專利名稱：新型面對(duì)稱布局的多旋翼無人飛行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種面對(duì)稱布局的多旋翼無人飛行器，屬于無人飛行器設(shè)計(jì)與控制技術(shù)領(lǐng)域，可攜帶各種任務(wù)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于航拍攝影、電力巡檢、環(huán)境監(jiān)測(cè)、森林防火、 災(zāi)情巡查、防恐救生、軍事偵察、戰(zhàn)場評(píng)估等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
具有垂直起降、穩(wěn)定懸停和自主巡航能力的微小型飛行器，在民用和軍事領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。常見的微小型無人直升機(jī)(包括航模直升機(jī))，雖可垂直起降和空中懸停，但由于固有穩(wěn)定性不足，其人工或自動(dòng)控制的難度較大。具有一定載荷的該類直升機(jī)， 其旋翼通常有著相當(dāng)?shù)某叨群蛻T量，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)不僅噪聲較大，而且對(duì)周圍環(huán)境和地面人員有著很大的潛在安全危害性。特別是采用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的無人直升機(jī)，存在著嚴(yán)重的噪聲和環(huán)保問題。多旋翼無人飛行器是一種新型的旋翼飛行器，有著多個(gè)對(duì)稱分布在機(jī)體四周、正反轉(zhuǎn)成對(duì)的旋翼，旋翼的個(gè)數(shù)一般為> 4的偶數(shù)。該類飛行器多采用電能驅(qū)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、飛行穩(wěn)定、易于操控(配合飛行控制系統(tǒng))、低噪聲無污染、攜帶方便、安全危害性小等特點(diǎn)，非常適合于執(zhí)行中短距離的飛行任務(wù)。近年來，多旋翼無人飛行器逐漸引起了國內(nèi)外的極大關(guān)注，相繼誕生了一些典型產(chǎn)品。例如，德國Microdrones公司研制的MD4系列四旋翼飛行器，采用中心對(duì)稱的十字形單層旋翼布局，機(jī)身、支撐臂、旋翼艙為碳纖維一體成形；尺寸較大的MD4-1000還采用折疊式支臂設(shè)計(jì)，以方便運(yùn)輸。德國MikroKopter研制的MK L4-ME四旋翼飛行器、MK Hexa 系列六旋翼飛行器和MK Okto系列八旋翼飛行器，全部采用中心對(duì)稱的單層旋翼布局，并且 MK L4-ME的四個(gè)旋翼相對(duì)起落架方向呈X形布置。此外，加拿大的Draganfly公司研制的 Draganflyer系列多旋翼飛行器，也全部采用中心對(duì)稱布局；其中，X4四旋翼為單層旋翼X 形布置，X6六旋翼為雙層共軸旋翼Y形布置，X8八旋翼為雙層共軸旋翼X形布置。其雙層共軸旋翼的特點(diǎn)是支撐臂的數(shù)量為旋翼數(shù)量的1/2，即每根支撐臂的末端有兩個(gè)共軸安裝、上下朝向相反的旋翼，二者反向旋轉(zhuǎn)以相互抵消反扭矩。在國內(nèi)，XAircraft推出的)(650四旋翼飛行器也屬于中心對(duì)稱的單層旋翼布局， 有十字形和X形布置兩種。除產(chǎn)品以外，專利號(hào)為CN20082022M84. 4的實(shí)用新型，提出了一種可折疊的四軸多旋翼飛行器，其四個(gè)旋翼支撐臂可繞扣件連接軸旋轉(zhuǎn)收攏到機(jī)身下方，以便攜帶運(yùn)輸。申請(qǐng)?zhí)枮?00910079365. 7的“一種多旋翼腿輪式多功能空中機(jī)器人及其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法”，將旋翼式飛行器與腿輪式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)融合為多旋翼腿輪式多功能空中機(jī)器人，并規(guī)劃了機(jī)器人飛行狀態(tài)與爬壁狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換方法。通過對(duì)國內(nèi)外現(xiàn)有多旋翼飛行器進(jìn)行綜合分析，可以看到1)飛行器的旋翼相對(duì)機(jī)身普遍呈中心對(duì)稱分布，飛行器整體外觀的中心對(duì)稱度較高。