分离式鼠笼外壳结构的空陆两栖无人机

技术领域

本发明涉及无人机，具体涉及一种分离式鼠笼外壳结构的空陆两栖无人机。

背景技术

传统无人机往往是单一功能，不具备空陆两栖能力，在环境形势较为复杂时，难以完成任务。特别是城市，森林等复杂环境中，避障能力较低，不够灵活，实用性受限。但是在现在和未来的战争中，对于信息的获取极为关键，要做到悄无声息的获取敌方信息，需要一种仿生性能好、体积小、隐蔽性高、适应各种地形环境的无人机，功能强大并搭载侦查设备以获取情报。由于战场的环境较为复杂，尤其是城市，森林等环境条件比较复杂的区域，仅具备单一着陆功能的无人机无法很好地完成情报获取的任务。因此，空陆两栖无人机成为国内外研究热点之一。

一般的空陆两栖无人机主要由空中飞行机构和地面爬行机构组成。空中飞行机构主要由四旋翼，扑翼，固定翼等多种机构行成。四旋翼由于技术成熟，环境适应能力较强而被更多应用在两栖无人机的飞行机构;地面机构主要由轮式移动和足式移动两种形式。目前许多国家都已经开始研究空陆两栖无人机。目前国内外研究的空陆两栖无人机还不是很成熟，处于研究的初级阶段。

伊利诺伊理工大学无人机实验Arash Kalantari 和MMAE Department共同研制了Hybrid Terrestrial and Aerial Quadrotor，这是一款空地两栖无人机，通过两个旋转接头将圆柱形保持架连接到四旋翼飞行器。这种简单的设计使得保持架可以相对于四旋翼主体自由滚动。此外，相同的飞行控制系统和用于飞行的命令可用于控制地面运动。与飞行模式相比，在地面模式中不需要克服空陆两栖无人机的重量，因此系统消耗的能量更少。该无人机尺寸大约为24mmx2 1.5mmx2 1.5mm。比较两种工作模式的能量效率，完全充电的电池驱动无人机，在耗尽电量的情况下，一次进行飞行，一次以45°俯仰角滚动。实验结果显示，飞行时间约为5分钟，飞行距离约为600米。使用相同的电池，它可以滚动27分钟，在油毡上行驶距离大约为2400米。飞行模式的优势在于运动速度较快，但是，在地面模式下操作时间增加约6倍，移动距离大约为4倍。

BioRobots的总裁Richard J. Bachmann与佛罗里达大学的Frank J. Boria，Peter G. Ifju，布里斯托大学的Ravi Vaidyanathan以及凯斯西储大学的Roger D.Quinn团队共同研制的Micro AirLand Vehicle，简称MALV，总长约为30.5cm，质量约为118g，机身长约为21.6cm，机体宽约为5.1cm，是一款能够进行航空和陆地运动的新型微型空中陆地车辆(MALV)。无人机形态的设计灵感来自于动物运动，将动力，关节和腿部的被动顺应性结合在一起，使得它可以飞行、着陆、在地面上行走、越过障碍物，并且(在某些情况下)再次飞行，同时该无人机可以搭载摄像头，进行图像采集。车辆的实验测试已在实际的现场条件下进行，用于监视，爆炸物检测，搜索、救援和远程检查的操作。从长远来看,运动机构可以设计成一系列不同尺寸，在不同现场环境得到广泛的应用。

以上两种国外的空陆两栖无人机对无人机在地面上的移动方式进行了不同的尝试，但都有比较明显的缺陷，前者空陆两栖无人机在地面上运动时的灵活度，越障能力是主要的问题；后者空陆两栖无人机采用仿生关节导致在地面的移动速度比较慢。

北京理工大学马建和王正杰教授设计的空地两栖无人机，采用四旋翼作为无人机的飞行部分，地面部分是由轮式机构组成，构成空地两栖无人机。整机重量约为2.8kg，尺寸为90cmx70cmx60cm，该无人机有效载荷500g左右，工作时间在30min以上，飞行时间大于5min，能够在空中进行悬停。使用Backstepping控制律对飞行控制进行分析控制，达到了较好的精度控制要求，能够实现稳定地面行动、飞跃障碍、 空中飞行、空中悬停等功能。但是该无人机的控制器尚不完善，无法实现自主飞行，整机尺寸也比较大，目前仅能完成无人机的一些主要功能,后期维修维护比较麻烦，结构上螺旋桨距离载荷空间距离较近，安全性也存在一定的隐患。

