CN102126554A - 面对称布局的多旋翼无人飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面对称布局的多旋翼无人飞行器，包括机身、旋翼组件和起落架。旋翼组件的个数为≥4的偶数，每个旋翼组件包含旋翼支撑臂、旋翼电机和旋翼；旋翼电机固定在旋翼支撑臂的外端，旋翼安装在旋翼电机的转轴上并由旋翼电机驱动；所有旋翼组件相对于机身的纵向对称面左右对称分布，并通过旋翼支撑臂的内端固连在机身两侧。机身内设前后隔离的设备舱和电源舱，设备舱包含导航部件、飞行控制部件和通信部件，电源舱内含为全机电子设备供电的电池。起落架固连于机身的下方。飞行控制部件包含具有多旋翼故障诊断与容错飞行控制功能的飞控计算机。本发明外形布局新颖、内部结构简洁、系统控制可靠且易于工程实现，具有良好的工程应用价值。

Description

面对称布局的多旋翼无人飞行器

技术领域

本发明涉及一种面对称布局的多旋翼无人飞行器，属于无人飞行器设计与控制技术领域，可广泛应用于航拍摄影、电力巡检、环境监测、森林防火、灾情巡查、防恐救生、军事侦察、战场评估等领域。

背景技术

具有垂直起降、稳定悬停和自主巡航能力的微小型飞行器，在民用和军事领域有着广阔的应用前景。常见的微小型无人直升机（包括航模直升机），虽可垂直起降和空中悬停，但由于固有稳定性不足，其人工或自动控制的难度较大。该类直升机的旋翼通常有着相当的尺度和惯量，高速旋转时不仅噪声较大，而且对周围环境和地面人员有着很大的潜在安全危害性。特别是采用燃油发动机时，无人直升机还存在着严重的噪声和环保问题。

多旋翼无人飞行器是一种新型的旋翼飞行器，有着多个对称分布在机体四周、正反转成对的旋翼，旋翼的个数一般为≥4的偶数。该类飞行器普遍采用电能驱动，具有结构简单、飞行稳定、易于操控（配合飞行控制系统）、低噪声无污染、携带方便、安全危害性小等特点，非常适合于执行中短距离的飞行任务。近年来，多旋翼无人飞行器逐渐引起了国内外的极大关注，相继诞生了一些典型产品。

例如，德国Microdrones公司研制的MD4系列四旋翼飞行器，采用中心对称的十字形单层旋翼布局，机身、支撑臂、旋翼舱为碳纤维一体成形；尺寸较大的MD4-1000还采用折叠式支臂设计，以方便运输。德国MikroKopter研制的MK L4-ME四旋翼飞行器、MK Hexa系列六旋翼飞行器和MK Okto系列八旋翼飞行器，全部采用中心对称的单层旋翼布局，并且MK L4-ME的四个旋翼相对起落架方向呈X形布置。此外，加拿大的Draganfly公司研制的Draganflyer系列多旋翼飞行器，也全部采用中心对称布局；其中，X4四旋翼为单层旋翼X形布置，X6六旋翼为双层共轴旋翼Y形布置，X8八旋翼为双层共轴旋翼X形布置。其双层共轴旋翼的特点是：支撑臂的数量为旋翼数量的1/2，即每根支撑臂的末端有两个共轴安装、上下朝向相反的旋翼，二者反向旋转以相互抵消反扭矩。

在国内，XAircraft推出的X650四旋翼飞行器也属于中心对称的单层旋翼布局，有十字形和X形布置两种。

除产品以外，专利号为CN200820222484.4的实用新型，提出了一种可折叠的四轴多旋翼飞行器，其四个旋翼支撑臂可绕扣件连接轴旋转收拢到机身下方，以便携带运输。申请号为200910079365.7的“一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人及其运动规划方法”，将旋翼式飞行器与腿轮式运动机构融合为多旋翼腿轮式多功能空中机器人，并规划了机器人飞行状态与爬壁状态的运动转换方法。

通过对国内外现有多旋翼飞行器进行综合分析，可以看到：

1）飞行器的旋翼相对机身普遍呈中心对称分布，飞行器整体外观的中心对称度较高。该布局在获得美观的同时，缺少显著的头尾标示（除非用醒目的彩色作大面积标示），使得空中飞行时飞行器的机头正方向难以目视辨识，不利于飞行器的姿态操控和任务执行；

2）电子设备（包括导航、飞控、通信）和机载电池在机身内一般呈上下充当布置。该方式虽可使整机质量集中在中心部位，但由于电池工作在大电流状态下，其热效应和磁场效应极易对电子设备产生干扰，由此导致诸如敏感元件误差增加、飞控计算机失效等故障，因而降低了飞行器控制系统的可靠性；

3）在控制方式上，均未涉及单个或多个旋翼失效（部分或全部）时的多旋翼故障诊断与容错飞行控制技术，因此飞行器控制的可靠性尚有较大的提升空间。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种外形布局新颖、内部结构简洁、系统控制可靠且易于工程实现的多旋翼飞行器方案，克服现有方案的不足。

