CN108255188B - 一种适用于无人机的矢量推进加速装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本专利发明了一种适用于无人机的矢量推进加速装置及方法，包括两自由度转动平台，所述两自由度转动平台包括主支架和俯仰支架，发动机安装在俯仰支架上，所述俯仰支架上设有转动轴，所述主支架一侧设置主支架通孔，所述主支架另一侧设置电机槽，所述转动轴左端转动连接于所述主支架通孔内，俯仰支架可绕所述转动轴相对主支架自由旋转。所述无人机矢量推进加速装置可作为独立***，能够显著提高无人机的飞行速度，通过灵活的连接件设计可简单地加装在无人机上，为无人机提供矢量推力，不需要对被改装无人机原有动力***、原有气动布局和原有结构设计等进行变更。
Description
技术领域
本发明涉及到飞行器改装技术领域，具体为一种适用于无人机的矢量推进加速装置及方法。
背景技术
无人机全称无人驾驶飞机，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，其常见形式包括多旋翼、固定翼、旋翼与固定翼相结合等三种。现有的无人机飞行速度慢，为了提高无人机飞行速度，但是现有技术却无法对无人机进行改装，这是因为无人机改装需要进行包括：更换动力***，提高发动机输出功率；改变无人机气动布局设计，减小无人机阻力；将无人机部件更换为轻质材料部件，降低无人机质量等，或者是上述改装途径的综合使用。由于无人机本身就是一个非常复杂的***，其气动与推进、结构与材料、动力学与控制在总体设计上必须充分地考虑，现有技术无法进行合理的改装。这是由于传统技术而言，对无人机改装途径，往往是比较复杂的，甚至还涉及到飞行控制***的修改，现有技术无法为无人机提供矢量推力，并且无法控制平台上发动机的推力大小和方向。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种适用于无人机的矢量推进加速装置及方法。
所述装置通过灵活的连接件设计，能够便捷地安装在无人机上，提供稳定方向附加推力，从而有效提高无人机的飞行速度。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：一种适用于无人机的矢量推进加速装置，包括两自由度转动平台，所述两自由度转动平台包括主支架和俯仰支架，发动机安装在俯仰支架上，所述俯仰支架上设有转动轴，所述主支架一侧设置主支架通孔，所述主支架另一侧设置电机槽，所述转动轴左端转动连接于所述主支架通孔内，俯仰支架可绕所述转动轴相对主支架自由旋转；
所述主支架通孔内设有用于减少主支架通孔和转动轴之间摩擦阻力的轴承，所述轴承内表面与所述转动轴外表面相配合；
所述两自由度转动平台搭载电机Ⅰ和电机Ⅱ，所述电机Ⅱ的主体固定在所述主支架的所述电机槽上，所述电机Ⅱ的电机轴连接所述转动轴的右端，所述电机Ⅱ通过所述转动轴驱动所述俯仰支架旋转；
所述电机Ⅰ的主体固定在安装架上，所述电机Ⅰ的电机轴连接所述主支架顶部，所述电机Ⅰ驱动所述主支架转动。
进一步的，上述技术方案中，所述安装架内部设有控制板卡；所述控制板卡周围由减震材料包裹，所述发动机、所述电机Ⅰ和所述电机Ⅱ分别与所述控制板卡电连接。
进一步的，上述技术方案中，所述控制板卡内设置微控制单元，姿态角测量元件MPU和遥控器信号接收器；
用于对姿态角测量元件MPU中姿态数据进行处理的所述微控制单元，利用反馈控制发送指令给所述电机Ⅱ，自动消除因无人机俯仰运动而导致的平台俯仰角变化，即始终保持平台俯仰角度为零，使所述发动机推力保持在水平方向上；
所述遥控器信号接收器接收用户通过遥控器发出的控制指令信号传输给微控制单元。
进一步的，上述技术方案中，所述安装架两端设置安装架通孔，所述安装架通孔以螺钉或螺栓联结方法将装置固定在无人机表面。