中国民航大学智能信号与图形处理天津重点实验室也开发了一款空地两栖无人机，该无人机飞行部分为旋翼机构，地面爬行部分为履带结构，具备飞行能力和地面运动能力。可以根据任务环境的不同，灵活的切换工作模式，完成目标任务。

对比国外空陆两栖无人机的研究，国内无人机多会采用履带作为地面移动时的轮子，这样可以增强空陆两栖无人机在地面移动时的灵活性，越障能力，但会使空陆两栖无人机在地面移动时的稳定性下降，如果空陆两栖无人机侧翻则会无法回正。

发明内容

本发明的目的在于提出一种空陆两栖无人机设计地面移动系统的鼠笼外壳结构，该鼠笼结构采用分离式设计，旨在在陆地移动更加灵活，越障能力更强。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种分离式鼠笼外壳结构的空陆两栖无人机，包括鼠笼式分体结构、地面控制系统和空中控制系统。

鼠笼式分体结构整体由树脂材料3D打印制成，包括两个连接杆和两个半笼。两个半笼的外形为车轮形状，半笼是由轮辐与轮辋共同构成的，半笼的轮辐与轮辋是永久式连接在一起的。

轮辐设计采用二次向外辐射式结构，具体结构为：以半笼中心孔为原点等角度向六个方向辐射出六个相同的辐条，在延伸出一定距离之后会再次等距离向两个方向辐射出两个相同的辐条，最终轮辐通过十二个辐条的接触点与轮辋相连，轮辐与轮辋之间的连接空间为三角形状，受力结构稳定。

轮辋的设计中去除了常规的轮辋槽，改为轮辋外围直接接触地面，在地面上转动，该半笼的轮辋宽度设计的很宽，为了可以包裹保护住空陆两栖无人机，轮辋的最外侧部分与轮辐通过十二个辐条的接触点相连后剩余部分向空陆两栖无人机主体包裹并进行保护，形成可以包围的鼠笼式分体结构。

两个连接杆分别两个半笼中心孔处连接，连接杆为长板状且中间处设有镂空，一端为凸起的弧形连接板，另一端为电机支撑件，鼠笼式分体结构通过连接杆一段的弧形连接板与空路两栖无人机主体相连接。

进一步的，地面控制系统包括一块STM32F103C8T6单片机、陀螺仪传感器、蓝牙通讯模块、两个驱动电机、中控制板、下控制板和电源。STM32F103C8T6单片机、陀螺仪传感器和蓝牙通讯模块三个模块都搭载在中控制板上形成地面控制系统的“大脑”，陀螺仪传感器可以让空陆两栖无人机整体在地面移动时保持平衡，蓝牙通讯模块用来接收使用者输出的移动指令，STM32F103C8T6单片机实时接收陀螺仪传感器和蓝牙通讯模块传递的信息并作出应答；两个驱动电机分别安装在连接杆的电机支撑件一端，两个驱动电机分别为两个半笼提供转动的动力并接收STM32F103C8T6单片机发出的移动指令；电源安装在下控制板上为地面控制系统和空中控制系统提供电力；中控制板与下控制板通过螺栓与螺母的配合连接在一起，合成完整的地面控制系统。地面控制系统与鼠笼式分体结构中连接杆部分相互连接形成一个整体。

进一步的，空中控制系统包括一个pixhawk飞控、上控制板，四个机臂、四个螺旋桨马达、四个旋翼和四个电调。pixhawk飞控内主要包括STM32F427VIT6单片机、陀螺仪、电子罗盘，用于实时监测空陆两栖无人机在空中的飞行姿态和飞行方向并及时做出调整；pixhawk飞控通过绑带安装在上控制板中，四个机臂分别通过螺栓与上控制板连接，螺旋桨马达通过螺栓与机臂相连接，旋翼与马达平行安装并通过螺栓固定，电调则通过绑带连接在机臂上，pixhawk飞控通过电调调节马达转速进而做到调整空陆两栖无人机在空中的飞行姿态，空中控制系统中的上控制板与地面控制系统中的下控制板通过螺栓相互连接，最终构成完整的空陆两栖无人机。

