阅读说明：本技术 一种用于多旋翼无人机的自适应着陆装置 (Self-adaptive landing device for multi-rotor unmanned aerial vehicle ) 是由 王计真 刘小川 任佳 牟让科 于 2018-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于多旋翼无人机的自适应着陆装置,包括多条腿,所述腿包括依次连接的关节驱动装置、机械连杆、缓冲足和安装于机身上的控制系统；所述机械连杆包括依次连接的股节和胫节；股节和胫节之间连接有关节驱动装置；所述缓冲足包括依次连接的微型力传感器和球铰。本发明基于仿生学概念,参照飞行昆虫在地面、树木等地方停留的方式,应用多旋翼无人机的着陆装置中,使其着陆装置具有更高的灵活性和更智能化的水平,突破传统多旋翼飞机着陆环境要求较高的缺点。(The invention discloses a self-adaptive landing device for a multi-rotor unmanned aerial vehicle, which comprises a plurality of legs, wherein each leg comprises a joint driving device, a mechanical connecting rod, a buffering foot and a control system arranged on a machine body, wherein the joint driving device, the mechanical connecting rod and the buffering foot are sequentially connected; the mechanical connecting rod comprises a thigh joint and a shank joint which are connected in sequence; a joint driving device is connected between the thigh joint and the shank joint; the buffering foot comprises a miniature force sensor and a spherical hinge which are sequentially connected. The landing device is applied to the landing device of the multi-rotor unmanned aerial vehicle based on the bionics concept and by referring to the mode that flying insects stay on the ground, trees and the like, so that the landing device has higher flexibility and more intelligent level, and the defect that the traditional multi-rotor aircraft has higher requirement on the landing environment is overcome.)

一种用于多旋翼无人机的自适应着陆装置

技术领域

本发明属于多旋翼无人机领域，更具体地，特别涉及一种具备自适应地形能力的多旋翼无人机着陆装置的设计。

背景技术

近年来，无人机技术取得了突飞猛进的发展。由于其存在体积小巧、造价低廉、机动性能好、生存能力强、无人员伤亡风险等优点，不仅在现代军事战争中占据了极其重要的地位，在民用领域也有着非常广阔的前景。从技术角度定义，目前的无人机主要包括无人固定翼无人机、无人垂直起降飞机、无人直升机和多旋翼无人机等。相比之下，多旋翼无人机具有结构简单、控制灵活、垂直起降、可悬停或倒飞等诸多优点，可以通过无线遥控控制其飞行，完成跟踪、拍摄等任务。

目前阶段，应用于多旋翼无人机的着陆装置都是固定式的，由于起落装置是不可折叠、不可调节的形式，对多旋翼无人机的着陆条件具有极大的限制，对多旋翼无人机在野外执行任务造成了限制，不利于其通用性。当着陆地面比较复杂时，轻则造成螺旋桨的破坏，重则伤及人身、财产安全。因为此原因，也有少数多旋翼无人机采用可调节起落架，以满足航空拍摄爱好者的需求，如中国专利CN201710527081.4中公开了一种可折叠的无人机起落装置、中国专利CN201410033875.1中公开了一种实现同步上下移动或收起放下的起落装置、中国专利CN201510237766.6中公开了一种通过缓冲气缸和棘轮机构实现地形调节的起落装置。这样的起落装置可以在平坦的地面或者稍有坡度的刚性地面具有一定适应性，但是对于凹凸不平的草地、沙石地面等也会存在限制，其着陆的稳定性和可靠性存在限制。

本发明公开一种可用于多旋翼无人机的自适应着陆装置，使得多旋翼无人机具有复杂地面的着陆能力，可适应台阶、斜坡、凹凸不平地面等多种着陆环境，具有快速地形自适应调节功能，并在着陆后可保证机身的姿态，保证螺旋桨不触地，保证多旋翼飞机的安全性。

发明内容

发明目的

本发明的目的在于提供一种用于多旋翼无人机的自适应着陆装置，该装置安装于多旋翼无人机的机架上，使得多旋翼无人机的起落装置具有可收放、可调节的特点，可在着陆前根据地形特征调节着陆装置的姿态，保证多旋翼无人机着陆时采用水平姿势，并在着陆后根据地形继续调整起落装置，时刻保证机身的水平姿势，直至停稳。

发明技术解决方案

为了实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种用于多旋翼无人机的自适应着陆装置，包括多条腿，要求至少3条腿，一般情况下由4条腿组成，每条腿有2个旋转自由度，所述腿包括依次连接的关节驱动装置、机械连杆、缓冲足和安装于机身的控制系统；所述机械连杆为起落装置的支撑结构，包括依次连接的股节和胫节；股节和胫节之间连接有关节驱动装置；所述缓冲足用于减小地面的缓冲，包括依次连接的微型力传感器和球铰，微型力传感器设置于胫节末端。微型力传感器用于测量地面对起落装置的载荷值，以此作为控制输入量，调节机身的姿态。

所述控制系统的作用为控制起落装置实现其功能，包括电机驱动器、控制器和辅助I/O。电机驱动器用于驱动关节驱动装置的电机实现正转、反转、加速、减速和断电锁死，控制器用于控制整个着陆装置，通过缓冲足的微型力传感器信号作为着陆装置的控制信号，通过驱动器实现电机的转动，进而驱动机械连杆的运动。

优选的，关节驱动装置包括由同一连接轴连接的电机、减速机构、制动器和编码器。所述关节驱动装置是为机械连杆提供动力的装置，其动力通过输出轴传递给机械连杆，用来驱动机械连杆的运动。

