本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机多功能脚架。
背景技术：
无人机又称无人驾驶飞行器，是一种以无线电遥控或由自身程序控制为主不搭载驾驶员的飞机。当前市场上的多旋翼无人机脚架结构几乎都是固定的，部分多旋翼无人机可以通过安装其他部件或更换脚架种类来达到某种目的。但是这种传统多旋翼无人机往往只能达成一种目的。例如：无人机通过安装可收放脚架通过脚架的收放来减小多旋翼无人机的体积，获得更好的飞行环境；将脚架更换成气囊来增加无人机底部与水的接触面积，依靠气囊的浮力来让多旋翼无人机成功降落在水面上；在多旋翼无人机上安装机械勾爪，通过勾爪来抓取某种物体，达到一定的目的。然而这些传统的多旋翼无人机往往只能达成单一的效果，在更换任务要求时，往往还需要更换多旋翼无人机的配件或者更换一架多旋翼无人机。这些限制条件要求无人机的操作人员在熟悉各类不同功用多旋翼无人机的同时，也加重了操作人员的操作负担。此外，由于传统的多旋翼无人机只能达成单一的效果，这就导致多旋翼无人机对于起飞和降落的场地有一定的要求，也对其工作环境和稳定性方面提出更高的要求和限制。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种无人机的多功能脚架结构，旨在通过控制脚架的结构形态来达成多种不同目的。
本发明一种无人机多功能脚架，包括无人机机体、图像采集模块和多个多功能脚架。所述的图像采集模块包括底板、摄像头和无线图传发射端；底板与无人机机体的机身底部相固定；摄像头固定于底板上且不可移动。所述的多功能脚架包括底板、脚架气囊、多段连接指节、电机组和控制器；底板与无人机机体的机身底部相固定；第一段连接指节的上端与底板相接；控制器安装在无人机机体的内部。
所述的无线图传发射端安装在无人机机体内部，摄像头通过单片机和无线图传发射端以及显示器实现摄像头拍摄到景象的传送和显示功能；其中无线图传发射端用于将拍摄景象传送到地面站。
所述的电机组包括控制电机、电位计、控制齿轮和轴承。控制齿轮通过轴承安装在控制电机上。电位计设置在控制电机上。控制器通过导线与控制电机和电位计相连。
所述的脚架气囊的内侧有插口固定在脚架气囊的内侧。连接指节上设置有插孔，连接指节可以与脚架气囊相固定。脚架气囊将连接指节半包裹，且通过插口连接气囊。
所述的连接指节包括第一连接指节、第二连接指节以及第三连接指节。所述的各段连接指节上端固定有上指节套筒，各段连接指节下端固定有下指节套筒。第一连接指节的上指节套筒与多功能脚架底板之间通过第一电机组嵌入连接。第一连接指节的下指节套筒与第二连接指节的上指节套筒之间通过第二电机组嵌入连接。第二连接指节的下指节套筒与第三连接指节的上指节套筒之间通过第三电机组嵌入连接。
进一步地，所述的嵌入连接是通过电机组与连接指节进行啮合。所述的控制电机在开始转动时带动控制齿轮的旋转，并通过控制齿轮的旋转来带动连接指节的旋转。电机组在嵌入连接后与两端连接指节的上下指节套筒固定。
进一步地，本发明包括单片机。单片机有多个外置接口，部分接口与无线图传发射端相连，无线图传发射端另一接口与摄像头连接；部分接口通过控制器与多功能脚架的连接口相连。
进一步地，所述的多功能脚架共安装8个，每过一定的角度安装一个多功能脚架。可根据不同的情况如无人机的质量、抓取物体的质量、飞行里程数的需要等情况安装不同数量的多功能脚架。