上述结构中，鼠笼式分体结构的两个半笼由轮辐与轮辋整体构成，由树脂材料3D打印制成，树脂材料质量轻，强度较大，适合飞行，且采用3D打印技术可以更加高效的制造鼠笼式分体结构，并且在空陆两栖无人机受到撞击导致鼠笼式分体结构损坏时可以及时更换。轮辐设计为二次向外辐射式结构，辐条与轮辋之间连接的支撑处都设计为三角形空间结构，在地面转动时让半笼的受力平均分散到整个半笼，更加具有稳定性；轮辋部分设计的很宽，可以包裹住空陆两栖无人机的机体，起到外壳保护的做用，同时宽的轮辋可以直接与地面接触作为空陆两栖无人机在地面移动时的轮子。

进一步的，为了减少半笼在地面移动的能量损耗，在半笼轮辋与地面接触的部分贴上防滑履带，增加半笼在地面的移动能力。

进一步的，辐条之间作镂空处理，合理减轻了机器人结构重量，有效减少了鼠笼式分体结构对空中控制系统造成的负担。

进一步的，分离式鼠笼外壳结构的空陆两栖无人机的工作过程为：地面控制系统的蓝牙通讯模块接收器接收到地面移动指令时，STM32F103C8T6单片机控制两个驱动电机开始转动，并根据陀螺仪传感器反馈的信号调整驱动电机的转速和旋转方向，驱动电机带动与之相连的两个半笼滚动，进而控制机器人进行地面移动。鼠笼式分体结构在地面的基本运动模式参考坦克的行动以及现有两轮平衡车的运动逻辑。

空中控制系统的四个旋翼通过将中心轴旋入四个螺旋桨马达中心螺纹孔进行固定。空中控制系统中的pixhawk飞控接收到起飞信号时，四个螺旋桨马达开始转动，带动四个旋翼转动产生升力使空陆两栖无人机起飞，pixhawk飞控在空中接收使用者发出的控制飞行的信号，通过改变四个螺旋桨马达的转速，控制空陆两栖无人机在空中移动。

上述过程中，所述鼠笼式分体结构中连接杆和两个半笼的设计具备独立性，得益于地面控制系统里STM32单片机中的陀螺仪对空陆两栖无人机姿态的实时监测，并控制驱动电机即使调整转速和转向，可以保证当两个半笼滚动时，连接杆保持平稳，不发生大幅度滚动；该设计减少了固定于连接杆上的地面空中控制系统所受外界干扰，保证了pixhawk飞控精度。两个半笼的运动也相对独立，地面控制系统中的STM32单片机可分别控制两个驱动电机的转速大小，使两个半笼转速产生差异，由此更改空陆两栖无人机转向，调整空陆两栖无人机行进路线；当两个半笼转速同时增大时，空陆两栖无人机加速前进；反之调整转速变慢时，空陆两栖无人机减速行进。由此，鼠笼式分体结构增强了机器人地面移动的灵活性、机动性，越障性能，使之更适宜在复杂环境中执行更加高难度的任务。空中控制系统中pixhawk飞控可分别控制四个马达的转速大小，使左侧和右侧的旋翼转速产生差异，由此更改机器人空中航向，使之改为向左或向右航行；当四个旋翼转速同时增大时，机器人将向上行进；反之调整转速变慢，机器人将下降。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）半笼结构可以保护无人机整体结构：空陆两栖无人机采用多旋翼设计，半笼结构可以保护旋翼在飞行中免受空中复杂环境的干扰，同时当空陆两栖无人机在地面移动时，半笼结构可以保护地面控制系统和空中控制系统免受陆地上如青草等突出杂物的干扰。2）半笼结构可以改善安全性：鼠笼结构还可以提高无人机在近距离操作或低空飞行时的安全性，这对于在有人员或设备密集的环境中工作，如城市快递、建筑工地监测或人群管理等任务，非常有用，可以避免无人机飞行中，人员或物体意外接触高速运行的旋翼，造成伤害。3）半笼结构可以实现地面移动，而分体式鼠笼结构又可以使地面移动变得更加灵活，无人机部分可以实现空中避障和快速移动，所以鼠笼式空路无人机可以适应多种复杂环境，具有高度灵活性，高避障性。

