CN105857595A - 一种基于云台的小型飞行器*** - Google Patents

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阮晓钢
伊朝阳
朱晓庆
蔡建羡
黄静
林佳
陈志刚
***
肖尧
柴洁
刘冰
陈岩
李�诚
李棒
栾天
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Abstract

一种基于云台的小型飞行器***，包括机架、传感器盒、云台滚转舵机、云台俯仰舵机、云台外框架、云台内框架、上螺旋桨、下螺旋桨、上螺旋桨驱动电机、下螺旋桨驱动电机、控制单元、伸缩杆、吊舱。本飞行器***可通过对云台的姿态调整和螺旋桨转速的控制，完成对飞行器位姿的控制：机身的偏航角由上下两个螺旋桨的差动旋转产生的反扭矩来控制，螺旋桨的俯仰角和滚转角控制由舵机牵引云台进行旋转来实现；空间位置的控制由螺旋桨驱动电机和云台的姿态调整来实现。本发明***设计简单可靠，结构清晰明了，扩展了已有的旋翼类飞行结构和控制方案，同时也是一个优越的空间运载工具，具有相当的实用价值。

Description

一种基于云台的小型飞行器***
技术领域
本发明提出了一种一种基于云台的小型飞行器***，提出了一种新型的旋翼类飞行器的物理结构，并给出了相应的控制方案，属于旋翼类飞行器领域。
背景技术
随着控制理论的不断发展，无人飞行器也受到各国研究者的关注，世界上产生了各式各样的飞行器，对于其中机械结构简单、占地体积小旋翼类飞行器尤为引人关注。但大多是对机身的姿态进行控制，来改变螺旋桨升力的方向，从而实现对飞行器空间位置的控制。但这种方法和结构就要求机身姿态的可控制器件比较多，才能完成对***姿态的调整。这样就使得机体结构和控制算法变得复杂起来。针对上述存在的问题，本发明提出一种一种基于云台的小型飞行器***，本飞行器***具有六个方向自由度，更重要的是在物理结构上，由云台的姿态控制代替了传统对机身的姿态控制，更为简单方便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一种基于云台的小型飞行器***，扩展了已有的旋翼类飞行结构和控制方案，同时也是一个优越的空间运载工具，具有相当的实用价值。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，参照图1：包括机架(1)、传感器盒(2)、云台滚转舵机(3)、云台俯仰舵机(4)、云台外框架(5)、云台内框架(6)、上螺旋桨(7)、下螺旋桨(8)，上螺旋桨驱动电机(9)、下螺旋桨驱动电机(10)、控制单元(11)、伸缩杆(12)、吊舱(13)；云台内框架(6)作为电机的支座并固定上螺旋桨驱动电机(9)、下螺旋桨驱动电机(10)，上螺旋桨驱动电机(9)、下螺旋桨驱动电机(10)以螺旋桨转轴为中心并左右对称分布；下螺旋桨(8)的转轴为中空结构，使得上螺旋桨(7)的转轴能够穿过下螺旋桨(8)的转轴，实现上螺旋桨、下螺旋桨共轴线的独立转动，上螺旋桨驱动电机(9)通过齿轮传动机构带动上螺旋桨(7)进行转动，下螺旋桨驱动电机(10)通过齿轮传动机构带动螺旋桨(8)进行转动；云台滚转舵机(3)固定在机架(1)上，云台俯仰舵机(4)固定在云台外框架(5)上；云台外框架(5)的转轴穿过机架(1)与云台滚转舵机(3)连接，使云台滚转舵机(3)能带动云台外框架(5)进行滚转运动；云台内框架(6)的转轴穿过云台外框架(5)与云台俯仰舵机(4)连接，使云台俯仰舵机(4)能带动云台内框架(6)进行俯仰运动；传感器盒(2)固定在云台内框架(6)的下方，传感器盒(2)用以检测云台内框架(6)的姿态信息；伸缩杆(12)将机架(1)和吊舱(13)固定相连，并能够调整吊舱(13)和机架(1)的距离，从而完成对***重心的调整；控制单元(11)固定于吊舱(13)内，控制单元(11)用以发送控制信号到各个控制器件中。