进一步地，所述的脚架气囊内填充有密度低于空气的填充气体，可以为其他气体，只需气体的相对分子质量低于空气的相对分子质量，例如氦气。
进一步地，所述的脚架气囊材料根据自身所需进行更换，只需保证无人机正常工作时气囊不会发生破损。所述的多功能脚架结构所用的零件按照不同规格标准进行更换，只需保证无人机正常工作时多功能脚架不会因零件问题无法正常工作。
该无人机停留在水面或湿地上的降落方法具体如下：
步骤一、无人机在空中飞行。通过摄像头观察到目标水面或湿地，将无人机飞行至目的地上方。
步骤二、缓慢下降无人机。当无人机距离水面一定距离时，调整无人机多功能脚架形态，将无人机多功能脚架调节至水面或湿地停留形态。
步骤三、通过电机组的旋转带动连接指节的旋转，完成第一段连接指节与机臂的夹角为45°，第二段连接指节与机臂平行，第三段连接指节与机臂平行的形态变化。
步骤四、多功能脚架旋转至指定角度时，电机组内的电位计传输信号给单片机，控制电机组停止旋转，并对多功能脚架上的脚架气囊进行充气。
步骤五、无人机的多功能脚架形态调整结束后控制无人机下降。下降至水面或湿地后，无人机依靠脚架气囊的浮力成功停留在指定水面或湿地，完成降落。
该无人机脚架作为机械爪时抓取物体的操作方法具体如下：
步骤一、无人机在空中飞行。通过摄像头观察到所需抓取的物体，将无人机飞行至目的地上方。
步骤二、缓慢下降无人机。当无人机距离所需抓取的物体一定距离时，调整无人机多功能脚架形态，将无人机多功能脚架调节至机械爪形态。
步骤三、通过电机组的旋转带动连接指节的旋转，完成第一段连接指节旋转与机臂夹角为45°，第二段连接指节与第一段连接指节夹角为135°，第三段连接指节与第二段连接指节夹角为135°的形态变化。
步骤四、多功能脚架旋转至指定角度时，电机组内的电位计传输信号给单片机，控制电机组停止旋转。
步骤五、无人机的多功能脚架形态调整结束后，根据多功能脚架的不同形态，可以控制第一段连接指节或第三段连接指节进行一定程度的旋转，根据所需抓取物体的大小来控制连接指节的旋转，进行更契合的抓取。
步骤六、对物体进行抓取后，确认物体已经抓取牢固；单片机输入一个特定的指令，对电位计进行锁死，防止无人机在飞行过程中的意外或操作失误导致物体脱落。
本发明具有的有益效果是：
(1)多功能脚架可以进行不同形态的切换，既能满足空中缩放脚架减小空气阻力，又能满足在不同场地的停留，更能满足对不同物体的抓取要求，并且使用摄像头和无线图传发射端能有效地观察到无人机下方的的场景，为降落不同场地和抓取物体做准备。
(2)对无人机的起降环境和飞行环境无特殊要求，满足多种需求，实现多功能效果，节约成本，性价比高。
(3)无人机降落时多个脚架可以减小地面对无人机的冲击力；无人机处于飞行状态中，脚架的展开有效的减小了无人机的体积，气囊的收缩减小无人机飞行时的风阻，进一步提高续航里程；在水面降落时无人机机体位置与水面有一定的高度差可以有效防止无人机机体进水，避免无人机内部电子元器件的损坏以及通过脚架的平铺和气囊的充气来增大与水面的接触面积，依靠气囊浮力达成在水面停留和有效减小水面对无人机的冲击力的效果；无人机在较为潮湿或者柔软的地面上降落时，脚架里侧的充气气囊可以有效缓解地面对无人机产生的冲击力，保护无人机安全降落在地面，提高了无人机的可靠性和稳定性；无人机在抓取物体时，脚架的收放可以更稳固得对不同大小的物体进行抓取，防止物体掉落；气囊不止能让无人机有效的在水面和湿地上停留，还能增大多功能脚架变型成机械勾爪时抓取物体的摩擦力，防止抓取过程中被抓取物体的滑落。
