一种旋翼无人机的自平衡脚架、旋翼无人机及方法与流程

1.本技术涉及无人机技术领域，尤其涉及一种旋翼无人机的自平衡脚架、旋翼无人机及方法。


背景技术：

2.随着无人机市场的逐步开拓，无人机在我们生活中的实际应用也逐步增多，在无人机航拍、电力巡检、交通监视、环保、灾后救援、影视拍摄等领域的应用尤为明显。但无人机应用在一些特殊环境下仍然存在一定的限制条件与缺点，例如无人机降落在一些崎岖的路面或者斜坡上时，在无人机降落后会出现侧翻等情况，导致无人机损坏，极大影响了无人机的降落安全。
3.一般无人机在斜坡或崎岖路面降落存在较大的问题，所以依据这方面问题设计了一些特殊无人机，例如已授权的中国发明专利(cn106005375b)描述了各脚架间通过气动伸缩部气连接，实现各个脚架之间的联动伸缩，尽量保持无人机机体的水平平衡，但在坡度较大的斜坡或者崎岖路面上仍然不能保持平衡，存在较大的侧翻可能性；已公布的中国发明专利(cn112173086a)描述了在无人机脚架横梁碳管内部安装激光雷达传感器，通过激光雷达传感器判断脚架与地面的距离来进行脚架伸缩控制，达成在一些特殊环境下的平稳降落，但无人机的两个脚架之间用横梁碳管连接，这样两个脚架的伸缩互相制约，不能独立完成。当障碍物(石头、垃圾等)在横梁碳管上时，很难完成相应脚架高度的调整，容易发生侧翻现象。此外，利用激光雷达传感器来自动扫描降落区域的地面水平度，存在两个问题：一是很难获得各个脚架与正下方地面的精确距离；二是价格高(一般要上千元，精度较高的要几千元，甚至是上万元)；已公布的中国发明专利(cn 112319782 a)描述了在无人机脚架下端设置了若干定滑轮，在无人机降落后根据无人机重心位置的变化，通过滑轮来对脚架进行滑动调整无人机的重心位置，在调整完成后进行固定滑轮，来达到无人机在斜坡和陡坡降落的目的，但是在无人机脚架接触地面并发生较大倾斜后才开始通过滑轮进行重心调整，调整方式存在明显滞后问题，很容易因来不及调整而发生侧翻现象。
4.现有的无人机在起降过程中全部靠桨叶提供升力，一般的民用无人机都搭载摄像头进行远程操作，会导致机身重量不平衡，在起降过程中容易发生机身倾斜和重心偏移等问题。斜面起降过程中，如果仅靠桨叶提供升力，这时的升力是倾斜的，垂直分力用于克服无人机的重力，而水平分力会进一步加快无人机的机身倾斜和重心偏移失衡方向发展，增加了无人机发生侧翻可能性，约束了无人机在起降时的斜面角度，从而限制了无人机的起降环境。如何解决现有的技术问题成了相关领域技术人员急需解决的。


技术实现要素：

5.本技术实施例的目的是提供一种旋翼无人机的自平衡脚架、旋翼无人机及方法，以提高无人机起降的稳定性和安全性。
6.根据本技术实施例的第一方面，提供一种旋翼无人机的自平衡脚架，所述旋翼无
人机包括机体以及安装在所述机体上的飞控板，所述飞控板上安装有惯性传感器和单片机，所述惯性传感器用于获取姿态角；所述自平衡脚架包括：外壳；驱动模块，安装在所述外壳上，接收所述单片机的控制信号，将所述控制信号转化为自平衡脚架的驱动信号；伸缩模块，安装在所述外壳上，接收所述驱动信号，根据所述驱动信号，输出伸缩量；激光测距传感器，安装在所述伸缩模块的底端，用于获取其自身与地面的相对距离，并将所述相对距离数据发送给所述单片机；其中所述单片机接收所述姿态角和所述相对距离进行分析处理，输出所述控制信号。
7.进一步地，所述伸缩模块包括：控制电机单元，接收所述驱动信号；伸缩杆，其一端与所述控制电机单元的输出端相连；限位开关，设置在所述伸缩杆两端的缩放极限处；脚架垫圈，安装在所述伸缩杆的另一端。
8.进一步地，所述控制电机包括：电机，接收所述驱动信号，所述驱动信号用于驱动所述电机工作，控制所述电机的正反转以及转动时间，从而控制伸缩程度；齿轮传动机构，输入端与所述电机的输出端相耦合；丝杠，输入端与所述齿轮传动机构的输出端相耦合；螺母，固定在所述伸缩杆的一端，与所述丝杠相啮合。
9.进一步地，所述控制电机还包括：制动器，设置在所述齿轮传动机构的输出端，用于控制所述伸缩杆的运动或停止。
