CN110466743B - 基于仿生干黏附材料的无人机及非水平表面着陆起飞方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于仿生干黏附材料的无人机及非水平表面着陆起飞方法，包括无人机机身、遥控模块、黏脱附机构，其中：所述无人机机身为固定翼或旋翼无人机机身；所述黏脱附机构包括着陆支架、仿生干黏附材料、脱附机构，着陆支架安装于无人机机身，着陆支架上设置有柔性的黏附材料基底，仿生干黏附材料附着在黏附材料基底上，并作为无人机与着陆面的接触面；所述遥控模块包括遥控器和接收机，用于调整无人机的飞行姿态，以及控制黏脱附机构使黏附材料与着陆面之间黏附和脱附。本发明可使无人机着陆在非水平表面，使无人机具有全空间着陆能力，极大的提高了无人机起飞着陆的灵活性，同时降低了对起飞着陆场地的要求，提高了空间利用率，并能降低能耗。

Description

基于仿生干黏附材料的无人机及非水平表面着陆起飞方法

技术领域

本发明提出了一种基于仿生干黏附材料的无人机及其在非水平表面着陆起飞方法，属于无人飞行器领域。

背景技术

传统无人机都是在水平地面上起飞、着陆，但是在高楼林立、人群密集的城市中，很难找到一个空旷的地面让无人机起飞和着陆，这对无人机的灵活性有一定的限制。因此，提出一种新的无人机着陆起飞技术，使无人机可以降落在建筑物垂直的玻璃表面或其他光滑表面、以及光滑的负表面上，使无人机具有全空间着陆能力和更高的灵活性，并延长其持续工作时间。现有提出的可用于无人机负表面着陆的方式为静电力附着(M.A.Graule,P.Chirarattananon,S.B.Fuller,N.T.Jafferis,K.Y.Ma,M.Spenko,R.Kornbluh,R.J.Wood.Perching and takeoff of a robotic insect on overhangs usingswitchable electrostatic adhesion.Science,2016,352(6288):978-982.)，但是静电力需要较大的电源模块，会增加无人机的重量，显然不利于无人机的实际应用。

壁虎可以在垂直面、甚至负表面上任意爬行，这归功于壁虎脚掌上的微观结构。通过对壁虎爬行机制的研究，研制了与壁虎脚掌具有相似微结构和功能的仿生干黏附材料(戴振东,何青松,于敏,张昊.用于仿壁虎脚掌粘附阵列的粘附材料及其制备方法.中国发明专利,ZL201310284325.2；何青松,戴振东,陆明月,姬科举,李阳.仿壁虎末端带电定向碳纳米管干黏附阵列的制备方法.中国发明专利,201710756785.9；何青松,戴振东.用于极端环境下的仿生纤维干黏附材料及其制备方法和用途.中国发明专利,201711187845.6)。周远远等人提出了采用电磁发射腔装置发射仿壁虎脚实现旋翼无人机的悬停技术(周远远,杨青龙,王腾,戚宝运,杨燕,杨波.一种基于仿生悬挂的节能多旋翼无人机装置.中国发明专利,201610269382.7)。但是其发射和回收壁虎脚的装置体积、质量较大，不利于节省能量，且发射出去的仿壁虎脚不受控制，会产生冲击载荷，难以准确可靠地黏附到目标表面，并且这种方式不适用于垂直着陆面。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于仿生干黏附材料的无人机及非水平表面着陆起飞方法，将无人机与仿生干黏附材料结合，以提高无人机的灵活性及空间飞行能力，并延长其持续工作时间。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于仿生干黏附材料的无人机，包括无人机机身、遥控模块、黏脱附机构，其中：

所述无人机机身为固定翼或旋翼无人机机身；

所述黏脱附机构包括着陆支架、仿生干黏附材料、脱附机构，着陆支架安装于无人机机身，着陆支架上设置有柔性的黏附材料基底，仿生干黏附材料附着在黏附材料基底上，并作为无人机与着陆面的接触面，脱附机构包括舵机、拉线，拉线一端连接舵机的摇臂，另一端连接黏附材料基底，通过舵机转动，使拉线控制黏附材料基底处于平直或卷曲状态，从而控制无人机的着陆和起飞；所述仿生干黏附材料为具有微观结构及微纳层级结构的仿生材料，能够利用分子间作用力黏附在其它材料表面，并能够以卷曲的方式轻松从其它材料表面脱附；

