CN103979106A - 一种自动调整重心的旋翼式无人机以及调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种负载后自动调整重心的旋翼式无人机以及调整方法，所述旋翼式无人机包括带有旋翼组件的机体，所述机体底部设有支撑机体以测试机体重量和重心的检测装置以及与机体连接的平移机构，所述平移机构包括用于固定负载的移动输出端。本发明的自动调整重心的旋翼式无人机以及调整方法，通过在机体上安装测试装置以及平移机构来实现控制无人机的重心位置，从而使无人机平稳起降、安全着陆，提高无人机的安全性；调整方法过程简单，可以进行时时地检测和调整，适用于需要经常改装机体的工作情况。

Description

一种自动调整重心的旋翼式无人机以及调整方法

技术领域

本发明涉及小型的无人飞行器，特别涉及一种自动调整重心的旋翼式无人机以及调整方法。

背景技术

目前，国内外小型无人机已广泛应用于民用和军事领域，如灾区灾情监测、电视台航拍、电力巡线、气象探测、目标侦查等。

小型无人机主要包括无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机这几大类，其中，旋翼式无人机因其具有构造简单，价格低廉而被广泛使用，更为重要的是它不需要发射系统，还能垂直起降，更能自由悬停，而且飞行灵活性好，可用各种速度、用各种飞行剖面的航路进行飞行。旋翼式无人机主要包括机体以及固定在机体上以驱动机体飞行的旋翼组件。

一般来说，为了机身平稳飞行，会将机身的重心设置在旋翼组件的中心轴上。但是由于制造误差以及因工作需要的改装，机身的重心会偏移。目前，一般都是通过测试出无人机的重心，然后通过手动调整的方式来调整重心。

例如公告号为CN2928183Y的专利文献公开了一种遥控直升机的重心调整结构，系使玩具遥控直升机具有可调整重心的功能；主要系：机身板设有前后的定位孔及调整孔，并设辅助板，辅助板可供放置电池或配重块，通过调整辅助板不同的倾斜角度，而得以改变设定直升机重心的不同位置，达到使直升机更佳的飞行平衡效果。

上述结构的飞行器通过在机身上固定平衡块的方式来调整重心，虽然可以一定程度上对机身的重心位置进行调整，但是由于没有配合测试飞行器的重心位置，仅凭飞行器的飞行状态和经验来调整，不仅操作麻烦，耗费时间，且调整精度低，误差大，适用范围小。

有研究者在飞行器上设置调整飞行器重心的装置，公告号为CN201168442Y的专利文献公开了一种便携式无人航拍专用直升机，该专利在直升机的中部设置一套带转向风轮的整机重心调整飞行机构，即通过整机重心调整飞行机构来调整飞行器重心向前或向后移动来使水平旋转的旋翼向前或向后改变角度，使飞行器向前或向后飞行。

上述装置的设计是为了实现飞行器飞行方向的变化，并没有对飞行器重心的位置进行精确的测试，测试精度不高，不能有效地保证飞行器平稳飞行，且调整机构需要多余的配重块，会增加飞行器的自重，降低飞行器的动力和灵活性。

发明内容

本发明提供了一种负载后自动调整重心的旋翼式无人机以及调整方法，不仅结构简单，还能解决现有技术中，不能精确测试无人机重心位置且会增加多余配重的问题。

一种自动调整重心的旋翼式无人机，包括带有旋翼组件的机体，所述机体底部设有支撑机体以测试机体重量和重心的检测装置以及与机体连接的平移机构，所述平移机构包括用于固定负载的移动输出端。

在起飞之前，上述无人机带有检测组件测试机体，可以时时检测无人机的重量和重心的变化，不要另外设置独立的测试设备，适合在野外等不具备测试器材的环境下使用；然后通过检测数据控制平移机构调整负载位置将装有负载的机身的重心调整到旋翼组件的中心轴上，从而保证本发明的旋翼式无人机在负载后可以自动平衡，与现有技术相比，不需要设置另外附加的平衡机构或者配重块，可以简化和减轻无人机的重量，同时实现无人机平稳起降、安全着陆，提高无人机的安全性。特别适用于经常需要在装载各类不同设备到不同部位同时又需要加装负载以适应不同工作内容的无人机，所述设备包括一些测试，摄录等装置，而负载则是需要通过无人机运送的货物，特别适用于旋翼组件为非共轴式多旋翼的无人机。

本发明中，所述机体的重心是指水平方向的重心。

为了提高检测的便捷度和准确性，优选的，所述测试装置包括四个垂直竖立于机体下方共同支撑机体以保持机体水平并同时测试支撑力的支撑组件，两两相对的支撑组件的连线垂直交叉，交点落在旋翼组件的中心轴上。上述结构有利于在水平面上建立以旋翼组件的中心轴为圆心的平面坐标系，并将各支撑组件的受力点设置在平面坐标系的坐标轴上，从而减少参数量，有效简化计算过程，提高计算精度。

