一种地空两栖双旋翼无人机及其控制方法

1.本发明属于地空两栖无人机技术领域，具体涉及一种地空两栖双旋翼无人机及其控制方法。


背景技术：

2.在无人机领域研究中，地空两栖无人机是一个重要研究方向，更广阔的工作空间使得无人机有了更多的应用可能，在灾害救援、勘测等方面有着巨大的潜力。目前的地空两栖无人机多以无人机结合轮式移动的方式为主，其技术关键在于如何在有限的负载能力和能源供给下平衡好空中场景下的高度机动性和地面场景下的鲁棒性，实现飞行动力与移动动力间的协同作用。
3.传统的两栖无人机一般采用多旋翼飞行平台结合轮、足、履带式地面移动平台的方式，这会导致机器人本体机构过于冗杂，综合表现不佳；多旋翼飞行器结构简单、易于操作，但因为需要多台电机进行驱动，耗电量较大；此外，搭载高速旋转螺旋桨的无人机面临着更大的安全隐患，在杂乱和狭窄空间中或遇到人、动、植物等障碍时，碰撞到螺旋桨可能会导致无人机坠毁或人、物损伤的严重后果。
4.现有一类地空两栖无人机采用的是多旋翼无人机加被动轮/框的实现方案，通过将旋翼或无人机主体置于能够被动旋转的保护轮/框内来实现地面运动和减少无人机碰撞或滚动时对内部装置的损坏。但是，依靠轮/框的被动旋转导致无人机地面运动时灵活性较差；无人机螺旋桨在近地条件下运转不仅受“地效”影响，还会面临卷扬起地面石子、杂物所带来的安全隐患；螺旋桨运转时的噪音和卷起的扬尘不利于隐藏无人机行踪。


