CN104494820A - 油动四旋翼无人飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油动四旋翼无人飞行器，包括有四个的旋翼及航空发动机，每个的旋翼包括两片的翼片，每片的翼片分别与相应的浆毂相连，航空发动机通过减速箱将动力通过四根呈十字排列的传动轴将动力传递给四组的变速箱，再由变速箱通过伺服舵机及变距系统控制与两片旋翼相连的两浆毂实现相应的运动，还包括有控制系统。本发明的油动四旋翼无人飞行器是采用汽油/航煤为燃料，采用小型航空发动机为动力，升力系统采用直升机旋翼形式，操纵方式采用定转速变桨距方式。具有续航时间长，载荷能力大、机动性能好，抗风能力强等特点。能满足大多数客户的作业任务需求。

Description

油动四旋翼无人飞行器

技术领域

          本发明涉及一种飞行器 ，特别是一种油动四旋翼无人飞行器。

背景技术

油动四旋翼飞行器是一种以小型航空发动机为动力、能够垂直起降的、多旋翼式自主飞行器。它在总体布局形式上属于非共轴式蝶形飞行器，与常规旋翼式飞行器相比，其结构更为紧凑，能够产生更大的升力，并且4只旋翼可相互抵消反扭力矩，不需要专门的反扭桨。

目前市场上的四旋翼和多旋翼飞行器已多种多样，都是采用以锂电池作为动力能源，无刷电机为动力、升力系统采用螺旋桨形式，操纵方式采用定桨距变转速的操纵模式，这样模式的多旋翼是依靠自身重力和电机变转速改变螺旋桨的升力大小进行平衡操纵，缺点是机动性能差，抗风能力弱。另外目前受电池功重比制约，都属于小微型的飞行器，续航时间短，载荷能力小。无法满足大多数客户的作业任务需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，而提供一种续航时间长，载荷能力大、机动性能好，抗风能力强等特点的飞行器，能满足大多数客户的作业任务需求的油动四旋翼无人飞行器。

一种油动四旋翼无人飞行器，包括有四个的旋翼及航空发动机，每个的旋翼包括两片的翼片，每片的翼片分别与相应的浆毂相连，航空发动机通过减速箱将动力通过四根呈十字排列的传动轴将动力传递给四组的变速箱，再由变速箱通过伺服舵机及变距系统控制与两片旋翼相连的两浆毂实现相应的运动，还包括有控制系统，所述的控制系统包括有多种不同种类的传感器，飞控装置、测控装置，任务设备及飞控计算机，其中的传感器用于检测飞机的各种信息，所述的飞控装置利用采集板采集到的信息及传感器检测的信息，通过模型算法对飞机进行实时控制，测控装置用于完成地面与飞机之间的人机交互使飞机能按照地面控制人员的意愿进行控制飞行，任务设备用于采集需要监测的各种信息。

本发明油动四旋翼无人飞行器，由于采用航空发动机做为动力，并增加了四组的旋翼，每一组旋翼的控制是通过伺服舵机和变距系统来实现，从而改变了以往无人飞行器升力靠螺旋浆，操作靠定浆距变转速模式带来的机动性能差，抗风能力弱的缺点，而本发明改为采用的直升机旋翼模式，操纵方式为采用定转速变浆距方式，具有抗风能力强，载荷能力大、机动性能好的优点。

所述的飞控装置控制各组旋翼的动作为：（1）升降飞行（总距）控制：

          升降飞行控制主要是通过控制4个旋翼同时增大或减小桨距进行油动四旋翼的升高和降低控制；4个旋翼中1号和3号为一组向顺时针方向旋转，2号和4号为一组向逆时针方向旋转，4个桨距同时增大或减小时，顺时针旋转的一组旋翼和逆时针旋转的一组旋翼正好相互抵消反扭矩。

（2）    前后飞行（俯仰）控制：

         前飞时1号桨距减小同时3号桨距加大，使飞机产生低头力矩，实现前飞；2号和4号旋翼桨距保持不变。后飞时1号桨距加大同时3号桨距减小，使飞机产生抬头力矩，实现后飞；2号和4号旋翼桨距保持不变。

