一种旋翼无人机的全向吸附装置及方法

本发明专利涉及无人机，尤其是一种旋翼无人机的全向吸附装置及方法。

背景技术：

1、目前市场上带有吸附功能的无人机大多只能实现特定方向或180°范围内的吸附，不能实现全向吸附。当无人机需要吸附在顶面下或者倾斜墙面下时，已有无人机的吸附功能将不起作用。同时这类无人机没有桨叶保护功能。由于旋翼无人机需要接近物体之后再与之吸附，当无人机使用吸附功能时，一般与被吸附物体的距离较近，这样会使桨叶与被吸附物体存在碰撞风险。

2、由于无人机吸附装置结构上的局限，导致一般的吸附装置只采用抓取或吸气来与墙面吸附。这些装置大多只能满足仅在光滑平面或者仅在凹凸不平有抓取物的面上的吸附，具有很大的局限性。普通的夹爪型吸附装置由于结构过于简单对于无人机的飞行姿态要求过高，需要无人机进行高难度制动，对于飞控要求较高且易发生炸机等问题。

3、为解决上述问题，一个集合喷吸气结构和夹爪结构的且具有一定桨叶保护能力的旋翼无人机全向吸附装置具有一定的存在意义。同时由于目前无人机续航短的问题仍然存在，夹爪和喷吸气的配合也减少了无人机的功耗，进一步提高了续航时间。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种旋翼无人机的全向吸附装置及方法。本发明可以吸附在各种角度的墙面上，比同类型的吸附装置有更广泛的应用场景。采用喷吸气结构和夹爪结构，使无人机可以吸附在光滑平面或凹凸不平的墙面上，提高无人机的飞行时间。

2、本发明的一种旋翼无人机的全向吸附装置及方法，包括无人机机体和全向吸附装置。无人机机体和全向吸附装置通过连接轴固定连接。所述的全向吸附装置包括圆环基座、转台以及末端吸附执行器。

3、所述的圆环基座包括圆环和基座。所述的基座包括顶盖、轴承、滑环、空心齿轮轴、齿轮、步进电机以及外盒。滑环的结构包括定子、轴承以及转子。顶盖和外盒带有凹槽，两个轴承分别卡在凹槽中。轴承和空心齿轮轴的轴肩卡住，整个空心齿轮轴被固定。步进电机固定在外盒上。齿轮固定在步进电机上。滑环的定子卡在空心齿轮轴的顶端上。滑环定子上的引脚卡在滑环转子的导电凹槽中。导电凹槽连接着转子导线。滑环的轴承分别卡在滑环转子的两头。滑环的定子和转子通过引脚和导电凹槽传递信号；当导线360°转动时不会引起缠绕。导线从空心齿轮轴的孔中通过，与安装在空心齿轮轴顶端的滑环转子上的导线连接来传递信号。

4、转台包括传动轴、皮带、步进电机、滑环以及连接孔。步进电机固定在转台上，连接孔与空心齿轮轴的顶端固定连接。空心齿轮轴旋转时带动转台转动。通过与安装在空心齿轮轴上的滑环定子导线与无人机通信。皮带与步进电机构成带传动结构，通过带动传动轴控制末端吸附执行器转动。在转台的另一侧安装滑环，用于向末端吸附执行器通信。

5、所述的末端吸附执行器包括压敏传感器、外壳、吸气管道、喷气管道、六轴姿态传感器、夹爪装置、底板和摄像头。压敏传感器安装在底板上，用于检测末端吸附执行器和墙壁的贴合程度。六轴姿态传感器检测末端吸附执行器的姿态后传给飞控板，飞控板利用姿态信息生产控制信号，并传输给吸附执行器。外壳的上部有两个圆孔分别用于喷吸气管道的进气和出气。喷吸气管道的进气口和出气口都放置有滤网，用来防止异物堵塞管道以及缠绕风机。底板有两个圆孔和四个方形孔，底板的四个方形孔给予夹爪足够的活动范围，使其在非工作状态时隐藏在外壳内部，且在工作状态时有足够大的工作空间用来夹紧墙面。

