具体实施方式

本发明的分布式多栖球形无人系统包括多个无人机，每个无人机相当于柏拉图立体结构中正多面体的一面，且正多面体每一个面均相同，故单体的无人机外形可以完全相同，按照模块化的思想设计，连接时没有先后顺序与朝向限制，可替代性强，增强了适应各种突发状况的能力。特别地，本发明的分布式多栖球形无人系统主要有三个工作模态：飞行模态，多个无人机可以自主飞行或编队飞行；滚动模态，多个无人机可以通过侧端连接组合成类球体结构滚动前行；航行模态，多个无人机可以以叠加方式依次连接排列成鱼雷状结构在水面航行。

下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。在本实施例中，分布式多栖球形无人系统包括六个四旋翼无人机，各无人机相当于正六面体的一面。应该理解，除使用本实施例的六个无人机组成滚动模态以外，还可以仿照其他柏拉图立体结构形式，例如用四个无人机、八个无人机、十二个无人机、二十个无人机构成滚动模态。但是，需要注意的是，在无人机内部硬件大小不变的情况下，使用数量更多的无人机的组合方式会使得组合成的球体尺寸增大，不利于滚动模态下的隐蔽，且环境适应能力降低。

如图1-3所示，本实施例中各无人机为旋翼无人机，包括保形外框1、防水壳体2、支架3、旋翼机构4、第一连接组件5、第二连接组件6和控制单元7。

保形外框1为内接球体正六面体中一面且成球面结构。有利地，保形外框1的横截面为翼型形状，可以在提供外形支撑的同时尽量减少对气流的阻碍作用。

防水壳体2整体呈内接球体正六面体中一面结构，包括上壳体21和下壳体22。上壳体21的外形与保形外框1相似并且通过螺钉固连于保形外框1凹面侧。有利地，将保形外框1固连于防水壳体2之上，可以使无人系统在滚动模态下保持球体的外形。下壳体22与上壳体21通过螺钉固连且两者之间设置防水垫圈23，形成四周密封的防水腔与四个涵道，每个涵道内侧预留有使支架3通过的开口。有利地，防水壳体2形成防水腔，不仅可以密封包裹控制单元7等需要防水的载荷，同时形成的空腔可以在水中模态时提供浮力，使无人机能够漂浮在水面上；形成涵道，可以增强旋翼产生的动力并适当减少噪音。优选地，将防水腔的排水量大小设为无人机自身重量的两倍以上。

对应于四旋翼无人机，本实施例的支架3为十字对称结构，包括安装在防水腔内的主体部31，以及从主体部31沿径向穿过防水腔并通过涵道内侧的开口分别延伸入4个涵道的4个支架臂32。旋翼机构4由四旋翼组成，如图4所示，各旋翼包括桨叶41、桨盘机构42、防水电机43和防水舵机44，防水电机43安装于支架臂32的自由端且位于涵道的中心；桨叶41与防水电机43输出轴顶端转动连接，桨盘机构42与防水电机43输出轴滑动连接且位于桨叶41和防水电机43之间；防水舵机44与桨盘机构42连接，以驱动桨盘机构42沿着防水电机43输出轴上下滑动以改变桨叶41的迎角，从而改变桨距，以便能够在无人机翻倒时变换升力方向，使无人机自主恢复到正常状态。

在另外的实时方式中，可以根据需要采用单旋翼、共轴双旋翼、三旋翼等作为动力驱动，并且为了实现姿态的完全控制，采用这些驱动时需要安装可变桨距的桨盘机构、舵面、或旋翼倾转机构等。

特别地，除了在每个防水电机旁均安装防水舵机，以分别控制四个旋翼的总距，还可以采用一个防水舵机同时控制四个旋翼总距的方法，以减少执行机构数量，但这相对会增加结构复杂度与防水设计的难度。

第一连接组件5和第二连接组件6均布置于防水腔内。第一连接组件5包括上磁吸连接件51和下磁吸连接件52。上磁吸连接件51安装在上壳体21内侧中心位置，下磁吸连接件52安装下壳体22内侧中心位置，此时上磁吸连接件51与下磁吸连接件52的连线与无人机的中轴线重合。多个无人机可以通过各自的上磁吸连接件51和下磁吸连接件52以叠加方式依次吸附排列成鱼雷状结构在水面航行。可以根据需要，通过叠加方式连接更多个无人机。第二连接组件6包括安装在下壳体22内侧四周的多个磁吸连接件61。也可以根据需要将多个磁吸连接件61安装在上壳体21内侧四周。本实施例中，6个无人机可以通过各自的磁吸连接件61吸附在一起组合成球体，在地面上滚动行进。

