基于磁流变技术的无人机着陆缓冲装置

1.本发明涉及无人机运输技术领域，尤其涉及一种基于磁流变技术的无人机着陆缓冲装置。


背景技术：

2.无人机的应用前景十分广泛，近年来，无人运输产业也在市面上推广。现有的无人机着陆缓冲大多采用气囊，或者是起落架。但是这几种着陆缓冲方案对着陆地表要求较高，需要地表平坦。随着技术的日渐先进，无人机也越来越面临着在未知领域或者地表复杂的环境进行着陆任务的需要，比如沟壑、斜坡等。现有的缓冲方案显然不能满足在各种地形上实现安全着陆。


技术实现要素：

3.根据上述提出的技术问题，而提供一种基于磁流变技术的无人机着陆缓冲装置，本发明能够有效吸收着陆的冲击力，从而适用于复杂环境的无人机着陆。本发明采用的技术手段如下：
4.一种基于磁流变技术的无人机着陆缓冲装置，包括缓冲器支腿、球型磁流变阻尼器和套筒，所述缓冲器支腿的底部连接缓冲器脚，所述缓冲器支腿的顶部与球型磁流变阻尼器相连，所述球型磁流变阻尼器通过伸缩套管和支架与套筒相连，所述套筒安装在无人机上，所述球型磁流变阻尼器包括阻尼器外壳和阻尼器球体结构，所述阻尼器外壳内部设有阻尼器球体结构限位结构，所述阻尼器球体结构限位结构用于使得阻尼器球体结构与阻尼器外壳始终处于球心重合状态，所述阻尼器球体结构包括球体壳、刮油环、刮油盘、碳钢块、电磁铁心和线圈，所述刮油盘将阻尼器外壳和球体壳之间的空腔分为上下两部分，所述碳钢块、电磁铁心和线圈设置于球体壳的内部，所述刮油盘安装在球体壳的外部，所述刮油环连接在刮油盘上，所述电磁铁心的上部内接碳钢块，所述电磁铁心的下部缠绕线圈，所述碳钢块内部开设供磁流变液流动的蛇形通道，所述刮油环配合刮油盘能够将阻尼器外壳和球体壳之间的空腔内的磁流变液挤压进通道中。
5.进一步地，所述缓冲器支腿包括支腿上部和支腿下部，所述支腿上部可移动的连接在支腿下部上，支腿下部的下方设有贯穿螺栓接孔，缓冲器脚设有与其适配的贯穿螺栓接孔，通过贯穿螺栓将缓冲器支腿与缓冲器脚相连；缓冲器支腿顶部固定在一侧的球体壳上，当无人机着陆时，缓冲器支腿带动阻尼器球体结构相对于阻尼器外壳转动。
6.进一步地，所述球体壳包括上部球体壳和下部球体壳，所述球体壳中间开设孔道，其中一个用来将外接的导线穿过碳钢块和电磁铁心上开出的圆孔缠绕成电磁线圈，其中两个孔用于固定施加给阻尼器球体结构动力的外接负载，即连接缓冲器支腿。
7.进一步地，所述刮油环包括贴附在上部球体壳的第一刮油环和贴附在下部球体壳的第二刮油环，所述第一刮油环和第二刮油环的外圈为匹配阻尼器外壳内部的形状；所述球体壳的侧边上方的矩形孔上部设有用于限制刮油环位置的限位凸台。
8.进一步地，所述刮油盘主体部分为环形，其开出圆孔通过螺栓固定在球体壳底部球，外环卡接在阻尼器外壳内部，其上开设用于连接刮油环的槽孔，所述第一刮油环和第二刮油环的主体部分为半圆形，二者分别连接有圆柱状的连接块，通过该连接块安装在刮油盘的槽孔中；所述刮油盘上开设有用于放置密封件的密封环槽。
9.进一步地，所述碳钢块为圆柱体，其侧面与底面均开设矩形孔；所述电磁铁心上部的侧面开设矩形孔，电磁铁心下部的底部开设矩形孔，所述球体壳上匹配各矩形孔的位置开设有矩形孔。
10.进一步地，所述阻尼器外壳内部设置有弹簧槽，刮油环上开出固定弹簧的弹簧座，配合外壳上的弹簧槽固定弹簧，使得阻尼器完成阻尼任务并断电后，刮油环在弹簧力作用下重新回到抵住对称凸台的状态。
11.进一步地，所述套筒用于当无人机执行飞行任务时，将缓冲器支腿、球型磁流变阻尼器收回到套筒内部，在接收到着陆命令后，将缓冲器支腿、球型磁流变阻尼器释放到着陆工位。