所述遥控模块包括遥控器和接收机，用于调整无人机的飞行姿态，以及控制黏脱附机构使黏附材料与着陆面之间黏附和脱附。

所述仿生干黏附材料为公开号为CN103333495B的中国发明专利《用于仿壁虎脚掌粘附阵列的粘附材料及其制备方法》所公开的仿壁虎脚掌粘附阵列的粘附材料，或为公开号为CN108192559A的中国发明专利《用于极端环境下的仿生纤维干黏附材料及其制备方法和用途》所公开的仿生纤维干黏附材料，或为《Qingsong He,Xu Yang,Zhongyuan Wang,JinZhao,Min Yu,Zhen Hu,Zhendong Dai.Advanced Electro-active Dry AdhesiveActuated by an Artificial Muscle Constructed from an Ionic Polymer MetalComposite Reinforced with Nitrogen-doped Carbon Nanocages[J].Journal ofBionic Engineering.2017,14(3)：567-578.》所公开的黏附材料。

所述仿生干黏附材料的微观结构及微纳层级结构为圆柱状、方柱状或蘑菇状。仿生干黏附材料表面微纳级的刚毛阵列在与其它物体表面接触时产生的范德华力宏观表现为黏附力，可以通过卷曲的方式轻松的从法向局部逐渐脱附。

所述仿生干黏附材料的最大黏附力大于无人机的总重量。

对于固定翼无人机机身，所述黏脱附机构的着陆支架为前伸式，包括前支架和后支架，前支架安装在无人机机身前部下方，后支架安装在无人机机身后部下方，黏附材料基底设置在前支架底部，仿生干黏附材料固定在黏附材料基底上，舵机设置在无人机机身前端，舵机的摇臂通过拉线与黏附材料基底连接。

对于旋翼无人机机身，所述黏脱附机构的着陆支架为悬吊式，着陆支架固定在无人机机身上方，黏附材料基底设置在着陆支架顶部表面，仿生干黏附材料固定在黏附材料基底上，舵机设置在无人机机身上端，舵机的摇臂通过拉线与黏附材料基底连接。

一种基于仿生干黏附材料的无人机的非水平表面着陆起飞方法，包括：

无人机着陆时，通过舵机转动，使拉线控制黏附材料基底处于平直状态，通过遥控或自动控制的方式预先调整无人机姿态，再向着陆面缓慢靠近，直至仿生干黏附材料接触着陆面，利用无人机的惯性或旋翼的动力，使仿生干黏附材料与着陆面之间产生预压力，从而使仿生干黏附材料表面的刚毛与着陆面充分接触，产生足够的黏附力；

无人机完全着陆时，关闭旋翼动力，仅靠仿生干黏附材料提供的黏附力停靠在非水平表面上；

无人机起飞时，给控制舵机发送信号，使其转动，通过拉线拉动黏附材料基底卷曲，从而使黏附材料脱离着陆面，启动旋翼动力，即可从着陆面上起飞，或者利用无人机的动力产生一个倾覆力矩辅助脱附，快速从着陆面起飞。

进一步的，无人机的着陆面需为较光滑的表面，使黏附材料与着陆面之间有足够的有效接触面积。

进一步的，无人机着陆后，可设置为待机状态，或仅部分功能正常工作，在需要工作时将其唤醒，以节省能量，延长其持续使用时间。

进一步的，在无人机上搭载图像传输、红外或超声波探测等模块，用于侦查或自主着陆。

有益效果：本发明为无人机提供了一种新的着陆方式，使无人机摆脱了地面的束缚，可以着陆在高处的非水平面(如垂直面或负表面)上，从而使无人机具有全空间着陆能力，极大的提高了无人机的灵活性。对于需要无人机长时间悬停的任务，此项技术可使无人机需要悬停时着陆在附近高处的垂直面或负表面上，节省了传统无人机悬停时消耗的能量，能够延长其工作时间，这在城市巡检、监控以及拍照等领域有一定的应用前景，适于推广应用。

附图说明

图1为仿生干黏附材料在200倍和800倍下的的SEM图像；

图2为本发明实施例1提供的在垂直面着陆的固定翼无人机结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的黏脱附机构示意图；