附图说明
图1是本发明实施例无人机多功能脚架的整体图；
图2是无人机多功能脚架中多功能脚架的x、y、z三轴方向图；
图3是无人机多功能脚架中多功能脚架中的一段脚架的立体图；
图4是无人机多功能脚架的无气囊和指尖套件时的多功能架的立体图；
图5是无人机多功能脚架中多功能脚架气囊的立体图；
图6是无人机多功能脚架中多功能脚架的立体图；
图7是无人机多功能脚架处于模式1时的状态图；
图8是无人机多功能脚架处于模式2时的状态图；
图9是无人机多功能脚架处于模式3时的状态图；
图10是无人机多功能脚架处于模式3气囊充气时的状态图；
图11是无人机多功能脚架处于模式4和模式5时的状态图；
图12是无人机多功能脚架抓取棍状物体时的示意图；
图13是无人机多功能脚架抓取球形物体时的示意图；
图14是无人机多功能脚架的流程图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步说明。
如图1所示，本发明提供一种无人机多功能脚架，包括无人机机体、图像采集模块和多个多功能脚架。
如图2所示，本发明的描述中会用到三维视图中的x、y、z三轴，并且本发明中有些需要理解的术语，如“上下”、“前后”、“左右”、“长度”、“厚度”、“内外”、“轴向”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化本发明。
如图3所示无人机的多功能脚架由三段所示的连杆指节构成，三段连杆指节两两之间通过一个电机组进行连接。
如图4所示第一连杆指节1通过第一电机组4与无人机机架相连，第二连杆指节2通过第二电机组5与第一连接指节1相连，第三连杆指节3通过电机组6与第二连接指节2相连。电动机组通过控制连杆指节的上指节套筒7的旋转来控制对应指节套筒连接的连杆指节的旋转；连杆指节的下指节套筒8可以在与下一节的连杆指节连接时增加连接的稳定性。如此设计，可以灵活的调整每个连杆指节的指向，增加了脚架结构的多样性，也可以防止多功能脚架在飞行过程中发生意外导致连杆指节的脱落。
如图5所示，气囊9靠近连杆指节的内侧端设有充气口，可以根据无人机的重量来对气囊进行一定程度的充放气体，保证气囊有足够的浮力和升力来帮助无人机漂浮在水面上。脚架气囊为可拆卸结构，且拆卸安装方法简单易操作。气囊可以在无人机进行抓取工作时增加与物体的摩擦力，保证抓取的稳定性，还可以避免物体与连杆指节刚接触时产生磨损。可以将气囊两侧小幅度的掰开，再将气囊内的插口13插入无人机脚架的嵌入口9内。其中插口结构简单重量轻便且嵌入后结构牢固，可以保证气囊在无人机飞行过程中不掉落。
如图6所示，指尖套件安装在无人机第三连杆指节的末端指节指尖11上。在无人机抓取物体时，帮助外部受力均匀分布在指节指尖11上，增大与物体的摩擦力，保证抓取的稳定性，还可以避免在物体与指节指尖11刚接触时产生磨损。这时的多功能脚架为正常工作时的脚架形态。
每个气囊垫内部填充有气体，填充气体的密度小于空气的密度。无人机在飞行过程中且处于模式2形态时，气囊可以为无人机提供一个向上的力且可以减轻气囊垫的重量，减小无人机飞行过程中的风阻。无人机处于模式3形态且无人机漂浮在水面上时，无人机脚架内侧的气囊可以有效地提供无人机一个向上的浮力，增大无人机与水面的接触面积并缓解水面对无人机的冲击力，保证无人机能够平稳漂浮在水面上。
