[发明专利]一种具有柏拉图立体结构的多栖无人系统

说明书

本发明属于多旋翼无人机集群领域，公开了一种具有柏拉图立体结构的多栖无人系统，包括多个无人机和控制系统；每个无人机相当于柏拉图立体结构中正多面体的一面；所述控制系统用于控制所述多个无人机执行：集群飞行、组合成类球体结构进行地面滚动行进、两两前后排列组成鱼雷状结构进行水面集结航行、地空模态转换或者水空模态转换。本发明的无人系统能够适用于复杂环境并且自适应切换模态。

技术领域

本发明属于多旋翼无人机集群领域，特别涉及一种具有柏拉图对称立体结构的多栖无人系统。

背景技术

在军用方面，随着军事作战科学技术的发展，作战规模不再局限于单一的陆地或是海洋，战场形势愈发复杂。以海军陆战队为代表的多栖作战单位具有灵活机动、反应迅速、独立作战等特点，其作战领域覆盖丛林海岛、空中水下、热带寒区，在常规战争、国内外防御、直接行动、特殊侦查任务等任务中扮演着重要角色。在民用方面，随着无人机技术智能自主程度的提高，在航拍、勘探等方面提出了新的需求，针对一些无人机难以适应的复杂自然环境或城市环境需要利用机器人模态转换的能力穿越一些障碍物密集区域，到达理想飞行区域之后进行模态转换和航拍、测量等活动。因此，一种能够在河流、湖泊、边境、森林、海岸线、海岛等地形复杂的地方完成野外作战、环境检测、水文测量、航拍测绘、森林灾害警、边境巡逻、军事侦察等任务的无人系统具有重大意义。

目前多栖作战系统或巡检机器人普遍采用轮式底盘移动，具有适应环境能力差，越障能力弱的限制。针对一些难以适应的复杂自然环境或城市环境需要利用机器人模态转换的能力穿越一些障碍物密集区域，到达理想区域之后进行模态转换和巡检、航拍、测量等活动，如丛林山脉、城市下水道等。为了解决适应不同地形条件且自主进行模态切换的问题，中国专利CN111645468A公开了一种水陆空多栖智能行进器，作为海陆空多栖生命探测工具，该装置设计合理，结构新颖，使用方法简单便于操作，通过多级机械配合，可实现行进器的海陆空多栖生命探测，当在废墟或者狭小空间内，甚至水面上进行搜索时，可通过伸缩杆以及充气轮的配合，实现自由水平运动，从而增加了生命探测的范围，提高了救援效率。但是该装置由于同时具备轮式底盘和旋翼，机构冗余程度大，推重比小行动不灵活。中国专利CN111845232A公开了一种轮毂涵道共用的海陆空潜多栖无人平台，能够在陆地、飞行、水上/水下模式之间进行切换，为侦察与救援提供强有力的工具。但是由于其旋翼作为在空中与水中的动力桨，较难设计出同时符合空气和流体动力学的桨叶，因此难以在空中和水中同时保证良好的驱动效果。并且以上两种方案在陆地模态下都采用了轮式底盘驱动，这种驱动方式越障能力较差，且会因与其固连的桨叶风阻损失能量。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种具有柏拉图立体结构式的多栖无人系统，其能够适用于复杂环境并且自适应切换模态。

为实现上述目的，本发明提供了一种具有柏拉图立体结构的多栖无人系统，包括多个无人机和控制系统；每个无人机相当于柏拉图立体结构中正多面体的一面；所述控制系统用于控制所述多个无人机执行：集群飞行、组合成类球体结构进行地面滚动行进、两两前后排列组成鱼雷状结构进行水面集结航行、地空模态转换或者水空模态转换。

进一步，所述控制系统包括多个控制单元，各控制单元对应一个无人机；各控制单元包括位置控制器、姿态控制器、控制分配器和滚动动力模块；所述位置控制器用于基于各无人机轨迹航点和当前位置信息计算偏差，输出期望滚动角速度并传递给所述姿态控制器；所述姿态控制器用于基于期望滚动角速度与陀螺仪传感器测得的角速度数据计算角速度偏差，输出期望驱动力矩并传递给所述控制分配器；所述控制分配器用于根据所述滚动动力模块中电机的空间构型及陀螺仪传感器测得的当前姿态信息将期望驱动力矩解算为电机的控制信号，以控制所述多栖无人系统按照预定轨迹在地面滚动行进。

进一步，所述控制系统控制所述多栖无人系统在地面滚动行进，包括如下步骤：

1）获取各无人机轨迹航点与当前位置信息作为第一级PID输入，并通过位置控制器得到期望滚动角速度作为第二级PID输入；