陸空兩棲無人機陸行系統的設計與實現

孫霖+魏東棟+楊益鈞+丁寧

摘 要：陸空無人機的陸行系統，包括無輪轂設計的輪子、輪子的基座，N20減速電機驅動，控制系統。基座制作方式為3D打印，上部與機架以螺栓螺母形式連接。驅動電機、多級減速齒輪及輪子安裝在基座上。輪子與齒輪材料為亞克力有機玻璃板，由激光雕刻機切割成設計好的形狀。驅動電機采用N20減速電機，由單片機驅動并調節電機轉速從而改變輪子的速度。電池為7.4V鋰電池，作為陸行部分的動力源。

關鍵詞：陸空無人機；無輪轂輪系；設計；實現

當前無人機僅有飛行狀態，此狀態會消耗大量能源，而其對重量的要求限制了大容量電池的使用，因此續航問題成為當今限制無人機發展的一個重要因素。此設計將為無人機增加另一種運行狀態——陸行。在借助無人機偵查或救援時，可以通過陸行來達到隱蔽、增加無人機的續航時間。同時，輪子的無輪轂設計大大減少了輪子結構的重量，從而保障了無人機的長續航。

利用機械設計軟件Solidworks設計整個陸行結構的機械結構（使用3D打印機和激光雕刻機制作零件）。由控制系統輸出到電機再到減速齒輪最終傳遞到輪子，整個傳動鏈結構緊湊，傳動可靠性高。輪子的無輪轂設計參考了無輪轂自行車及無輪轂摩托車的設計思路并作創新，使輪子部分拆裝、更換方便，同時輪子中間的空間為飛行部分留出了足夠的空間，可用于安裝旋翼，并對旋翼有一定的保護作用。

1 陸行系統的機械結構設計

1.1 陸行系統的組成結構

陸行系統的組成零件包括：輪子、輪基座、驅動電機、齒輪、支撐板、擋圈、電機座、螺栓螺母。

基座的位置和大小由無人機的機架和飛行部分決定，采用可調方式固定于機架。電機通過支撐板與固定支架固定在基座上，齒輪位置由基座上的中心軸定位并由套環對其進行軸向限位。輪子通過定位銷與卡槽輔以墊片的配合固定在基座上電池與控制系統固定于機架。整個基座的結構設計可使輪子輕松安裝、準確定位、快捷行駛機能，同時多個減重孔的設計在減輕重量的同時保證了基座的強度要求。

1.2 無輪轂車輪方案設計

無輪轂車輪部分包括輪基座、車輪、定位銷。

無輪轂車輪設計的難點在于車輪的定位。對于傳統的輪子結構，只需定位輪軸以及軸向即可，但是無輪轂車輪中空的外形使其無法通過輪軸來定位旋轉軸心，所以需要尋找其他的方案。

考慮到從車輪形狀為圓形，定位其旋轉軸心可以通過定位與其同軸心的一個圓來實現，即采用“兩點+直徑”的方式來確定。即在車輪上對稱的開兩個同心圓形凹槽，兩組定位銷一段插進凹槽，另一端固定在輪基座上，定位銷形成定位中的“兩點”，而直徑則通過凹槽的直徑來約束，從而達到定位旋轉軸心的目的。

然而在實際制造中發現采用兩組定位銷來形成“兩點+直徑”的定位方式容易使車輪殘生晃動，影響其運動穩定性。為了消除車輪的晃動，決定將兩組定位銷增加到三組共六個圓柱銷，對稱布置。無輪轂的結構使支撐整機所需的支持力僅由圓柱銷來提供，齒輪副僅受到使車輪旋轉的驅動力，減輕了齒輪輪齒的受力，增加了齒輪結構的耐用度。