10.进一步地，所述齿轮传动机构包括：第一齿轮，安装在所述电机的输出轴上；齿轮轴，具有第二齿轮，所述第一齿轮和第二齿轮相啮合。
11.根据本技术实施例的第二方面，提供一种旋翼无人机，包括：机体；以及第一方面所述的自平衡脚架，所述自平衡脚架具有多个，均安装在所述机体上。
12.进一步地，所述自平衡脚架的数量与所述机体上旋翼的数量相同。
13.进一步地，所述自平衡脚架安装在所述机体的旋翼下方。
14.根据本技术实施例的第三方面，提供第二方面所述的一种旋翼无人机的降落方法，包括：
15.通过所述激光测距传感器实时获取各个自平衡脚架与地面的相对距离；
16.当所述相对距离小于第一设定阈值时，所述单片机给各个自平衡脚架发送一次平衡调整控制信号，所述一次平衡调整控制信号经过驱动模块产生对应的驱动信号，驱动信号控制所述伸缩模块进行伸缩，使得各个自平衡脚架与地面的相对距离相等，完成一次平衡调整；
17.当完成一次平衡调整后，旋翼无人机继续降落，所述单片机实时获取姿态角，根据所述姿态角与水平面的相对误差，输出二次平衡调整控制信号给各个自平衡脚架，所述二次平衡调整控制信号经过驱动模块产生对应的驱动信号，驱动信号控制所述伸缩模块进行伸缩，直到所述相对误差小于第二设定阈值时，完成二次平衡调整，实现安全降落地面。
18.根据本技术实施例的第四方面，提供第二方面所述的一种旋翼无人机的起飞方法，包括：
19.将旋翼无人机放置在地面上；
20.所述单片机实时获取姿态角，当姿态角发生变化时，根据所述姿态角与水平面的相对误差，输出二次平衡调整控制信号给各个自平衡脚架，所述二次平衡调整控制信号经过驱动模块产生对应的驱动信号，驱动信号控制所述伸缩模块进行伸缩，直到所述相对误
差小于第二设定阈值；
21.当所述相对误差小于第二设定阈值时，所述单片机发出起飞指令，旋翼无人机的旋翼开始旋转并提供升力。
22.本技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
23.由上述实施例可知，本技术旋翼无人机的各个脚架分布明确，结构简单，互相独立，避免了各个脚架之间的相互约束而影响无人机起降的安全性和平稳性。在各自脚架底端安装激光测距传感器，可以精确测量各自脚架与降落地面之间的相对距离。相比于激光雷达传感器和视觉传感器，在测距精度、单片机处理器计算量和性价比等方面有明显的优势。
24.自平衡脚架的一次平衡调整和二次平衡调整分工明确。在一次平衡调整时，对各自脚架进行初次调整，避免了无人机脚架在接触地面时因地面倾斜太大而来不及调整的情况发生。在二次平衡调整时，只通过飞控板上已有的惯性传感器(不需要其他附加传感器)来调整各自脚架，可以完全保证无人机的水平平衡。在性价比和无人机响应速度上有明显优势。
25.无人机在起飞前，根据姿态角调整各脚架长度，可以保证无人机在起飞前处于水平状态，避免因无人机重心偏移、机身倾斜等问题在起飞阶段出现炸机现象，保证了无人机起飞时的安全性，有效的减少了经济损失。
26.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
27.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
28.图1是根据一示例性实施例示出的一种旋翼无人机的自平衡脚架的结构图。
29.图2是根据一示例性实施例示出的一种旋翼无人机的整体图。
30.图3是根据一示例性实施例示出的一种旋翼无人机在斜坡上方降落时的状态图。
31.图4是根据一示例性实施例示出的一种旋翼无人机在斜坡上方进行一次平衡调整时的状态图。
32.图5是根据一示例性实施例示出的一种旋翼无人机在斜坡上进行二次平衡调整时的状态图。
33.图6是根据一示例性实施例示出的一种旋翼无人机在凹凸不平路面上降落时的状态图。
34.图7是根据一示例性实施例示出的一种旋翼无人机在斜坡上方时的状态图。
35.图8是根据一示例性实施例示出的一种旋翼无人机放置在斜坡上方进行平衡调整时的状态图。