优选的，所述股节和胫节均为空心圆柱结构。

优选的，所述股节和胫节均由高强铝合金制成。

优选的，所述球铰底部包覆有半球状的足底缓冲橡胶块。足底缓冲橡胶块为半球形橡胶块，用于减小地面的冲击载荷，并保护着陆装置，

本发明的优点

本发明的优点在于：

(1)使用时，本发明的自适应着陆装置由多条腿组成，多条腿可以根据地形的情况适应地形，相比于滑橇的结构，可以保证着陆后的稳定性，避免着陆后的机身倾斜，出现侧翻和螺旋桨触地的情况；

(2)当在非平坦地面着陆时，首先触地的腿的足端力传感器会先产生载荷，控制系统会控制其关节使其收起，其余的腿会伸长直至触地，控制器会根据各条腿的足端力传感器反馈值调整腿的姿态，时刻保证机身的水平和各传感器的载荷测量值的匹配，直至停稳；

(3)着陆装置触地后，多旋翼无人机由于惯性的作用会对地面产生一定的冲击作用，足端的半球形橡胶块可以起到缓冲的作用，并根据地形的情况转动，防止出现侧滑的现象；

(4)着陆装置触地后，足端的微型力传感器会测量到冲击载荷并反馈给传感器，传感器会根据载荷值的大小控制腿的动作，使其收缩，从而起到通过腿的姿态避免多旋翼无人机与地面硬碰撞的作用；

(5)多旋翼无人机停稳后，关节驱动装置的制动器会锁定电机的输出轴，可以关闭电源，可有效保证着陆装置在无供电情况下的支撑功能，节约自带电池的电能，保证系统的安全性。

附图说明

附图1为本发明的一种用于多旋翼无人机的自适应着陆装置结构示意图。

附图2为本发明的一种用于多旋翼无人机的自适应着陆装置收起示意图。

附图中：1—机身，2—旋翼舵机，3—舵机外罩，4—安装机架，5—机械连杆，6—关节驱动装置，7—缓冲足，8—控制系统，9—股节，10—胫节，11—法兰接头，12—微型力传感器，13—球铰，14—足底缓冲橡胶块。

具体实施方式

结合发明内容概述和附图，详细说明本发明的具体实施方式。

参见附图，将自适应着陆装置安装与多旋翼无人机的旋翼舵机外罩3下方，通过专门的安装机架4安装。每条腿包含机械连杆5、关节驱动装置6和缓冲足7，其控制系统8集成安装于机身1上。

机械连杆5为高强铝合金材料，分为股节9和胫节10，均为空心圆柱结构，以便于力传感器12的走线。股节9与安装机架4之间、股节9和胫节10之间均连接有关节驱动装置6，关节驱动装置6通过安装法兰板固定于机械连杆5上，通过连杆机构将力矩输出至关节处。股节9与安装机架4的连接处、股节9和胫节10的连接处均为关节。

胫节10的末端通过法兰接头11连接微型力传感器12，微型力传感器12的另一端连接球铰13，球铰13底部包裹半球形的足底缓冲橡胶块14。微型力传感器12的信号线通过机械连杆5的内部将信号传递于安装于机身1内部的控制系统8。

本发明的实施例工作过程如下：

多旋翼飞行器到达预定着陆地点上空时，控制系统给定下降信号，多旋翼飞行器逐渐降低到指定飞行高度，相机动态采集地形高程数据，控制系统判断并提取地形特征，遴选最优着陆地点；

控制系统下达着陆指令，多旋翼无人机在旋翼升力的作用下缓慢下降，控制系统8控制飞机的着陆装置打开，着陆装置的几条腿采用预着陆姿态，使足端自适应着陆点地形；

当某条腿触地后，首先触地的腿的微型力传感器12会先产生载荷，控制系统8会控制其关节驱动装置6工作，电机运转使其收起，飞机在惯性作用下继续着陆，机身1离地高度降低，其余腿的足端也相继触地，其微型力传感器12也相继测量到地面载荷值；

每条腿的微型力传感器12将测量到的载荷值传送至控制系统8，控制系统8会根据各条腿的微型力传感器12反馈值确定给各关节驱动装置6的控制量，控制各关节运动，调整腿的姿态，载荷测量值较大的腿收起，测量值较小的伸长，时刻保证机身的水平和各微型力传感器12的载荷测量值的匹配，直至停稳；

多旋翼无人机停稳后，表现为各条腿的微型力传感器12测量值相当，控制器8给出信号，控制关节驱动装置6的制动器锁定电机的输出轴，关闭电源，完成一次着陆；

飞行过程中，控制系统8控制飞机的着陆装置收起，折叠于舵机外罩2的下方，以减小飞行过程中的阻力和共振现象，折叠动作完成后，控制器8给出信号，控制关节驱动装置6的制动器锁定电机的输出轴，可关闭电源。

本发明基于仿生学概念，参照飞行昆虫在地面、树木等地方停留的方式，应用多旋翼无人机的着陆装置中，使其着陆装置具有更高的灵活性和更智能化的水平，突破传统多旋翼飞机着陆环境要求较高的缺点。

当多旋翼无人机在不平整的地面降落时，着陆装置的各条腿会根据不同的地面调整腿的姿态，改变机身离地高度，从而保证机身结构能始终保持水平，避免机身倾斜引起的不安全因素。

本发明采用各条腿实时独立控制的方式，有利于其结构姿态的控制，并且在着陆过程中采用足底缓冲和姿态缓冲两次缓冲的方式，可以有效减小地面冲击载荷，对多旋翼无人机机身和机载设备起到很好的保护作用，减小硬性接触对多旋翼无人机造成的损坏。