图4为本发明实施例1提供的一种基于仿生干黏附材料的无人机垂直面起飞着陆原理示意图；

图5为本发明实施例1提供的无人机着陆时的受力分析；

图6为本发明实施例2提供的在负表面着陆的四旋翼无人机结构示意图；

图7为本发明实施例2提供的黏脱附机构示意图；

图8为本发明实施例2提供的着陆示意图；

图9为本发明实施例2提供的起飞时脱附机制示意图；

图2和3中，101-无人机机身，102-水平尾翼，103-垂直尾翼，104-副翼，105-电机和螺旋桨，106-前支架，107-后支架，108-舵机，109-拉线，110-黏附材料基底；

图6和7中，210-无人机机身，220-黏脱附机构，221-着陆支架，222-舵机，223-拉线，224-仿生干黏附材料，225-黏附材料基底。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

本发明的一种基于仿生干黏附材料的无人机，包括无人机机身、遥控模块、黏脱附机构，其中：

无人机机身为固定翼或旋翼无人机机身；

黏脱附机构包括着陆支架、仿生干黏附材料、脱附机构，着陆支架安装于无人机机身，着陆支架上设置有柔性的黏附材料基底，仿生干黏附材料附着在黏附材料基底上，并作为无人机与着陆面的接触面，脱附机构包括舵机、拉线，拉线一端连接舵机的摇臂，另一端连接黏附材料基底，通过舵机转动，使拉线控制黏附材料基底处于平直或卷曲状态，从而控制无人机的着陆和起飞；所述仿生干黏附材料为具有微观结构及微纳层级结构的仿生材料，能够利用分子间作用力黏附在其它材料表面，并能够以卷曲的方式轻松从其它材料表面脱附；

遥控模块包括遥控器和接收机，用于调整无人机的飞行姿态，以及控制黏脱附机构使黏附材料与着陆面之间黏附和脱附。

仿生干黏附材料为公开号为CN103333495B的中国发明专利《用于仿壁虎脚掌粘附阵列的粘附材料及其制备方法》(专利号ZL201310284325.2)所公开的仿壁虎脚掌粘附阵列的粘附材料，或为公开号为CN108192559A的中国发明专利《用于极端环境下的仿生纤维干黏附材料及其制备方法和用途》(申请号201711187845.6)所公开的仿生纤维干黏附材料，或为《Qingsong He,Xu Yang,Zhongyuan Wang,Jin Zhao,Min Yu,Zhen Hu,ZhendongDai.Advanced Electro-active Dry Adhesive Actuated by an Artificial MuscleConstructed from an Ionic Polymer Metal Composite Reinforced with Nitrogen-doped Carbon Nanocages[J].Journal of Bionic Engineering.2017,14(3)：567-578.》所公开的黏附材料。该仿生干黏附材料的微观结构及微纳层级结构为圆柱状、方柱状或蘑菇状。仿生干黏附材料以壁虎为仿生对象，采用微细加工方式来制备表面刚毛微结构，以实现其黏附功能，其黏附作用原理为微纳级的刚毛与其它表面接触时产生的范德华力，可以通过卷曲的方式轻松的从法向局部逐渐脱附。该仿生干黏附材料是一种具有干黏附功能的柔性仿生材料，其切向黏附力远大于法向黏附力，能够通过卷曲的方式轻松的从其他表面上脱附，其黏附功能具有较好的可重复性。

图1是仿生干黏附材料表面结构放大200倍和800倍下的的SEM图像，大量微米级的刚毛与其它物体表面接触时产生的范德华力宏观表现为黏附力。

在着陆支架上安装面积合适的仿生干黏附材料，其最大黏附力需大于无人机的总重量，使无人机能够着陆在垂直面或负表面上。

本发明设计了一种黏脱附机制，利用无人机的惯性或者旋翼的动力使黏脱附机构上的黏附材料与着陆面之间产生一定的预压力，使黏附材料微纳层级的刚毛与着陆面充分接触，以产生足够的黏附力使无人机着陆。黏脱附机制的一个关键在于有合适弹性系数的黏附材料基底，着陆时产生的弹性变形能够为黏附材料提供一定的预压力；起飞时，由于其弹性良好，可通过卷曲的方式局部逐渐脱附，需要的脱附力很小。无人机着陆后，黏附材料基底应发生一定的弹性变形，为黏附材料与着陆面之间提供预压力。通过一个舵机来为黏附材料提供脱附力，舵机安装在机身上或黏脱附机构上，用拉线连接舵机摇臂和仿生干黏附材料基底的边缘。黏附材料的基底为弹性材料，舵机转动通过拉线拉动基底使其卷曲；舵机复位时，在没有外力作用下能自动回复成平直状态，为下一次着陆做好准备，因此可以重复着陆与起飞。