該布局在獲得美觀的同時(shí)，缺少顯著的頭尾標(biāo)示(除非用醒目的彩色作大面積標(biāo)示)，使得空中飛行時(shí)飛行器的機(jī)頭正方向難以目視辨識(shí)，不利于飛行器的姿態(tài)操控和任務(wù)執(zhí)行；2 )電子設(shè)備(包括導(dǎo)航、飛控、通信)和機(jī)載電池在機(jī)身內(nèi)一般呈上下充當(dāng)布置。該方式雖可使整機(jī)質(zhì)量集中在中心部位，但由于電池工作在大電流狀態(tài)下，其熱效應(yīng)和磁場效應(yīng)極易對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，由此導(dǎo)致諸如敏感元件誤差增加、飛控計(jì)算機(jī)失效等故障， 因而降低了飛行器控制系統(tǒng)的可靠性；3)在控制方式上，均未涉及單個(gè)或多個(gè)旋翼失效(部分或全部)時(shí)的多旋翼故障診斷與容錯(cuò)飛行控制技術(shù)，因此飛行器控制的可靠性尚有較大的提升空間。4)從系統(tǒng)應(yīng)用的角度看，涉及任務(wù)設(shè)備和避障功能的實(shí)施方案較少。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于，提供一種外形布局新穎、內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡潔、系統(tǒng)控制可靠、 可攜帶任務(wù)設(shè)備、具有避障功能且易于工程實(shí)現(xiàn)的多旋翼飛行器方案。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是新型面對(duì)稱布局的多旋翼無人飛行器，包括機(jī)身、 旋翼組件、起落架和任務(wù)艙。旋翼組件的個(gè)數(shù)為> 4的偶數(shù)，每個(gè)旋翼組件包含旋翼支撐臂、旋翼電機(jī)和旋翼；旋翼電機(jī)固定在旋翼支撐臂的外端，旋翼安裝在旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上并由旋翼電機(jī)驅(qū)動(dòng)；所有旋翼組件相對(duì)于機(jī)身的縱向?qū)ΨQ面左右對(duì)稱分布，并通過旋翼支撐臂的內(nèi)端固連在機(jī)身兩側(cè)；機(jī)身內(nèi)設(shè)前后隔離的設(shè)備艙和電源艙，設(shè)備艙包含導(dǎo)航部件、飛行控制部件和通信部件，電源艙內(nèi)含為全機(jī)電子設(shè)備供電的電池。起落架固連于機(jī)身的下方。任務(wù)艙用于容納各種任務(wù)設(shè)備并以減震方式與機(jī)身固連。優(yōu)選地，所述的飛行控制部件包含具有多旋翼故障診斷與容錯(cuò)飛行控制功能的飛控計(jì)算機(jī)。優(yōu)選地，所述的旋翼組件中的旋翼電機(jī)和旋翼各有一對(duì)，兩個(gè)旋翼電機(jī)尾部相對(duì)、 轉(zhuǎn)軸朝外、上下共軸安裝并固定在旋翼支撐臂的外端；兩個(gè)旋翼為正反配對(duì)，分別安裝在兩個(gè)旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，互為反向驅(qū)動(dòng)。優(yōu)選地，所述的旋翼支撐臂的內(nèi)端通過機(jī)身內(nèi)置、可前后或上下轉(zhuǎn)動(dòng)、帶鎖定機(jī)構(gòu)的活動(dòng)關(guān)節(jié)與機(jī)身連接。優(yōu)選地，所述的機(jī)身的前部或后部及其兩側(cè)的旋翼組件用醒目的彩色標(biāo)示。優(yōu)選地，所述的設(shè)備艙或所述的任務(wù)艙，還包含用于避障預(yù)警與控制的障礙物檢測(cè)部件。優(yōu)選地，所述的電源艙具有可拆卸艙蓋。優(yōu)選地，所述的任務(wù)艙為具有減震、穩(wěn)定與跟蹤功能的光電吊艙，或照相、攝像云臺(tái)。優(yōu)選地，所述的任務(wù)艙內(nèi)部設(shè)有兼容各種任務(wù)設(shè)備、可更換的安裝座。優(yōu)選地，所述的機(jī)身具有流線型外形。該方案的優(yōu)點(diǎn)是1)飛行器外形布局新穎，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡潔，易于工程實(shí)現(xiàn)。2)旋翼組件相對(duì)機(jī)身縱向?qū)ΨQ面呈左右對(duì)稱分布，較之常見的中心對(duì)稱布局的多旋翼飛行器，容易辨識(shí)其頭尾并確定飛行姿態(tài)。