一种组合式陆空两栖无人机

1.本发明属于机器人技术领域，涉及一种无人机，具体是指一种组合式陆空两栖无人机


背景技术：

2.近些年来，随着传感器技术，微电子处理器和无线通讯技术的迅速发展，无人设备渐渐取代人类进入了现代战争，抗险救灾和深空探测等诸多领域。与载人设备相比，无人设备不需要考虑人员伤亡，设计时完全以任务为中心，成本低廉，配置灵活，具有巨大的发展潜力和光明的应用前景。目前无人设备主要有无人机和无人车两种。
3.无人机能够飞行，跨越高山，峡谷，悬崖等复杂的地形，拥有更大的探测范围和更强的地形适应能力。但是无人机的飞行需要克服重力的影响，导致其能量消耗更快，续航时间不足。无人车续航时间久，能量利用效率更高，然而跨越障碍的能力弱，工作范围受限。
4.综上所述，无人机和无人车各有优缺点，而陆空两栖无人机结合了无人机和wurenc1的优点，既能在不必要的时候采用地面运动模式降低能量消耗，又能在必要时起飞以越过复杂地形，是未来无人机的重要发展方向。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提供一种组合式陆空两栖无人机，其由两架无人机组成，通过上方无人机导向槽内的失电型电磁铁和下方无人机导向杆上的铁片相互吸引实现两无人机的连接。在下方无人机底部安装了一个万向轮，可以在地面上实现x，y方向和偏航角方向的三自由度运动。该组合式两栖无人机能够实现陆域和空域的运动，既能通过飞行越过复杂地形和障碍，也能通过地面运动来降低能耗，延长续航里程。除此之外，组成组合体的两架无人机均可以独立执行任务，进一步扩大了其执行任务的范围。
6.为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种组合式陆空两栖无人机，它包括上无人机、下无人机、对接结构以及地面运动机构；其中上无人机与下无人机通过对接结构进行自主对接和分离，所述下无人接上安装有地面运动机构了，上无人机与下无人机利用对接机构组合后通过地面运动机构进行地面运动；所述对接结构包括导航模块，导向模块，锁紧模块以及对接完成判定模块；其中，所述所述导航模块由安装在上无人机底部的单目相机和安装在下无人机顶部的apriltag靶标组成；所述导向模块为锥-杆式，包括安装在上无人机的导向槽和安装在下无人机上的导向杆。
7.作为优选的一种技术方案，所述上无人机与下无人机采用相同的机架设计。
8.作为优选的一种技术方案，所述机架包括机臂和机架板，所述机臂固定在机架板上，所述机臂用来安装电机，采用中空的碳纤维杆件，所述机架板由两层碳纤维板构成，作为优选的一种技术方案，所述碳纤维板进行了镂空处理。
9.作为优选的一种技术方案，所述上无人机与下无人机均为完整的四旋翼无人机，包括控制系统、传感器系统、能源系统、动力系统、通讯系统。
10.作为优选的一种技术方案，所述导向槽为喇叭形，喇叭壁采用镂空设计，采用3d打印的方式加工完成，导向杆由碳纤维杆件和3d打印的连接件组成。
11.作为优选的一种技术方案，所述锁紧结构包括失电型电磁铁以及衔铁，失电型电磁铁用螺栓固定在所述导向槽内部，衔铁胶接在所述导向杆顶端。
12.作为优选的一种技术方案，所述对接完成判定模块包括弹簧和衔铁，弹簧胶接于所述导向槽内，套在失电型电磁铁上。
13.作为优选的一种技术方案，所述地面运动机构为安装在下无人机底部的万向轮。
14.与现有技术相比，本组合式陆空两栖无人机具有以下优点：1．由两个无人机组成，具有自主对接和分离功能，组成组合体的两架无人机均可以独立执行任务，扩大了其执行任务的范围。
15.2.续航时间更长，该组合式陆空两栖无人机能够实现陆域和空域的运动，既能通过飞行越过复杂地形和障碍，也能通过地面运动来降低能耗，延长续航里程。
16.3.冗余度高，两架无人机互为备份，一架无人机受损，另一家无人机可以继续执行任务。
附图说明
17.图1是本组合式陆空两栖无人机示意图；图2是本组合式陆空两栖无人机上下无人机通用机架及传感器安装示意图；图3是本组合式陆空两栖无人机上方无人机示意图；图4是本组合式陆空两栖无人机下方无人机示意图；图5是本组合式陆空两栖无人机对接结构示意图；图6是本组合式陆空两栖无人机锁紧模块与对接完成判定模块示意图；图中标记示意为：1-万向轮；2-机臂；3-机架上层板；4-机架下层板；5-飞行控制器；6-uwb定位模块；7-小型激光雷达；8-光流传感器；9-电池板；10-旋翼；11-无刷电机；12-四合一电调；13-接收机；14-无线数传15-锂电池；16-openmv4视觉模块；17-靶标粘贴板；18-导向槽；19-导向杆；20-失电型电磁铁；21-衔铁；22-磷铜弹簧；23-pwm方波矩形信号放大器模块；24-保护圈；25-小型导向槽；26-短导向杆；