本发明的基于仿生干黏附材料的无人机的非水平表面着陆无人机着陆和起飞方法如下：

通过遥控或环境感知使无人机靠近着陆位置，并调整到预备着陆姿态；

无人机逐渐靠近着陆面，使黏附材料最先接触着陆面，利用无人机的惯性或旋翼的动力使黏附材料和着陆面之间产生预压力，从而使黏附材料与着陆面充分接触，产生足够的黏附力；

无人机完全着陆时，关闭旋翼动力，仅靠黏附材料提供的黏附力停靠在非水平表面上；

无人机起飞时，给控制黏附材料脱附的舵机发送信号，使其转动，通过拉线拉动黏附材料基底卷曲从而使黏附材料脱离着陆面，启动旋翼动力，即可从着陆面上起飞。

无人机起飞时，还可利用无人机的动力产生一个倾覆力矩辅助脱附，快速从着陆面起飞。

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

结合图2-4，本实施例提供一种可在垂直面起飞、着陆的固定翼无人机，其结构如图2所示，包括无人机机身101、遥控模块、黏脱附机构，无人机机身101上设置有水平尾翼102，垂直尾翼103，副翼104，电机和螺旋桨105，动力及传动模块；遥控模块包括发射器和接收机；黏脱附机构如图3所示，包括前支架106、后支架107、舵机108、拉线109、黏附材料基底110、仿生干黏附材料，前支架106安装在无人机前部下方，后支架107安装在无人机后部下方，黏附材料基底110设置在前支架106底部，仿生干黏附材料固定在黏附材料基底110上，舵机108设置在无人机机身101前端，舵机108的摇臂通过拉线109与黏附材料基底110连接。

无人机着陆过程如图4所示，当无人机距离着陆面一定距离时，调整为b-c所示姿态，无人机与着陆面成一定角度，降低飞行速度，逐渐靠近着陆面。前支架上的仿生干黏附材料即将接触着陆面时，关闭电机，利用无人机的惯性使黏附材料与着陆面之间产生预压力，使黏附材料与着陆面充分接触以产生大于无人机重量的黏附力。

如图5所示，黏附材料的切向黏附力F_t大于法向黏附力F_n，应使无人机着陆后，机身与着陆面之间的夹角尽可能的小，使着陆更加可靠。

无人机起飞时，舵机偏转通过拉线带动黏附材料基底卷曲，黏附材料从着陆面脱附，同时调整无人机的水平尾翼，使无人机处于爬升姿态产生一个倾覆力矩以辅助脱附，启动电机，无人机即可飞离着陆面。

实施例2

结合图6-9，本实施例提供一种可在负表面起飞、着陆的四旋翼无人机，其结构如图6所示，包括无人机机身210，黏脱附机构220。如图7所示，其中黏脱附机构包括着陆支架221、舵机222、拉线223、仿生干黏附材料224、黏附材料基底225。着陆支架221为悬吊式，着陆支架221固定在无人机机身210上方，黏附材料基底225设置在着陆支架221顶部表面，仿生干黏附材料224固定在黏附材料基底225上，舵机222设置在无人机机身210上端，舵机222的摇臂通过拉线223与黏附材料基底225连接。

四旋翼无人机着陆时，向负表面缓慢靠近，直至仿生干黏附材料贴紧着陆面，即可实现着陆在负表面上，如图8。

四旋翼无人机起飞时，先使舵机转动拉动黏附材料卷曲，使仿生干黏附材料从负表面脱离，如图9，在重力作用下即可离开负表面，实现起飞。

四旋翼无人机起飞时，可以附加一个水平方向的运动以产生倾覆力矩辅助脱附，缩短脱附时间。

本发明将仿生干黏附材料应用在无人飞行器领域，提出了一种新的、可靠的无人机着陆方式，扩展了无人机的起飞、降落场地，提高了无人机的灵活性和隐蔽性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于仿生干黏附材料的无人机，其特征在于：包括无人机机身、遥控模块、黏脱附机构，其中：

