具有可折叠旋翼臂结构的多旋翼无人机及控制方法

技术领域

本发明涉及无人机折叠翼技术领域，尤其是涉及具有可折叠旋翼臂结构的多旋翼无人机及控制方法。

背景技术

无人机用途广泛，成本低、效率较高、无人员伤亡风险、生存能力强，机动性能好、使用方便，在现代战争中有极其重要的作用，在民用领域更有广阔的前景。

目前市场上的无人机的机翼多采用固定翼，这种结构虽然在强度、刚度等方面有些优点，但是随着无人机在民用领域的发展，其在包装、运输等方面带来的不便性越来越突出。

因此，市面上出现了可是折叠机翼的折叠翼无人机，采用可以折叠收纳的设计思路来减小在运输和包装时的无人机占用面积。

对于一些狭小空间的任务场景下，折叠翼还有着可以缩小飞行半径的作用，公开号为CN115743644A的发明专利公开一种双刚度被动折叠的无人机及地下管廊勘探方法；提供的无人机包括主体支架、飞行驱动电机、翻转支臂、滑轮、拉线、弹簧、双目视觉相机、电磁铁、螺旋桨翼和主动导向轮。本发明通过碰撞进入狭小通道，并利用撞击力实现被动折叠，实现了对狭小通道的穿越；并且，本发明在两个翻转支臂在弹簧作用下能够抵住通道的侧壁，使得无人机在狭小通道中形成悬架结构，能够利用两个主动导向轮的转动实现通道内的前进，使得螺旋桨翼在通道内能够停止转动，避免螺旋桨翼与地形相碰撞而导致损坏。

然而这种折叠翼的设计思路被应用到狭小空间的任务场景中时，由于是采用被动式的折叠翼结构，因此在一些狭小空间的被动折叠情形下，利用撞击力实现被动折叠，虽然设置了两个主动导向轮的转动实现通道内的前进，使得螺旋桨翼在通道内能够停止转动，避免螺旋桨翼与地形相碰撞而导致损坏，但是在进入狭小空间时其飞翼还是不可避免地会有损坏风险，且在撞击过程中还可能有受力不均导致的无人机姿态失控的风险。

发明内容

为了解决无人机任务中通过狭小空间的技术问题，本发明提供具有可折叠旋翼臂结构的多旋翼无人机及控制方法。采用如下的技术方案：

具有可折叠旋翼臂结构的多旋翼无人机，包括无人机机体、可折叠悬臂组件、主动折叠翼组件、多个旋翼组件、主动折叠翼自动控制器和飞控系统，所述可折叠悬臂组件包括多个主悬臂和多个主悬臂折叠机构，多个主悬臂折叠机构的分别安装在无人机机体的上端部，多个主悬臂的一端分别安装在多个主悬臂折叠机构的活动折叠部，所述主动折叠翼组件包括多个旋转悬臂和多个主动折叠机构，多个主动折叠机构分别设置在多个主悬臂的另一端，多个旋转悬臂的一端分别设置在多个主动折叠机构的活动折叠部，多个旋翼组件分别安装在多个旋转悬臂的另一端，所述主动折叠翼自动控制器包括基于芯片的无人机通过性检测模块和主动折叠控制器，所述无人机通过性检测模块基于视觉信息对无人机是否安全通过进行判断，若判断不能通过则通过主动折叠控制器分别控制多个主悬臂折叠机构的执行折叠动作，所述飞控系统与主动折叠翼自动控制器通信连接，并分别控制多个旋翼组件执行器的执行动作。

通过采用上述技术方案，为了减小整个多旋翼无人机的收纳体积，采用可折叠悬臂组件的设计，在收纳状态时可以通过多个主悬臂折叠机构的折叠，将多个主悬臂贴近无人机机体，从而实现更小的收纳体积；

在飞行过程中，如果在飞行轨迹方向上有狭窄的位置需要通过，则通过性检测模块基于拍摄的视觉信息对无人机是否安全通过进行判断，若判断可以安全通过则保持主动折叠翼组件的多个旋转悬臂当前状态，若判断不能安全通过则通过主动折叠控制器分别控制主动折叠翼组件动作实现多个旋转悬臂的同时主动折叠来减小多旋翼无人机的飞行半径，从而增加多旋翼无人机的通过性能，解决了现有技术采用被动式折叠翼通过狭小空间带来的碰撞风险，飞控系统在主动折叠翼组件进行主动折叠时，还可以同时分别对多个旋翼组件的执行器进行减速控制，从而减小在空中进行主动折叠对飞行姿态的影响。