实施方式
18.以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
19.如图1所示，该组合式陆空两栖无人机系统，由两架结构相似的四旋翼无人机组成。下方无人机底部安装有万向轮1，可以在地面上实现x，y方向和偏航角方向的三自由度运动。
20.如图2所示，无人机机架由两层碳纤维板构成，碳纤维板进行了镂空处理，一方面降低了机架板的重量，另一方面也方便各种电子元器件线路的连接。采用碳纤维杆作为机臂2，碳纤维杆件强度高，质量轻，易于加工，还具有较高的刚度，避免了由于机臂的弹性引起的振动。
21.如图2，3所示，组成该组合式陆空两栖无人机的两架无人机均具有控制系统、传感
器系统、能源系统、动力系统、通讯系统，可单独执行任务。控制系统的核心元件是飞行控制器5，安装在机架上层板3上。传感器系统包括惯性测量单元、uwb定位模块6、小型激光雷达7、光流传感器8。其中，惯性测量单元集成在飞行控制器5中，用来获取无人机加速度和姿态信息；uwb定位模块6安装在机架上，用来获取水平位置信息；小型激光雷达7安装在无人机底部电池板9上，用来获取高度信息；光流传感器8同样安装在电池板9上，用来获取水平速度信息。动力系统包括旋翼10、无刷电机11、电子调速器12。旋翼10安装在无刷电机11的电机轴上，无刷电机11安装在机臂2上，旋翼10和无刷电机11用来提供升力，电子调速器12安装在机架上下板中间，负责将飞行控制器5输出的pwm信号转化为控制电机升力的电压和电流。通讯系统包括接收机13和无线数传14，接收机13接收遥控器的信号，无线数传实现14与上位机以及另一架无人机之间的通讯。能源系统的主要设备是电池15，用来给执行机构（电机），传感器和飞行控制器等供电。
22.如图1、5所示，两栖无人机通过对接结构完成对接，对接结构包括导航模块，导向模块，锁紧模块以及对接完成判定模块。
23.如图3、4所示，导航模块包括openmv4视觉模块16和apriltag靶标。openmv4视觉模块16安装在上无人机电池板9上，apriltag靶标粘贴在靶标粘贴板17上。对接开始前，上无人机先通过uwb定位模块6导航接近下无人机，当上无人机运动到openmv4视觉模块16能够识别到apriltag靶标的区域内，改用openmv4视觉模块16进行导航。
24.在另外一些实施例中，uwb定位模块6可以换成gps模块，用来在室外定位。
25.如图5所示，所述导向模块为锥-杆式，包括安装在上无人机的导向槽18和安装在下无人机上的导向杆19。导向槽为喇叭形，喇叭壁采用镂空设计，采用3d打印的方式加工完成，导向杆由碳纤维杆件和3d打印的连接件组成。当两架无人机足够接近时，视觉模块16无法拍摄完整的靶标图像。此时导向杆进入导向槽内，上方无人机加速下降，由导向槽和导向杆完成最后的位置和姿态校准。
26.如图5、6所示，锁紧结构包括失电型电磁铁20以及衔铁21，失电型电磁铁20用螺栓固定在所述导向槽内部，衔铁21胶接在所述导向杆顶端。所述对接完成判定模块包括磷铜弹簧22和衔铁21，弹簧22一端固定在导向槽内部并通过导线与上无人机飞控的io端口相连。衔铁21同样通过导线与下无人机飞控的io口相连。将其中一个io口配置为下拉输入，另一个io口配置为推挽输出，并且保持输出高电平。当两个无人机对接时，在重力作用下，导向杆进入导向槽内部，衔铁21与弹簧22接触并压缩弹簧，直至衔铁21被电磁铁20吸附，两个io口连接，通过检测下拉输入的io口的电平即可判断无人机对接是否完成。失电型电磁铁20与衔铁21吸引完成锁紧。图5中小型导向槽25和短导向杆26不起导向作用，内部有失电型电磁铁20以及衔铁21，起到增加吸引力的作用。
27.如图1、3所示，pwm方波矩形信号放大器模块23用于控制失电型电磁铁20，pwm方波矩形信号放大器模块23可以根据飞控5传过来的pwm信号控制失电型电磁铁的电流输入进而实现等比例的控制失电型电磁铁的磁力大小。
28.值得指出的是，这里给出的方式只是作为本发明的一个具体实施方式，显然，所描述的实施例仅仅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作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。