***可由一个双框架结构的云台外框架(5)、云台内框架(6)及上螺旋桨(7)、下螺旋桨(8)实现对飞行器空间位置和姿态的控制，以云台的姿态控制来代替传统飞行器对机身的姿态控制。因此***可以放弃对机身俯仰和滚转的控制，由机身的自然调整来实现机身的平衡；通过对云台的姿态控制来控制螺旋桨驱动力的方向，从而实现对飞行器***位姿的控制，是一个更为方便控制的飞行器***。
所述的控制单元(11)为单片机芯片，DSP芯片或ARM芯片，或为微机。
所述的传感器盒(2)包括加速度计、气压计、GPS、陀螺仪、超声波传感器，来获取***的姿态和位置信息。
机身偏航角的控制主要上下两个旋翼的差动旋转产生的反扭矩来实现；云台滚转角和俯仰角的控制主要由舵机牵引云台进行旋转来实现。
本发明可以取得如下有益效果：由于本***由一个双框架结构的云台及两个螺旋桨实现对飞行器位姿的控制，以云台的姿态控制来代替传统飞行器对机身的姿态控制。偏航方向的控制主要上下旋翼的转速差动产生的反扭矩来实现；滚转和俯仰方向的控制主要由舵机牵引云台进行旋转来实现，这使得***的控制更为简单方便。
由于本***中伸缩杆的设计，可以调整吊舱和机架的距离，从而完成对***重心的调整。从而可以在外界扰动更大时候通过调整机体重心向下移动，来增加了***的抗干扰性和稳定性。
由于本***中吊舱的设计，给予了***更多的搭载空间，比如搭载摄像头实现，航拍搭载机械手实现飞行抓取，搭载物料实现飞行运载等等，使得***具有更大的扩展空间和实用价值。
由于本一种基于云台的小型飞行器***采用柱形双旋翼结构，故飞行器质量和体积都可以做得很小，这样使得飞行器***十分轻巧灵活。
附图说明
图1一种一种基于云台的小型飞行器***的结构示意图；
图2一种一种基于云台的小型飞行器***的控制***连接示意图；
图3一种一种基于云台的小型飞行器***的偏航方向控制示意图；
图4一种一种基于云台的小型飞行器***机身姿态自调节示意图；
图5一种一种基于云台的小型飞行器***的滚转和滚转方向控制示意图。
图中：1、机架，2、传感器盒，3、云台滚转舵机，4、云台俯仰舵机，5、云台外框架，6、云台内框架，7、上螺旋桨，8、下螺旋桨，9、上螺旋桨驱动电机，10、下螺旋桨驱动电机，11、控制单元，12、伸缩杆，13、吊舱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对于本发明作进一步的说明。
本发明采用如下技术方案，参照图1,包括机架(1)、传感器盒(2)、云台滚转舵机(3)、云台俯仰舵机(4)、云台外框架(5)、云台内框架(6)、上螺旋桨(7)、下螺旋桨(8)，上螺旋桨驱动电机(9)、下螺旋桨驱动电机(10)、控制单元(11)、伸缩杆(12)、吊舱(13)；云台内框架(6)作为电机的支座并固定上螺旋桨驱动电机(9)、下螺旋桨驱动电机(10)，上螺旋桨驱动电机(9)、下螺旋桨驱动电机(10)以螺旋桨转轴为中心并左右对称分布；下螺旋桨(8)的转轴为中空结构，使得上螺旋桨(7)的转轴能够穿过下螺旋桨(8)的转轴，实现上螺旋桨、下螺旋桨共轴线的独立转动，上螺旋桨驱动电机(9)通过齿轮传动机构带动上螺旋桨(7)进行转动，下螺旋桨驱动电机(10)通过齿轮传动机构带动螺旋桨(8)进行转动；云台滚转舵机(3)固定在机架(1)上，云台俯仰舵机(4)固定在云台外框架(5)上；云台外框架(5)的转轴穿过机架(1)与云台滚转舵机(3)连接，使云台滚转舵机(3)能带动云台外框架(5)进行滚转运动；云台内框架(6)的转轴穿过云台外框架(5)与云台俯仰舵机(4)连接，使云台俯仰舵机(4)能带动云台内框架(6)进行俯仰运动；传感器盒(2)固定在云台内框架(6)的下方，传感器盒(2)用以检测云台内框架(6)的姿态信息；伸缩杆(12)将机架(1)和吊舱(13)固定相连，并能够调整吊舱(13)和机架(1)的距离，从而完成对***重心的调整；控制单元(11)固定于吊舱(13)内，控制单元(11)用以发送控制信号到各个控制器件中。