1.3 控制部分的設計

控制部分主要包括電源、分電板、單片機和電機驅動。電源輸出電壓為7.4V，輸出端連接分電板輸入端，分電板通過降壓和穩壓可以穩定輸出6V電壓和5V電壓。分電板6V輸出端連接電機驅動，為減速電機供電；5V輸出端連接單片機，為單片機供電。電機驅動的信號輸入端與單片機相連，四路輸出分別與四個車輪的減速電機相連，單片機可控制電機實現啟停、加減速、正反轉動作，進而實現對陸行系統的控制。

2 陸行系統的實現方案

2.1 機械結構的實現

采用Solidworks建立各個零件的3D模型，模擬裝配并作運動仿真分析以及有限元強度分析及跌落分析。由于機架與飛行部分的安裝空間限制，同時考慮到無輪轂車輪的安裝運動以及電機的配置，經多次模擬與仿真實驗，將輪基座的外形確定為上方形下扇形的結構。另外，無人機的陸行速度須由電機參數和減速齒輪副共同確定，使電機、齒輪和輪子在基座上的位置合理分配。根據需求選擇無人機陸行最大速度，并結合車輪外徑、電機額定轉速確定傳動比及合適的齒輪模數，再綜合考慮整個裝配的位置分配，檢查是否存在零件干涉、材料是否合適。

為了追求無人機的輕量化，應注意再合適的零件上做出減重孔；在選擇各個零部件材料時，盡量選擇密度低且強度高經濟型強的材料，以保證各個部件在行駛過程中能正常工作，又不會因為沖擊或震動而發生零件的斷裂或卡死，從而影響整個無人機的性能。

強度方面，使用Solidworks進行有限元分析，在陸行正常運行的時候作用在齒輪輪齒及輪基座上的力引起的形變均在微米級，即正常運行中各零件可視為剛體且不易失效。考慮到無人機在飛行狀態下可能會發生故障而跌落，所以，我們選用強度較高的材料；輪基座3D打印，材料為尼龍；車輪、齒輪、支撐板以及擋圈材料為亞克力板，激光雕刻機切割成型。

2.2 車輪結構的實現

車輪結構為帶槽板件，制作方案初定三種；1.使用3D打印制作；2.購買一塊板件在數控銑床上銑出凹槽；3.將一個車輪分解為三層，中間一層為無槽板，兩側為有槽板，粘接三層板件制成車輪。

最終選擇方案三。對于方案一，3D打印價格較高，且根據車輪形狀，打印后不易取下；對于方案二，板件裝夾為加工難題，銑刀較難加工出車輪上的輪齒，且只能尋找到三軸立銑床，想加工兩側凹槽只能二次裝夾，不能保證加工精度。相較于前兩種方案，第三種方案價格低廉、最易操作且精度較高。

2.3 控制部分的實現

采用2S鋰電池作為控制部分供電電源，穩定出7.4V電壓。鋰電池具有能量密度高、質量輕、溫度適應性強、壽命長等優點，符合無人機對輕量化、長續航的要求。

采用ATmega128單片機作為陸行系統的主控單片機，搭配L298n驅動器來驅動四個減速電機。ATmega128是ATMEL公司8位單片機中配置最高的一款，它工作穩定性極高，而且功耗較低，十分適用于陸空兩用無人機陸行系統的控制。L298n具有兩路輸入和兩路輸出，處于對角線位置的一對電機共用一路輸出，當單片機控制兩路電機同向同速轉動時，無人機將向前或向后行駛，當動機控制兩路電機不同向或差速轉動時，無人機即可轉彎行駛。

3 結論

該陸空無人機的陸行系統結構，

1.能夠滿足陸空無人機的陸行要求，運行速度可由遙控器來實時控制；

2.該結構與飛行部分旋翼互不干涉但又配置緊密，使無人機結構緊湊又不失設計美感；

3.無輪轂的車輪設計，為目前比較吸引眼球的設計，相較于其他概念設計采用的從動輪無輪轂式，此設計在主動輪上采用無輪轂形式，是更加徹底的無輪轂設計。中空的車輪大大節省了陸行系統占用空間，同時也為無人機減輕了很多重量。