技术实现要素：

5.为解决现有技术的不足，实现降低地空两栖无人机结构复杂度，提高无人机安全性和综合续航能力，提高无人机地面运动下被动轮的灵活性和螺旋桨近地运转的效率，减少扬尘的目的，本发明采用如下的技术方案：一种地空两栖双旋翼无人机，包括主体和旋翼组件，所述旋翼组件配合设有转轮组件，旋翼组件包括螺旋桨、旋翼驱动电机、舵机驱动转轴、舵机和导电滑环，舵机和导电滑环与所述主体连接，中空的舵机驱动转轴一端与导电滑环的转子固定连接，另一端与旋翼驱动电机连接，旋翼驱动电机与螺旋桨连接，螺旋桨不与舵机驱动转轴同轴，导电滑环的转子出线穿过中空的舵机驱动转轴与旋翼驱动电机连接，所述转轮组件共轴固定连接在舵机驱动转轴上，使得转轮组件能够随旋翼驱动电机一起进行任意角度倾转和360
°
旋转，由此，地空两栖双旋翼无人机在空中飞行和地面滚动模式下，两套旋翼组件都可通过同一舵机提供动力，带动旋翼驱动电机实现任意角度倾转和360
°
旋转，完成空中飞行和地面滚动。
6.进一步地，所述旋翼组件还包括相互啮合的主动传动齿轮和从动传动齿轮，所述舵机的输出轴与所述舵机驱动转轴轴线平行，主动传动齿轮与舵机输出轴固定连接，从动传动齿轮与舵机驱动转轴外表面固定连接，从而将舵机输出的转矩传动至舵机驱动转轴，
进而控制旋翼驱动电机倾转和旋转。
7.进一步地，所述旋翼组件还包括与旋翼驱动电机连接的电机固定座，电机固定座一侧与舵机驱动转轴的另一端固定连接。
8.进一步地，所述转轮组件与所述舵机驱动转轴外表面的连接处，位于从动传动齿轮和电机固定座之间。
9.进一步地，所述旋翼组件还包括与所述主体连接的舵机支座，舵机支座分别与导电滑环过盈连接，与舵机固定连接。
10.进一步地，所述导电滑环的定子出线与所述主体上设置的电调连接。
11.进一步地，所述转轮组件为半球形转轮组件，包括转轮、一组玻璃纤维管和保持器，玻璃纤维管一端与转轮固定连接，另一端与保持器固定连接，一组玻璃纤维管在转轮上呈圆周阵列，并通过保持器固定在一起，以便在碰撞中保护螺旋桨，转轮共轴固连在舵机驱动转轴的外表面上，转轮会随旋翼驱动电机一起进行任意角度倾转和360
°
旋转。
12.进一步地，所述转轮的轮辐均匀分布在螺旋桨下方，以避免与旋转的螺旋桨产生干涉。
13.进一步地，所述主体包括飞控、换电板、机架、电池、分电板、电调、机载电脑。
14.一种地空两栖双旋翼无人机控制方法，采用所述的一种地空两栖双旋翼无人机，两套旋翼组件对称安装在主体左右两侧对应位置，相互之间独立控制；在空中飞行模式下，舵机驱动左、右螺旋桨的浆面倾转，利用升力分量控制无人机转向；在地面运动模式下，关闭旋翼驱动电机，通过左、右两个舵机的差速控制驱动转轮旋转，从而带动无人机实现地面运动；两种运动模式共用同一套驱动装置，通过舵机36驱动旋翼驱动电机32倾转和旋转。
15.本发明的优势和有益效果在于：（1）本发明的一种地空两栖双旋翼无人机及其控制方法，能够在空中保证无人机良好飞行性能的同时，还可以迅速、平滑地切换为地面双轮运动模式，从而更加安全、隐蔽地穿越一些复杂、狭窄地形；地空两种运动模式的切换，不仅可以适应更多的应用场景，而且可以大幅减少无人机能耗。
16.（2）本发明在传统横列式双旋翼无人机的基础上无需增添额外的动力装置，在空中和地面两种运动模式下共用同一套驱动装置，使得无人机结构简单、紧凑；创新性的设计了基于导电滑环的传动机构，使旋翼驱动电机在舵机驱动下，从传统的小角度倾转提升至可以360
°
旋转，从而带动无人机的半球形转轮进行地面滚动。
17.（3）本发明在地面运动模式下，无需螺旋桨旋转提供推力，仅依靠舵机为转轮提供动力，不仅可操控性强、能耗低，而且安全、隐蔽，不会因螺旋桨旋转而产生噪音、灰尘，更能避免扬沙进入无人机而产生安全隐患。
18.（4）本发明设计的半球形转轮结构轻巧、运动灵活，而且其半球形的镂空框组能为螺旋桨提供安全屏障，避免无人机碰到障碍物后坠毁或高速旋转的螺旋桨伤害到周围的人和物。
附图说明
19.图1 本发明地空两栖双旋翼无人机的轴测图。
20.图2 本发明地空两栖双旋翼无人机的主视图。
21.图3 本发明地空两栖双旋翼无人机的侧视图。
22.图4 本发明地空两栖双旋翼无人机的俯视图。
23.图5 本发明半球形转轮组件和旋翼组件的装配图。
24.图6本发明旋翼组件的分解示意图。
25.附图标记说明：1、主体，2、半球形转轮组件，3、旋翼组件，11、飞控，12、换电板，13、机架，14、电池，15、分电板，16、电调，17、机载电脑，21、转轮，22、纤维管，23、保持器，31、螺旋桨，32、旋翼驱动电机，33、电机固定座，34、舵机驱动转轴，35、主动传动齿轮，36、舵机，37、舵机支座，38、导电滑环，39、从动传动齿轮。
具体实施方式
26.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
27.如图1至图4所示，本发明一种地空两栖双旋翼无人机，在传统双旋翼无人机利用舵机控制电机倾转的基础上，通过导电滑环和转轮组件实现无人机在地面运动模式下对双轮的主动控制。提供的地空两栖球形无人机结构简单、紧凑，包括两套半球形转轮组件，除了为地面运动提供牵引外，还在碰撞中保护螺旋桨，可用于特殊环境下的侦察、监视和检测。
28.无人机包括横列式双旋翼无人机主体1、两套半球形转轮组件2和两套旋翼组件3；横列式双旋翼无人机主体1包括飞控11、换电板12、机架13、电池14、分电板15、电调16、机载电脑17；具体的，两套旋翼组件3对称安装在机架13左右两侧对应位置，相互之间独立控制，每套旋翼组件3包括螺旋桨31、旋翼驱动电机32、电机固定座33、舵机驱动转轴34、主动传动齿轮35、舵机36、舵机支座37、导电滑环38、从动传动齿轮39。
29.如图5和图6所示，导电滑环38和舵机36分别通过过盈连接和螺栓连接固定在舵机支座37上对应位置，二者轴线平行；导电滑环38的转子与中空的舵机驱动转轴34内表面固连，转子出线穿过中空的舵机驱动转轴34与旋翼驱动电机32连接，定子出线与电调16连接；所述主动传动齿轮35和从动传动齿轮39相互啮合，分别固定连接在舵机36输出轴和舵机驱动转轴34外表面上，从而将舵机36输出的转矩传动至舵机驱动转轴34，进而控制旋翼驱动电机32倾转和旋转。
30.地空两栖双旋翼无人机在空中飞行和地面滚动模式下，两套所述旋翼组件3都可通过舵机36提供动力带动旋翼驱动电机32实现任意角度倾转和360
°
旋转。
31.如图5所示，每套半球形转轮组件2包括转轮21、玻璃纤维管22和保持器23；玻璃纤维管22呈圆周阵列固连在转轮21的对应孔位内，另一端通过保持器23固定在一起；转轮21共轴固连在舵机驱动转轴34的外表面上，并位于从动传动齿轮39和电机固定座33之间；转轮21的轮辐均匀分布在螺旋桨31下方以避免与旋转的螺旋桨产生干涉；固连在舵机驱动转轴34外表面上的转轮21可以随旋翼驱动电机32一起进行任意角度倾转和360
°
旋转。
32.一种陆空两栖球形无人机的控制方法：本发明具有空中飞行模式和地面滚动模式两种运动模式，两种运动模式共用同一套驱动装置，通过舵机36驱动旋翼驱动电机32倾转和旋转；在空中飞行模式下，与传统双旋
翼无人机控制原理相同，舵机驱动左、右螺旋桨浆面倾转，利用升力分量控制无人机转向；在地面运动模式下，关闭旋翼驱动电机，通过左右两个舵机的差速控制驱动转轮旋转，从而带动无人机实现地面运动。
33.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，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；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范围。