优选的，所述支撑组件包括：插接配合的内套和外套，抵接在内套和外套之间的压缩弹簧以及弹簧压力检测模块，所述内套或者外套与机体固定连接。所述支撑组件结构简单，方便检测受力点的支撑力。上述装置结构简单，便于检测和收集数据用于计算。

本发明采用以下结构的平移机构，以实现移动输出端平面内任意位置的移动，优选的，所述平移机构还包括：与机体固定连接的支撑架，分别滑动安装在支撑架上且十字交叉设置的第一导向滑轨和第二导向滑轨，驱动第一导向滑轨平移的第一驱动机构，驱动第二导向滑轨平移的第二驱动机构，以及同时滑动安装在第一导向滑轨和第二导向滑轨上且与移动输出端固定连接的滑座。不仅结构简单，而且可以实现准确定位，同时动力需求小，可以通过小型电机驱动。

为了使平移机构稳定运行，进一步优选的，所述支撑架为矩形框架，所述第一导向滑轨或第二导向滑轨的两端滑动安装在相对布置的一对边框上。

优选的，所述第一驱动机构为由电机驱动的第一丝杆，第一导向滑轨与第一丝杆螺母固定连接。

优选的，所述第二驱动机构为由电机驱动的第二丝杆，第二导向滑轨与第二丝杆螺母固定连接。

本发明还提供了一种旋翼式无人机自动调整重心的方法，步骤包括：

步骤一：负载前，检测机体的重量；

步骤二：将负载悬挂到机身的平移机构上，检测增加负载后机体的重量和重心位置；

步骤三：根据步骤二和步骤三的检测结果，计算出使机体的重心落在机翼组件的中心轴上时，负载的位移量和位移方向。

步骤四：根据步骤三的位移量和位移方向移动负载。

上述方法通过测试机体负载前的重量，以及负载后的重量和重心位置，来计算出要使机体负载后的重心落到机翼组件的中心轴上负载的位移量和位移方向，调整过程简单，测试数据少，可以快速调整无人机到平衡位置，且不需要另外测试负载的重心位置，就可以直接调整，使无人机平稳起降、安全着陆，提高无人机的安全性。

无论是在改变机体本身的重量或者结构，还是调整负载的重量，都可以通过本方法快速调整负载以使无人机平衡。

为了减少数据量，简化计算方式，优选的，计算负载的位移量和位移方向的方法包括以下步骤：

(1)将机体水平放置在平台上，机体和平台之间设有四个支撑机体的受力点；

(2)以旋翼组件的中心轴为原点O，建立水平面内的平面坐标系，四个受力点，分别落在平面坐标系的两个坐标轴的正负轴线上；

(3)负载前，根据四个受力点的支撑力F₁、F₂、F₃、F₄，得到机体的重量F：

F＝F₁+F₂+F₃+F₄；

(4)负载后，根据四个受力点的支撑力F’₁、F’₂、F’₃、F’₄和四个受力点在平面坐标系内的位置S₁、S₂、S₃、S₄，得到机体负载后的重量F’和重心在平面坐标系内满足位置关系；

其中，F’，F’₁₃和F’₂₄关系如下：

F’₁₃＝F’₁+F’₃；

F’₂₄＝F’₂+F’₄；

F’＝F’₁₃+F’₂₄；

F’₁₃、F’₂₄的作用点分别在S₁S₃，S₂S₄，F’₁₃、F’₂₄在平面坐标系内的位置分别为S₁₃、S₂₄，F’的作用点S，即重心在平面坐标系内满足位置关系:

L_S1S13/L _S3S13＝F’₃/F’₁

L_S2S24/L _S4S24＝F’₄/F’₂

L_S S13/L _S S24＝F’₂₄/F’₁₃

(5)根据步骤(3)和步骤(4)的数据，计算得到负载(F’-F)的位移量F’*L_OS/(F’-F)，位移方向为F’O。

步骤(5)的计算原理：假设自重F的无人机和重量为(F’-F)负载的重心均在点S处，此时满足负载后机体重心在点S处，通过移动负载至S’处从而改变负载后的机体重心位置至O处，需满足：L _OS/L _OS’＝(F’-F)/F，且点O在SS’上，得出负载移动的距离和方向为L _OS’，L _OS’大小为F’*L_OS/(F’-F)*L_OF’,方向为F’O方向，由于计算结果中不包含假设的参数，因此，该计算结果也适用于重心位置未知的负载。