这里需要说明的是，脚架远离无人机机体的中心轴线的一侧，可以理解为无人机的外侧，脚架靠近无人机机体的中心轴线的一侧，可以理解为无人机的内侧。
根据本发明的一些实施例，每个气囊垫的壁厚为t，t需满足t≥3mm。具体数值可以根据无人机的重量来适量增大气囊的壁厚，由此可以提高气囊的耐磨性和可靠性，防止气囊破裂，延长气囊的使用周期。处于模式2时脚架底面多个气囊的面积总和为s1，无人机在降落面的正投影面积为s2，s1、s2满足：s1≥s2。保证气囊有足够的浮力和升力来帮助无人机漂浮在水面上。其中s2不包括无人机机臂的展开面积。
以上提到过的气囊和指尖套件为硅胶件或橡胶件，也可以根据具体情况对材料进行更换，只需要不影响多功能脚架的使用情况。
如图7所示，无人机的各脚架内侧设置了气囊且气囊内填充气体的密度小于空气密度。只是脚架多于普通无人机，机体与普通无人机并无过多区别。无人机多功能脚架的第一连杆指节与机架的x轴处于一条直线、z轴相差45°，第一连杆指节与第二连杆指节x轴处于一条直线、z轴相差135°，第二连杆指节与第三连杆指节的姿态相同且处于一条直线。第三连杆指节在准备飞行阶段应该与地面处于垂直状态。由于处于模式1的无人机与正常无人机除了拥有8个脚架外没有过多区别，所以在降落场地与起飞场地方面没有任何特殊要求，并且在降落地面后可以减小地面对无人机的冲击力起到了保护作用，保证无人机的起飞与降落的稳定性。
如图8所示，当无人机处于飞行状态时，如果希望减小无人机飞行时的风阻，可将无人机调整至模式2。当调至模式2，第二连杆指节和第三连杆指节将旋转至第一连杆指节延伸出的直线方向即z轴正方向调整45°。此时三段连杆指节将处于同一条直线上，第二连杆指节和第三连杆指节调整结束后三段连杆指节也将整体向z轴正方向调整45°，这时多功能脚架将与机架平行。这时无人机的形态如图8所示。处于模式2时的多功能脚架与无人机机臂平行，能有效减小无人机飞行时的风阻，增加无人机有效飞行距离，保证无人机能够平稳飞行的同时增加飞行里程数。
如图9所示，当无人机摄像头观察到水面并且无人机需要进行水面停留工作时，可在降落途中将无人机调整至模式3。当调至模式3时，设调节前为模式2，则多功能脚架的第一连杆指节向z轴负方向调整45°，当第一连杆指节调整结束后第三连杆指节随第一连杆指节向z轴正方向调整45°，调整结束后第三连杆指节不发生变化。这时无人机的形态如图9所示。多功能脚架完成调整后，对脚架气囊进行充气，气囊完成充气后如图10所示。多功能脚架中的第一连杆指节与机架x轴处于一条直线、z轴相差45°能保证无人机与水面距离一定的高度，防止无人机机架以上部分电子元器件与水接触从而产生故障。无人机脚架内侧的气囊可以有效地提供无人机一个向上的浮力，增大无人机与水面的接触面积并缓解水面对无人机的冲击力，保证无人机能够平稳降落在水面上。
如图11所示，当无人机有抓取任务且摄像头观察到抓取任务目标时，可以在无人机飞至目标物体上空且相差一段距离时将无人机调至模式4或模式5。当调至模式4或模式5时，设调节前为模式3，则多功能脚架第一连杆指节不发生变化，第二连杆指节向z轴正方向调整90°，当第二连杆指节调整结束后第三连杆指节向z轴正方向调整45°。这时的无人机形态如图11所示。无人机的8个多功能脚架整体呈现出机械爪的姿态。遥控器上增添三个按钮，1号、2号按钮分别可以控制脚架沿z轴正负半轴运动的程度，3号按钮的作用则是开关脚架的锁死形态。