可选的，无人机机体端部外围均匀设置与主悬臂数量一致的折叠槽，主悬臂折叠机构包括主悬臂折叠轴和锁紧机构，所述主悬臂的一端通过主悬臂折叠轴可转动安装在折叠槽处，并通过锁紧机构锁紧。

通过采用上述技术方案，无人机机体的端部外围均匀设置与主悬臂数量一致的折叠槽，可以在主悬臂折叠机构进行折叠时将主悬臂收入折叠槽，减小收纳体积，锁紧机构可以是卡箍、锁紧销等结构，由于无人机的主悬臂的折叠在无人机领域有不同的实现形式，这里不作赘述。

可选的，无人机机体设置折叠槽一侧的端部中心处设置折叠靠柱。

可选的，当多个主悬臂均处于折叠状态时，多个主悬臂一侧紧靠折叠靠柱的外侧，多旋翼无人机整体呈柱状，多个主悬臂的外围不超过无人机机体外围。

通过采用上述技术方案，折叠靠柱的作用是为折叠提供限位，避免过度折叠，且在折叠后多旋翼无人机整体呈柱状，大大减小了多旋翼无人机的收纳体积，折叠靠柱还可以设置天线装置，为多旋翼无人机提供更好的无线通信。

可选的，主动折叠机构包括主动折叠电机和连接块，所述主动折叠电机的壳体安装在主悬臂上，所述连接块一侧安装在主动折叠电机的动力输出端，旋转悬臂的一端安装在连接块的另一侧，并跟随连接块旋转，多个旋翼组件分别安装在旋转悬臂的另一端。

可选的，所述主动折叠电机是微型伺服电机。

通过采用上述技术方案，主动折叠机构的实现主要是基于微型伺服电机的控制，由于各个旋转悬臂需要精准的同时控制来实现空中旋转过程中尽量的保持飞行姿态，采用微型伺服电机尽可能的减小体积和重量的同时可以满足多个主动折叠机构的主动旋转的控制，可以实现精度达到0.1°的折叠控制。

可选的，还包括载荷挂载平台，所述载荷挂载平台设置在无人机机体底部，用于挂载任务载荷。

通过采用上述技术方案，载荷挂载平台的底部可以挂载各种任务传感器，可用于测绘，巡逻，探测，侦察等任务；还可外接其他载荷模块，无人机可通过载荷挂载平台为相关载荷模块驱动供电。

可选的，无人机通过性检测模块包括一对视觉相机、视觉分析芯片和基于AI芯片的电路板，一对视觉相机分别挂载于载荷挂载平台底部，用于拍摄多旋翼无人机前进方向的视觉画面，并传输给视觉分析芯片，所述视觉分析芯片基于双目视觉算法分析得到前方通道的通过尺寸，所述电路板分别与主动折叠控制器和飞控系统通信连接，电路板基于多旋翼无人机完全暂开状态飞行半径与视觉分析芯片分析得到前方通道的通过尺寸进行对比，得到通过安全概率，设定通过安全概率阈值，若通过安全概率低于通过安全概率阈值，则通过主动折叠控制器分别控制主动折叠电机动作，使旋转悬臂旋转执行收缩动作，整个旋转悬臂呈半折叠状态，并重新基于半折叠状态的多旋翼无人机飞行半径进行通过安全概率分析，若通过安全概率低于通过安全概率阈值，则放弃通过前方通道，并传输给飞控系统重新规划飞行轨迹，若通过安全概率高于通过安全概率阈值，则以半折叠状态通过前方通道。