12.进一步地，球型磁流变阻尼器的阻尼器外壳上开设多个固定槽，支架上设有与其对应的多个支腿，圆周分布的支腿固定在阻尼器外壳上圆周分布的固定槽内，所述支架上设有凹槽、齿轮和卡槽，套筒内部设有两个卡销和齿条槽，所述齿条槽内用于安装与齿轮配合的齿条，齿轮齿条机构用于球型磁流变阻尼器和缓冲器支腿在套筒内的收放，处于下方的卡销卡在卡槽时完成缓冲器支腿、球型磁流变阻尼器释放到着陆工位；处于上方的卡销卡在卡槽时完成缓冲器支腿、球型磁流变阻尼器收回到套筒内部；所述套筒内部设有多级可伸缩套管，所述多级可伸缩套管的上下方均连接有法兰，下端法兰连接在支架顶部凹槽处，上端法兰连接在套筒顶部内侧，所诉多级伸缩套管保证缓冲器支腿、球型磁流变阻尼器收放于套筒的过程中，与套筒始终处于对中。
13.采用了上述的技术方案后，本发明设计了一种基于磁流变技术的无人机着陆缓冲装置，该装置外部套筒可根据无人机的型号改变结构，安装于无人机侧方。当无人机执行飞行任务时，齿轮齿条机构将缓冲装置核心部分收回到套筒内，套筒上部的卡销卡住阻尼器外壳上支架两侧的卡槽，将缓冲装置核心部分存放于套筒内。当接收到着陆命令，套筒上部的卡销收回，在齿轮齿条机构的作用下，缓冲器核心部分伸出套筒外，到达位置后，套筒底部的卡销伸出卡在支架两侧的卡槽内，使缓冲装置核心部分保持伸出状态。当缓冲脚接触到地面后，缓冲脚相对地面固定，在冲击力与无人机重力作用下，缓冲支腿带动阻尼器球体结构相对阻尼器外壳转动，通过无人机传感器整理的降落工况信号发送给控制单元，控制单元将电流信号输送至线圈，通带线圈产生闭合磁场，蛇形通道内的磁流体在磁场作用下变成类固体，着陆缓冲过程中，球体结构相对阻尼器外壳的转动会迫使磁流体流经蛇形通道，从体积变小空间流向体积变大空间，此时由于磁场的作用，会阻碍这一行为，产生的阻尼力用来吸收无人机着陆时的冲击力，并且所采用的球型磁流变阻尼器由于其球铰结构的本体，可以使得无人机在各种复杂地形进行着陆。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发
明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本发明中基于磁流变技术的无人机着陆缓冲装置结构示意图。
16.图2为本发明中该缓冲装置应用示例图。
17.图3为本发明中缓冲支腿示意图，其中左为结构示意图，右为剖面图。
18.图4为本发明中缓冲脚示意图。
19.图5为本发明中球型磁流变阻尼器剖面图。
20.图6为本发明中球体壳示意图。
21.图7为本发明阻尼器外壳结构示意图，其中左为一方向视图，右为另一方向视图。
22.图8是本发明中电磁铁心示意图。
23.图9为本发明中阻尼器外壳支架示意图。
24.图10为本发明中套筒示意图，其中左为结构示意图，右为内部结构剖视图。
25.图11为本发明中五级伸缩套管示意图，其中，左为未伸缩状态，右为伸缩状态。
26.图12为本发明中基于磁流变技术的无人机着陆缓冲装置剖面图。
27.图中：1、缓冲器支腿；2、球型磁流变阻尼器；3、套筒；1.1、弹簧槽；1.2、对称凸台；1.3、注油塞；2.1.1、上部球体壳；2.1.2、下部球体壳；2.1.3、小凸台；2.2、第一刮油环；2.2.1、第一弹簧座；2.3、第二刮油环；2.3.1、第二弹簧座；2.4、刮油盘；2.4.1、刮油盘下半部分；2.4.2、刮油盘上半部分；2.5、碳钢块；2.6.1、铁心上部；2.6.1.1、铁心侧面第一矩形孔；2.6.1.2、铁心侧面第二矩形孔；2.6.2、铁心下部；2.7、线圈；2.8、蛇形通道a；2.9、蛇形通道b；3.1、弹簧；3.2、贯穿螺栓接孔；3.3、贯穿螺栓接孔；4.1、支腿；4.2、齿轮；4.3、卡槽；4.4、支架顶部凹槽；5.1、齿条槽；5.2、下卡销；5.3、上卡销；5.4、齿条；5.5、齿轮齿条机构；6.1、下端法兰；6.2、上端法兰。