36.图9是根据一示例性实施例示出的一种旋翼无人机降落过程中姿态角(俯仰角和横滚角)的示意图。
37.图10是根据一示例性实施例示出的一种旋翼无人机降落过程中自平衡脚架顺序的示意图。
38.图11是根据一示例性实施例示出的一种旋翼无人机降落过程中与目的地之间距离处理方式的示意图。
39.图12是根据一示例性实施例示出的一种旋翼无人机降落过程中无人机自平衡的流程图。
40.图中的附图标记有：电机1、驱动模块2、第一齿轮3、第二齿轮4、制动器5、丝杠6、螺母7、齿轮轴8、伸缩杆9、脚架垫圈10、控制线11、外壳12、激光测距传感器13、机体14、自平衡脚架15、旋翼16。
具体实施方式
41.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
42.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
43.应当理解，尽管在本技术可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本技术范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
44.参考图1，本技术实施例提供一种旋翼无人机的自平衡脚架15，所述旋翼无人机包括机体以及安装在所述机体上的飞控板，所述飞控板上安装有惯性传感器和单片机，所述惯性传感器用于获取姿态角；所述自平衡脚架包括：外壳12；驱动模块2，安装在所述外壳12上，接收所述单片机的控制信号，将所述控制信号转化为自平衡脚架的驱动信号；伸缩模块，安装在所述外壳12上，接收所述驱动信号，根据所述驱动信号，输出伸缩量；激光测距传感器13，安装在所述伸缩模块的底端，用于获取其自身与地面的相对距离，并将所述相对距离数据发送给所述单片机；其中所述单片机接收所述姿态角和所述相对距离进行分析处理，输出所述控制信号。
45.本发明实施例中，所述伸缩模块包括：控制电机单元，接收所述驱动信号；伸缩杆9，其一端与所述控制电机单元的输出端相连；限位开关，设置在所述伸缩杆9两端的缩放极限处；脚架垫圈10，安装在所述伸缩杆9的另一端。其中脚架垫圈10可采用材料为均匀一定弹性的橡胶材质且脚架垫圈内部为中空结构，可以在无人机降落时提高一定的减震和缓冲作用且有利于无人机保持降落平衡。
46.本发明实施例中，所述控制电机单元可包括：电机1，接收所述驱动信号，所述驱动信号用于驱动所述电机1工作，控制所述电机1的正反转以及转动时间，从而控制伸缩程度；齿轮传动机构，输入端与所述电机1的输出端相耦合；丝杠6，输入端与所述齿轮传动机构的输出端相耦合；螺母7，固定在所述伸缩杆9的一端，与所述丝杠6相啮合。电机1通过齿轮传
动机构带动所述丝杠6转动，进而实现螺母7沿丝杠6进行直线运动，从而带动伸缩杆9实现伸缩运动。通过齿轮传动机构以及丝杠螺母传动，能实现高精度高效率的传动。
47.进一步地，所述控制电机单元还包括：制动器5，设置在所述齿轮传动机构的输出端，用于控制所述伸缩杆9的运动或停止。
48.本发明实施例中，所述齿轮传动机构包括：第一齿轮3，安装在所述电机1的输出轴上；齿轮轴8，具有第二齿轮4，所述第一齿轮3和第二齿轮4相啮合。
49.当单片机通过控制线11将控制信号发送给驱动模块2，驱动模块2将控制信号转换为驱动信号并发送至电机1，控制电机1的正反转运动，电机1的运动带动第一齿轮3的转动，第一齿轮3转动的同时带动第二齿轮4转动，第二齿轮4转动带动齿轮轴8转动，齿轮轴8通过制动器5来控制丝杠6旋转，丝杠6与螺母7相匹配，丝杠6在螺母7内的旋转可以带动伸缩杆的内部伸缩运动，来完成脚架的自平衡任务。
50.如图2所示，本发明实施例提供一种旋翼无人机，包括：机体14；以及上述的自平衡脚架15，所述自平衡脚架15具有多个，均安装在所述机体14上。
51.进一步地，所述自平衡脚架15的数量与所述机体上的旋翼16的数量相同。
52.进一步地，所述自平衡脚架15安装在所述机体的旋翼16下方。
