参阅图1图2，本发明由机身组件1、控制电路板2、连接装置3以及球形外壳4组成，用户通过上位机控制球形空地无人机沿平面滚动和空中飞行两种运动模式，所述机身组件1包括：机身11、无刷电机12以及螺旋桨13；所述无刷电机12由电机安装孔111固定设置在机身11上；所述螺旋桨13固定设置在无刷电机12上；所述控制电路板2包括：核心板21以及电源板22；所述电源板22由螺丝孔112固定设置在机身11上；所述核心板21设置在电源板22上方，且与电源板22为缓冲连接；所述机身11的拓展孔113上安装超声波测距传感器5和九轴传感器6；所述连接装置3由设置在连接杆31两端的连接块32组成，连接杆31与连接块32为紧固连接；所述连接杆31位于机身11下方，且与机身11为紧固连接；所述球形外壳4由完全相同的左半球形网罩41以及右半球形网罩42通过卡扣7紧固连接而成；所述机身组件1由连接杆31设置在球形外壳4内，连接杆31两端的连接块32通过轴承与球形外壳4滚动连接。
16.参阅图3，所述机身11上设有四组电机安装孔111，以及若干螺丝孔112和拓展孔113。
17.参阅图4，初始化设置：用户需先开启上位机，设置运动模式，球形空地无人机放置于地面，启动后进入初始化程序，mcu读取九轴传感器（mpu9250）6的数据，解算后作为无人机的初始姿态。控制电路板2上的ppm接收机接收到运动模式指令，并发送给mcu。之后，mcu从外置flash芯片中读取相应运动模式程序参数，最后mcu进入相应运动模式控制程序。当上位机请求滚动模式时，mcu从外置flash芯片中读取滚动运动模式程序参数，最后mcu进入滚动运动模式控制程序；当上位机请求飞行模式时，mcu从外置flash芯片中读取飞行运动模式程序参数，最后mcu进入飞行运动模式控制程序。
18.参阅图5，滚动模式控制程序：上位机发来的控制信息被控制电路板2上的ppm接收机接收，并发送给mcu。当mcu接收到控制信号，滚动模式控制算法便会开始生成控制无刷电机12的pwm波。mcu首先读取九轴传感器中的数据，之后对数据进行解算得到无人机当前的姿态，再读取超声波传感器5的数据判断前进路线上是否有障碍物，再运行mpc算法得出无刷电机的转速。计算得到的转速进入油门控制程序，对转速进行限制。最后由pwm程序生成控制无刷电机12转速的pwm波。无刷电机12接收到pwm波后调整转速，从而改变无人机姿态。不同姿态的无人机会给予球形外壳4不同方向的推力，从而使得球形外壳4向用户需要的方向运动。mpc算法的另一个作用是保持整个系统平衡，不向左右两侧倾翻，这同样是通过调节四个无刷电机12的转速来实现的。
19.本发明在向前滚动时，mpc算法会降低第一旋翼以及第二旋翼的转速，提升第三旋翼以及第四旋翼的转速，使无人机机头向下沉，机尾向上翘起，产生向前的推力带动球形外壳4向前滚动，机头下沉的角度越大，向前的加速度便就越大。
20.本发明在向后滚动时，mpc算法会提升第一旋翼以及第二旋翼的转速，降低第三旋翼以及第四旋翼的转速，使无人机机尾向下沉，机头向上翘起，产生向后的推力带动球形外壳4向后滚动，机头上翘的角度越大，向后的加速度便就越大。
21.本发明在向左调整航向时，mpc算法会降低第一旋翼以及第三旋翼的转速，提升第二旋翼以及第四旋翼的转速，使无人机带动球形外壳4顺时针旋转，调整航向。
22.本发明在向右调整航向时，mpc算法会提升第一旋翼以及第三旋翼的转速，降低第二旋翼以及第四旋翼的转速，使无人机带动球形外壳4逆时针旋转，调整航向。
23.本发明在mcu解算出的姿态数据显示无人机向左倾翻时，mpc算法会提升第一旋翼以及第四旋翼的转速，降低第二旋翼以及第三旋翼的转速，使无人机左侧机身抬起，右侧机身下沉，校准机身姿态。在mcu解算出的姿态数据显示无人机向右倾翻时，mpc算法会降低第一旋翼以及第四旋翼的转速，提升第二旋翼以及第三旋翼的转速，使无人机右侧机身抬起，左侧机身下沉，校准机身姿态。
24.参阅图6，飞行模式控制程序，上位机发来的控制信息包含期望的roll轴、pitch轴和yaw轴角度。控制电路板2上的ppm接收机持续接收上位机传来的控制信息，并发送给mcu，当mcu接收到控制信号，飞行模式控制算法便会开始生成控制无刷电机12的pwm波。mcu首先读取九轴传感器6中的数据，之后对数据进行解算得到无人机当前的姿态，再运行pid算法得出无刷电机12的转速，最后由pwm程序生成控制无刷电机12转速的pwm波。无刷电机12接收到pwm波后调整转速，从而改变无人机姿态，并由机身11带动球形外壳4在空中运动，所述pid算法通过分别计算roll轴、pitch轴和yaw轴上角度的实际数值与用户期望值的偏差的比例(p)、积分(i)和微分(d)来计算无刷电机的转速。
25.在无人机失控冲向用户或用户无意识试图触碰无人机时，球形外壳4隔离用户以及螺旋桨，最大程度保护用户安全。在无人机失控坠落时，球形外壳4率先着地，保护更为贵重的核心模块。
26.下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在对本发明的使用以及功能作详细说明，但不限于所介绍的特定实施例。
27.实施例1以使用滚动模式先沿地面向前匀速滚动为例，用户将上位机设置为滚动模式后，启动无人机完成初始化操作。之后，用户使用上位机发送无人机向前运动的指令。在起步时，无人机机头下沉的角度较大，获得一个较大的向前加速度；前进速度接近用户通过上位机设置的值后，无人机机头下沉的角度逐渐减小；最终向前推力与阻力相抵，无人机匀速向前滚动。上述过程全程使用mpc算法闭环控制，mpc算法会根据姿态解算的数据校准无人机姿态，包括偏离航向时向反方向修正航向以及防止球形无人机倾翻，油门控制算法一旦计算得出无人机理论获得的升力超过起飞所需升力，就会降低无刷电机12转速。
28.实施例2以使用滚动模式向上攀爬墙体为例，用户将上位机设置为滚动模式后，启动无人机完成初始化操作。之后，用户使用上位机发送无人机向前运动的指令，当超声波传感器5检测到前方有障碍物，则会切换向上滚动。mpc算法会降低第一旋翼以及第二旋翼的转速，提升第三旋翼以及第四旋翼的转速，使无人机机头向下沉，机尾向上翘起，产生向前的推力将球形外壳4抵在墙上，为球形外壳4在墙体上滚动提供摩擦力。油门控制算法先读取气压计以及下方超声波传感器5的数据，将两者融合后得到无人机高度，再根据用户给出的前进方向以及前进速度计算出期望升力，最后调整无刷电机12转速，使无人机理论升力接近期望升力。