具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.如图1～12所示，本发明实施例公开了一种基于磁流变技术的无人机着陆缓冲装置，可使得无人机在各种复杂地表进行平稳着陆，并得到有效的缓冲，如图1所示，本发明实施例具体包括缓冲器支腿1、球型磁流变阻尼器2和套筒3，所述缓冲器支腿1的底部连接如图4所示的缓冲器脚，所述缓冲器支腿的顶部与球型磁流变阻尼器相连，所述球型磁流变阻尼器通过伸缩套管和支架与套筒相连，如图2所示，所述套筒安装在无人机上，如图5～7所示，所述球型磁流变阻尼器包括阻尼器外壳和阻尼器球体结构，所述阻尼器外壳分为上下两部分，采用贯穿螺栓连接，上下阻尼器外壳上均设置有注油塞1.3，内部设置有弹簧槽1.1，上下阻尼器外壳采用四个贯穿螺栓连接，拆卸方便，便于注液。所述阻尼器外壳内部设有阻尼器球体结构限位结构，所述阻尼器球体结构限位结构目的其一用于使得阻尼器球体结构与阻尼器外壳始终处于球心重合状态，两者始终做相对的球铰式运动，其二是当外壳相对于球体发生转动时，对称凸台1.2会带动刮油环运动，压迫磁流变液流经蛇形通道，所
述阻尼器球体结构包括球体壳、刮油环、刮油盘2.4、碳钢块2.5、电磁铁心和线圈2.7，所述刮油盘将阻尼器外壳和球体壳之间的空腔分为上下两部分，所述碳钢块、电磁铁心和线圈设置于球体壳的内部，所述刮油盘安装在两球体壳之间，通过螺栓固定在球体壳上，所述刮油环连接在刮油盘上。所述刮油环配合刮油盘能够将该侧的阻尼器外壳和球体壳之间的空腔内的磁流变液挤压进通道中。
30.如图3、图4所示，所述缓冲器支腿包括支腿上部和支腿下部，所述支腿上部可移动的连接在支腿下部上，具体地，两者间空腔内连接有弹簧3.1，弹簧使得缓冲器支腿能改变长度。支腿下部的下方设有贯穿螺栓接孔3.2，缓冲器脚设有与其适配的贯穿螺栓接孔3.3，通过贯穿螺栓将缓冲器支腿与缓冲器脚相连；缓冲器支腿顶部固定在一侧的球体壳上，当无人机着陆时，缓冲器支腿带动阻尼器球体结构相对于阻尼器外壳转动。
31.所述球体壳包括上部球体壳2.1.1和下部球体壳2.1.2，阻尼器球体结构上下两部分采用贯穿螺栓固定。所述球体壳中间开三个圆形孔道，其中一个用来将外接的导线穿过碳钢块和电磁铁心上开出的圆孔，将外接导线缠绕在两铁心之间缠绕成电磁线圈，其中两个孔用于固定施加给阻尼器球体结构动力的外接负载，即连接缓冲器支腿。铁心上部和铁心下部对应位置开孔用于将两铁心连接在一起，上下两部分的阻尼器球体结构通过螺栓连接，另外两个圆孔用于固定施加给阻尼器球体结构动力的外界负载，同时用来固定碳钢块。在外界负载作用下，阻尼器球体结构相对于阻尼器外壳发生运动，刮油环在对称凸台的作用下配合刮油盘挤压磁流变液进入蛇形通道2.8、2.9，缠绕间的线圈产生磁场，在磁场的作用下，蛇形孔道内的磁流变液流动时受到库伦阻力的作用，加上流体的粘滞阻力阻碍液体流通，进而消耗外界负载使得球体结构与阻尼器外壳产生相对运动的动能。
32.所述碳钢块设置于电磁铁心中间，本实施例中，铁心分为铁心上部2.6.1和铁心下部2.6.2，用来将碳钢块置于中间，所述电磁铁心的下部缠绕线圈，所述碳钢块内部开设供磁流变液流动的通道，本实施例中，选用蛇形通道，具体包括蛇形通道a2.8和蛇形通道b2.9，所述碳钢块上部开出圆形孔，通过电磁铁心固定在球体壳内，下部分铁心用来将线圈缠绕在对称侧球体铁心下部与其中间，铁心还开设相应的孔道供导线穿入，铁心上部和铁心下部之间采用螺栓固定。铁心下部缠绕导线，此设计的目的首先是配合线圈规划出磁场的封闭走向，使得流经碳钢块的磁场刚好垂直于蛇形孔道，其次是出于安装方便考虑。碳钢块是圆柱体，由铁心和球体壳内槽固定起来，采用螺栓连接在球体壳内侧，内部开出蛇形通道，线圈缠绕在处，导线从处穿出连接到无人机控制单元，磁流体充满内部区域，并且蛇形通道内也要充满磁流体。