本发明的技术解决方案是：面对称布局的多旋翼无人飞行器，包括机身、旋翼组件和起落架。旋翼组件的个数为≥4的偶数，每个旋翼组件包含旋翼支撑臂、旋翼电机和旋翼；旋翼电机固定在旋翼支撑臂的外端，旋翼安装在旋翼电机的转轴上并由旋翼电机驱动；所有旋翼组件相对于机身的纵向对称面左右对称分布，并通过旋翼支撑臂的内端固连在机身两侧；机身内设前后隔离的设备舱和电源舱，设备舱包含导航部件、飞行控制部件和通信部件，电源舱内含为全机电子设备供电的电池。起落架固连于机身的下方。

优选地，所述的飞行控制部件包含具有多旋翼故障诊断与容错飞行控制功能的飞控计算机。

优选地，所述的旋翼组件中的旋翼电机和旋翼各有一对，两个旋翼电机尾部相对、转轴朝外、上下共轴安装并固定在旋翼支撑臂的外端；两个旋翼为正反配对，分别安装在两个旋翼电机的转轴上，互为反向驱动。

优选地，所述的旋翼支撑臂的内端通过机身内置、可前后或上下转动、带锁定机构的活动关节与机身连接。

优选地，所述的机身的前部或后部及其两侧的旋翼组件用醒目的彩色标示。

优选地，所述的电源舱具有可拆卸舱盖。

优选地，所述的起落架为滑橇式或滚轮式或浮筒式。

优选地，所述的机身具有流线型外形。

该方案的优点是：

1）飞行器外形布局新颖，内部结构简洁，易于工程实现。

2）旋翼组件相对机身纵向对称面呈左右对称分布，较之常见的中心对称布局的多旋翼飞行器，容易辨识其头尾并确定飞行姿态。同时，机身的前部或后部及其两侧的旋翼组件用醒目的彩色标示，更易于辨识飞行器在空中飞行时的头部或尾部，从而有利于飞行器及机载任务设备的操控。

3）机身内部的设备舱和电源舱前后布置且隔离，减弱了电池的热效应和磁场效应对电子设备的干扰，有效提高了系统控制与数据通信的可靠性。

4）飞行控制部件包含具有多旋翼故障诊断与容错飞行控制功能的飞控计算机，可在单个或多个旋翼失效（部分或全部）时，实施快速的故障诊断与容错飞行控制，从而有效提高飞行器的可靠性，减小飞行器坠毁的概率。

5）通过机身内置、可前后或上下转动、带锁定机构的活动关节将旋翼支撑臂的内端与机身连接，可将旋翼组件收拢到机头（或机尾）方向或机身的下侧，从而便于携带运输。

6）电源舱具有可拆卸舱盖，可方便更换电池。

7）机身设计成流线型外形，可有效减小飞行时的空气阻力，降低能耗。

附图说明：

图1为本发明的实施例1的立体示意图。

图2为实施例1的俯视示意图。

图3为本发明的实施例2的立体示意图。

图4为实施例2的俯视示意图。

图5为本发明的实施例3的立体示意图。

图6为实施例3的俯视示意图。

图7为本发明的实施例4的立体示意图。

图8为本发明的实施例5的立体示意图。

图9为本发明的实施例6的俯视示意图。

图中标记名称：1、旋翼支撑臂，2、旋翼电机，3、旋翼，4、设备舱，5、电源舱，6、起落架。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明的实施例1是：面对称布局的四旋翼无人飞行器，包括机身、旋翼组件和起落架6。其旋翼组件的个数为4，每个旋翼组件包含旋翼支撑臂1、旋翼电机2和旋翼3；旋翼电机2固定在旋翼支撑臂1的外端，旋翼3安装在旋翼电机2的转轴上并由旋翼电机2驱动；所有旋翼组件相对于机身纵向对称面左右对称分布，并通过旋翼支撑臂1的内端固连在机身两侧；机身内设前后隔离的设备舱4和电源舱5；设备舱4包含导航部件、飞行控制部件和通信部件；电源舱5内含为全机电子设备供电的电池。起落架6固连于机身的下方。

四个旋翼可按对角关系划分为两组，即A/D组和B/C组，每一组的两个旋翼转向相同，两组旋翼之间互为正反旋翼，转向互逆。飞行时，通过协同调整四个旋翼的转速来动态平衡飞行器的力与力矩，并实现飞行器的垂直起降、空中悬停与机动飞行。当任一旋翼（如旋翼A）出现部分失效时，飞行控制部件中的飞控计算机将对系统进行快速的故障诊断，并通过调节其它三个旋翼的转速（如旋翼D减速、旋翼B/C加速）实施容错飞行控制，以保持飞行器水平姿态（滚转和俯仰）及高度的稳定，避免飞行器坠毁。