一种适用于无人机的矢量推进加速方法，包括所述的适用于无人机的矢量推进加速装置，还包括以下步骤：
S11：将一个所述适用于无人机的矢量推进加速装置可拆卸连接于四旋翼无人机的几何中心位置，或者将两个所述适用于无人机的矢量推进加速装置对称的可拆卸连接于固定翼无人机的两个机翼上；
S12：通过遥控器发出控制指令信号，所述控制指令信号包括推力方向信号和推力大小信号；
S13：所述遥控器信号接收器接收所述遥控器发出的控制指令信号传输给微控制单元，微控制单元控制电机Ⅰ、电机Ⅱ或发动机的转动；
S14：当无人机的飞行状态发生变化时，重复S2步骤，直至达到需要的飞行状态。
进一步的，上述技术方案中，所述S13步骤包括S13a或S13b步骤：
S13a：推力方向信号控制所述发动机推力方向，微控制单元处理推力方向信号后，所述微控制单元对电机Ⅰ进行控制，所述电机Ⅰ带动俯仰支架旋转，调整所述发动机推力的垂直方向；
S13a：推力方向信号控制所述发动机推力方向，微控制单元处理推力方向信号后，所述微控制单元对电机Ⅱ进行控制，所述电机Ⅱ带动主支架旋转，调整所述发动机推力的水平方向；
S13b:推力大小信号控制所述发动机推力的大小，微控制单元处理推力大小信号后，对所述发动机的转速进行控制，控制所述发动机推力大小。
一种适用于无人机的矢量推进加速方法，包括所述的适用于无人机的矢量推进加速装置，还包括以下步骤：
S21：将一个所述适用于无人机的矢量推进加速装置可拆卸连接于四旋翼无人机的几何中心位置；
S22：姿态角测量元件MPU检测到俯仰角信号；
S23：俯仰角信号传输至微控制单元；
S24：微控制单元控制电机Ⅰ、电机Ⅱ或发动机的转动；
S25：当无人机的飞行状态发生变化时，重复S2步骤，直至达到需要的飞行状态。
进一步的，上述技术方案中，所述S24步骤包括S24a或S24b步骤：
S24a：微控制单元控制所述发动机推力方向，所述微控制单元根据俯仰角信号对电机Ⅰ进行控制，所述电机Ⅰ带动俯仰支架旋转，调整所述发动机推力的方向；
S24b:微控制单元控制所述发动机推力的大小，对所述发动机的转速进行控制，控制所述发动机推力大小。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)所述无人机矢量推进加速装置可作为独立***，能够显著提高无人机的飞行速度，通过灵活的连接件设计可简单地加装在无人机上，为无人机提供矢量推力，不需要对被改装无人机原有动力***、原有气动布局和原有结构设计等进行变更。
(2)所述无人机矢量推进加速装置包括独立的控制板卡，所述控制板卡内配有控制器单元和姿态测量单元；所述飞行控制板卡用于控制平台上发动机的推力大小和方向，无需对无人机原有飞行控制***进行修改。
附图说明
图1为本发明实施例1所述适用于无人机的矢量推进加速装置结构示意图。
图2为本发明实施例1所述主支架侧视结构示意图；
图3为本发明实施例1所述涵道风扇和俯仰支架侧视结构示意图。
图4为本发明实施例2所述适用于无人机的矢量推进加速方法使用效果图。
图5为本发明实施例3所述适用于无人机的矢量推进加速方法使用效果图。
其中，1主支架、2俯仰支架、3电机Ⅰ、4电机Ⅱ、5涵道风扇、6控制板卡、7安装架、8减震材料、9轴承、10主支架通孔、11安装架通孔、12转动轴、13电机槽、14四旋翼无人机、15固定翼无人机、16适用于无人机的矢量推进加速装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的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描述，而不是指示或者暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