附图说明

图1为分离式鼠笼外壳结构的空陆两栖无人机结构图。

图2为半笼结构角度一示意图。

图3为半笼结构角度二示意图。

图4为半笼电机连接细节图。

图5为STM32F103C8T6单片机俯视图

图6为空陆两栖无人机主视图。

图7为空陆两栖无人机侧视图。

实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

图1所示为分离式鼠笼外壳结构的空陆两栖无人机，包括鼠笼式分体结构、地面控制系统和空中控制系统。

图2、图3多方位展示了鼠笼式分体结构的核心部件：半笼。鼠笼式分体结构整体由树脂材料3D打印制成，包括两个连接杆和两个半笼。两个半笼的外形为车轮形状，半笼是由轮辐与轮辋共同构成的，半笼的轮辐与轮辋是永久式连接在一起的，轮辐设计采用二次向外辐射式结构，具体结构为：以半笼中心孔为原点等角度向六个方向辐射，在延伸出一定距离之后会再次等距离向两个方向辐射，最终轮辐通过十二个接触点与轮辋相连，轮辐与轮辋之间的连接空间为三角形状，受力结构稳定。轮辋的设计中去除了常规的轮辋槽，改为轮辋外围直接接触地面，在地面上转动，该半笼的轮辋宽度设计的很宽，为了可以包裹保护住空陆两栖无人机，轮辋的最外侧部分与轮辐通过十二个接触点相连后剩余部分向空陆两栖无人机主体包裹并进行保护，形成可以包围的鼠笼式分体结构；两个连接杆分别两个半笼中心孔处连接，连接杆为长板状且中间处设有镂空，一端为凸起的弧形连接板，另一端为电机支撑件，鼠笼式分体结构通过连接杆一端的弧形连接板与空路两栖无人机主体相连接。

图4展示了鼠笼式分体结构中连接杆与驱动电机相连的具体情况；图5显示了STM32F103C8T6单片机与两个主要零部件之间的安装关系。地面控制系统2包括一块STM32F103C8T6单片机8、陀螺仪传感器9、蓝牙通讯模块10、两个驱动电机11、中控制板12、下控制板13和电源14。STM32F103C8T6单片机8、陀螺仪传感器9和蓝牙通讯模块10三个模块都搭载在中控制板上形成地面控制系统的“大脑”，陀螺仪传感器9可以让空陆两栖无人机整体在地面移动时保持平衡，蓝牙通讯模块10用来接收使用者输出的移动指令，STM32F103C8T6单片机8实时接收陀螺仪传感器9和蓝牙通讯模块10传递的信息并作出应答；两个驱动电机11分别安装在连接杆的电机支撑件一端，两个驱动电机分别为两个半笼提供转动的动力并接收STM32F103C8T6单片机8发出的移动指令；电源14安装在下控制板上为地面控制系统2和空中控制系统3提供电力；中控制板12与下控制板13通过螺栓与螺母的配合连接在一起，合成完整的地面控制系统2。地面控制系统2与鼠笼式分体结构1中连接杆4部分相互连接形成一个整体。

图6、图7从两个不同的展示了空陆两栖无人机的主体部分，包括地面、空中控制系统安装在控制板上的方式，三个控制板之间连接的逻辑以及控制板与连接杆之间连接的主要方式。空中控制系统3包括一个pixhawk飞控15、上控制板16，四个机臂17、四个螺旋桨马达18、四个旋翼19和四个电调20。pixhawk飞控15内主要包括STM32F427VIT6单片机、陀螺仪、电子罗盘，用于实时监测空陆两栖无人机在空中的飞行姿态和飞行方向并及时做出调整；pixhawk飞控15通过绑带安装在上控制板16中，四个机臂17分别通过螺栓与上控制板16连接，螺旋桨马达18通过螺栓与机臂17相连接，旋翼19与马达18平行安装并通过螺栓固定，电调20则通过绑带连接在机臂17上，pixhawk飞控15通过电调20调节马达18转速进而做到调整空陆两栖无人机在空中的飞行姿态，空中控制系统3中的上控制板16与地面控制系统2中的下控制板通过螺栓相互连接，最终构成完整的空陆两栖无人机。

