一种陆空两栖球形无人机

1.本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种陆空两栖球形无人机。


背景技术：

2.四旋翼无人机(quadrotor)具有高敏捷性和飞行作业的优势，但其大部分能量被用于抵消自身重量造成续航时间短的问题，在搜索营救、未知环境探索等长距离任务中局限性较大。
3.而无人地面车(unmanned ground vehicles)的能量几乎只用于克服行进过程中的摩擦而并不用于抵消其重量的影响，但其却不能在沟壑、楼梯等室内外环境中顺利行进。
4.针对以上四旋翼无人机和无人地面车的优缺点分析，当前迫切需要一种能够结合两者优点的新型陆空两栖无人机，满足以下要求：
5.1.长续航，保留无人地面车的优点使新型无人机在环境允许情况下尽量在陆地行进；
6.2.高敏捷性，保留四旋翼无人机的优点使新型无人机具有全向移动、高空作业的优势，在陆地环境不佳的情况下通过飞行跨越。


技术实现要素：

7.要解决的技术问题：
8.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种新型陆空两栖球形无人机，在保留无人机高敏捷性的优点的同时，使无人机依靠球形外壳能够在地面上进行滚动行进，解决了无人机续航短、无人车行进能力弱的问题。
9.本发明的技术方案是：一种陆空两栖球形无人机，包括球形外壳5及安装于其内的无人机主体1；其特征在于：所述无人机主体1通过悬架机构安装于球形外壳5内；
10.所述悬架机构包括固定外圈2、转动内圈3和旋转组件4；无人机主体1的相对两侧通过分别通过第一旋转组件安装于转动内圈3的内侧，能够绕第一旋转组件所在中轴线转动；转动内圈3的相对两侧分别通过第二旋转组件安装于固定外圈2的内侧，能够绕第二旋转组件所在中轴线转动；所述第一旋转组件所在中轴线与第二旋转组件所在中轴线相互垂直；固定外圈2的外缘固定于球形外壳5的内壁上，并位于球形外壳5的对称平面内。
11.本发明的进一步技术方案是：所述球形外壳5为镂空结构，并由四个结构相同的圆弧面拼装而成。
12.本发明的进一步技术方案是：所述第一旋转组件和第二旋转组件结构相同，包括固定块和旋转件；所述固定块为开有中心孔的块状结构；所述旋转件包括两个开有中心孔的圆板和圆柱体，圆柱体的一端同轴固定于第一圆板的中心孔内，第二圆板同轴套装于圆柱体的另一端，并为间隙配合能够相对转动；两个固定块的中心孔与旋转件同轴。
13.本发明的进一步技术方案是：所述第一旋转组件的两个固定块分别固定于无人机主体1和转动内圈3的对应位置；所述旋转件的第一圆板与固定于转动内圈3上的固定块同
轴固定，第二圆板与固定于无人机主体1上的固定块同轴固定；将第二圆板套装于旋转件的圆柱体上，能够使得无人机主体1相对转动内圈3进行360
°
旋转。
14.本发明的进一步技术方案是：所述第二旋转组件的两个固定块分别固定于转动内圈3和固定外圈2的对应位置；所述旋转件的第一圆板与固定于固定外圈2上的固定块同轴固定，第二圆板与固定于转动内圈3上的固定块同轴固定；将第二圆板套装于旋转件的圆柱体上，能够使得转动内圈3相对固定外圈2进行360
°
旋转。
15.本发明的进一步技术方案是：所述固定外圈2为外圆内方的框架式环型结构，包括两层结构相同的环形平板，两层环形平板平行设置、并通过尼龙柱固定为一体。
16.本发明的进一步技术方案是：所述转动内圈3为外方内方的框架式环型结构，其外环尺寸小于固定外圈2的内环尺寸，内环尺寸大于无人机主体1的外轮廓尺寸；转动内圈3包括两层结构相同的环形平板，两层环形平板平行设置、并通过尼龙柱固定为一体。
17.本发明的进一步技术方案是：所述固定外圈2和转动内圈3为碳纤维板。
18.本发明的进一步技术方案是：所述无人机主体1为四旋翼无人机，包括机架、旋翼、飞控、电调、电机、遥控ppm接收机，第一旋转组件的固定块底部固定于相邻两个旋翼之间的机架上。
19.有益效果
20.本发明的有益效果在于：本发明设计了一种能够适应陆空两栖飞行的，以旋翼无人机为核心的具有全向自由度的新型球形无人机。
21.本发明一方面依靠内部无人机保留了传统无人机高敏捷性、能够飞行作业的优点，在此基础上，球形外壳的设计使其飞行过程中安全性得到了保障，避免了撞击损坏。另一方面，吸收了传统地面无人车的优点，在地面模式下，无人机仅使用在飞行状态下的小部分能量，即可克服底面形式过程中的滚动摩擦，从而在相同能源情况下续航时间更长，能够实现在低电量情况下继续使用。
22.优选的，固定外圈和转动内圈均采用双层式碳纤维板设计。使用有镂空设计的碳纤维板，可以大大减轻飞机质量，让无人机的负载尽量小，延长无人机可工作时间，同时提升飞机的操控性；两层板材中间使用尼龙柱固定，不仅质量轻且能保证机身结构强度，相比单层板材设计更能承受侧向的剪切力和滚转扭矩，在无人机依靠球壳在地面运动时保证结构强度的稳定性。两层板材能够将旋转轴承放置在每一级的正中间，以此来保证球壳旋转时无人机整体重心不变化，让无人机在滚动时运动更加顺滑，提高无人机飞行稳定性。