如图1-3所示，所述适用于无人机的矢量推进加速装置包括两自由度转动平台，所述两自由度转动平台包括主支架1和俯仰支架2，涵道风扇5安装在俯仰支架2上，所述俯仰支架2上设有转动轴12，所述主支架1一侧设置主支架通孔10，所述主支架1另一侧设置电机槽13，所述转动轴12左端转动连接于所述主支架通孔10内，俯仰支架2可绕所述转动轴12相对主支架1自由旋转；
所述主支架通孔10内设有用于减少主支架通孔10和转动轴12之间摩擦阻力的轴承9，所述轴承9内表面与所述转动轴12外表面相配合；
所述两自由度转动平台搭载电机Ⅰ3和电机Ⅱ4，所述电机Ⅱ4的主体固定在所述主支架1的所述电机槽13上，所述电机Ⅱ4的电机轴连接所述转动轴12的右端，所述电机Ⅱ4通过所述转动轴12驱动所述俯仰支架2旋转，改变所述涵道风扇5的俯仰角；
所述电机Ⅰ3的主体固定在安装架7上，所述电机Ⅰ3的电机轴连接所述主支架1顶部，所述电机Ⅰ3驱动所述主支架1转动，改变所述涵道风扇5的偏航角；
所述安装架7内部设有控制板卡6；所述控制板卡6周围由减震材料8包裹，所述涵道风扇5、所述电机Ⅰ3和所述电机Ⅱ4分别与所述控制板卡6电连接。
所述涵道风扇5作为发动机的优选，作为可替代的实施方式，还可采用火箭发动机。
所述控制板卡6包括微控制单元，姿态角测量元件MPU和遥控器信号接收器；
用于对姿态角测量元件MPU6050中姿态数据进行处理的所述微控制单元，利用反馈控制发送指令给所述电机Ⅱ4，自动消除因无人机俯仰运动而导致的平台俯仰角变化，即始终保持平台俯仰角度为零，使所述涵道风扇5推力保持在水平方向上；
遥控器信号接收器接收用户通过遥控器发出的两部分控制指令信号传输给微控制单元：
第一部分负责平台上涵道风扇5推力方向，微控制单元处理该部分信号，对电机Ⅰ3进行控制，电机Ⅰ3带动俯仰支架2旋转，改变涵道风扇5推力的方向；第二部分负责平台上涵道风扇5推力的大小，微控制单元处理该部分信号，对涵道风扇5的转速进行控制，控制涵道风扇5推力大小。
优选的，所述姿态角测量元件MPU为MPU6050型六轴传感器，所述微控制单元为STM32F103C8T6型单片机，作为可替代的实施方式还可以采用其他具有相同功能的元件。
所述电机Ⅰ3、所述电机Ⅱ4、涵道风扇5和控制板卡6由无人机所搭载的电池供电。
采用所述涵道风扇5相比其他的发动机，具有可控性高、稳定性好、安全性高的优点。
所述涵道风扇5内设置用于控制速度的电子调速器，所述电子调速器与所述微控制单元相连接。
所述安装架7两端设置安装架通孔11，所述安装架通孔11以螺钉联结等方法将装置固定在无人机表面。
包括两自由度转动平台、发动机、控制板卡、电源和遥控器；
所述两自由度转动平台为两自由度框架结构，使平台的俯仰和偏航控制完全解耦，并且设有发动机固定结构；
所述两自由度转动平台的框架结构的驱动利用电机实现，即需要用两个电机分别实现俯仰和偏航两个通道的控制；
俯仰通道控制，需要利用飞行控制板卡上的姿态角测量元件测量俯仰角，并利用反馈控制自动消除因无人机俯仰运动而导致的平台俯仰角变化，即始终保持平台俯仰角度为零，进而保证平台上发动机的推力始终处于水平面内；
偏航通道控制，需要利用控制板卡上的接收器接收遥控器发出的偏航指令，所述偏航指令经控制板卡转化为偏航通道电机控制指令，即实现了平台上发动机推力在水平面内任意方向的控制。
发动机装配在平台最内侧框架内，发动机为涵道风扇或火箭发动机；所述发动机产生推力的大小受控制板卡控制。
用于测量平台姿态的所述控制板卡根据遥控器指令调整平台姿态和控制发动机推力大小。
无人机内设置电源，用于为控制板卡、电机和电动类发动机(如涵道风扇等)供电。
外部设置遥控器，用于为无人机矢量推进加速装置发送控制指令，具体分为推力方向控制和推力大小控制。
优选的，所述主支架1为ABS材料制成，采用此材料所述主支架1质轻且强度适合。
实施例2
如图4所示，一种适用于无人机的矢量推进加速方法，包括所述的适用于无人机的矢量推进加速装置，还包括以下步骤：