同時(shí)，機(jī)身的前部或后部及其兩側(cè)的旋翼組件用醒目的彩色標(biāo)示，更易于辨識(shí)飛行器在空中飛行時(shí)的頭部或尾部，從而有利于飛行器及機(jī)載任務(wù)設(shè)備的操控。3)機(jī)身內(nèi)部的設(shè)備艙和電源艙前后布置且隔離，減弱了電池的熱效應(yīng)和磁場效應(yīng)對(duì)電子設(shè)備的干擾，有效提高了系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)通信的可靠性。4)飛行控制部件包含具有多旋翼故障診斷與容錯(cuò)飛行控制功能的飛控計(jì)算機(jī)，可在單個(gè)或多個(gè)旋翼失效(部分或全部)時(shí)，實(shí)施快速的故障診斷與容錯(cuò)飛行控制，從而有效提高飛行器的可靠性，減小飛行器墜毀的概率。5 )通過機(jī)身內(nèi)置、可前后或上下轉(zhuǎn)動(dòng)、帶鎖定機(jī)構(gòu)的活動(dòng)關(guān)節(jié)將旋翼支撐臂的內(nèi)端與機(jī)身連接，可將旋翼組件收攏到機(jī)頭(或機(jī)尾)方向或機(jī)身的下側(cè)，從而便于攜帶運(yùn)輸。6)設(shè)備艙或任務(wù)艙還包含用于避障預(yù)警與控制的障礙物檢測(cè)部件，可與飛行控制部件組合應(yīng)用，以有效避免飛行器與障礙物發(fā)生碰撞，提高飛行質(zhì)量。7)電源艙具有可拆卸艙蓋，可方便更換電池。8)機(jī)身設(shè)計(jì)成流線型外形，可有效減小飛行時(shí)的空氣阻力，降低能耗。


圖1為本實(shí)用新型的實(shí)施例1的立體示意圖。圖2為實(shí)施例1的俯視示意圖。圖3為本實(shí)用新型的實(shí)施例2的立體示意圖。圖4為實(shí)施例2的俯視示意圖。圖5為本實(shí)用新型的實(shí)施例3的立體示意圖。圖6為實(shí)施例3的俯視示意圖。圖7為本實(shí)用新型的實(shí)施例4的立體示意圖。圖8為本實(shí)用新型的實(shí)施例5的立體示意圖。圖9為本實(shí)用新型的實(shí)施例6的俯視示意圖。圖10為本實(shí)用新型的實(shí)施例7的立體示意圖。圖中標(biāo)記名稱1、旋翼支撐臂，2、旋翼電機(jī)，3、旋翼，4、設(shè)備艙，5、電源艙，6、起落架，7、任務(wù)艙。
具體實(shí)施方式
如圖1、圖2所示，本實(shí)用新型的實(shí)施例1是新型面對(duì)稱布局的四旋翼無人飛行器，包括機(jī)身、旋翼組件、起落架6和任務(wù)艙7。其旋翼組件的個(gè)數(shù)為4，每個(gè)旋翼組件包含旋翼支撐臂1、旋翼電機(jī)2和旋翼3 ；旋翼電機(jī)2固定在旋翼支撐臂1的外端，旋翼3安裝在旋翼電機(jī)2的轉(zhuǎn)軸上并由旋翼電機(jī)2驅(qū)動(dòng)；所有旋翼組件相對(duì)于機(jī)身縱向?qū)ΨQ面左右對(duì)稱分布，并通過旋翼支撐臂1的內(nèi)端固連在機(jī)身兩側(cè)；機(jī)身內(nèi)設(shè)前后隔離的設(shè)備艙4和電源艙 5 ；設(shè)備艙4包含導(dǎo)航部件、飛行控制部件和通信部件；電源艙5內(nèi)含為全機(jī)電子設(shè)備供電的電池。起落架6固連于機(jī)身的下方。任務(wù)艙7以減震方式與機(jī)身固連。四個(gè)旋翼可按對(duì)角關(guān)系劃分為兩組，即A/D組和B/C組，每一組的兩個(gè)旋翼轉(zhuǎn)向相同，兩組旋翼之間互為正反旋翼，轉(zhuǎn)向互逆。飛行時(shí)，通過協(xié)同調(diào)整四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速來動(dòng)態(tài)平衡飛行器的力與力矩，并實(shí)現(xiàn)飛行器的垂直起降、空中懸停與機(jī)動(dòng)飛行。當(dāng)任一旋翼(如旋翼A)出現(xiàn)部分失效時(shí)，飛行控制部件中的飛控計(jì)算機(jī)將對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行快速的故障診斷，并通過調(diào)節(jié)其它三個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速(如旋翼D減速、旋翼B/C加速)實(shí)施容錯(cuò)飛行控制，以保持飛行器水平姿態(tài)(滾轉(zhuǎn)和俯仰)及高度的穩(wěn)定，避免飛行器墜毀。任務(wù)艙7為具有減震、穩(wěn)定與跟蹤功能的光電吊艙。