33.外接电源的导线依次经过球体壳上部孔道、电磁铁心孔道最后缠绕在两铁心之间。
34.作为优选的实施方式，所述阻尼器球体结构限位结构具体为外壳内部上、下两部分设置的内部对称凸台1.2，凸台整体是车成阻尼器球体结构外接球形状，并且正对内部球体壳矩形孔道处的凸台形状是开口向下的抛物线型，所述对称凸台还用于配合内部的球体起到密封效果，防止磁流变液外漏，不论球体相对外壳做怎样的运动，都能带动刮油环运动并且配合刮油盘逼迫磁流变液流入碳钢块内部的蛇形孔道。
35.所述刮油环包括贴附在上部球体壳的第一刮油环2.2和贴附在下部球体壳的第二刮油环2.3，所述第一刮油环和第二刮油环的外圈为匹配阻尼器外壳内部的形状，两刮油环
同轴心方式连接在刮油盘、柱形槽内，两刮油环内侧贴附于球体壳，外侧外接于阻尼器外壳内测。
36.所述刮油盘主体部分为环形，其开出圆孔通过螺栓固定在球体壳底部球，外环卡接在阻尼器外壳内部，其上开设用于连接刮油环的槽孔，所述第一刮油环和第二刮油环的主体部分为半圆形，二者分别连接有圆柱状的连接块，通过该连接块安装在刮油盘的槽孔中；所述刮油盘上开设有用于放置密封件的密封环槽。刮油盘内侧固定在球体壳上，外侧内接于阻尼器外壳内侧。
37.所述刮油盘主体部分为对称的两部分刮油盘下半部分2.4.1和刮油盘上半部分2.4.2，是两个环形结构，其开出圆孔通过螺栓固定在球体壳底部，由螺栓依次穿过上部球体壳，上刮油盘，下刮油盘，下部球体壳将刮油盘固定在球体壳上。外环贴附在阻尼器外壳内部，刮油盘置于球体壳底部，直径为阻尼器外壳内径，车出的外径刚好是阻尼器外壳的内径，在挤压磁流变液的同时能起到密封的作用。两边对称开出柱形槽，所述第一刮油环和第二刮油环的主体部分为半圆形，两个刮油环同轴心方式连接在刮油盘的柱形槽内，外径为阻尼器外壳内径，外圈形状为阻尼器外壳内接圆。作为具体的实施方式，所述刮油盘中部一圈向外部凸出，目的是当内部球体相对外壳转动时与刮油环一起挤压推动磁流变液流动。
38.所述刮油盘上开设有用于放置密封件的密封环槽，同时开出圆孔用于固定在两球体壳之间，刮油盘径向两侧开出圆柱形槽，用于连接两刮油环。
39.阻尼器外壳和阻尼器球体结构间注满磁流变液，保证蛇形孔道中也注满磁流变液，所述碳钢块为圆柱体，其侧面与底面分别开设碳钢块侧面第一矩形孔、碳钢块侧面第二矩形孔和碳钢块底面矩形孔；如图8所示，所述电磁铁心上部的侧面分别开设铁心侧面第一矩形孔2.6.1.1、铁心侧面第二矩形孔2.6.1.2，电磁铁心下部的底部开设铁心底部矩形孔2.6.2.1，所述球体壳上匹配各矩形孔的位置开设有矩形孔，供磁流变液进出。阻尼器球体结构在受外接负载力下相对阻尼器外壳做万向运动，外接电源通过改变电流大小来改变线圈产生的磁场强度，进而改变磁流变液流经蛇形孔道的阻力来阻碍阻尼器球铁结构相对阻尼器外壳的运动。
40.所述球体壳的侧边上方的矩形孔上部设有用于限制刮油环位置的小凸台2.1.3。第一刮油环和第二刮油环一起连接于刮油盘中，两个刮油环都安装在对称凸台与小凸台之间，并且在注入磁流变液时确保刮油环抵在对称凸台上。