S11：将一个所述适用于无人机的矢量推进加速装置16可拆卸连接于四旋翼无人机14的几何中心位置；
S12：通过遥控器发出控制指令信号，所述控制指令信号包括推力方向信号和推力大小信号；
S13：所述遥控器信号接收器接收所述遥控器发出的控制指令信号传输给微控制单元，微控制单元控制电机Ⅰ3、电机Ⅱ4或发动机的转动；
S14：当无人机的飞行状态发生变化时，重复S2步骤，直至达到需要的飞行状态。
进一步的，上述技术方案中，所述S13步骤包括S13a或S13b步骤：
S13a：推力方向信号控制所述发动机推力方向，微控制单元处理推力方向信号后，所述微控制单元对电机Ⅰ3进行控制，所述电机Ⅰ3带动俯仰支架2旋转，调整所述发动机推力的垂直方向；
S13a：推力方向信号控制所述发动机推力方向，微控制单元处理推力方向信号后，所述微控制单元对电机Ⅱ4进行控制，所述电机Ⅱ4带动主支架1旋转，调整所述发动机推力的水平方向；
S13b:推力大小信号控制所述发动机推力的大小，微控制单元处理推力大小信号后，对所述发动机的转速进行控制，控制所述发动机推力大小。
实施例3
如图5所示，一种适用于无人机的矢量推进加速方法，包括所述的适用于无人机的矢量推进加速装置，还包括以下步骤：
S11：将两个所述适用于无人机的矢量推进加速装置16对称的可拆卸连接于固定翼无人机15的两个机翼上；
S12：通过遥控器发出控制指令信号，所述控制指令信号包括推力方向信号和推力大小信号；
S13：所述遥控器信号接收器接收所述遥控器发出的控制指令信号传输给微控制单元，微控制单元控制电机Ⅰ3、电机Ⅱ4或发动机的转动；
S14：当无人机的飞行状态发生变化时，重复S2步骤，直至达到需要的飞行状态。
进一步的，上述技术方案中，所述S13步骤包括S13a或S13b步骤：
S13a：推力方向信号控制所述发动机推力方向，微控制单元处理推力方向信号后，所述微控制单元对电机Ⅰ3进行控制，所述电机Ⅰ3带动俯仰支架2旋转，调整所述发动机推力的垂直方向；
S13a：推力方向信号控制所述发动机推力方向，微控制单元处理推力方向信号后，所述微控制单元对电机Ⅱ4进行控制，所述电机Ⅱ4带动主支架1旋转，调整所述发动机推力的水平方向；
S13b:推力大小信号控制所述发动机推力的大小，微控制单元处理推力大小信号后，对所述发动机的转速进行控制，控制所述发动机推力大小。
实施例4
一种适用于无人机的矢量推进加速方法，包括所述的适用于无人机的矢量推进加速装置，还包括以下步骤：
S21：将一个所述适用于无人机的矢量推进加速装置16可拆卸连接于四旋翼无人机14的几何中心位置；
S22：姿态角测量元件MPU检测到俯仰角信号；
S23：俯仰角信号传输至微控制单元；
S24：微控制单元控制电机Ⅰ3、电机Ⅱ4或发动机的转动；
S25：当无人机的飞行状态发生变化时，重复S2步骤，直至达到需要的飞行状态。
进一步的，上述技术方案中，所述S24步骤包括S24a或S24b步骤：
S24a：微控制单元控制所述发动机推力方向，所述微控制单元根据俯仰角信号对电机Ⅰ3进行控制，所述电机Ⅰ3带动俯仰支架2旋转，调整所述发动机推力的方向；
S24b:微控制单元控制所述发动机推力的大小，对所述发动机的转速进行控制，控制所述发动机推力大小。
本发明不仅用于无人机，也可以安装于无人气球、无人飞艇和无人艇上。
由于无人驾驶设备在高速运动时，因升力或浮力与阻力的作用，整个无人驾驶设备的头部会向上翘起，采用本发明能够调整角度和提高速度，还能够进行姿态调整，进而防止倾覆或翻转，进而提高稳定性、可控性和灵活性。
以上所述，仅为本发明一种的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种适用于无人机的矢量推进加速装置，其特征在于：包括两自由度转动平台，所述两自由度转动平台包括主支架(1)和俯仰支架(2)，发动机安装在俯仰支架(2)上，所述俯仰支架(2)上设有转动轴(12)，所述主支架(1)一侧设置主支架通孔(10)，所述主支架(1)另一侧设置电机槽(13)，所述转动轴(12)左端转动连接于所述主支架通孔(10)内，俯仰支架(2)可绕所述转动轴(12)相对主支架(1)自由旋转；