技术特征：
1.一种地空两栖双旋翼无人机，包括主体（1）和旋翼组件（3），其特征在于：所述旋翼组件配合设有转轮组件，旋翼组件（2）包括螺旋桨（31）、旋翼驱动电机（32）、舵机驱动转轴（34）、舵机（36）和导电滑环（38），舵机（36）和导电滑环（38）与所述主体（1）连接，中空的舵机驱动转轴（34）一端与导电滑环（38）的转子固定连接，另一端与旋翼驱动电机（32）连接，旋翼驱动电机（32）与螺旋桨（31）连接，导电滑环（38）的转子出线穿过中空的舵机驱动转轴（34）与旋翼驱动电机（32）连接，所述转轮组件共轴固定连接在舵机驱动转轴（34）上。2.根据权利要求1所述的一种地空两栖双旋翼无人机，其特征在于：所述旋翼组件（2）还包括相互啮合的主动传动齿轮（35）和从动传动齿轮（39），所述舵机（36）的输出轴与所述舵机驱动转轴（34）轴线平行，主动传动齿轮（35）与舵机（36）输出轴固定连接，从动传动齿轮（39）与舵机驱动转轴（34）外表面固定连接。3.根据权利要求2所述的一种地空两栖双旋翼无人机，其特征在于：所述旋翼组件（3）还包括与旋翼驱动电机（32）连接的电机固定座（33），电机固定座（33）一侧与舵机驱动转轴（34）的另一端固定连接。4.根据权利要求3所述的一种地空两栖双旋翼无人机，其特征在于：所述转轮组件与所述舵机驱动转轴（34）外表面的连接处，位于从动传动齿轮（39）和电机固定座（33）之间。5.根据权利要求2所述的一种地空两栖双旋翼无人机，其特征在于：所述旋翼组件（3）还包括与所述主体（1）连接的舵机支座（37），舵机支座（37）分别与导电滑环（38）过盈连接，与舵机（36）固定连接。6.根据权利要求1所述的一种地空两栖双旋翼无人机，其特征在于：所述导电滑环（38）的定子出线与所述主体（1）上设置的电调（16）连接。7.根据权利要求1所述的一种地空两栖双旋翼无人机，其特征在于：所述转轮组件为半球形转轮组件（2），包括转轮（21）、一组纤维管（22）和保持器（23），纤维管（22）一端与转轮（21）固定连接，另一端与保持器（23）固定连接，一组纤维管（22）在转轮（21）上呈圆周阵列，并通过保持器（23）固定在一起，转轮（21）共轴固连在舵机驱动转轴（34）的外表面上。8.根据权利要求6所述的一种地空两栖双旋翼无人机，其特征在于：所述转轮（21）的轮辐均匀分布在螺旋桨（31）下方。9.根据权利要求1所述的一种地空两栖双旋翼无人机，其特征在于：所述主体（1）包括飞控（11）、换电板（12）、机架（13）、电池（14）、分电板（15）、电调（16）、机载电脑（17）。10.一种地空两栖双旋翼无人机控制方法，其特征在于：采用权利要求1至9任一项所述的一种地空两栖双旋翼无人机，两套旋翼组件（3）对称安装在主体（1）左右两侧对应位置，相互之间独立控制；在空中飞行模式下，舵机（36）驱动左、右螺旋桨（31）的浆面倾转，利用升力分量控制无人机转向；在地面运动模式下，关闭旋翼驱动电机（32），通过左、右两个舵机（36）的差速控制驱动转轮（21）旋转。

技术总结
本发明公开了一种地空两栖双旋翼无人机及其控制方法，包括横列式双旋翼无人机主体、两套半球形转轮组件和旋翼组件，半球形组件为镂空结构，固连在无人机转臂上，可随转臂一同旋转。本发明在传统横列式双旋翼无人机基础上创新性的设计了基于导电滑环的传动机构，使旋翼驱动电机在舵机驱动下，从传统的小角度倾转提升至可以360


技术研发人员：蔡奇峰 王进 郑植 于欢 张科文 张海运 陆国栋
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/10/7