（3）    左右飞行（横倾）控制：

         左飞时4号桨距减小同时2号桨距加大，使飞机产生左倾力矩，实现左飞；1号和3号旋翼桨距保持不变。右飞时4号桨距加大同时2号桨距减小，使飞机产生右倾力矩，实现右飞；1号和3号旋翼桨距保持不变。

（4）    左右旋转（航向）飞行控制：

         飞机左旋转时控制1号和3号旋翼桨距减小同时2号和4号旋翼桨距加大，使飞机顺时针旋转一组的旋翼和逆时针旋转一组旋翼的反扭力变小，实现飞机左转飞行；飞机右旋转时控制2号和4号旋翼桨距减小同时1号和3号旋翼桨距加大，使飞机顺时针旋转一组旋翼和逆时针旋转一组旋翼的反扭力变大，实现飞机右转飞行；

（5）    发动机转速闭环控制：

        发动机转速闭环控制主要目的是为了让飞机旋翼负载变化时还能使飞机的旋翼工作在设计转速。主要通过实时采集发动机的转速和经典的PID控制（发动机转速超过设定转速自动减小油门开度，发动机转速低于设定转速自动增大油门开度），实现发动机转速实时闭环控制。

本发明的油动四旋翼无人飞行器这种独特的飞行控制方式，改变了以往以往无人飞行器升力靠螺旋浆，操作靠定浆距变转速模式带来的机动性能差，抗风能力弱的缺点。采用定转速变浆距飞行控制方式，具有抗风能力强，载荷能力大、机动性能好的优点。

所述的传感器包括有姿态陀螺、GPS、气压高度计、航向计、测距传感器组成，陀螺用于测量飞机的姿态和角速率变化信息，用于飞机的姿态换控制；GPS主要输出位置、速度、高度等信息，用于飞机的位置换控制；气压高度计主要测量飞机当前的气压高度，用于飞机的高度环控制；测距传感器安装在飞机的上下、左右、前后六个面上，用于飞机全方位的避障控制。

所述的飞控装置主要依据采集板采集到的相关信息和传感器信息，通过模型算法对飞机进行实时控制，包括有采集板、飞控计算机、电源板，采集板主要采集传感器的相关数据信息并实时送给飞控计算机；飞机计算机主要完成所有的数据运算；电源板采用高精度隔离、稳压等元器件组成，输出高品质的电供飞控计算机工作。

测控装置主要完成地面与飞机之间的人机交互功能，使飞机能按照地面控制人员的意愿进行控制飞行，包括有数传电台、图传电台、地面显控单元组成，数传电台主要完成飞机与地面指挥终端之间的数据交互；图传电台主要完成飞机上的图像实时下传到地面指挥终端；地面显控单元主要实时显示飞机的飞行状态信息，任务状态信息，主要由飞机操作按键、任务操作按键、飞行监测软件、航路规划软件组成，飞机操作按键主要是操纵飞机所用，任务操作按键主要是操纵任务所用，飞行监测软件不但实时监测飞机的飞行状态和任务工作状态，以及实时保存所有回传信息；航路规划软件主要完成各个不同任务的航路规划设置。

任务设备是完成稳定摄像和拍照功能，包括有三轴稳定云台、照相机和摄像机，三轴稳定云台主要是消除飞机姿态变化和震动对照相机和摄像机成像的影响，获得比较清晰的视频源。

综上所述的，本发明相比现有技术如下优点：

  本发明的油动四旋翼无人飞行器是采用汽油/航煤为燃料，采用小型航空发动机为动力，升力系统采用直升机旋翼形式，操纵方式采用定转速变桨距方式。具有续航时间长，载荷能力大、机动性能好，抗风能力强等特点。能满足大多数客户的作业任务需求。

本机挂载摄像云台，可实现比例+增稳操纵飞行+自主程控飞行，实时控制摄像云台的运转，实时传输图像和飞机飞行轨迹、速度、航向、高度等遥测信息；使用飞行态势监视软件进行飞行状态的显示，使用航迹规划与监视软件进行航迹规划，使用战场视频监视软件进行图像的显示和录制保存。