所述无人机机身为固定翼或旋翼无人机机身；

所述黏脱附机构包括着陆支架、仿生干黏附材料、脱附机构，着陆支架安装于无人机机身，着陆支架上设置有柔性的黏附材料基底，仿生干黏附材料附着在黏附材料基底上，并作为无人机与着陆面的接触面，脱附机构包括舵机、拉线，拉线一端连接舵机的摇臂，另一端连接黏附材料基底，通过舵机转动，使拉线控制黏附材料基底处于平直或卷曲状态，从而控制无人机的着陆和起飞；所述仿生干黏附材料为具有微观结构及微纳层级结构的仿生材料，能够利用分子间作用力黏附在其它材料表面，并能够以卷曲的方式轻松从其它材料表面脱附；

所述遥控模块包括遥控器和接收机，用于调整无人机的飞行姿态，以及控制黏脱附机构使黏附材料与着陆面之间黏附和脱附。

2.根据权利要求1所述的基于仿生干黏附材料的无人机，其特征在于：所述仿生干黏附材料的微观结构及微纳层级结构为圆柱状、方柱状或蘑菇状。

3.根据权利要求1所述的基于仿生干黏附材料的无人机，其特征在于：所述仿生干黏附材料的最大黏附力大于无人机的总重量。

4.根据权利要求1所述的基于仿生干黏附材料的无人机，其特征在于：对于固定翼无人机机身，所述黏脱附机构的着陆支架为前伸式，包括前支架和后支架，前支架安装在无人机机身前部下方，后支架安装在无人机机身后部下方，黏附材料基底设置在前支架底部，仿生干黏附材料固定在黏附材料基底上，舵机设置在无人机机身前端，舵机的摇臂通过拉线与黏附材料基底连接。

5.根据权利要求1所述的基于仿生干黏附材料的无人机，其特征在于：对于旋翼无人机机身，所述黏脱附机构的着陆支架为悬吊式，着陆支架固定在无人机机身上方，黏附材料基底设置在着陆支架顶部表面，仿生干黏附材料固定在黏附材料基底上，舵机设置在无人机机身上端，舵机的摇臂通过拉线与黏附材料基底连接。

6.一种权利要求1所述的基于仿生干黏附材料的无人机的非水平表面着陆起飞方法，其特征在于：包括：

无人机着陆时，通过舵机转动，使拉线控制黏附材料基底处于平直状态，通过遥控或自动控制的方式预先调整无人机姿态，再向着陆面缓慢靠近，直至仿生干黏附材料接触着陆面，利用无人机的惯性或旋翼的动力，使仿生干黏附材料与着陆面之间产生预压力，从而使仿生干黏附材料表面的刚毛与着陆面充分接触，产生足够的黏附力；

无人机完全着陆时，关闭旋翼动力，仅靠黏附材料提供的黏附力停靠在非水平表面上；

无人机起飞时，给控制舵机发送信号，使其转动，通过拉线拉动黏附材料基底卷曲，从而使黏附材料脱离着陆面，启动旋翼动力，即可从着陆面上起飞，或者利用无人机的动力产生一个倾覆力矩辅助脱附，快速从着陆面起飞。

7.根据权利要求6所述的基于仿生干黏附材料的无人机的非水平表面着陆起飞方法，其特征在于：无人机的着陆面需为较光滑的表面，使仿生干黏附材料与着陆面之间有足够的有效接触面积。

8.根据权利要求6所述的基于仿生干黏附材料的无人机的非水平表面着陆起飞方法，其特征在于：无人机着陆后，可设置为待机状态，或仅部分功能正常工作，在需要工作时将其唤醒，以节省能量，延长其持续使用时间。

9.根据权利要求6所述的基于仿生干黏附材料的无人机的非水平表面着陆起飞方法，其特征在于：在无人机上搭载图像传输模块、红外或超声波探测模块，用于侦查或自主着陆。

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