如图3、图4所示，本发明的实施例2是：面对称布局的六旋翼无人飞行器，与实例1类似，其旋翼组件的个数为6，并按编号A/C/F和B/D/E分为两组，每一组的三个旋翼转向相同，两组旋翼之间互为正反旋翼，转向互逆。当旋翼A失效（部分或全部）时，具有多旋翼故障诊断与容错飞行控制功能的飞控计算机将迅速调节其它五个旋翼的转速（如旋翼D减速、旋翼B/C加速、旋翼E/F动态调整），以保持飞行器滚转、俯仰、偏航姿态及高度的稳定，避免飞行器坠毁。当旋翼C失效时，令旋翼D减速、旋翼A/B/E/F加速，可保持飞行器滚转、俯仰、偏航姿态及高度的稳定。当旋翼E失效时，令旋翼B减速、旋翼A/C/D/F加速，或令旋翼D减速、旋翼C/F加速、旋翼A/B动态调整，可保持飞行器水平姿态（滚转和俯仰）及高度的稳定，避免坠毁。旋翼B/D/F的失效处理分析与上述对称。

当同时失效的旋翼多于一个时，具有多旋翼诊断与容错飞行控制功能的飞控计算机亦可在一定程度上对其它旋翼实施容错控制，降低飞行器坠毁的概率。

六个旋翼按其它方式分组（如A/D/F和B/C/E、A/D/E和B/C/F）时的分析方法，与上述类似。

如图5、图6所示，本发明的实施例3是：面对称布局的八旋翼无人飞行器，与实例1和2类似，旋翼组件的个数为8，其一种分组方式为：旋翼A/D/E/H为一组，旋翼B/C/F/G为另一组，两组旋翼之间互为正反旋翼，转向互逆。其容错飞行控制策略与实例1和2类似。

八个旋翼按其它方式分组时的分析方法，与上述类似。

如图7所示，本发明的实施例4是：面对称布局的多旋翼无人飞行器，其旋翼支撑臂1为向上弯曲伸展的S形，其目的是增加旋翼3与地面之间的距离，以减弱起飞和着陆时的地面效应，改善飞行器起飞与着陆的稳定性和操控性。

如图8所示，本发明的实施例5是：面对称布局的多旋翼无人飞行器，其旋翼电机2和旋翼3各有一对，两个旋翼电机2尾部相对、转轴朝外、上下共轴安装并固定在旋翼支撑臂1的外端；两个旋翼3为正反配对，分别安装在两个旋翼电机2的转轴上，互为反向驱动。在本实例中，旋翼支撑臂1的数量为旋翼电机2（或旋翼3）的1/2；通过一对正反配对、反向驱动的旋翼3，可在旋翼电机2的转轴处消除反扭矩，从而增加单个旋翼组件提供的升力。

如图9所示，本发明的实施例6是：面对称布局的多旋翼无人飞行器，旋翼支撑臂1的内端通过机身内置、可前后转动、带锁定机构的活动关节与机身连接，可将旋翼组件收拢折叠到机头或机尾方向。若活动关节为上下转动方式，则可将旋翼组件收拢折叠到机身的下侧。两种收拢折叠方式都便于携带运输。

Claims (7)

1.一种面对称布局的多旋翼无人飞行器，其特征在于：包括机身、旋翼组件和起落架；旋翼组件的个数为大于等于4的偶数，每个旋翼组件包含旋翼支撑臂、旋翼电机和旋翼；旋翼电机固定在旋翼支撑臂的外端，旋翼安装在旋翼电机的转轴上并由旋翼电机驱动；所有旋翼组件相对于机身的纵向对称面左右对称分布，并通过旋翼支撑臂的内端固连在机身两侧；机身内设前后隔离的设备舱和电源舱，设备舱包含导航部件、飞行控制部件和通信部件，电源舱内含为全机电子设备供电的电池；起落架固连于机身的下方。

2.根据权利要求1所述的面对称布局的多旋翼无人飞行器，其特征在于：所述的飞行控制部件包含具有多旋翼故障诊断与容错飞行控制功能的飞控计算机。

3.根据权利要求1所述的面对称布局的多旋翼无人飞行器，其特征在于：所述的旋翼组件中的旋翼电机和旋翼各有一对，两个旋翼电机尾部相对、转轴朝外、上下共轴安装并固定在旋翼支撑臂的外端；两个旋翼为正反配对，分别安装在两个旋翼电机的转轴上，互为反向驱动。

4.根据权利要求1所述的面对称布局的多旋翼无人飞行器，其特征在于：所述的旋翼支撑臂的内端通过机身内置、可前后或上下转动、带锁定机构的活动关节与机身连接。

5.根据权利要求1所述的面对称布局的多旋翼无人飞行器，其特征在于：所述的机身的前部或后部及其两侧的旋翼组件用醒目的彩色标示。

6.根据权利要求1所述的面对称布局的多旋翼无人飞行器，其特征在于：所述的电源舱具有可拆卸舱盖。

7.根据权利要求1所述的面对称布局的多旋翼无人飞行器，其特征在于：所述的起落架为滑橇式或滚轮式或浮筒式。

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