所述主支架通孔(10)内设有用于减少主支架通孔(10)和转动轴(12)之间摩擦阻力的轴承(9)，所述轴承(9)内表面与所述转动轴(12)外表面相配合；
所述两自由度转动平台搭载电机Ⅰ(3)和电机Ⅱ(4)，所述电机Ⅱ(4)的主体固定在所述主支架(1)的所述电机槽(13)上，所述电机Ⅱ(4)的电机轴连接所述转动轴(12)的右端，所述电机Ⅱ(4)通过所述转动轴(12)驱动所述俯仰支架(2)旋转；
所述电机Ⅰ(3)的主体固定在安装架(7)上，所述电机Ⅰ(3)的电机轴连接所述主支架(1)顶部，所述电机Ⅰ(3)驱动所述主支架(1)转动；
所述安装架(7)内部设有控制板卡(6)；所述控制板卡(6)周围由减震材料(8)包裹，所述发动机、所述电机Ⅰ(3)和所述电机Ⅱ(4)分别与所述控制板卡(6)电连接；
所述控制板卡(6)内设置微控制单元，姿态角测量元件MPU和遥控器信号接收器；
用于对姿态角测量元件MPU中姿态数据进行处理的所述微控制单元，利用反馈控制发送指令给所述电机Ⅱ(4)，自动消除因无人机俯仰运动而导致的平台俯仰角变化，即始终保持平台俯仰角度为零，使所述发动机推力保持在水平方向上；
所述遥控器信号接收器接收用户通过遥控器发出的控制指令信号传输给微控制单元。
2.根据权利要求1所述的适用于无人机的矢量推进加速装置，其特征在于：所述安装架(7)两端设置安装架通孔(11)，所述安装架通孔(11)以螺钉或螺栓联结方法将装置固定在无人机表面。
3.一种适用于无人机的矢量推进加速方法，其特征在于：包括权利要求1所述的适用于无人机的矢量推进加速装置，还包括以下步骤：
S11：将一个所述适用于无人机的矢量推进加速装置可拆卸连接于四旋翼无人机的几何中心位置，或者将两个所述适用于无人机的矢量推进加速装置对称的可拆卸连接于固定翼无人机的两个机翼上；
S12：通过遥控器发出控制指令信号，所述控制指令信号包括推力方向信号和推力大小信号；
S13：所述遥控器信号接收器接收所述遥控器发出的控制指令信号传输给微控制单元，微控制单元控制电机Ⅰ(3)、电机Ⅱ(4)或发动机的转动；
S14：当无人机的飞行状态发生变化时，重复S2步骤，直至达到需要的飞行状态；
步骤S2包括：
S22：姿态角测量元件MPU检测到俯仰角信号；
S23：俯仰角信号传输至微控制单元；
S24：微控制单元控制电机Ⅰ(3)、电机Ⅱ(4)或发动机的转动。
4.根据权利要求3所述的适用于无人机的矢量推进加速方法，其特征在于：所述S13步骤包括S13a或S13b步骤：
S13a：推力方向信号控制所述发动机推力方向，微控制单元处理推力方向信号后，所述微控制单元对电机Ⅰ(3)进行控制，所述电机Ⅰ(3)带动俯仰支架(2)旋转，调整所述发动机推力的垂直方向；
S13a：推力方向信号控制所述发动机推力方向，微控制单元处理推力方向信号后，所述微控制单元对电机Ⅱ(4)进行控制，所述电机Ⅱ(4)带动主支架(1)旋转，调整所述发动机推力的水平方向；
S13b:推力大小信号控制所述发动机推力的大小，微控制单元处理推力大小信号后，对所述发动机的转速进行控制，控制所述发动机推力大小。
5.根据权利要求3所述的适用于无人机的矢量推进加速方法，其特征在于：所述S24步骤包括S24a或S24b步骤：
S24a：微控制单元控制所述发动机推力方向，所述微控制单元根据俯仰角信号对电机Ⅰ(3)进行控制，所述电机Ⅰ(3)带动俯仰支架(2)旋转，调整所述发动机推力的方向；
S24b:微控制单元控制所述发动机推力的大小，对所述发动机的转速进行控制，控制所述发动机推力大小。
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