如圖3、圖4所示，本實(shí)用新型的實(shí)施例2是新型面對(duì)稱布局的六旋翼無人飛行器，與實(shí)例1類似，其旋翼組件的個(gè)數(shù)為6，并按編號(hào)A/C/F和B/D/E分為兩組，每一組的三個(gè)旋翼轉(zhuǎn)向相同，兩組旋翼之間互為正反旋翼，轉(zhuǎn)向互逆。當(dāng)旋翼A失效(部分或全部)時(shí)， 具有多旋翼故障診斷與容錯(cuò)飛行控制功能的飛控計(jì)算機(jī)將迅速調(diào)節(jié)其它五個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速 (如旋翼D減速、旋翼B/C加速、旋翼E/F動(dòng)態(tài)調(diào)整)，以保持飛行器滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航姿態(tài)及高度的穩(wěn)定，避免飛行器墜毀。當(dāng)旋翼C失效時(shí)，令旋翼D減速、旋翼A/B/E/F加速，可保持飛行器滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航姿態(tài)及高度的穩(wěn)定。當(dāng)旋翼E失效時(shí)，令旋翼B減速、旋翼A/C/D/F 加速，或令旋翼D減速、旋翼C/F加速、旋翼A/B動(dòng)態(tài)調(diào)整，可保持飛行器水平姿態(tài)(滾轉(zhuǎn)和俯仰)及高度的穩(wěn)定，避免墜毀。旋翼B/D/F的失效處理分析與上述對(duì)稱。當(dāng)同時(shí)失效的旋翼多于一個(gè)時(shí)，具有多旋翼診斷與容錯(cuò)飛行控制功能的飛控計(jì)算機(jī)亦可在一定程度上對(duì)其它旋翼實(shí)施容錯(cuò)控制，降低飛行器墜毀的概率。六個(gè)旋翼按其它方式分組(如A/D/F和B/C/E、A/D/E和B/C/F)時(shí)的分析方法，與上述類似。如圖5、圖6所示，本實(shí)用新型的實(shí)施例3是新型面對(duì)稱布局的八旋翼無人飛行器，與實(shí)例1和2類似，旋翼組件的個(gè)數(shù)為8，其一種分組方式為旋翼A/D/E/H為一組，旋翼B/C/F/G為另一組，兩組旋翼之間互為正反旋翼，轉(zhuǎn)向互逆。其容錯(cuò)飛行控制策略與實(shí)例 1禾口 2類似。八個(gè)旋翼按其它方式分組時(shí)的分析方法，與上述類似。如圖7所示，本實(shí)用新型的實(shí)施例4是新型面對(duì)稱布局的多旋翼無人飛行器，其旋翼支撐臂1為向上彎曲伸展的S形，其目的是增加旋翼3與地面之間的距離，以減弱起飛和著陸時(shí)的地面效應(yīng)，改善飛行器起飛與著陸的穩(wěn)定性和操控性。如圖8所示，本實(shí)用新型的實(shí)施例5是新型面對(duì)稱布局的多旋翼無人飛行器，其旋翼電機(jī)2和旋翼3各有一對(duì)，兩個(gè)旋翼電機(jī)2尾部相對(duì)、轉(zhuǎn)軸朝外、上下共軸安裝并固定在旋翼支撐臂1的外端；兩個(gè)旋翼3為正反配對(duì)，分別安裝在兩個(gè)旋翼電機(jī)2的轉(zhuǎn)軸上，互為反向驅(qū)動(dòng)。在本實(shí)例中，旋翼支撐臂1的數(shù)量為旋翼電機(jī)2 (或旋翼3)的1/2 ；通過一對(duì)正反配對(duì)、反向驅(qū)動(dòng)的旋翼3，可在旋翼電機(jī)2的轉(zhuǎn)軸處消除反扭矩，從而增加單個(gè)旋翼組件提供的升力。如圖9所示，本實(shí)用新型的實(shí)施例6是新型面對(duì)稱布局的多旋翼無人飛行器(任務(wù)艙未畫出)，旋翼支撐臂1的內(nèi)端通過機(jī)身內(nèi)置、可前后轉(zhuǎn)動(dòng)、帶鎖定機(jī)構(gòu)的活動(dòng)關(guān)節(jié)與機(jī)身連接，可將旋翼組件收攏折疊到機(jī)頭或機(jī)尾方向。若活動(dòng)關(guān)節(jié)為上下轉(zhuǎn)動(dòng)方式，則可將旋翼組件收攏折疊到機(jī)身的下側(cè)。兩種收攏折疊方式都便于攜帶運(yùn)輸。如圖10所示，本實(shí)用新型的實(shí)施例7是新型面對(duì)稱布局的多旋翼無人飛行器，其任務(wù)艙7為具有減震、穩(wěn)定與跟蹤功能的照相、攝像云臺(tái)。