通过采用上述技术方案，无人机通过性检测模块主要基于一对视觉相机的视觉分析结果，视觉分析芯片基于双目视觉算法分析得到前方通道的通过尺寸，视觉分析芯片每5秒获得前方通过飞行轨迹路线上即将通过区域的画面，采用特征匹配算法可获得在飞行轨迹上的狭小空间，具体匹配的可以是通道、窄缝等，若匹配成功则通过双目视觉算法获得狭小空间的轮廓P，对轮廓P进行安全缩减处理得到安全轮廓P1，10％的安全缩减处理是指将轮廓P的轮廓线均向内平移20mm，电路板的AI芯片多旋翼无人机完全暂开状态飞行半径R1与视觉分析芯片分析得到前方通道的处理后安全轮廓P1的横向尺寸T1进行比对，设安全概率阈值为90％T1，若R1＜90％T1，则认为多旋翼无人机完全暂开状态可以安全通过该狭小空间，电路板向飞控系统反馈判断结果和数据，飞控系统调整飞行姿态，在通过该狭小空间时将无人机的中心尽量与狭小空间轮廓P1的中心重合，提高通过的安全性；

若R1≥90％T1，则需判断若采用半折叠状态是否可以通过，基于多旋翼无人机半折叠状态的飞行半径R2与安全轮廓P1的横向尺寸T1进行比对，若R2＜90％T1，则认为多旋翼无人机采用半折叠状态可以安全通过该狭小空间，电路板向主动折叠控制器和飞控系统反馈判断结果和数据，主动折叠控制器分别控制多个主动折叠机构同时动作，使多旋翼无人机在通过该狭小空间时提前进入半折叠状态，飞控系统同时调整飞行姿态，在通过该狭小空间时将无人机的中心尽量与狭小空间轮廓P1的中心重合，提高通过的安全性，通过主动折叠大大提高多旋翼无人机狭小空间的通过安全性。

可选的，当旋转悬臂旋转执行收缩动作时，飞控系统控制多个旋翼组件的旋翼电机转速降低30％，且主动折叠控制器分别控制多个主动折叠机构的主动折叠电机同时执行收缩动作。

通过采用上述技术方案，在空中进行折叠时，飞控系统配合降低多个旋翼组件的旋翼电机的转速，能对飞行姿态稳定地保持有很好的效果。

可选的，旋转悬臂的半折叠状态是旋转悬臂与主悬臂的夹角为70°到90°。

通过采用上述技术方案，过小的折叠角度对于飞行半径的减小作用不大，过大的折叠角度会有概率碰撞到机身。

综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

本发明能提供具有可折叠旋翼臂结构的多旋翼无人机及控制方法，采用可折叠悬臂组件的设计，在收纳状态时可以通过多个主悬臂折叠机构的折叠，将多个主悬臂贴近无人机机体，从而实现更小的收纳体积；在飞行过程中通过性检测模块基于拍摄的视觉信息对无人机是否安全通过进行判断，通过主动折叠控制器分别控制主动折叠翼组件动作实现多个旋转悬臂的同时主动折叠来减小多旋翼无人机的飞行半径，从而增加多旋翼无人机的通过性能，解决了现有技术采用被动式折叠翼通过狭小空间带来的碰撞风险；载荷挂载平台的底部可以挂载各种任务传感器，可用于测绘，巡逻，探测，侦察等任务；还可外接其他载荷模块，无人机可通过载荷挂载平台为相关载荷模块驱动供电。

附图说明

图1是本发明具有可折叠旋翼臂结构的多旋翼无人机半折叠状态的仰视结构示意图；

图2是本发明具有可折叠旋翼臂结构的多旋翼无人机半折叠状态的结构示意图；

图3是本发明具有可折叠旋翼臂结构的多旋翼无人机完全展开状态的仰视结构示意图；

图4是本发明具有可折叠旋翼臂结构的多旋翼无人机完全展开状态的结构示意图；

图5是本发明具有可折叠旋翼臂结构的多旋翼无人机完全折叠状态的结构示意图；

图6是本发明具有可折叠旋翼臂结构的多旋翼无人机的电器件连接原理示意图。

附图标记说明：1、无人机机体；2、主悬臂；3、主悬臂折叠机构；31、主悬臂折叠轴；4、旋转悬臂；5、主动折叠机构；51、主动折叠电机；52、连接块；6、折叠靠柱；7、多个旋翼组件；8、载荷挂载平台；10、主动折叠翼自动控制器；11、无人机通过性检测模块；111、视觉相机；112、视觉分析芯片；113、电路板；12、主动折叠控制器；100、飞控系统。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例公开具有可折叠旋翼臂结构的多旋翼无人机及控制方法。

