一种基于十二杆张拉整体结构的防碰撞四旋翼无人机

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种基于十二杆张拉整体结构的防碰撞四旋翼无人机。

背景技术

无人机是指在一系列复杂电子系统的控制下能够实现自主或半自主飞行的不载人飞行器，该设备融合了机械电子、计算机控制和计算机通信等技术，能够在复杂的环境中实现运动轨迹和运动姿态的精确控制，以达到完成预设任务的目的。目前，无人机已被广泛应用于航拍摄影、森林防火、农田施肥、监察和地表测绘等领域，与载人飞行器相比具有制造、维护成本低和运输方便等优点。

随着无人机技术的不断发展，该设备的应用场景正逐步扩展到复杂的城市和自然环境中。例如，地震、火灾或者爆炸后，对危险建筑物的内部复杂环境进行探测。但是，对于普通无人机而言，由于其在飞行过程中不能与障碍物发生碰撞，因此在障碍物较多且杂乱的环境中飞行是具有极大挑战性的。

经广泛调研发现，为了完成无人机在复杂环境中的飞行任务，目前主要有两种改善方法。一种是在无人机上装备更多精密的传感器，使其能够自主探测并避开障碍物；但是，这种方法往往会导致无人机重量增加、续航能力降低和生产与维护成本增加等一系列问题。另一种是在无人机或者旋翼外侧加装机械冲击保护装置；然而，传统的机械冲击保护装置多为刚性结构且大多采用刚性固联的方式连接在无人机机体上；虽然上述保护装置能够对无人机旋翼等机械装置起到一定的保护作用，但是无人机与障碍物发生碰撞时产生的冲击力仍然会沿着刚性保护装置传递到无人机机身，并导致其产生一定的损坏；

因此，亟需设计一种新型防碰撞无人机，在实现防碰撞功能的同时，减少对无人机续航能力、生产和维护成本的影响，允许无人机能够在复杂环境中完成一定的飞行任务。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于十二杆张拉整体结构的防碰撞四旋翼无人机，该防碰撞无人机具有良好的防碰撞和防坠落能力，当无人机与障碍物发生碰撞时，弹性张拉整体框架可以吸收一定的碰撞冲击力，同时由于无人机最上层、中间层、最下层刚度依次增大，因此在碰撞冲击力的作用下弹性拉索(12)的形变量由上到下依次减少，导致与障碍物发生碰撞的等边三角形框架(11)带动旋翼组件(4)一同沿碰撞反方向倾斜，在该方向上产生驱动分力，致使无人机远离障碍物。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于十二杆张拉整体结构的防碰撞四旋翼无人机，包括十二杆张拉整体框架(1)和四个旋翼组件(4)，所述四个旋翼组件(4)位于所述十二杆张拉整体框架(1)的内部。

进一步地，所述十二杆张拉整体框架(1)包括四个相互嵌套在一起的等边三角形框架(11)、和二十四根弹性拉索(12)；所述等边三角形框架(11)的每个顶点分别引出四根弹性拉索(12)与距离该顶点最近的四个顶点相连接；所述等边三角形框架(11)包括刚性空心压杆(2)和杆索连接件(3)；其中所述刚性压杆(2-1、2-7、2-11)、刚性压杆(12-2、2-4、2-8)、刚性压杆(2-5、 2-6、2-12)、刚性压杆(2-3、2-9、2-10)分别与三个所述杆索连接件(3)组成所述四个等边三角形框架(11-1、11-2、11-3、11-4)；所述四个等边三角形框架 (11)均处于空间竖直倾斜放置；所述十二杆张拉整体框架(1)包含十二个节点，共分为三层；每层均包含四个节点，且成正方形分布；其中，最上层与最下层节点在同一水平面内的投影完全重合；所述等边三角形框架(11)的每个顶点分别引出四根弹性拉索(12)与距离该顶点最近的四个顶点相连接；所述等边三角形框架(11)包括刚性空心压杆(2)和杆索连接件(3)；

进一步地，所述弹性拉索(12)由两段尼龙绳(6)与拉力弹簧(5)组成，最上层节点间的弹性拉索(12)均采用刚度较小的拉力弹簧(51)，最上层节点与中间层节点、最下层节点与中间层节点间均采用刚度适中的拉力弹簧(52)，最下层节点间均采用刚度较大的拉力弹簧(53)；所述旋翼组件(4)位于所述刚性空心压杆(2)的中部；

进一步地，所述刚性空心压杆(2-1—2-12)为空心碳管，所述杆索连接件 (3)由碳纤维材料3D打印形成；并且所述刚性空心压杆(2-1—2-12)与所述杆索连接件(3)通过过盈配合的连接方式固定连接，所述弹性拉索(12-1—12-24) 与所述杆索连接件(3)上的圆环固定连接。所述杆索连接件(3)上，两空心圆柱套筒的轴线在平面内呈60度角设置。