23.优选的，旋转组件由固定块和旋转件组成，整合了旋转组件的纵向承力和旋转的功能，并且保证了轴向不发生偏移，这是保证无人机球壳稳定转动的关键；其次，该部件扭矩可调，产生有益的旋转阻尼，在无人机起飞后，球壳会在较短时间内主动停止旋转，以免产生的转动惯量干扰无人机的飞行。
24.结合以上有益特性，该球形无人机在管道巡检、搜寻营救、空间侦察探索等方面具有极大的实际应用价值。
附图说明
25.图1本发明陆空两栖球形无人机的整体结构示意图；
26.图2本发明悬架机构的结构示意图；
27.图3本发明旋转组件的分解图；
28.图4本发明陆空两栖球形无人机的爆炸式结构示意图；
29.附图标记说明：1、无人机主体，2、固定外圈，3、转动内圈，4、旋转组件，5、球形外壳。
具体实施方式
30.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
31.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.参照图1和图4所示，本发明一种陆空两栖球形无人机，包括球形外壳5及安装于其内的无人机主体1；无人机主体1通过悬架机构安装于球形外壳5内；所述球形外壳5为镂空结构，并由四个结构相同的圆弧面拼装而成。
33.参照图2所示，所述悬架机构包括固定外圈2、转动内圈3和旋转组件4；无人机主体1的相对两侧通过分别通过第一旋转组件安装于转动内圈3的内侧，能够绕第一旋转组件所在中轴线转动；转动内圈3的相对两侧分别通过第二旋转组件安装于固定外圈2的内侧，能够绕第二旋转组件所在中轴线转动；所述第一旋转组件所在中轴线与第二旋转组件所在中轴线相互垂直；固定外圈2的外缘固定于球形外壳5的内壁上，并位于球形外壳5的对称平面内。
34.所述固定外圈2为外圆内方的框架式环型结构，包括两层结构相同的环形平板，两层环形平板平行设置、并通过尼龙柱固定为一体。所述转动内圈3为外方内方的框架式环型结构，其外环尺寸小于固定外圈2的内环尺寸，内环尺寸大于无人机主体1的外轮廓尺寸；转动内圈3包括两层结构相同的环形平板，两层环形平板平行设置、并通过尼龙柱固定为一体。
35.参照图3所示，所述第一旋转组件和第二旋转组件结构相同，包括固定块和旋转件；所述固定块为开有中心孔的块状结构；所述旋转件包括两个开有中心孔的圆板和圆柱体，圆柱体的一端同轴固定于第一圆板的中心孔内，第二圆板同轴套装于圆柱体的另一端，并为间隙配合；两个固定块的中心孔与旋转件同轴。
36.所述第一旋转组件的两个固定块分别固定于无人机主体1和转动内圈3的对应位置；所述旋转件的第一圆板与固定于转动内圈3上的固定块同轴固定，第二圆板与固定于无人机主体1上的固定块同轴固定；将第二圆板套装于旋转件的圆柱体上，能够使得无人机主体1相对转动内圈3进行360
°
旋转。
37.所述第二旋转组件的两个固定块分别固定于转动内圈3和固定外圈2的对应位置；所述旋转件的第一圆板与固定于固定外圈2上的固定块同轴固定，第二圆板与固定于转动内圈3上的固定块同轴固定；将第二圆板套装于旋转件的圆柱体上，能够使得转动内圈3相对固定外圈2进行360
°
旋转。
38.本发明一种陆空两栖球形无人机的设计原理说明：
39.1.内部无人机机架设计
40.在传统四旋翼机架的基础上，针对内部机架强度要求不高(外部结构有保护作用)、轻量化的特点，使用无冗余结构的单层碳纤维板设计制造250mm轴距的内部机架。在保证有足够空间安装放置无人机必须控件的同时，使内部无人机机架轻量最大化。
41.2.中部转动轴承悬架设计
42.整体转动结构采用双层式碳纤维板设计。使用有镂空设计的碳纤维板，可以大大减轻飞机质量，让无人机的负载尽量小，延长无人机可工作时间，同时提升飞机的操控性；两层板材中间使用尼龙柱固定，不仅质量轻且能保证机身结构强度，相比单层板材设计更能承受侧向的剪切力和滚转扭矩，在无人机依靠球壳在地面运动时保证结构强度的稳定性。两层板材能够将旋转轴承放置在每一级的正中间，以此来保证球壳旋转时无人机整体重心不变化，让无人机在滚动时运动更加顺滑，提高无人机飞行稳定性。
43.无人机旋转组件采用可调扭矩的旋转扭矩铰链，配合定制小型铝件固定块，作为每一级旋转的支撑部件。其中，可调扭矩的旋转铰链作为关键的旋转部件，有以下优点：首先，它整合了旋转轴承的纵向承力和旋转的功能，并且保证了轴向不发生偏移，这是保证无人机球壳稳定转动的关键；其次，该部件扭矩可调，产生有益的旋转阻尼，在无人机起飞后，球壳会在较短时间内主动停止旋转，以免产生的转动惯量干扰无人机的飞行。
44.3.外部球壳设计
45.无人机外体的球壳结构设计为对称的四合一结构，方便拆卸和维修。在设计制造方面，使用整体3d打印，保证球壳的完整性和强度。球壳采用镂空设计，只在关键地位保留结构加强筋，在减轻重量的同时，尽量减少对球部中间的气流的影响，尽量减少经过无人机气动的脏气流，使无人机保持动态稳定。
46.参考不倒翁的结构特点，无人机的重心设计在旋转轴偏下位置，让无人机在平飞或者静止状态时，能稳定处于水平位置处，提高无人机的静态稳定性。
47.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。