参照图1－图6，实施例1，具有可折叠旋翼臂结构的多旋翼无人机，包括无人机机体1、可折叠悬臂组件、主动折叠翼组件、多个旋翼组件7、主动折叠翼自动控制器10和飞控系统100，可折叠悬臂组件包括多个主悬臂2和多个主悬臂折叠机构3，多个主悬臂折叠机构3的分别安装在无人机机体1的上端部，多个主悬臂2的一端分别安装在多个主悬臂折叠机构3的活动折叠部，主动折叠翼组件包括多个旋转悬臂4和多个主动折叠机构5，多个主动折叠机构5分别设置在多个主悬臂2的另一端，多个旋转悬臂4的一端分别设置在多个主动折叠机构5的活动折叠部，多个旋翼组件7分别安装在多个旋转悬臂4的另一端，主动折叠翼自动控制器10包括基于芯片的无人机通过性检测模块11和主动折叠控制器12，无人机通过性检测模块11基于视觉信息对无人机是否安全通过进行判断，若判断不能通过则通过主动折叠控制器12分别控制多个主悬臂折叠机构3的执行折叠动作，飞控系统100与主动折叠翼自动控制器10通信连接，并分别控制多个旋翼组件7执行器的执行动作。

为了减小整个多旋翼无人机的收纳体积，采用可折叠悬臂组件的设计，在收纳状态时可以通过多个主悬臂折叠机构3的折叠，将多个主悬臂2贴近无人机机体1，从而实现更小的收纳体积；

在飞行过程中，如果在飞行轨迹方向上有狭窄的位置需要通过，则通过性检测模块11基于拍摄的视觉信息对无人机是否安全通过进行判断，若判断可以安全通过则保持主动折叠翼组件的多个旋转悬臂4当前状态，若判断不能安全通过则通过主动折叠控制器12分别控制主动折叠翼组件动作实现多个旋转悬臂4的同时主动折叠来减小多旋翼无人机的飞行半径，从而增加多旋翼无人机的通过性能，解决了现有技术采用被动式折叠翼通过狭小空间带来的碰撞风险，飞控系统100在主动折叠翼组件进行主动折叠时，还可以同时分别对多个旋翼组件7的执行器进行减速控制，从而减小在空中进行主动折叠对飞行姿态的影响。

多个旋翼组件7的数量可以根据具体需要数量可以适当调整，主悬臂2、主悬臂折叠机构3、旋转悬臂4和主动折叠机构5可以进行同步适应性调整。

实施例2，无人机机体1端部外围均匀设置与主悬臂2数量一致的折叠槽，主悬臂折叠机构3包括主悬臂折叠轴31和锁紧机构，主悬臂2的一端通过主悬臂折叠轴31可转动安装在折叠槽处，并通过锁紧机构锁紧。

无人机机体1的端部外围均匀设置与主悬臂2数量一致的折叠槽，可以在主悬臂折叠机构3进行折叠时将主悬臂2收入折叠槽，减小收纳体积，锁紧机构可以是卡箍、锁紧销等结构，由于无人机的主悬臂的折叠在无人机领域有不同的实现形式，这里不做赘述。

实施例3，无人机机体1设置折叠槽一侧的端部中心处设置折叠靠柱6。

当多个主悬臂2均处于折叠状态时，多个主悬臂2一侧紧靠折叠靠柱6的外侧，多旋翼无人机整体呈柱状，多个主悬臂2的外围不超过无人机机体1外围。

折叠靠柱6的作用是为折叠提供限位，避免过度折叠，且在折叠后多旋翼无人机整体呈柱状，大大减小了多旋翼无人机的收纳体积，折叠靠柱6还可以设置天线装置，为多旋翼无人机提供更好的无线通信。

实施例4，主动折叠机构5包括主动折叠电机51和连接块52，主动折叠电机51的壳体安装在主悬臂2上，连接块52一侧安装在主动折叠电机51的动力输出端，旋转悬臂4的一端安装在连接块52的另一侧，并跟随连接块52旋转，多个旋翼组件7分别安装在旋转悬臂4的另一端。

主动折叠电机51是微型伺服电机。

主动折叠机构5的实现主要是基于微型伺服电机的控制，由于各个旋转悬臂4需要精准的同时控制来实现空中旋转过程中尽量的保持飞行姿态，采用微型伺服电机尽可能的减小体积和重量的同时可以满足多个主动折叠机构5的主动旋转的控制，可以实现精度达到0.1°的折叠控制。