附图说明

   图1为发明的油动四旋翼无人飞行器的主要部件连接示意图。

   图2是传动轴到旋翼的连接示意图。

图3是本发明的控制系统示意图。

图4是本发明控制系统流程图。

图5是油动四旋翼无人飞行器飞行控制示意图。

标号说明　1旋翼11翼片12浆毂2航空发动机3传动轴4变速箱5伺服舵机6变距系统7减速箱。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行更详细的描述。

实施例1

一种油动四旋翼无人飞行器，包括有四个的旋翼1及航空发动机2，每个的旋翼包括两片的翼片11，每片的翼片分别与相应的浆毂12相连，航空发动机通过减速箱7将动力通过四根呈十字排列的传动轴3将动力传递给四组的变速箱4，再由变速箱通过伺服舵机5及变距系统6控制与两片旋翼相连的两浆毂实现相应的运动，还包括有控制系统，所述的控制系统包括有多种不同种类的传感器，飞控装置、测控装置，任务设备及飞控计算机，其中的传感器用于检测飞机的各种信息，所述的飞控装置利用采集板采集到的信息及传感器检测的信息，通过模型算法对飞机进行实时控制，测控装置用于完成地面与飞机之间的人机交互使飞机能按照地面控制人员的意愿进行控制飞行，任务设备用于采集需要监测的各种信息。

所述的飞控装置控制各组旋翼的动作为：（1）升降飞行（总距）控制：

          升降飞行控制主要是通过控制4个旋翼同时增大或减小桨距进行油动四旋翼的升高和降低控制；4个旋翼中1号和3号为一组向顺时针方向旋转，2号和4号为一组向逆时针方向旋转，4个桨距同时增大或减小时，顺时针旋转的一组旋翼和逆时针旋转的一组旋翼正好相互抵消反扭矩。

（6）    前后飞行（俯仰）控制：

         前飞时1号桨距减小同时3号桨距加大，使飞机产生低头力矩，实现前飞；2号和4号旋翼桨距保持不变。后飞时1号桨距加大同时3号桨距减小，使飞机产生抬头力矩，实现后飞；2号和4号旋翼桨距保持不变。

（7）    左右飞行（横倾）控制：

         左飞时4号桨距减小同时2号桨距加大，使飞机产生左倾力矩，实现左飞；1号和3号旋翼桨距保持不变。右飞时4号桨距加大同时2号桨距减小，使飞机产生右倾力矩，实现右飞；1号和3号旋翼桨距保持不变。

（8）    左右旋转（航向）飞行控制：

         飞机左旋转时控制1号和3号旋翼桨距减小同时2号和4号旋翼桨距加大，使飞机顺时针旋转一组的旋翼和逆时针旋转一组旋翼的反扭力变小，实现飞机左转飞行；飞机右旋转时控制2号和4号旋翼桨距减小同时1号和3号旋翼桨距加大，使飞机顺时针旋转一组旋翼和逆时针旋转一组旋翼的反扭力变大，实现飞机右转飞行；

（9）    发动机转速闭环控制：

        发动机转速闭环控制主要目的是为了让飞机旋翼负载变化时还能使飞机的旋翼工作在设计转速。主要通过实时采集发动机的转速和经典的PID控制（发动机转速超过设定转速自动减小油门开度，发动机转速低于设定转速自动增大油门开度），实现发动机转速实时闭环控制。

传感器部分主要有姿态陀螺、GPS、气压高度计、航向计、测距传感器组成。陀螺用于测量飞机的姿态和角速率变化信息，用于飞机的姿态换控制；GPS主要输出位置、速度、高度等信息，用于飞机的位置换控制；气压高度计主要测量飞机当前的气压高度，用于飞机的高度环控制；测距传感器安装在飞机的上下、左右、前后六个面上，用于飞机全方位的避障控制。

飞控部分主要依据采集板采集到的相关信息和传感器信息，通过模型算法对飞机进行实时控制，主要有采集板、飞控计算机、电源板等组成。采集板主要采集传感器的相关数据信息并实时送给飞控计算机；飞机计算机主要完成所有的数据运算；电源板采用高精度隔离、稳压等元器件组成，输出高品质的电供飞控计算机工作。

