CN105775114B - 一种可变倾桨多自由度敏捷飞行旋翼无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明一种可变倾桨多自由度敏捷飞行旋翼无人机，包括机身、四个旋翼杆、四组倾转旋翼***、电池以及飞行控制器，它们之间的相互关系如下：机身位于飞行器的中央，机身周围有四个均匀分布的凹槽，四个旋翼杆分别***凹槽内并用铜柱固定连接，四组倾转旋翼***分别安装在四个旋翼杆上，飞行控制器固定在机身正上方，电池固定在机身正下方。在普通任务下可以当作普通四旋翼使用，在特殊任务下，如空间狭小等问题，要求平飞，则切换成另一种模式。这种特殊状况，通过第一舵机***与第二舵机***实现螺旋桨俯仰以及滚转方向上的运动，通过增加自由度提高控制的敏捷性与机动性，并使无人机能够实现任意轨迹追踪，为无人机执行高难度任务打下基础。

Description

一种可变倾桨多自由度敏捷飞行旋翼无人机
【技术领域】
本发明设计一种可变倾桨多自由度敏捷飞行旋翼无人机，它提供了一种敏捷性强、机动性强、能够实现任意轨迹追踪的无人机，属于飞行器设计领域。
【背景技术】
无人机是一种体型较小、无人驾驶，能够在空中实现自主飞行并执行一定任务的飞行器。无人机与普通飞机相比，其结构简单成本低，便于制造和维护；由于无人驾驶，所以其有效载荷更大，能够安装更多的设备或武器，完成任务的效率和可靠性更高；而且即使出现意外险情也不会危及到飞行员的生命安全，因此广泛应用于各种高风险的任务中。按照结构的不同，无人机可以分为固定翼无人机和旋翼无人机两种，将这两种类型的无人机进行比较，旋翼机有十分突出的优点：体积小、质量小、操纵简单、起降空间小不需要滑跑或弹射、悬停在空中制起来非常灵活等等。垂直起降的无人机对于研究者、爱好者和军事上都非常流行。四旋翼直升机是旋翼机的一种，它是由电机驱动旋翼转动的、能够垂直起降的飞行器。与常规旋翼式直升机相比，其结构更为紧凑，能够产生更大的升力，并且4只旋翼可相互抵消反扭力矩，而不需要专门的反扭矩桨。四旋翼的适应性越好，它们能解决的复杂任务越多。
在小型无人机领域，四旋翼飞行器是最普通最稳定的一种类型，但是由于普通四旋翼仍然是欠驱动强耦合***并且其动力学设计简单且未能被完全开发，以至于无法完成一些复杂动作以及一些高难度任务，需要在飞行时要调整位置时必须要调整姿态，例如必须侧倾机身才能实现前进后退或转向动作，因而降低了其可操纵性和灵敏性。
【发明内容】
为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种机动性强、能够实现任意轨迹追踪的一种可变倾桨多自由度敏捷飞行旋翼无人机。
为了实现上述目的，本发明一种可变倾桨多自由度敏捷飞行旋翼无人机，包括机身、四个旋翼杆、四组倾转旋翼***、电池以及飞行控制器，它们之间的相互关系如下：机身位于飞行器的中央，机身周围有四个均匀分布的凹槽，四个旋翼杆分别***凹槽内并用铜柱固定连接，四组倾转旋翼***分别安装在四个旋翼杆上，飞行控制器固定在机身正上方，电池固定在机身正下方。
所述机身分别由上载物平台、铜柱、下载物平台、脚架及起落架底座构成。它们之间的相互关系如下：上载物平台与下载物平台通过铜柱连接起来，下载物平台下侧与脚架上侧连接，起落架底座安装在脚架下侧。
所述上载物平台与下载物平在为相同的八边形平板，平板上打了不同的孔用于减轻重量，上载物平台与下载物平台通过铜柱连接构成载物平台，用于承载物体。
所述脚架为四轴X8型脚架，用于连接载物平台与起落架底座。
所述起落架底座为两根碳纤长管，将其***起落架连杆下方凹槽，同时可在起落架底座两点固定环形胶皮用于降落减震。
所述旋翼杆为空心碳纤维圆杆，用于连接机身与倾转旋翼***。
所述每组倾转旋翼***由一个直流无刷电机、一个螺旋桨、第一舵机***、第二舵机***及一个舵机连杆构成。它们之间的相互关系如下：螺旋桨安装在直流无刷电机上，直流无刷电机固定在第一舵机***，第一舵机***与旋翼杆连接，第二舵机***固定在旋翼杆上，第一舵机***与第二舵机***之间通过舵机连杆连接。所述倾转旋翼***的作用是用于控制螺旋桨的俯仰和滚转运动。