技术特征：
1.一种组合式陆空两栖无人机，其特征在于：它包括上无人机、下无人机、对接结构以及地面运动机构；其中上无人机与下无人机通过对接结构进行自主对接和分离，所述下无人接上安装有地面运动机构了，上无人机与下无人机利用对接机构组合后通过地面运动机构进行地面运动；所述对接结构包括导航模块，导向模块，锁紧模块以及对接完成判定模块；其中，所述所述导航模块由安装在上无人机底部的单目相机和安装在下无人机顶部的apriltag靶标组成；所述导向模块为锥-杆式，包括安装在上无人机的导向槽和安装在下无人机上的导向杆。2.根据权利要求1所述的组合式陆空两栖无人机，其特征在于，所述上无人机与下无人机采用相同的机架设计。3.根据权利要求2所述的组合式陆空两栖无人机，其特征在于，所述机架包括机臂和机架板，所述机臂固定在机架板上，所述机臂用来安装电机，采用中空的碳纤维杆件，所述机架板由两层碳纤维板构成。4.根据权利要求3所述的组合式陆空两栖无人机，其特征在于，所述碳纤维板进行了镂空处理。5.根据权利要求1所述的组合式陆空两栖无人机，其特征在于，所述上无人机与下无人机均为完整的四旋翼无人机，包括控制系统、传感器系统、能源系统、动力系统、通讯系统。6.根据权利要求1所述的组合式陆空两栖无人机，其特征在于，所述导向槽为喇叭形，喇叭壁采用镂空设计，采用3d打印的方式加工完成，导向杆由碳纤维杆件和3d打印的连接件组成。7.根据权利要求1所述的组合式陆空两栖无人机，其特征在于，所述锁紧结构包括失电型电磁铁以及衔铁，失电型电磁铁用螺栓固定在所述导向槽内部，衔铁胶接在所述导向杆顶端。8.根据权利要求1所述的对组合式陆空两栖无人机，其特征在于，所述对接完成判定模块包括弹簧和衔铁，弹簧胶接于所述导向槽内，套在失电型电磁铁上。9.根据权利要求1所述组合式陆空两栖无人机，其特征在于，所述地面运动机构为安装在下无人机底部的万向轮。

技术总结
本发明公开了一种组合式陆空两栖无人机，由两架结构相似的四旋翼无人机组成，包括上无人机，下无人机、对接结构以及万向轮运动机构。在上无人机底部安装有视觉传感器，识别下无人机顶部的Apriltag二维码来实现对接过程中的定位与导航。对接结构采用杆-锥式，通过位于上方无人机锥形导向槽内的失电型电磁铁和下方无人机导向杆上的铁片相互吸引实现两无人机的连接。该组合式两栖无人机能够实现陆域和空域的两栖运动，既能通过飞行越过复杂地形和障碍，也能通过地面运动来降低能耗，延长续航里程。除此之外，组成组合体的两架无人机均可以独立执行任务，进一步扩大了其执行任务的范围。围。围。


技术研发人员：董洋洋 夏泽群 张桐乐 张冉昊 张子建
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/6/26