进一步地，所述旋翼组件(4)包括第一连接件(41)、十字槽螺钉(42)、无刷直流电机(43)、螺旋桨(44)、滚动轴承(45)和第四连接件(46)；为了减轻无人机质量提高续航能力，所述螺旋桨(44)、所述第一连接件(41)和所述第二连接件(46)均由碳纤维材料3D打印形成。

进一步地，所述第一连接件(41)、所述第二连接件(46)与所述刚性空心压杆(2-2、2-5、2-7、2-9)均采用过盈配合固联在一起；所述无刷直流电机(43) 通过三个均匀分布的所述十字槽螺钉(42)与所述第一连接件(41)固联在一起；所述旋桨(44)采用螺纹连接与所述无刷直流电机(43)固联在一起；所述滚动轴承(45)分别与所述螺旋桨(44)、所述第二连接件(46)采用过盈配合固联在一起。

进一步地，所述刚性空心压杆(2)的两端分别设置六个通孔，方便电源与所述无刷直流电机(43)等电子设备的连接。

进一步地，无人机的自驾仪、电调、电源均位于所述刚性空心压杆(2)的内部。

进一步地，所述四旋翼无人机的质心与所述十二杆张拉整体框架(1)的几何中心重合设置，提高了无人机的稳定性。

区别于传统的防碰撞无人机，本发明的防碰撞原理如下：

当无人机与障碍物发生碰撞，十二杆张拉整体框架(1)在阻止无人机机械结构与外部环境直接接触的同时，由于无人机最上层、中间层、最下层刚度依次增大，因此在碰撞冲击力的作用下弹性拉索(12)的形变量由上到下依次减少，导致与障碍物发生碰撞的等边三角形框架(11)带动旋翼组件(4)一同沿碰撞反方向倾斜，在该方向上产生驱动分力，致使无人机远离障碍物，实现了该无人机的防碰撞功能。

区别于传统的防碰撞无人机，本发明的优点在于：

(1)结构质量轻，减少对无人机续航能力的影响；

(2)结构稳定性较高，对无人机机械结构起到良好的保护作用；

(3)结构简单，生产与维护成本较低；

(4)十二杆张拉整体框架具有一定的弹性，能够对碰撞冲击力起到更好的缓冲作用，减少碰撞冲击力对无人机机体结构的影响；

(5)当无人机与障碍物发生碰撞时，由十二杆张拉整体结构具备不同的局部刚度，导致与障碍物发生碰撞的等边三角形框架带动旋翼组件一同沿碰撞反方向倾斜，在该方向上产生驱动分力，致使无人机远离障碍物。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实例的附图与本申请的实例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为基于十二杆张拉整体结构的防碰撞四旋翼无人机结构示意图；

图2为十二杆张拉整体框架的结构示意图(1)；

图3为十二杆张拉整体框架的结构示意图(2)；

图4为十二杆张拉整体框架的结构示意图(3)；

图5为弹性拉索与刚性空心压杆连接处的结构示意图；

图6为弹性拉索的组成结构示意图；

图7为旋翼组件的结构示意图(1)；

图8为旋翼组件的结构示意图(2)；

图9为刚性空心压杆上通孔的结构示意图。

附图标记说明：1—十二杆张拉整体框架，11—等边三角形框架，12—弹性拉索，2—刚性空心压杆，3—索杆连接件，4—旋翼组件，41—第一连接件，42 —十字槽螺钉，43—无刷直流电机，44—螺旋桨，45—滚动轴承，46—第二连接件，5—拉力弹簧，51—刚度较低的拉力弹簧，52—刚度适中的拉力弹簧，53 —刚度较高的拉力弹簧，6—尼龙绳。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

下面参考图1—图9描述本发明实施例的基于十二杆张拉整体结构的防碰撞四旋翼无人机的具体结构与防碰撞原理。

图1示出了根据本公开一实施例的基于十二杆张拉整体结构的防碰撞四旋翼无人机的结构示意图。如图1所示，该四旋翼无人机包括十二杆张拉整体框架1和四个旋翼组件4，所述四个旋翼组件4位于所述十二杆张拉整体框架1的内部；

需要说明的是，将旋翼组件4设置在十二杆张拉整体框架1的内部，即将图7所述的旋翼组件4放置在图2所述的十二杆张拉整体框架1内，当无人机在障碍物较多且杂乱的环境执行任务时，十二杆张拉整体框架1能够有效地保护旋翼组件4，避免了旋翼组件4与障碍物直接接触导致无人机损坏、坠毁。