该第一舵机***由倾转***和第一舵机架***构成。它们之间的相互关系如下：倾转***安装在第一舵机架***上侧。该倾转***由第一伺服舵机和两个前轮转向器构成。它们之间的相互关系如下：两个前轮转向器交叉固定，第一伺服舵机固定在前轮转向器侧面。该第一舵机架***由一片“U”型铝片和一块碳纤板构成。它们之间的相互关系如下：碳纤板固定在铝片上侧。
该第二舵机***由第二伺服舵机和第二舵机架***构成。它们之间的相互关系如下：第二伺服舵机固定在第二舵机架***下侧，第二舵机***固定在旋翼杆上。
所述飞行控制器为Pixhawk开源飞控板，用于控制直流无刷电机、第一伺服舵机以及第二伺服舵机的转速，进而控制旋翼飞行器飞行姿态。
本发明优点及功效在于：该多自由度倾桨四旋翼无人机在普通任务下可以当作普通四旋翼使用，即通过调整四个电机的转速来调整姿态进而调整飞行模式，调整位置。在特殊任务下，如空间狭小等问题，要求平飞，则切换成另一种模式。这种特殊状况，通过第一舵机***与第二舵机***实现螺旋桨俯仰以及滚转方向上的运动，通过增加自由度提高控制的敏捷性与机动性，并使无人机能够实现任意轨迹追踪，为无人机执行高难度任务打下基础。
【附图说明】
图1是多自由度倾桨四旋翼无人机结构示意图。
图2是多自由度倾桨四旋翼无人机机身示意图图。
图3是多自由度倾桨四旋翼无人机倾转旋翼***结构示意图。
图4是前轮转向器。
图5是前轮转向器组合示意图。
图中标号说明如下：
1、起落架底座 2、脚架 3、上载物平台 4、铜柱
5、下载物平台 6、旋翼杆 7、第二伺服舵机 8、舵机连接杆
9、“U”型铝片 10、第一伺服舵机 11、前轮转向器 12、舵机架连接板
13、直流无刷电机 14、螺旋桨
【具体实施方式】
本发明是一种可变倾桨多自由度敏捷飞行旋翼无人机，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步的详细说明。
图1为本发明实施中多自由度倾桨四旋翼无人机结构示意图。该产品包括机身、四个旋翼杆、四组倾转旋翼***、电池以及飞行控制器，它们之间的相互关系如下：机身位于飞行器的中央，机身周围有四个均匀分布的凹槽，四个旋翼杆分别***凹槽内并用铜柱固定连接，四组倾转旋翼***分别安装在四个旋翼杆上，飞行控制器固定在机身正上方，电池固定在机身正下方。该飞行控制器选用Pixhawk开源飞控板，该飞控板有8个PWM输出口和6个辅助输出口，这个6个辅助输出口可以当作正常的PWM输出口使用。电池可以选用多种型号，这里选用一块5s电池。
所述的机身如图2所示，分别由上载物平台(图2中标号4)、铜柱(图2中标号3)、下载物平台(图2中标号5)、脚架(图2中标号2)、起落架底座(图2中标号1)构成。它们之间的相互关系如下：上载物平台与下载物平台通过铜柱连接起来，下载物平台下侧与脚架上侧连接，起落架底座安装在脚架下侧。该上载物平台与下载物平台的材料均是碳纤维，为了减轻上、下载物平台的重量，分别在上、下载物平台上打出了不同的孔。起落架底座为两根碳纤长管，将其***脚架下方凹槽，同时可在起落架底座两点固定环形胶皮用于降落减震。
所述每组倾转旋翼***如图3所示，它由一个直流无刷电机(图3中标号12)、一个螺旋桨(图4中标号13)、第一舵机***、第二舵机***、一个舵机连杆(图3中标号8)构成。它们之间的相互关系如下：螺旋桨安装在直流无刷电机上，直流无刷电机固定在第一舵机***，第一舵机***与旋翼杆连接，第二舵机***固定在旋翼杆上，第一舵机***与第二舵机***之间通过舵机连杆连接。这里直流无刷电机选用580KV朗宇X4110S电机，螺旋桨选用APC1447桨。