41.所述阻尼器外壳内部置有弹簧槽，刮油环上开出固定弹簧的弹簧座，配合外壳上的弹簧槽固定弹簧，使得阻尼器完成阻尼任务并断电后，刮油环在弹簧力作用下重新回到抵住对称凸台的状态。具体地，两刮油环上开出第一弹簧座2.2.1和第二弹簧座2.3.1，配合弹簧槽1.1固定弹簧。并且在注入磁流变液时确保刮油环抵在对称凸台上，磁流变液注入过程如下，首先将阻尼器放置平稳，在阻尼器安装时就保证刮油环第一刮油环2.2和第二刮油环2.3抵住对称凸台1.2。磁流变液由注液塞1.3注入。当球体结构相对阻尼器外壳转动时，刮油环在限位机构作用下被其推向刮油盘，两者相向运动，将磁流体空间挤压，磁流体被迫经过蛇形通道流向磁流体空间变大的室。
42.本实施例中，电磁铁心的上部采用电工纯铁，电磁铁心的下部采用碳钢，配合形状用来形成需要的闭合磁路，除电磁铁心上部采用电工纯铁外，其余均为弱导磁材料，可以选用碳钢。线圈产生的闭合磁场在规划好的磁路下垂直穿过蛇形通道内的磁流体，磁流体在
磁场作用下呈现类固体的性质形成库伦阻力，阻碍磁流体流通，固伦阻力加上本身的粘滞阻力组合成最终的阻尼力，阻碍球体结构和阻尼器外壳的相对运动。并且随着输入不同电流的大小，线圈产生的磁场强度不同，进而磁流变阻尼器产生的阻尼力也不同，当增大输入电流，线圈产生的磁场强度增大，磁流体流经蛇形通道时受到的库伦阻力就会增大，进而整个阻尼器输出的阻尼力就会增大。所以此装置能根据无人机着陆的不同工况通过控制单元输入的不同电流输出适合各种工况的阻尼力，来吸收着陆冲击力。
43.所述套筒用于当无人机执行飞行任务时，将缓冲器支腿、球型磁流变阻尼器收回到套筒内部，在接收到着陆命令后，将缓冲器支腿、球型磁流变阻尼器释放到着陆工位。
44.如图9所示，球型磁流变阻尼器的阻尼器外壳上开设多个固定槽，支架上设有与其对应的多个支腿4.1，圆周分布的支腿固定在阻尼器外壳上圆周分布的固定槽内，所述支架上设有凹槽4.4、齿轮4.2和卡槽4.3，如图10所示，套筒内部设有两个卡销和齿条槽5.1，所述齿条槽内用于安装与齿轮配合的齿条5.4，齿轮和齿条组成齿轮齿条机构5.5，齿轮齿条机构用于球型磁流变阻尼器和缓冲器支腿在套筒内的收放，处于下方的卡销5.2卡在卡槽时完成缓冲器支腿、球型磁流变阻尼器释放到着陆工位；处于上方的卡销5.3卡在卡槽时完成缓冲器支腿、球型磁流变阻尼器收回到套筒内部；所述套筒内部设有多级可伸缩套管，所述多级可伸缩套管的上下方均连接有法兰，如图11所示，下端法兰6.1连接在支架顶部凹槽处，上端法兰连接在套筒顶部内侧6.2，所诉多级伸缩套管保证缓冲器支腿、球型磁流变阻尼器收放于套筒的过程中，与套筒始终处于对中。
45.由于球型磁流变阻尼器的主体机构是球铰，能缓冲万向转动的冲击力，所以整个无人机着陆缓冲装置能在各种能在任何地表环境下，任何着陆工况下安全着陆并且得到有效的冲击力的吸收。由于球铰类的结构能够实现万向的转动，所以此装置能针对万向力矩进行缓冲减震，此着陆缓冲装置能在结构简单的前提下实现复杂地表环境的着陆缓冲。
46.所述基于磁流变技术的无人机着陆缓冲装置的工作过程如下，无人机执行飞行任务时，上卡销卡住卡槽，缓冲装置核心部分处于回收状态，减小飞行阻力。当执行着陆任务时，上卡销收回下卡销卡住卡槽，放开阻尼器外壳上部的支架，齿轮转动，在齿轮齿条机构下缓冲装置核心部分相对套筒放出，期间伸缩套管机构起到保持对中的作用，当达到完全放出的位置后，套筒底部的卡销伸出，卡住卡槽，使整个缓冲装置处于工作状态。无人机着陆后，当缓冲器脚接触地面，在冲击力和无人机重力作用下，缓冲器支腿带动阻尼器球体结构相对阻尼器外壳转动，刮油环相对刮油盘运动，将磁流体逼迫通过蛇形通道流入体积变大的室，无人机的控制单元根据着陆地表情况，着陆速度等工况决策出相应的电流输入给磁流变阻尼器的线圈，产生适合当时工况的阻尼力，来吸收着陆的冲击力。实现安全着陆。
47.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。