如图2、图3、图4所示该十二杆张拉整体框架1包括四个相互嵌套在一起的等边三角形框架11、和二十四根弹性拉索12；等边三角形框架11的每个顶点分别引出四根弹性拉索12与距离该顶点最近的四个顶点相连接；等边三角形框架11包括刚性空心压杆2和杆索连接件3；其中刚性压杆2-1、2-7、2-11、刚性压杆12-2、2-4、2-8、刚性压杆2-5、2-6、2-12、刚性压杆2-3、2-9、2-10 分别与三个杆索连接件3组成四个等边三角形框架11-1、11-2、11-3、11-4；四个等边三角形框架11均处于空间竖直倾斜放置；十二杆张拉整体框架1包含十二个节点，共分为三层；每层均包含四个节点，且成正方形分布；其中，最上层与最下层节点在同一水平面内的投影完全重合；等边三角形框架11的每个顶点分别引出四根弹性拉索12与距离该顶点最近的四个顶点相连接；等边三角形框架11包括刚性空心压杆2和杆索连接件3；所述旋翼组件4位于所述刚性空心压杆2的中部；

具体地，刚性空心压杆2-1—2-12为空心碳管，杆索连接件3由碳纤维材料 3D打印形成；并且刚性空心压杆2-1—2-12与杆索连接件3通过过盈配合的连接方式固定连接，弹性拉索12-1—12-24与杆索连接件3上的圆环固定连接。杆索连接件3上，两空心圆柱套筒的轴线在平面内呈60度角设置；

需要说明的是，由等边角形框架11与弹性拉索12组成的十二杆张拉整体框架1具有较高稳定性的同时，也具备一定的弹性，因此该十二杆张拉整体框架1能够对碰撞冲击力起到更好的缓冲作用，减少碰撞冲击力对无人机机体结构的影响；由于该十二杆张拉整体框架1大部分由碳纤维材料制作而成，且多为空心结构，因此该框架结构简单，生产与维护成本较低，同时其结构质量较轻，减少对无人机续航能力的影响。

图5示出了根据本公开一实施例的弹性拉索与刚性空心压杆连接处的结构示意图。如图5所示，刚性空心压杆2-1—2-12与杆索连接件3通过过盈配合的连接方式固定连接，弹性拉索12-1—12-24与所述杆索连接件3上的圆环固定连接。

图6示出了根据本公开一实施例的弹性拉索的组成结构示意图。如图6所示，弹性拉索12由两段尼龙绳6与拉力弹簧5组成；

具体地，最上层节点间的弹性拉索12均采用刚度较小的拉力弹簧51，最上层节点与中间层节点、最下层节点与中间层节点间均采用刚度适中的拉力弹簧 52，最下层节点间均采用刚度较大的拉力弹簧53。

图7、图8示出了根据本公开一实施例的旋翼组件的结构示意图。如图7、图8所示，旋翼组件4包括第一连接件41、十字槽螺钉42、无刷直流电机43、螺旋桨44、滚动轴承45和第二连接件46；为了减轻无人机质量提高续航能力，螺旋桨44、第一连接件41和第二连接件46均由碳纤维材料3D打印形成；

具体地，第一连接件41、第二连接件46与刚性空心压杆2-2、2-5、2-7、 2-9均采用过盈配合固联在一起；无刷直流电机43通过三个均匀分布的所述十字槽螺钉42与第一连接件41固联在一起；旋桨44采用螺纹连接与无刷直流电机43固联在一起；滚动轴承45分别与螺旋桨44、第二连接件46采用过盈配合固联在一起。

图9示出了根据本公开一实施例的刚性空心压杆上通孔的结构示意图。如图9所示，刚性空心压杆2的两端分别设置六个通孔，方便电源与无刷直流电机43等电子设备的连接；

需要说明的是，无人机的自驾仪、电调、电源均位于所述刚性空心压杆2 的内部。

需要说明的是，所述三旋翼无人机的质心与十二杆张拉整体框架1的几何中心重合设置，提高了无人机的稳定性；

需要说明的是，区别于传统的防碰撞无人机，本发明的防碰撞原理如下：当无人机与障碍物发生碰撞，十二杆张拉整体框架1在阻止无人机机械结构与外部环境直接接触的同时，由于无人机最上层、中间层、最下层刚度依次增大，因此在碰撞冲击力的作用下弹性拉索12的形变量由上到下依次减少，导致与障碍物发生碰撞的等边三角形框架11带动旋翼组件4一同沿碰撞反方向倾斜，在该方向上产生驱动分力，致使无人机远离障碍物，实现了该无人机的防碰撞功能。

在本说明书的描述中，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“水平”、“竖直”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制；

此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以表明或者隐含地包括一个或者更多个该特征，用于区别描述特征，无顺序之分，无轻重之分；

虽然本发明所揭示的实施方式如上,但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式,并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员,在不脱离本发明所揭示的精神和范围的前提下,可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化,但本发明的专利保护范围,仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。