实施例5，还包括载荷挂载平台8，载荷挂载平台8设置在无人机机体1底部，用于挂载任务载荷。

载荷挂载平台8的底部可以挂载各种任务传感器，可用于测绘，巡逻，探测，侦察等任务；还可外接其他载荷模块，无人机可通过载荷挂载平台8为相关载荷模块驱动供电。

实施例6，无人机通过性检测模块11包括一对视觉相机111、视觉分析芯片112和基于AI芯片的电路板113，一对视觉相机111分别挂载于载荷挂载平台8底部，用于拍摄多旋翼无人机前进方向的视觉画面，并传输给视觉分析芯片112，视觉分析芯片112基于双目视觉算法分析得到前方通道的通过尺寸，电路板113分别与主动折叠控制器12和飞控系统100通信连接，电路板113基于多旋翼无人机完全暂开状态飞行半径与视觉分析芯片112分析得到前方通道的通过尺寸进行对比，得到通过安全概率，设定通过安全概率阈值，若通过安全概率低于通过安全概率阈值，则通过主动折叠控制器12分别控制主动折叠电机51动作，使旋转悬臂4旋转执行收缩动作，整个旋转悬臂4呈半折叠状态，并重新基于半折叠状态的多旋翼无人机飞行半径进行通过安全概率分析，若通过安全概率低于通过安全概率阈值，则放弃通过前方通道，并传输给飞控系统100重新规划飞行轨迹，若通过安全概率高于通过安全概率阈值，则以半折叠状态通过前方通道。

无人机通过性检测模块11主要基于一对视觉相机111的视觉分析结果，视觉分析芯片112基于双目视觉算法分析得到前方通道的通过尺寸，视觉分析芯片112每5秒获得前方通过飞行轨迹路线上即将通过区域的画面，采用特征匹配算法可获得在飞行轨迹上的狭小空间，具体匹配的可以是通道、窄缝等，若匹配成功则通过双目视觉算法获得狭小空间的轮廓P，对轮廓P进行安全缩减处理得到安全轮廓P1，10％的安全缩减处理是指将轮廓P的轮廓线均向内平移20mm，电路板113的AI芯片多旋翼无人机完全暂开状态飞行半径R1与视觉分析芯片112分析得到前方通道的处理后安全轮廓P1的横向尺寸T1进行比对，设安全概率阈值为90％T1，若R1＜90％T1，则认为多旋翼无人机完全暂开状态可以安全通过该狭小空间，电路板113向飞控系统100反馈判断结果和数据，飞控系统100调整飞行姿态，在通过该狭小空间时将无人机的中心尽量与狭小空间轮廓P1的中心重合，提高通过的安全性；

若R1≥90％T1，则需判断若采用半折叠状态是否可以通过，基于多旋翼无人机半折叠状态的飞行半径R2与安全轮廓P1的横向尺寸T1进行比对，若R2＜90％T1，则认为多旋翼无人机采用半折叠状态可以安全通过该狭小空间，电路板113向主动折叠控制器12和飞控系统100反馈判断结果和数据，主动折叠控制器12分别控制多个主动折叠机构5同时动作，使多旋翼无人机在通过该狭小空间时提前进入半折叠状态，飞控系统100同时调整飞行姿态，在通过该狭小空间时将无人机的中心尽量与狭小空间轮廓P1的中心重合，提高通过的安全性，通过主动折叠大大提高多旋翼无人机狭小空间的通过安全性；

主动折叠控制器12主要用于控制多个主动折叠机构5的微型伺服电机的执行动作，主动折叠控制器12具体的是伺服电机控制器。

实施例7，当旋转悬臂4旋转执行收缩动作时，飞控系统100控制多个旋翼组件7的旋翼电机转速降低30％，且主动折叠控制器12分别控制多个主动折叠机构5的主动折叠电机51同时执行收缩动作。

在空中进行折叠时，飞控系统100配合降低多个旋翼组件7的旋翼电机的转速，能对飞行姿态稳定地保持有很好的效果。

实施例8，旋转悬臂4的半折叠状态是旋转悬臂4与主悬臂2的夹角为70°到90°。

过小的折叠角度对于飞行半径的减小作用不大，过大的折叠角度会有概率碰撞到机身。

以上均为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。