当处于模式4时，1号按钮是控制多功能第一连杆指节沿z轴负方向运动，2号按钮是控制多功能脚架第一连杆指节沿z轴正方向运动；当处于模式5时，1号按钮是控制多功能脚架第三连杆指节沿z轴负方向运动，2号按钮是控制多功能脚架第三连杆指节沿z轴正方向运动。通过控制1号、2号按钮来控制脚架实现机械爪的抓取功能，通过摄像头来观察物体是否被抓取；当确定物体被抓取时可以通过按下3号按钮来对脚架进行锁死，除非再次按动三号按钮否则脚架将无法进行无人机模式变化和1号、2号按钮的按动来控制脚架。当由模式4转变到模式5(或者模式5转变到模式4)时脚架将不恢复到模式5(或模式4)的初始化形态，即保持原状不恢复至图11形态。在抓取不同物体时，通过选取的不同模式来控制脚架的变化，也可以分别控制第一连杆指节和第三连杆指节来更契合物体来达到更稳定地抓取，其中可以根据物体的大小、形状、具体组成等不同方面来进行判断。通过锁死形态可以更稳定得抓取物体，防止抓取后在飞行过程中多功能脚架的松动，导致物体在抓取或运送过程中掉落。脚架内侧安装有气囊，气囊可以在抓取物体过程中增大与物体接触的表面积并且增大摩擦力来防止物体的滑落。在运送过程中可以减小因意外导致的冲击力防止物体被损坏。
每个多功能脚架上都有三个电机机组，一共有八个多功能脚架，共计24个连杆指节。24个电机组根据在脚架上所处的段位置以8个为一组进行划分，并由单片机来控制。八个多功能脚架的第一连杆指节为一组，八个多功能脚架的第二连杆指节为一组，八个多功能脚架的第三连杆指节为一组。以8个一组为单位，分别对多功能脚架的每一段所处位置的电机组进行控制，一共控制三组，对应8个多功能脚架，24段连杆指节，24个电机组进行控制来控制所有脚架的运行形态。
本发明的每个电机组上都设置有一个电位计，如此设计的目的是电位计可以检测每个电机组的旋转角度，实现对连杆指节旋转角度的精密控制。其中电位计可以将自身检测到的电机组旋转角度数据传输到单片机上，通过单片机对电位计传输的电机组旋转角度的识别和判断来控制电机组的旋转停止。
连杆指节的锁死形态是由单片机来进行控制的。在不同的模式下，通过电位计检测出电机组的旋转角度。当单片机判断并检测到连杆指节旋转到目标角度时，通过控制器来对电机组进行控制，控制电机组停止旋转，达到对连杆指节的锁死。当连杆指节处于锁死形态时，除非再次按键来解除锁死形态，否则无人机连杆指节不会发生角度变化。
无人机的模式1、模式2、模式3是通过程序将连杆指节旋转到目标角度后进入锁死形态固定连杆指节的位置，来达到多功能脚架的分段控制。无人机的模式4、模式5则是通过旋转多功能脚架中的其他两段达到目标角度后进入锁死形态，再控制没有进入锁死形态的电机组转动来控制指定连杆指节缩放，达到可以更稳固地抓取物品的效果。
1.一种无人机多功能脚架，其特征在于，包括无人机机体、图像采集模块和多个多功能脚架；所述的图像采集模块包括底板、摄像头和无线图传发射端；底板与无人机机体的机身底部相固定；摄像头固定于底板上且摄像头不可移动；所述的多功能脚架包括底板、脚架气囊、多段连接指节、电机组和控制器；底板与无人机机体的机身底部相固定；第一段连接指节的上端与底板相接；控制器安装在无人机机体的内部；
所述的无线图传发射端安装在无人机机体内部，摄像头通过单片机和无线图传发射端以及显示器实现摄像头拍摄到景象的传送和显示功能；无线图传发射端用于将拍摄景象传送到地面站；
所述的电机组包括控制电机、电位计、控制齿轮和轴承；控制齿轮通过轴承安装在控制电机上；电位计设置在控制电机上；控制器通过导线与控制电机和电位计相连；