53.如图12所示，本发明实施例还提供上述的一种旋翼无人机的降落方法，包括：
54.步骤11，通过所述激光测距传感器13实时获取各个自平衡脚架与地面的相对距离；
55.步骤12，当所述相对距离小于第一设定阈值时，所述单片机给各个自平衡脚架发送一次平衡调整控制信号，所述一次平衡调整控制信号经过驱动模块2产生对应的驱动信号，驱动信号控制所述伸缩模块进行伸缩，使得各个自平衡脚架与地面的相对距离相等，完成一次平衡调整；
56.具体地，该步骤可包括以下子步骤：
57.(121)根据各自脚架与斜坡或凹凸不平地面的相对距离d1，d2，d3，d4，求得平均值
58.(122)获取各自脚架的相对误差以及相对误差速度
59.(123)设计一种非线性pd控制器为
[0060][0061]
其中，arsinh()是反双曲正弦函数，δ>0为反双曲正弦函数斜率系数且可调节arsinh()的函数值和变化率；k
p
,k
d
>0分别为非线性pd控制器系数；u1，u2，u3，u4分别是相对距离为d1，d2，d3，d4所对应脚架的控制量。
[0062]
(124)在非线性pd控制器(1)作用下，各自脚架的相对误差快速平稳的收敛于零，完成脚架的一次平衡调整，实现各自脚架与地面的相对距离相等。
[0063]
需要说明的是，当无人机处于降落模式且无人机各自脚架与地面的相对距离大于
设定距离时，无人机自平衡脚架可不发生变化保持原来状态，如图3所示；如图4所示，无人机处于降落模式且无人机各自脚架与地面的相对距离小于第一设定阈值时将进行一次平衡调整。
[0064]
步骤13，当完成一次平衡调整后，旋翼无人机继续降落，所述单片机实时获取姿态角，根据所述姿态角与水平面的相对误差，输出二次平衡调整控制信号给各个自平衡脚架，所述二次平衡调整控制信号经过驱动模块2产生对应的驱动信号，驱动信号控制所述伸缩模块进行伸缩，直到所述相对误差小于第二设定阈值时，完成二次平衡调整，实现安全降落地面。
[0065]
具体地，该步骤可以包括以下子步骤：
[0066]
(141)当无人机完成一次平衡调整且降落到地面时，由于地面是斜坡或凹凸不平，单片机获得无人机飞控中姿态角(俯仰角θ和横滚角φ)发生变化。
[0067]
(142)旋翼无人机的姿态角中俯仰角误差为e
θ
＝
‑
θ，俯仰角误差为e
φ
＝
‑
φ，俯仰角误差速度为俯仰角误差速度为
[0068]
(143)设计一种非线性pd控制器为
[0069][0070][0071]
其中，arsinh()是反双曲正弦函数，δ>0为反双曲正弦函数斜率系数且可调节arsinh()的函数值和变化率；k
pθ
,k
dθ
,k
pφ
,k
dφ
>0分别为非线性pd控制器系数；u
θ
,u
φ
分别是俯仰角和横滚角所对应的控制量。
[0072]
(144)四个脚架所对应的控制量分别为
[0073]
uu1＝u
θ
‑
u
φ
，uu2＝
‑
u
θ
‑
u
φ
，uu3＝
‑
u
θ
u
φ
，uu4＝u
θ
u
φ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0074]
其中，uu1，uu2，uu3，uu4分别为1号脚架，2号脚架，3号脚架，4号脚架所对应的脚架伸缩控制量。
[0075]
在非线性pd控制器(4)作用下，各自脚架进行伸缩控制，直到俯仰角和横滚角为零，则旋翼无人机调整到水平面位置，完成二次平衡调整，实现安全降落地面。
[0076]
如图5所示，当无人机完成一次平衡调整且持续降落接触到地面时，无人机飞控板上的惯性传感器将产生相对应的姿态角(俯仰角和横滚角)数据，这时无人机进行二次平衡调整。其中二次平衡调整的具体方法为在一次平衡调整完成后且无人机持续下降并接触到地面产生姿态角(俯仰角和横滚角)数据时，无人机飞控板上的惯性传感器将产生相对应的姿态角(俯仰角和横滚角)数据传输到单片机，单片机将姿态角与水平面的相对误差进行整合并转换为各脚架伸缩控制量，单片机将对应控制信号传输至各自平衡脚架内，控制脚架完成伸缩，达成二次平衡调整。