该第一舵机***由倾转***、第一舵机架***构成。它们之间的相互关系如下：倾转***安装在第一舵机架***上侧。该倾转***由第一伺服舵机、两个前轮转向器构成。它们之间的相互关系如下：两个前轮转向器交叉固定，第一伺服舵机固定在前轮转向器侧面。前轮转向器如图4所示，两个前轮转向器具体安装如图5所示，将两个前轮转向器交叉固定，同时在前轮转向器一侧固定一个舵盘。将第一伺服舵机与舵盘连接，并且固定在第一伺服舵机架***上。该第一舵机架***由一片“U”型铝片(图中标号9)和一块舵机架连接板(图中标号12)构成。它们之间的相互关系如下：舵机架连接板固定在铝片上侧。舵机架连接板为一块碳纤维板，用于连接“U”型铝片，同时固定舵机。
该第二舵机***由第二伺服舵机、第二舵机架***构成。它们之间的相互关系如下：第二伺服舵机固定在第二舵机***下侧，第二舵机***固定在旋翼杆上。
按照上述过程将飞行器安装完成，将电源接通后，通过增大直流无刷电机的转速，使得飞行器可以起飞；在空中时，当升力大于重力时，飞行器垂直上升，当升力与重力相同时，飞行器可以悬停到空中。通过改变第一伺服舵机与第二伺服舵机的转速，使螺旋桨产生滚转与俯仰运动，进而使无人机可以向各个方向飞行。当飞行任务结束后，恢复四个螺旋桨方向垂直向上，缓慢减小直流无刷电机的转速，升力逐渐变小，最终飞行器降落。

Claims (7)

1.一种可变倾桨多自由度敏捷飞行旋翼无人机，其特征在于：它包括机身、四个旋翼杆、四组倾转旋翼***、电池以及飞行控制器；它们之间的相互关系如下：机身位于飞行器的中央，机身周围有四个均匀分布的凹槽，四个旋翼杆分别***凹槽内并用铜柱固定连接，四组倾转旋翼***分别安装在四个旋翼杆上，飞行控制器固定在机身正上方，电池固定在机身正下方；
其中，每组所述倾转旋翼***由一个直流无刷电机、一个螺旋桨、第一舵机***、第二舵机***及一个舵机连杆构成；它们之间的相互关系如下：螺旋桨安装在直流无刷电机上，直流无刷电机固定在第一舵机***，第一舵机***与旋翼杆连接，第二舵机***固定在旋翼杆上，第一舵机***与第二舵机***之间通过舵机连杆连接；所述倾转旋翼***的作用是用于控制螺旋桨的俯仰和滚转运动；
其中，该第一舵机***由倾转***和第一舵机架***构成；倾转***安装在第一舵机架***上侧；该倾转***由第一伺服舵机和两个前轮转向器构成；两个前轮转向器交叉固定，第一伺服舵机固定在前轮转向器侧面；该第一舵机架***由一片“U”型铝片和一块碳纤板构成；碳纤板固定在铝片上侧；该第二舵机***由第二伺服舵机和第二舵机架***构成；第二伺服舵机固定在第二舵机架***下侧，第二舵机***固定在旋翼杆上；
其中，所述机身分别由上载物平台、铜柱、下载物平台、脚架及起落架底座构成。
2.根据权利要求1所述的一种可变倾桨多自由度敏捷飞行旋翼无人机，其特征在于：所述上载物平台与下载物平台通过铜柱连接，下载物平台下侧与脚架上侧连接，起落架底座安装在脚架下侧。
3.根据权利要求2述的一种可变倾桨多自由度敏捷飞行旋翼无人机，其特征在于：所述上载物平台与下载物平台为相同的八边形平板，平板上打了不同的孔用于减轻重量，上载物平台与下载物平台通过铜柱连接构成载物平台，用于承载物体。
4.根据权利要求1述的一种可变倾桨多自由度敏捷飞行旋翼无人机，其特征在于：所述脚架为四轴X8型脚架，用于连接载物平台与起落架底座。
5.根据权利要求1述的一种可变倾桨多自由度敏捷飞行旋翼无人机，其特征在于：所述起落架底座为两根碳纤长管，将其***起落架连杆下方凹槽，同时在起落架底座两点固定环形胶皮用于降落减震。
6.根据权利要求1述的一种可变倾桨多自由度敏捷飞行旋翼无人机，其特征在于：所述旋翼杆为空心碳纤维圆杆，用于连接机身与倾转旋翼***。
7.根据权利要求1述的一种可变倾桨多自由度敏捷飞行旋翼无人机，其特征在于：所述飞行控制器为Pixhawk开源飞控板，用于控制直流无刷电机、第一伺服舵机以及第二伺服舵机的转速，进而控制旋翼飞行器飞行姿态。
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