***可由一个双框架结构的云台外框架(5)、云台内框架(6)及上螺旋桨(7)、下螺旋桨(8)实现对飞行器空间位置和姿态的控制，以云台的姿态控制来代替传统飞行器对机身的姿态控制。因此***可以放弃对机身俯仰和滚转的控制，由机身的自然调整来实现机身的平衡；通过对云台的姿态控制来控制螺旋桨驱动力的方向，从而实现对飞行器***位姿的控制，是一个更为方便控制的飞行器***。
机身的偏航控制主要上下旋翼的转速差动产生的反扭矩来实现；云台的滚转和俯仰控制主要由舵机牵引云台进行旋转来实现。
***可由伸缩杆调整吊舱和机架之间的距离，从而完成对***重心的调整，从而可以在外界扰动更大时候通过调整机体重心的向下移动，来保证***的稳定性。
***可由吊舱搭载其他功能器件，比如搭载摄像头实现航拍，搭载机械手实现飞行抓取，搭载物料实现飞行运载等等，使得***具有更大的扩展空间和实用价值。
所述的控制单元为单片机芯片，DSP芯片或ARM芯片，或为微机。
所述的传感器盒包括加速度计、气压计、GPS、陀螺仪、超声波传感器，来获取***的姿态和位置信息。
图2所示为本***的控制模块示意图，主要由控制单元，传感器，执行机构三部分构成。传感器主要由陀螺仪和高度气压传感器组成，分别可以检测到机体当前的角加速度信息，线速度信息和高度信息，将这些信息传送给控制单元。控制单元通过相应的滤波算法解算出云台当前的姿态信息和机体的位置信息，并通过这些信息结合相应的智能算法解算出控制量，再将这些控制量发送给执行单元。通过执行单元中两个螺旋桨电机和一个云台滚转控制舵机，来完成对机体的控制。
机身偏航方向控制方法如图3所示，陀螺仪将检测到当前的机身偏航角加速度信息送给控制单元，控制单元依据PID控制算法或其他智能算法控制上下两个螺旋桨的转速，通过两个螺旋桨的转速差来产生反扭矩，从而使机身开始旋转。当上下螺旋桨的转速不同时，由于不同转速时提供给机身的反扭矩大小不同，方向相反，便可以由此带动机身自身的旋转。飞行器的机身旋转角加速度信息由陀螺仪测量并送给控制单元，由控制单元进行运算后提供相应控制信息传送回螺旋桨电机，以实现对偏航角的控制。
机身姿态自由调节如图4所示，当机体的物理质心不能保证在几何中心或者是受外界扰动机体旋转的时候，由于螺旋桨产生的升力方向由云台决定而不是机身姿态决定，升力的方向仍可保持为垂直向上。此时即使机体开始倾斜，在达到一定角度后，随着质心和升力转到同一力的作用线上，旋转力矩消失。在超过此角度后，则会产生让转速减弱的反方向力矩。故这样的机体结构保证了机身在滚转角度上的自稳定，简化了控制的复杂度。
云台滚转和俯仰控制方法如图5所示，陀螺仪将检测到当前的滚转角信息送给控制单元，控制单元依据PID控制算法或其他智能算法控制云台滚转舵机(3)转动，云台滚转舵机(3)的转动牵引云台外框架(5)进行转动，完成对云台的滚转控制。同理，控制单元依据PID控制算法或其他智能算法控制云台俯仰舵机(4)转动，云台俯仰舵机(4)的转动带动云台的内框架(6)进行转动，完成对云台的俯仰控制。

Claims (8)

1.一种基于云台的小型飞行器***，其特征在于：该***包括机架(1)、传感器盒(2)、云台滚转舵机(3)、云台俯仰舵机(4)、云台外框架(5)、云台内框架(6)、上螺旋桨(7)、下螺旋桨(8)，上螺旋桨驱动电机(9)、下螺旋桨驱动电机(10)、控制单元(11)、伸缩杆(12)、吊舱(13)；云台内框架(6)作为电机的支座并固定上螺旋桨驱动电机(9)、下螺旋桨驱动电机(10)，上螺旋桨驱动电机(9)、下螺旋桨驱动电机(10)以螺旋桨转轴为中心并左右对称分布；下螺旋桨(8)的转轴为中空结构，使得上螺旋桨(7)的转轴能够穿过下螺旋桨(8)的转轴，实现上螺旋桨、下螺旋桨共轴线的独立转动，上螺旋桨驱动电机(9)通过齿轮传动机构带动上螺旋桨(7)进行转动，下螺旋桨驱动电机(10)通过齿轮传动机构带动螺旋桨(8)进行转动；云台滚转舵机(3)固定在机架(1)上，云台俯仰舵机(4)固定在云台外框架