陆空两栖无人机陆行系统的设计与实现

孙霖+魏东栋+杨益钧+丁宁

摘 要：陆空无人机的陆行系统，包括无轮毂设计的轮子、轮子的基座，N20减速电机驱动，控制系统。基座制作方式为3D打印，上部与机架以螺栓螺母形式连接。驱动电机、多级减速齿轮及轮子安装在基座上。轮子与齿轮材料为亚克力有机玻璃板，由激光雕刻机切割成设计好的形状。驱动电机采用N20减速电机，由单片机驱动并调节电机转速从而改变轮子的速度。电池为7.4V锂电池，作为陆行部分的动力源。

关键词：陆空无人机；无轮毂轮系；设计；实现

当前无人机仅有飞行状态，此状态会消耗大量能源，而其对重量的要求限制了大容量电池的使用，因此续航问题成为当今限制无人机发展的一个重要因素。此设计将为无人机增加另一种运行状态——陆行。在借助无人机侦查或救援时，可以通过陆行来达到隐蔽、增加无人机的续航时间。同时，轮子的无轮毂设计大大减少了轮子结构的重量，从而保障了无人机的长续航。

利用机械设计软件Solidworks设计整个陆行结构的机械结构（使用3D打印机和激光雕刻机制作零件）。由控制系统输出到电机再到减速齿轮最终传递到轮子，整个传动链结构紧凑，传动可靠性高。轮子的无轮毂设计参考了无轮毂自行车及无轮毂摩托车的设计思路并作创新，使轮子部分拆装、更换方便，同时轮子中间的空间为飞行部分留出了足够的空间，可用于安装旋翼，并对旋翼有一定的保护作用。

1 陆行系统的机械结构设计

1.1 陆行系统的组成结构

陆行系统的组成零件包括：轮子、轮基座、驱动电机、齿轮、支撑板、挡圈、电机座、螺栓螺母。

基座的位置和大小由无人机的机架和飞行部分决定，采用可调方式固定于机架。电机通过支撑板与固定支架固定在基座上，齿轮位置由基座上的中心轴定位并由套环对其进行轴向限位。轮子通过定位销与卡槽辅以垫片的配合固定在基座上电池与控制系统固定于机架。整个基座的结构设计可使轮子轻松安装、准确定位、快捷行驶机能，同时多个减重孔的设计在减轻重量的同时保证了基座的强度要求。

1.2 无轮毂车轮方案设计

无轮毂车轮部分包括轮基座、车轮、定位销。

无轮毂车轮设计的难点在于车轮的定位。对于传统的轮子结构，只需定位轮轴以及轴向即可，但是无轮毂车轮中空的外形使其无法通过轮轴来定位旋转轴心，所以需要寻找其他的方案。

考虑到从车轮形状为圆形，定位其旋转轴心可以通过定位与其同轴心的一个圆来实现，即采用“两点+直径”的方式来确定。即在车轮上对称的开两个同心圆形凹槽，两组定位销一段插进凹槽，另一端固定在轮基座上，定位销形成定位中的“两点”，而直径则通过凹槽的直径来约束，从而达到定位旋转轴心的目的。

然而在实际制造中发现采用两组定位销来形成“两点+直径”的定位方式容易使车轮残生晃动，影响其运动稳定性。为了消除车轮的晃动，决定将两组定位销增加到三组共六个圆柱销，对称布置。无轮毂的结构使支撑整机所需的支持力仅由圆柱销来提供，齿轮副仅受到使车轮旋转的驱动力，减轻了齿轮轮齿的受力，增加了齿轮结构的耐用度。

1.3 控制部分的设计

控制部分主要包括电源、分电板、单片机和电机驱动。电源输出电压为7.4V，输出端连接分电板输入端，分电板通过降压和稳压可以稳定输出6V电压和5V电压。分电板6V输出端连接电机驱动，为减速电机供电；5V输出端连接单片机，为单片机供电。电机驱动的信号输入端与单片机相连，四路输出分别与四个车轮的减速电机相连，单片机可控制电机实现启停、加减速、正反转动作，进而实现对陆行系统的控制。

2 陆行系统的实现方案

2.1 机械结构的实现

采用Solidworks建立各个零件的3D模型，模拟装配并作运动仿真分析以及有限元强度分析及跌落分析。由于机架与飞行部分的安装空间限制，同时考虑到無轮毂车轮的安装运动以及电机的配置，经多次模拟与仿真实验，将轮基座的外形确定为上方形下扇形的结构。另外，无人机的陆行速度须由电机参数和减速齿轮副共同确定，使电机、齿轮和轮子在基座上的位置合理分配。根据需求选择无人机陆行最大速度，并结合车轮外径、电机额定转速确定传动比及合适的齿轮模数，再综合考虑整个装配的位置分配，检查是否存在零件干涉、材料是否合适。

为了追求无人机的轻量化，应注意再合适的零件上做出减重孔；在选择各个零部件材料时，尽量选择密度低且强度高经济型强的材料，以保证各个部件在行驶过程中能正常工作，又不会因为冲击或震动而发生零件的断裂或卡死，从而影响整个无人机的性能。

强度方面，使用Solidworks进行有限元分析，在陆行正常运行的时候作用在齿轮轮齿及轮基座上的力引起的形变均在微米级，即正常运行中各零件可视为刚体且不易失效。考虑到无人机在飞行状态下可能会发生故障而跌落，所以，我们选用强度较高的材料；轮基座3D打印，材料为尼龙；车轮、齿轮、支撑板以及挡圈材料为亚克力板，激光雕刻机切割成型。

2.2 车轮结构的实现

车轮结构为带槽板件，制作方案初定三种；1.使用3D打印制作；2.购买一块板件在数控铣床上铣出凹槽；3.将一个车轮分解为三层，中间一层为无槽板，两侧为有槽板，粘接三层板件制成车轮。

最终选择方案三。对于方案一，3D打印价格较高，且根据车轮形状，打印后不易取下；对于方案二，板件装夹为加工难题，铣刀较难加工出车轮上的轮齿，且只能寻找到三轴立铣床，想加工两侧凹槽只能二次装夹，不能保证加工精度。相较于前两种方案，第三种方案价格低廉、最易操作且精度较高。

2.3 控制部分的实现

采用2S锂电池作为控制部分供电电源，稳定出7.4V电压。锂电池具有能量密度高、质量轻、温度适应性强、寿命长等优点，符合无人机对轻量化、长续航的要求。

采用ATmega128单片机作为陆行系统的主控单片机，搭配L298n驱动器来驱动四个减速电机。ATmega128是ATMEL公司8位单片机中配置最高的一款，它工作稳定性极高，而且功耗较低，十分适用于陆空两用无人机陆行系统的控制。L298n具有两路输入和两路输出，处于对角线位置的一对电机共用一路输出，当单片机控制两路电机同向同速转动时，无人机将向前或向后行驶，当动机控制两路电机不同向或差速转动时，无人机即可转弯行驶。

3 结论

该陆空无人机的陆行系统结构，

1.能够满足陆空无人机的陆行要求，运行速度可由遥控器来实时控制；

2.该结构与飞行部分旋翼互不干涉但又配置紧密，使无人机结构紧凑又不失设计美感；

3.无轮毂的车轮设计，为目前比较吸引眼球的设计，相较于其他概念设计采用的从动轮无轮毂式，此设计在主动轮上采用无轮毂形式，是更加彻底的无轮毂设计。中空的车轮大大节省了陆行系统占用空间，同时也为无人机减轻了很多重量。