上述计算方式不需要对负载的质量和重心位置进行另外的测试和计算，即可以通过移动负载一次将机体的重心调整到机翼组件的中心轴上。

本发明的有益效果：

本发明的自动调整重心的旋翼式无人机以及调整方法，通过在机体上安装测试装置以及平移机构来实现控制无人机的重心位置，从而使无人机平稳起降、安全着陆，提高无人机的安全性；调整方法过程简单，可以进行时时地检测和调整，适用于需要经常改装机体的工作情况。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为支撑组件的立体结构示意图。

图3为支撑组件的结构示意图。

图4为图3在A-A方向的剖面示意图。

图5为平移机构的结构示意图。

图6为重心的计算辅助示意图。

图7为负载移动量的计算辅助示意图。

具体实施方式

如图1～5所示，本实施例的自动调整重心的旋翼式无人机包括：机体1，八组周向均匀分布安装在机体1上的旋翼组件2，机体1底部设有检测装置3和平移机构4。

旋翼组件2包括与机体1连接的传动轴21以及安装在传动轴21自由端的旋翼22。

测试装置包括四个垂直竖立于机体1下方共同支撑机体以保持机体水平并同时测试支撑力的支撑组件3，支撑组件3包括：插接配合的内套31和外套32，抵接在内套和外套之间的压缩弹簧33以及弹簧压力检测模块(图中未画出)，四个内套31分别间隔固定在旋翼组件2的传动轴21上，内套31通过固定件34夹装固定在传动轴21上。

由于旋翼组件2间隔布置的传动轴21相互垂直且延长线相交于旋翼组件的中心轴，从而使两两相对的支撑组件3的连线垂直交叉，交点落在旋翼组件2的中心轴上。

平移机构4包括：与机体1固定连接的支撑架41，分别滑动安装在支撑架41上且十字交叉设置的第一导向滑轨42和第二导向滑轨43，驱动第一导向滑轨42平移的第一丝杆44，驱动第二导向滑轨43平移的第二丝杆45，同时滑动安装在第一导向滑轨42和第二导向滑轨42上滑座46以及与滑座46固定连接的挂钩49。

第一导向滑轨42和第二导向滑轨43上分别设有与滑座46配合第一滑槽48和第二滑槽49。

支撑架41为矩形框架，矩形框架的四个直角位置设有与机体1连接的连接杆410，第一导向滑轨42或第二导向滑轨43的两端滑动安装在相对布置的一对边框上。第一丝杆44和第二丝杆45设置在支撑架41外侧，第一导向滑轨42的端部与第一丝杆螺母固定连接，第二导向滑轨43的端部与第二丝杆螺母固定连接，丝杆由电机驱动。

本实施例的旋翼式无人机自动调整重心的方法，步骤包括：

步骤一：将机体1通过四个支撑组件3水平放置在平台上；

步骤二：以旋翼组件2的中心轴为原点O，建立水平面内的平面坐标系，四个支撑组件3的受力点分别落在平面坐标系的两个坐标轴的正负轴线上；

步骤三：负载前，根据四个支撑组件测得的支撑力F₁、F₂、F₃、F₄，得到机体的重量F：

F＝F₁+F₂+F₃+F₄；

步骤四：负载固定到移动输出端后，根据四个支撑组件测得的支撑力F’₁、F’₂、F’₃、F’₄和四个受力点在平面坐标系内的位置S₁、S₂、S₃、S₄，得到机体负载后的重量F’和重心在平面坐标系内满足位置关系；

其中，F’，F’₁₃和F’₂₄关系如下：

F’₁₃＝F’₁+F’₃；

F’₂₄＝F’₂+F’₄；

F’＝F’₁₃+F’₂₄；

F’₁₃、F’₂₄的作用点分别在S₁S₃，S₂S₄，F’₁₃、F’₂₄在平面坐标系内的位置分别为S₁₃、S₂₄，F’的作用点S，即重心在平面坐标系内满足位置关系，如图6所示:

L_S1S13/L _S3S13＝F’₃/F’₁

L_S2S24/L _S4S24＝F’₄/F’₂

L_S S13/L _S S24＝F’₂₄/F’₁₃

步骤五：根据步骤(3)和步骤(4)的数据，计算得到负载的位移量F’*L_OS/(F’-F)，位移方向为F’O。

步骤六：平移机构4根据步骤五中得出的负载移动量和方向移动负载，通过控制第一丝杆44和第二丝杆45驱动第一导向滑轨42和第二导向滑轨43在两个方向推动滑座46运动实现，从而将负载后的机体重心调整至中心轴处。