6、所述的夹爪装置包括升降螺母、夹爪平台、夹爪、步进电机、连杆和蜗杆。夹爪平台固定在底板上，步进电机固定在夹爪平台上。夹爪被夹爪平台卡住，夹爪在夹爪平台上转动。夹爪与连杆连接。连杆和升降螺母连接。夹爪平台中间镂空用于放置摄像头。

7、进一步的，升降螺母、夹爪以及连杆三者组成连杆机构。升降螺母嵌套进蜗杆中，蜗杆由步进电机驱动。当步进电机顺时针转动时，升降螺母实现自上而下的运动，同时升降螺母带动连杆，进而带动夹爪运动，使夹爪处于夹紧状态。反之，当步进电机逆时针转动时，升降螺母实现自下而上的运动，同时升降螺母带动连杆，进而带动夹爪运动，使夹爪处于放松状态。夹爪装置拥有自锁特性，即步进电机没有接收到驱动信号时会锁定在当前位置，夹爪的姿态不会改变，进一步的保证无人机在墙面上的吸附稳定性。

8、旋翼无人机在竖直墙面上的吸附方法，包括以下步骤：

9、步骤一、靠近被吸附墙面后，吸附模块1的1号电机保持初始状态，同时2号电机转动，使吸附模块1的末端吸附执行器绕x轴逆时针旋转90°，使其底板呈竖直状态。末端吸附执行器的姿态通过六轴姿态传感器确定。通过摄像头接收墙面数据并判断墙壁是否光滑。摄像头判断无人机和墙壁之间的相对位置，随后无人机移动至底板正对墙面的位置。在吸附模块2和吸附模块3中，吸附模块2和吸附模块3的1号电机转动和2号电机保持初始状态，使吸附模块2和吸附模块3的末端吸附执行器绕x轴顺时针旋转90°。在吸附模块4中，1号电机保持初始状态，2号电机转动，使吸附模块4的末端吸附执行器绕x轴顺时针旋转90°。

10、步骤二、吸附模块2、吸附模块3和吸附模块4三个吸附装置开启喷气模式，喷气管道开始工作。无人机水平靠近墙壁，待无人机快接近墙壁时，吸附模块1开启吸气模式，吸气管道开始工作，使吸附模块1底面暂时吸附在墙面上。根据步骤一判断的墙面光滑程度，当墙面光滑时，夹爪装置不工作。通过压敏传感器确保吸附装置和墙壁的贴合程度。此时吸附模块1中只有吸气管道工作。当墙面不光滑时，夹爪装置开始工作，固定在夹爪平台上的步进电机顺时针转动，夹爪在连杆机构的作用下开始夹紧。通过压敏传感器确保吸附装置和墙壁的贴合程度。此时吸附模块1中吸气管道和夹爪装置都在工作。

11、步骤三、吸附模块2、吸附模块3和吸附模块4经过其步进电机的控制旋转至初始位置。无人机桨叶停止转动，吸附模块2、吸附模块3和吸附模块4继续喷气提供所需升力。对于吸附模块1，其2号电机持续转动，直到无人机整体与墙壁平行；吸附模块2、吸附模块3和吸附模块4中的六轴姿态传感器通过数据传输线实时向无人机发送各自末端吸附执行器的姿态信息，使无人机发送指令调整吸附模块2、吸附模块3和吸附模块4，使吸附模块2、吸附模块3和吸附模块4的末端吸附执行器一直处于其底板与地面平行的状态。当无人机旋转至与墙面夹角处于30°时，吸附模块2和吸附模块3变为吸附模式。吸附模块2和吸附模块3中的摄像头通过数据传输线实时向无人机发送各自末端吸附执行器和墙壁的相对位置，使无人机发送指令调整吸附模块2和吸附模块3，使吸附模块2和吸附模块3的末端吸附执行器一直处于底板与墙面平行的状态，直到吸附模块2和吸附模块3中的底板与墙壁贴合。吸附模块4的末端吸附执行器的底板继续与地面平行且提供部分升力。

12、步骤四、无人机最后旋转至与墙面平行位置，根据步骤一判断的墙面光滑程度，当墙面光滑时，吸附模块2和吸附模块3的夹爪装置不工作。通过压敏传感器确保吸附装置和墙壁的贴合程度。此时吸附模块2和吸附模块3中只有吸气管道工作。当墙面不光滑时，夹爪装置开始工作，固定在夹爪平台上的步进电机顺时针转动，夹爪在连杆机构的作用下开始夹紧。通过压敏传感器确保吸附装置和墙壁的贴合程度。此时吸附模块2和吸附模块3中吸气管道和夹爪装置都在工作。当完成吸附时吸附模块4关闭喷气模式。