特别地，如图3所示，磁吸连接件61周围设置有通信和无线充电模块8，可以实现多个无人机在组合时实时交换数据和实现电量分配管理。

控制单元7位于防水腔内且安装在支架3的主体部31上，包括旋翼控制器和连接控制器。旋翼控制器与防水电机43、防水舵机44连接，通过传感器信号与控制指令调节旋翼转速和桨叶迎角。有利地，每个无人机都有单独运算的能力，在组合成滚动模态和航行模态中采用分布式控制方法，各无人机之间通过通信和无线充电模块传输数据，并各自计算实现控制指令所需要的的操纵量。

连接控制器与上磁吸连接件51、下磁吸连接件52和多个磁吸连接件61连接，用于控制多个无人机之间的连接或断开。本实施例中，上磁吸连接件51、下磁吸连接件52和多个磁吸连接件61采用电磁铁结构，在多个无人机组合与分解过程中，由连接控制器根据任务需要控制通电或断电。在另外的实施方式中，上磁吸连接件51、下磁吸连接件52和多个磁吸连接件61还可以采用永磁体结构，此时无需设计连接控制器，但是要求无人机能够产生足够的气动力脱离磁铁吸引。另外，第一连接组件5和第二连接组件6还可以采用机械结构，保证稳固连接，防止滚动模态下撞击导致连接处错位乃至分离的情况，但是结构复杂，重量增加。

下面具体说明下上述分布式多栖球形无人系统的三个工作模态：

在飞行模态下，可以由单个无人机完成也可以由多个无人机编队飞行完成，如图5所示。对于每个无人机，在正常飞行时，四个防水电机43分别驱动四个桨叶41提供动力，此时桨盘机构42和防水舵机44不工作，操纵方式与普通的四旋翼相同，由旋翼控制器发送指令控制四个防水电机43的转速。当出现某种情况时，例如降落地点塌陷或是意外跌落导致无人机侧翻或翻倒，旋翼产生的气动力方向朝向地面，无人机无法通过变转速的方法自动翻转。此时可以采用改变总距的方法：防水舵机44驱动桨盘机构42沿着防水电机43输出轴滑动，桨盘机构42上下移动改变了桨叶1的迎角，当桨盘机构42移至顶端时，旋翼控制器将防水舵机44锁死，此时桨叶41为负迎角，产生反方向的气动力，使无人机具备翻转自恢复的能力。特别地，为了减轻无人机整体结构重量，桨盘机构42无需像直升机一样具备完整的周期变距功能，只需要具备改变总距的能力即可。

当需要进入杂乱环境或是需要躲避敌方的空中探测时，六个无人机可以组合成球形的滚动模态在地面继续执行任务，如图6所示。在滚动模态下，各无人机之间通过第二连接组件6的多个磁吸连接件61连接。六个无人机在自动组合成球形时，其中一个无人机先通过旋翼差速使机身翻倒，让保形外框1接触地面；另外的任意四个无人机通过自身传感器（可以安装在磁吸连接件61附近）获取之前翻倒无人机的多个磁吸连接件61的位置坐标，连接控制器规划出任意四个无人机中各无人机的带有末端角度约束的运动轨迹，并输出控制指令至对应无人机。当该任意四个无人机接近运动轨迹末端时，连接控制器控制多个磁吸连接件61通电，产生磁吸力，将四个无人机吸附到对应的位置和角度；最后，剩下的一个无人机通过与四个无人机相同的方法完成球体的组合。由此，六个无人机按照球体内接正多边形的模式拼接成球形，不论整体运动姿态如何，球形各个方向上均可产生气动力和力矩，六个无人机同时接收地面站的任务运动指令，各无人机的旋翼控制器根据该无人机在球体中的位置计算其防水电机43的控制量。当无人系统需要从滚动模态分解为飞行模态时，位于球形底部的无人机可以通过变桨距的方式实现翻转。

在航行模态下，六个无人机通过各自的上磁吸连接件51和下磁吸连接件52，以叠加方式依次连接排列成鱼雷状结构，如图7所示。此时，使每个无人机的排水量为其整体重量的两倍以上同时对旋翼进行反扭矩调节，可实现每个无人机总有一半的旋翼浮在水面上方，通过控制水面上方的旋翼可以实现鱼雷状结构在水中位置的操控。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。