步骤五中计算位移量和位移方向的方法：假设自重F的无人机和重量为(F’-F)负载的重心均在点S处，此时满足负载后机体重心在点S处，通过移动负载至S’处从而改变负载后的机体重心位置至O处，需满足：L _OS/L _OS’＝(F’-F)/F，且点O在SS’上，如图7所示，从而得出负载移动的距离和方向为L _OS’，L _OS’大小为F’*L_OF’/(F’-F),方向为F’O方向，由于计算结果中不包含假设的参数，因此，该计算结果也适用于重心位置未知的负载。

综上所述，本实施例的自动调整重心的旋翼式无人机通过在机体上安装测试装置以及平移机构来实现控制无人机的重心位置的调整，从而使无人机平稳起降、安全着陆，提高无人机的安全性；且调整方法过程简单，可以进行时时地检测和调整，适用于需要经常改装机体的工作情况。

Claims (9)

1.一种自动调整重心的旋翼式无人机，包括带有旋翼组件的机体，其特征在于，所述机体底部设有支撑机体以测试机体重量和重心的检测装置以及与机体连接的平移机构，所述平移机构包括用于固定负载的移动输出端。

2.如权利要求1所述的自动调整重心的旋翼式无人机，其特征在于，所述测试装置包括四个垂直竖立于机体下方共同支撑机体以保持机体水平并同时测试支撑力的支撑组件，两两相对的支撑组件的连线垂直交叉，交点落在旋翼组件的中心轴上。

3.如权利要求2所述的自动调整重心的旋翼式无人机，其特征在于，所述支撑组件包括：插接配合的内套和外套，抵接在内套和外套之间的压缩弹簧以及弹簧压力检测模块，所述内套或者外套与机体固定连接。

4.如权利要求1所述的自动调整重心的旋翼式无人机，其特征在于，所述平移机构还包括：与机体固定连接的支撑架，分别滑动安装在支撑架上且十字交叉设置的第一导向滑轨和第二导向滑轨，驱动第一导向滑轨平移的第一驱动机构，驱动第二导向滑轨平移的第二驱动机构，以及同时滑动安装在第一导向滑轨和第二导向滑轨上且与移动输出端固定连接的滑

座。

5.如权利要求4所述的自动调整重心的旋翼式无人机，其特征在于，所述支撑架为矩形框架，所述第一导向滑轨或第二导向滑轨的两端滑动安装在相对布置的一对边框上。

6.如权利要求4所述的自动调整重心的旋翼式无人机，其特征在于，所述第一驱动机构为由电机驱动的第一丝杆，第一导向滑轨与第一丝杆螺母固定连接。

7.如权利要求4所述的自动调整重心的旋翼式无人机，其特征在于，所述第二驱动机构为由电机驱动的第二丝杆，第二导向滑轨与第二丝杆螺母固定连接。

8.一种旋翼式无人机自动调整重心的方法，其特征在于，步骤包括：

步骤一：负载前，检测机体的重量；

步骤二：将负载悬挂到机身的平移机构上，检测增加负载后机体的重量和重心位置；

步骤三：根据步骤二和步骤三的检测结果，计算出使机体的重心落在机翼组件的中心轴上时，负载的位移量和位移方向。

步骤四：根据步骤三的位移量和位移方向移动负载。

9.如权利要求8所述的旋翼式无人机自动调整重心的方法，其特征在于，计算负载的位移量和位移方向的方法包括以下步骤：

(1)将机体水平放置在平台上，机体和平台之间设有四个支撑机体的受力点；

(2)以旋翼组件的中心轴为原点O，建立水平面内的平面坐标系，四个受力点，分别落在平面坐标系的两个坐标轴的正负轴线上；

(3)负载前，根据四个受力点的支撑力F₁、F₂、F₃、F₄，得到机体的重量F：

F＝F₁+F₂+F₃+F₄；

(4)负载后，根据四个受力点的支撑力F’₁、F’₂、F’₃、F’₄和四个受力点在平面坐标系内的位置S₁、S₂、S₃、S₄，得到机体负载后的重量F’和重心在平面坐标系内满足位置关系；

其中，F’，F’₁₃和F’₂₄关系如下：

F’₁₃＝F’₁+F’₃；

F’₂₄＝F’₂+F’₄；

F’＝F’₁₃+F’₂₄；

F’₁₃、F’₂₄的作用点分别在S₁S₃，S₂S₄，F’₁₃、F’₂₄在平面坐标系内的位置分别为S₁₃、S₂₄，F’的作用点S，即重心在平面坐标系内满足位置关系:

L_S1S13/L _S3S13＝F’₃/F’₁

L_S2S24/L _S4S24＝F’₄/F’₂

L_S S13/L _S S24＝F’₂₄/F’₁₃

(5)根据步骤(3)和步骤(4)的数据，计算得到负载的位移量F’*L_OS/(F’-F),位移方向为F’O。