權(quán)利要求1.一種新型面對(duì)稱布局的多旋翼無人飛行器，其特征在于包括機(jī)身、旋翼組件、起落架和任務(wù)艙；旋翼組件的個(gè)數(shù)為大于等于4的偶數(shù)，每個(gè)旋翼組件包含旋翼支撐臂、旋翼電機(jī)和旋翼；旋翼電機(jī)固定在旋翼支撐臂的外端，旋翼安裝在旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上并由旋翼電機(jī)驅(qū)動(dòng)；所有旋翼組件相對(duì)于機(jī)身的縱向?qū)ΨQ面左右對(duì)稱分布，并通過旋翼支撐臂的內(nèi)端固連在機(jī)身兩側(cè)；機(jī)身內(nèi)設(shè)前后隔離的設(shè)備艙和電源艙，設(shè)備艙包含導(dǎo)航部件、飛行控制部件和通信部件，電源艙內(nèi)含為全機(jī)電子設(shè)備供電的電池；起落架固連于機(jī)身的下方；任務(wù)艙用于容納各種任務(wù)設(shè)備并以減震方式與機(jī)身固連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型面對(duì)稱布局的多旋翼無人飛行器，其特征在于所述的飛行控制部件包含具有多旋翼故障診斷與容錯(cuò)飛行控制功能的飛控計(jì)算機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型面對(duì)稱布局的多旋翼無人飛行器，其特征在于所述的旋翼組件中的旋翼電機(jī)和旋翼各有一對(duì)，兩個(gè)旋翼電機(jī)尾部相對(duì)、轉(zhuǎn)軸朝外、上下共軸安裝并固定在旋翼支撐臂的外端；兩個(gè)旋翼為正反配對(duì)，分別安裝在兩個(gè)旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，互為反向驅(qū)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型面對(duì)稱布局的多旋翼無人飛行器，其特征在于所述的旋翼支撐臂的內(nèi)端通過機(jī)身內(nèi)置、可前后或上下轉(zhuǎn)動(dòng)、帶鎖定機(jī)構(gòu)的活動(dòng)關(guān)節(jié)與機(jī)身連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型面對(duì)稱布局的多旋翼無人飛行器，其特征在于所述的設(shè)備艙或所述的任務(wù)艙還包含用于避障預(yù)警與控制的障礙物檢測(cè)部件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型面對(duì)稱布局的多旋翼無人飛行器，其特征在于所述的電源艙具有可拆卸艙蓋。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型面對(duì)稱布局的多旋翼無人飛行器，其特征在于所述的任務(wù)艙為具有減震、穩(wěn)定與跟蹤功能的光電吊艙，或照相、攝像云臺(tái)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型面對(duì)稱布局的多旋翼無人飛行器，其特征在于所述的任務(wù)艙內(nèi)部設(shè)有兼容各種任務(wù)設(shè)備、可更換的安裝座。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種新型面對(duì)稱布局的多旋翼無人飛行器，包括機(jī)身、旋翼組件、起落架和任務(wù)艙。旋翼組件的個(gè)數(shù)為≥4的偶數(shù)，每個(gè)旋翼組件包含旋翼支撐臂、旋翼電機(jī)和旋翼；旋翼電機(jī)固定在旋翼支撐臂的外端，旋翼安裝在旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上并由旋翼電機(jī)驅(qū)動(dòng)；所有旋翼組件相對(duì)于機(jī)身的縱向?qū)ΨQ面左右對(duì)稱分布，并通過旋翼支撐臂的內(nèi)端固連在機(jī)身兩側(cè)。機(jī)身內(nèi)設(shè)前后隔離的設(shè)備艙和電源艙，設(shè)備艙包含導(dǎo)航部件、飛行控制部件和通信部件，電源艙內(nèi)含電池。起落架固連于機(jī)身的下方。任務(wù)艙以減震方式與機(jī)身固連。飛行控制部件包含具有多旋翼故障診斷與容錯(cuò)飛行控制功能的飛控計(jì)算機(jī)。本實(shí)用新型外形新穎、結(jié)構(gòu)簡潔、控制可靠且易于實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用價(jià)值良好。
文檔編號(hào)B64C27/08GK202071985SQ201120058970
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月9日
發(fā)明者吳懷群, 李少斌, 李橋梁, 楊忠, 楊成順, 楊輕, 梁焜, 王振華, 葛樂, 顧元政, 黃宵寧 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)