(5)上；云台外框架(5)的转轴穿过机架(1)与云台滚转舵机(3)连接，使云台滚转舵机(3)能带动云台外框架(5)进行滚转运动；云台内框架(6)的转轴穿过云台外框架(5)与云台俯仰舵机(4)连接，使云台俯仰舵机(4)能带动云台内框架(6)进行俯仰运动；传感器盒(2)固定在云台内框架(6)的下方，传感器盒(2)用以检测云台内框架(6)的姿态信息；伸缩杆(12)将机架(1)和吊舱(13)固定相连，并能够调整吊舱(13)和机架(1)的距离，从而完成对***重心的调整；控制单元(11)固定于吊舱(13)内，控制单元(11)用以发送控制信号到各个控制器件中；
***可由一个双框架结构的云台外框架(5)、云台内框架(6)及上螺旋桨(7)、下螺旋桨(8)实现对飞行器空间位置和姿态的控制，以云台的姿态控制来代替传统飞行器对机身的姿态控制；因此***可以放弃对机身俯仰和滚转的控制，由机身的自然调整来实现机身的平衡；通过对云台的姿态控制来控制螺旋桨驱动力的方向，从而实现对飞行器***位姿的控制，是一个更为方便控制的飞行器***。
2.根据权利要求1所述的一种基于云台的小型飞行器***，其特征在于：所述的控制单元(11)为单片机芯片，DSP芯片或ARM芯片，或为微机。
3.根据权利要求1所述的一种基于云台的小型飞行器***，其特征在于：所述的传感器盒(2)包括加速度计、气压计、GPS、陀螺仪、超声波传感器，来获取***的姿态和位置信息。
4.根据权利要求1所述的一种基于云台的小型飞行器***，其特征在于：机身偏航角的控制主要上下两个旋翼的差动旋转产生的反扭矩来实现；云台滚转角和俯仰角的控制主要由舵机牵引云台进行旋转来实现。
5.根据权利要求1所述的一种基于云台的小型飞行器***，其特征在于：本***的控制模块主要由控制单元、传感器、执行机构三部分构成；传感器主要由陀螺仪和高度气压传感器组成，分别可以检测到机体当前的角加速度信息，线速度信息和高度信息，将这些信息传送给控制单元；控制单元通过相应的滤波算法解算出云台当前的姿态信息和机体的位置信息，并通过这些信息结合相应的智能算法解算出控制量，再将这些控制量发送给执行单元；通过执行单元中两个螺旋桨电机和一个云台滚转控制舵机，来完成对机体的控制。
6.根据权利要求1所述的一种基于云台的小型飞行器***，其特征在于：机身偏航方向控制方法中，陀螺仪将检测到当前的机身偏航角加速度信息送给控制单元，控制单元依据PID控制算法或其他智能算法控制上下两个螺旋桨的转速，通过两个螺旋桨的转速差来产生反扭矩，从而使机身开始旋转；当上下螺旋桨的转速不同时，由于不同转速时提供给机身的反扭矩大小不同，方向相反，便可以由此带动机身自身的旋转；飞行器的机身旋转角加速度信息由陀螺仪测量并送给控制单元，由控制单元进行运算后提供相应控制信息传送回螺旋桨电机，以实现对偏航角的控制。
7.根据权利要求1所述的一种基于云台的小型飞行器***，其特征在于：机身姿态自由调节中，当机体的物理质心不能保证在几何中心或者是受外界扰动机体旋转的时候，由于螺旋桨产生的升力方向由云台决定而不是机身姿态决定，升力的方向仍可保持为垂直向上；此时即使机体开始倾斜，在达到一定角度后，随着质心和升力转到同一力的作用线上，旋转力矩消失；在超过此角度后，则会产生让转速减弱的反方向力矩；故这样的机体结构保证了机身在滚转角度上的自稳定，简化了控制的复杂度。
8.根据权利要求1所述的一种基于云台的小型飞行器***，其特征在于：云台滚转和俯仰控制方法中，陀螺仪将检测到当前的滚转角信息送给控制单元，控制单元依据PID控制算法或其他智能算法控制云台滚转舵机(3)转动，云台滚转舵机(3)的转动牵引云台外框架(5)进行转动，完成对云台的滚转控制；同理，控制单元依据PID控制算法或其他智能算法控制云台俯仰舵机(4)转动，云台俯仰舵机(4)的转动带动云台的内框架(6)进行转动，完成对云台的俯仰控制。
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