13、旋翼无人机在45°斜向下的墙面上的吸附方法，包括以下步骤：

14、步骤一、靠近被吸附墙面后，吸附模块1的1号电机保持初始状态，同时2号电机转动，使吸附模块1的末端吸附执行器绕x轴逆时针旋转135°。通过摄像头接收墙面数据并判断墙壁是否光滑。摄像头判断无人机和墙壁之间的相对位置，随后无人机移动至底板正对墙面的位置。在吸附模块2和吸附模块3中，吸附模块2和吸附模块3的1号电机转动和2号电机保持初始状态，使吸附模块2和吸附模块3的末端吸附执行器绕x轴顺时针旋转90°。在吸附模块4中，1号电机保持初始状态，2号电机转动，使吸附模块4的末端吸附执行器4绕x轴顺时针旋转90°。

15、步骤二、吸附模块2、吸附模块3和吸附模块4三个吸附装置开启喷气模式，喷气管道中的风机开始工作。无人机水平靠近墙壁，待无人机快接近墙壁时，吸附模块1开启吸气模式，使其底面暂时吸附在墙面上。根据步骤一判断的墙面光滑程度，当墙面光滑时，夹爪装置不工作。通过压敏传感器确保吸附装置和墙壁的贴合程度。此时吸附模块1中只有吸气管道工作。当墙面不光滑时，夹爪装置开始工作，固定在夹爪平台上的步进电机顺时针转动，夹爪在连杆机构的作用下开始夹紧。通过压敏传感器确保吸附装置和墙壁的贴合程度。此时吸附模块1中吸气管道和夹爪装置都在工作。

16、步骤三、吸附模块2、吸附模块3和吸附模块4经过其步进电机的控制旋转至初始位置。无人机桨叶继续转动，吸附模块2、吸附模块3和吸附模块4保持初始状态，继续喷气提供推力，将无人机机身以顺时针方向推动。对于吸附模块1，其2号电机持续转动，直到无人机整体与墙壁平行。当无人机旋转至与墙面夹角处于30°时，吸附模块2和吸附模块3的1号电机转动180°同时变为吸附模式。吸附模块2和吸附模块3中的摄像头通过数据传输线实时向无人机发送各自末端吸附执行器和墙壁的相对位置，使无人机发送指令调整吸附模块2和吸附模块3，使吸附模块2和吸附模块3的末端吸附执行器一直处于底板与墙面平行的状态，直到吸附模块2和吸附模块3中的底板与墙壁贴合。

17、步骤四、无人机最后旋转至与墙面平行位置，根据步骤一判断的墙面光滑程度，当墙面光滑时，吸附模块2和吸附模块3的夹爪装置不工作。通过压敏传感器确保吸附装置和墙壁的贴合程度。此时吸附模块2和吸附模块3中只有吸气管道工作。当墙面不光滑时，夹爪装置开始工作，固定在夹爪平台上的步进电机顺时针转动，夹爪在连杆机构的作用下开始夹紧。通过压敏传感器确保吸附装置和墙壁的贴合程度。此时吸附模块2和吸附模块3中吸气管道和夹爪装置都在工作。完成吸附后吸附模块4关闭喷气模式，无人机桨叶停止转动。

18、本发明具有的有益效果是：

19、(1)可以完成全方位的吸附工作，比同类型的吸附装置拥有更广泛的应用场景，如天花板下和斜面上等；通过夹爪和喷吸气相结合，可以同时适应墙面凹凸不平或光滑的应用场景。

20、(2)有一定的桨叶保护功能，同时无人机靠近墙面时无需倾斜而是平行的靠近，更好地保护桨叶，防止炸机。无人机在吸附过程中更加安全。

21、(3)在墙面凹凸不平的应用场景下使用时其夹爪结构可以自锁，使得无人机在完成吸附后不用耗费更多的电量维持喷吸气装置和夹爪装置的运行。