[0077]
如图6所示，无人机在凹凸不平的地面上降落时，进行一次平衡调整和二次平衡调整来保持无人机降落时的平衡，无人机的单片机再根据一次平衡调整中脚架伸缩的长度来
判断无人机机体是否会接触地面，如果无人机机体接触到地面，则适当伸长各脚架的长度来避免无人机机体碰触到地面；如果无人机机体不接触到地面，则不发生变化。
[0078]
如图9所示，无人机机头方向的轴线与平行于无人机机身轴线之间的夹角为无人机的俯仰角，无人机机身侧面方向的轴线与平行于无人机机身轴线之间的夹角为无人机的横滚角。无人机脚架与地面接触前与地面处于平行状态，无人机脚架与地面接触后，无人机飞控板上的惯性传感器获取到无人机的姿态角(俯仰角和横滚角)改变，无人机开始二次平衡调整。无人机二次平衡调整步骤如下：如图10所示，当无人机的俯仰角方向偏向前(向前为正)，为了保证无人机的水平位置和平衡，则无人机脚架m1和m4伸长(m1和m4侧的俯仰角为负，m2和m3侧的俯仰角为正)；当无人机的横滚角方向偏向右侧(向右为正)，为了保证无人机的水平位置和平衡，则无人机脚架m3和m4伸长(m3和m4侧的横滚角为负，m1和m2侧的横滚角为正)。
[0079]
如图11所示，其中无人机激光测距传感器获取到各脚架与地面的相对距离，传输至单片机，由单片机进行处理，判断出无人机脚架与地面的实际距离real_high，再与单片机的设定距离set_high进行比较，当实际距离real_high大于设定距离set_high时，无人机激光测距传感器继续获取各脚架与地面的相对距离，自平衡脚架不发生变化；当实际距离real_high小于设定距离set_high时，无人机进行一次平衡调整；当实际距离real_high为0时，且无人机的姿态角(俯仰角和横滚角)数据不为0时，无人机进行二次平衡调整。无人机的设定距离set_high可以在单片机内部进行设置与修改。
[0080]
在二次平衡调整过程中，无人机的姿态角(俯仰角和横滚角)数据会一直随着无人机的降落在逐步地变化并且趋向于0。因此当二次平衡调整完成后，无人机的姿态角(俯仰角和横滚角)都为0，无人机一定处于水平状态且能保持平衡，进一步地保证了无人机的平稳降落和安全着陆。
[0081]
本技术实施例提供一种旋翼无人机的起飞方法，包括：
[0082]
步骤21，将旋翼无人机放置在地面上；如图7所示，无人机放置在准备起飞的斜坡上方，操纵无人机遥控器控制无人机解锁进行工作。
[0083]
步骤22，所述单片机实时获取姿态角，当姿态角发生变化时，根据所述姿态角与水平面的相对误差，输出二次平衡调整控制信号给各个自平衡脚架，所述二次平衡调整控制信号经过驱动模块2产生对应的驱动信号，驱动信号控制所述伸缩模块进行伸缩，直到所述相对误差小于第二设定阈值；
[0084]
具体地，无人机解锁开始工作后，单片机获取无人机姿态角(俯仰角和横滚角)数据并进行处理，无人机进行平衡调整。在无人机开机工作并且飞控板上的惯性传感器产生俯仰角和横滚角数据后，单片机会持续获取无人机姿态角(俯仰角和横滚角)数据并进行平衡调整，直到无人机姿态角(俯仰角和横滚角)数据为0，无人机处于水平平衡状态，平衡调整完成。如图8所示。无人机平衡调整完成后无人机成功停留在斜坡并且处于水平状态。无人机在起飞前处于水平状态，可以避免因放置在斜坡或凹凸不平的地面导致无人机重心偏移，防止因无人机重心偏移、机身倾斜等问题导致无人机在起飞阶段坠落，保证了无人机起飞时的安全，有效减少经济损失。
[0085]
步骤23，当所述相对误差小于第二设定阈值时，所述单片机发出起飞指令，旋翼无人机的旋翼开始旋转并提供升力。
[0086]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本技术的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
[0087]
应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求来限制。