上述结构中，鼠笼式分体结构1整体由树脂材料3D打印制成，树脂材料质量轻，强度较大，适合飞行，且采用3D打印技术可以更加高效的制造鼠笼式分体结构，并且在空陆两栖无人机受到撞击导致鼠笼式分体结构损坏时即使更换。轮辐设计为二次向外辐射式结构，辐条与轮辋之间连接的支撑处都会设计为三角形空间结构，在地面转动时让半笼的受力更加具有稳定性；轮辋部分设计的很宽，可以包裹住空陆两栖无人机的机体，起到外壳保护的做用，同时宽的轮辋可以直接与地面接触作为空陆两栖无人机在地面移动时的轮子。为了减少半笼在地面移动的能量损耗，在半笼轮辋与地面接触的部分贴上防滑履带，增加半笼在地面的移动能力；以半笼中心孔为原点等角度向六个方向辐射，在延伸出一定距离之后会再次等距离向两个方向辐射的尼龙辐条之间作镂空处理，合理减轻了机器人结构重量，有效减少了鼠笼式分体结构对空中控制系统造成的负担。

分离式鼠笼外壳结构的空陆两栖无人机的工作过程为：地面控制系统2的蓝牙通讯模块10接收器接收到地面移动指令时，STM32F103C8T6单片机8控制两个驱动电机11开始转动，并根据陀螺仪传感器13反馈的信号调整驱动电机11的转速和旋转方向，驱动电机11带动与之相连的两个半笼5滚动，进而控制机器人进行地面移动。鼠笼式分体结构1在地面的基本运动模式参考坦克的行动以及现有两轮平衡车的运动逻辑。空中控制系统3的四个旋翼19通过将中心轴旋入四个螺旋桨马达18中心螺纹孔进行固定。空中控制系统3中的pixhawk飞控15接收到起飞信号时，四个螺旋桨马达18开始转动，带动四个旋翼19转动产生升力使空陆两栖无人机起飞，pixhawk飞控15在空中接收使用者发出的控制飞行的信号，通过改变四个螺旋桨马达18的转速，控制空陆两栖无人机在空中移动。

上述过程中，所述鼠笼式分体结构中连接杆和两个半笼的设计具备独立性，当两个半笼滚动时，连接杆保持平稳，不发生大幅度滚动；该设计减少了固定于连接杆上的地面控制系统和空中控制系统所受外界干扰，保证了传感器精度。两个半笼的运动也相对独立；地面控制系统中的STM32F103C8T6单片机可分别控制两个驱动电机的转速大小，使两个半笼转速产生差异，由此更改无人机转向，调整无人机行进路线；当两个半笼转速同时增大时，无人机加速前进；反之调整转速变慢时，无人机减速行进。由此，鼠笼式分体结构增强了无人机地面移动的灵活性、机动性，使之更适宜在复杂环境中执行精细任务。所述空中控制系统中STM32F427VIT6单片机可分别控制四个驱动电机的转速大小，使左侧和右侧的桨叶转速产生差异，由此更改无人机空中航向，使之改为向左或向右航行；当四个桨叶转速同时增大时，无人机将向上行进；反之调整转速变慢，无人机将下降。

综上所述，本发明提供一种新型分离式鼠笼外壳结构的空陆两栖无人机，鼠笼式分体结构简单且能有效减少自重，所以具有稳定牢固，实用又美观大方的优点。鼠笼式结构保护无人机旋翼，避免高速运行的旋翼与周围环境接触，提高无人机运行的稳定性。同时避免了低空运行时人员意外接触旋翼造成伤害，提高了无人机的可靠性与安全性。本发明采用分体式鼠笼，使地面移动更加灵活。同时，无人机部分又可以实现空中飞行和避障。鼠笼式空陆两栖无人无人机可以像传统的无人机一样在空中飞行，执行空中巡航、监测和其他空中任务。还可以在陆地上操作，包括起飞、降落和在陆地上行驶。这使它们适用于地面巡逻、野外勘测和搜索任务。新型分离式鼠笼外壳结构的空陆两栖无人机具有高度灵活性，可以在空中和陆地上自由切换，提供了更广泛的应用领域。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。