技术特征：
1.一种球形空地无人机，其特征在于，该球形空地无人机由机身组件、控制电路板、连接装置以及球形外壳组成，用户通过上位机控制球形空地无人机沿平面滚动和空中飞行的两种运动模式，所述机身组件包括：机身、无刷电机以及螺旋桨，所述机身上设有四组电机安装孔，以及若干螺丝孔和拓展孔；所述无刷电机由电机安装孔固定设置在机身上；所述螺旋桨固定设置在无刷电机上；所述控制电路板包括：核心板以及电源板；所述电源板由螺丝孔固定设置在机身上；所述核心板设置在电源板上方，且与电源板为缓冲连接；所述拓展孔上安装超声波测距传感器和九轴传感器；所述连接装置由设置在连接杆两端的连接块组成，连接杆与连接块为紧固连接；所述连接杆位于机身下方，且与机身为紧固连接；所述球形外壳由完全相同的左半球形网罩以及右半球形网罩通过卡扣紧固连接而成；所述机身组件由连接杆设置在球形外壳内，连接杆两端的连接块通过轴承与球形外壳滚动连接。2.根据权利要求1所述球形空地无人机，其特征在于，所述所述所述球形空地无人机，其特征在于所述用户通过上位机控制球形空地无人机沿平面滚动的控制程序时，无刷电机根据场景主动调节转速，利用球壳沿平面滚动，具体实现步骤如下：步骤一：用户使用上位机向球形空地无人机通过蓝牙协议发送滚动模式命令；步骤二：控制电路板执行初始化程序，读取滚动模式参数，启动滚动模式控制程序；步骤三：用户使用上位机解锁球形空地无人机，发送指令；步骤四：控制电路板接收指令，使用mpc算法、油门控制算法计算无刷电机转速，发送控制pwm波；步骤五：无刷电机根据控制电路板输出的pwm波调整自身的转速，从而改变无人机姿态；步骤六：球形外壳沿平面滚动，带动无人机前进；所述用户通过上位机控制球形空地无人机空中飞行的控制程序时，无刷电机将转速提高到较高水平，脱离地面，在空中飞行，具体实现步骤如下：步骤一：用户使用上位机向球形空地无人机通过蓝牙协议发送飞行模式命令；步骤二：控制电路板执行初始化程序，读取飞行模式参数，启动飞行模式控制程序；步骤三：用户使用上位机解锁球形空地无人机，发送指令；步骤四：控制电路板接收指令，使用pid算法计算无刷电机转速，发送控制pwm波；步骤五：无刷电机根据控制电路板输出的pwm波调整自身的转速，从而改变无人机姿态；步骤六：无人机在空中运动，带动球形外壳运动。

技术总结
本发明公开了一种球形空地无人机，其特点是该无人机由机身组件、控制电路板、连接装置以及球形外壳组成，用户通过上位机控制球形空地无人机沿平面滚动和空中飞行两种运动模式，所述机身组件包括机身、无刷电机以及螺旋桨；所述控制电路板位于机身上方，控制电路板与机身缓冲连接。所述连接装置包括连接杆以及连接块，连接杆与连接块紧固连接，所述连接杆位于机身下方，连接杆与机身紧固连接。所述球形外壳与连接块通过轴承连接。本发明与现有技术相比具有旋翼位于球壳内，增加用户体验的安全性，且运动模式更为多样，更好的感知周围环境，增加自身智能性，球形外壳可以沿平面运动，在接触到平面后增加用户体验的多样性，具有很好的应用前景。的应用前景。的应用前景。


技术研发人员：田应洪 夏宇耘 孙仕亮
受保护的技术使用者：华东师范大学
技术研发日：2023.01.05
技术公布日：2023/4/25