所述的脚架气囊的内侧有插口，插口固定在脚架气囊的内侧；所述的连接指节上设置有插孔，连接指节可以与脚架气囊相固定；脚架气囊可以将连接指节半包裹，且通过插口连接气囊；
所述的连接指节包括第一连接指节、第二连接指节和第三连接指节；所述的各段连接指节上端固定有上指节套筒，各段连接指节下端固定有下指节套筒；第一连接指节的上指节套筒与多功能脚架底板之间通过第一电机组嵌入连接；第一连接指节的下指节套筒与第二连接指节的上指节套筒之间通过第二电机组嵌入连接；第二连接指节的下指节套筒与第三连接指节的上指节套筒之间通过第三电机组嵌入连接。
2.根据权利要求1所述的一种无人机多功能脚架，其特征在于：所述的嵌入连接是通过电机组与连接指节进行啮合；控制电机在开始转动时带动控制齿轮的旋转，并通过控制齿轮的旋转来带动连接指节的旋转；电机组在嵌入连接后与两端连接指节的上下指节套筒固定。
3.根据权利要求1所述的一种无人机多功能脚架，其特征在于：无人机多功能脚架包括单片机；单片机有多个外置接口，部分接口与无线图传发射端相连，无线图传发射端另一接口与摄像头连接；部分接口通过控制器与多功能脚架的连接口相连。
4.根据权利要求1所述的一种无人机多功能脚架，其特征在于：所述的多功能脚架共安装8个，每过一定的角度安装一个多功能脚架；可根据不同的情况如无人机的质量、抓取物体的质量、飞行里程数的需要等情况安装不同数量的多功能脚架。
5.根据权利要求1所述的一种无人机多功能脚架，其特征在于，无人机停留在水面或湿地上的降落方法，包括以下步骤：
步骤一、无人机在空中飞行；通过摄像头观察到目标水面或湿地，将无人机飞行至目的地的上方；
步骤二、缓慢下降无人机与水面的高度；当无人机距离水面一定距离时，调整无人机的多功能脚架形态，将无人机调节至水面或湿地停留形态；
步骤三、通过电机组的旋转带动连接指节的旋转，完成第一段连接指节与机臂的夹角为45°，第二段连接指节与机臂平行，第三段连接指节与机臂平行的形态变化；
步骤四、多功能脚架旋转至指定角度时，电机组内的电位计传输信号给单片机，控制电机组停止旋转，并对多功能脚架上的脚架气囊进行充气；
步骤五、无人机的多功能脚架形态调整结束后控制无人机下降；下降至水面或湿地后，无人机依靠脚架气囊的浮力成功停留在指定水面或湿地，完成降落。
6.根据权利要求1所述的一种无人机多功能脚架，其特征在于，当多功能脚架作为机械爪时，无人机抓取物体的操作方法，包括以下步骤：
步骤一、无人机在空中飞行；通过摄像头观察到所需抓取的物体，将无人机飞行至目的地的上方；
步骤二、飞行至目的地上方，缓慢下降无人机；当无人机距离所需抓取的物体一定距离时，调整无人机多功能脚架的形态，将无人机多功能脚架调节至机械爪形态；
步骤三、通过电机组的旋转带动连接指节的旋转，完成第一段连接指节旋转与机臂夹角为45°，第二段连接指节与第一段连接指节夹角为135°，第三段连接指节与第二段连接指节夹角为135°的形态变化；
步骤四、多功能脚架旋转至指定角度时，电机组内的电位计传输信号给单片机，控制电机组停止旋转；
步骤五、无人机的多功能脚架形态调整结束后，根据多功能脚架的不同形态，可以对第一段连接指节或第三段连接指节进行一定程度的旋转，根据所需抓取物体的大小来控制连接指节的旋转，进行更契合的抓取；
步骤六、对物体进行抓取后，确认物体已经抓取牢固；单片机输入一个特定的指令，对电位计进行锁死，防止无人机在飞行过程中的意外或操作失误导致物体脱落。
技术总结