测控部分主要完成地面与飞机之间的人机交互功能，使飞机能按照地面控制人员的意愿进行控制飞行。主要有数传电台、图传电台、地面显控单元组成。数传电台主要完成飞机与地面指挥终端之间的数据交互；图传电台主要完成飞机上的图像实时下传到地面指挥终端；地面显控单元主要实时显示飞机的飞行状态信息，任务状态信息，主要由飞机操作按键、任务操作按键、飞行监测软件、航路规划软件组成。飞机操作按键主要是操纵飞机所用，任务操作按键主要是操纵任务所用，飞行监测软件不但实时监测飞机的飞行状态和任务工作状态，以及实时保存所有回传信息；航路规划软件主要完成各个不同任务的航路规划设置。

供电部分主要给整机各个设备进行供电，主要有发电机、电瓶、整流稳压器组成。发电机输出三相交流电，通过整流稳压器整流为直流12V给整机供电和电瓶充电。

任务部分是完成稳定摄像和拍照功能，主要由三轴稳定云台、照相机和摄像机组成。三轴稳定云台主要是消除飞机姿态变化和震动对照相机和摄像机成像的影响，获得比较清晰的视频源

本实施例未述部分与现有技术相同。

Claims (6)

1.一种油动四旋翼无人飞行器，其特征在于：包括有四个的旋翼及航空发动机，每个的旋翼包括两片的翼片，每片的翼片分别与相应的浆毂相连，航空发动机通过减速箱将动力通过四根呈十字排列的传动轴将动力传递给四组的变速箱，再由变速箱通过伺服舵机及变距系统控制与两片旋翼相连的两浆毂实现相应的运动，还包括有控制系统，所述的控制系统包括有多种不同种类的传感器，飞控装置、测控装置，任务设备及飞控计算机，其中的传感器用于检测飞机的各种信息，所述的飞控装置利用采集板采集到的信息及传感器检测的信息，通过模型算法对飞机进行实时控制，测控装置用于完成地面与飞机之间的人机交互使飞机能按照地面控制人员的意愿进行控制飞行，任务设备用于采集需要监测的各种信息。

2.根据权利要求1所述的油动四旋翼无人飞行器，其特征在于：所述的飞控装置控制各组旋翼的动作为：（1）升降飞行总距控制：

          升降飞行控制主要是通过控制4个旋翼同时增大或减小桨距进行油动四旋翼的升高和降低控制；4个旋翼中1号和3号为一组向顺时针方向旋转，2号和4号为一组向逆时针方向旋转，4组桨距同时增大或减小时，顺时针旋转的一组旋翼和逆时针旋转的一组旋翼正好相互抵消反扭矩，

前后俯仰飞行控制：

         前飞时1号桨距减小同时3号桨距加大，使飞机产生低头力矩，实现前飞；2号和4号旋翼桨距保持不变，后飞时1号桨距加大同时3号桨距减小，使飞机产生抬头力矩，实现后飞；2号和4号旋翼桨距保持不变，

左右横倾飞行控制：

         左飞时4号桨距减小同时2号桨距加大，使飞机产生左倾力矩，实现左飞；1号和3号旋翼桨距保持不变，右飞时4号桨距加大同时2号桨距减小，使飞机产生右倾力矩，实现右飞；1号和3号旋翼桨距保持不变，

左右航向旋转飞行控制：

         飞机左旋转时控制1号和3号旋翼桨距减小同时2号和4号旋翼桨距加大，使飞机顺时针旋转一组的旋翼和逆时针旋转一组旋翼的反扭力变小，实现飞机左转飞行；飞机右旋转时控制2号和4号旋翼桨距减小同时1号和3号旋翼桨距加大，使飞机顺时针旋转一组旋翼和逆时针旋转一组旋翼的反扭力变大，实现飞机右转飞行；

发动机转速闭环控制： 发动机转速闭环控制主要目的是为了让飞机旋翼负载变化时还能使飞机的旋翼工作在设计转速，主要通过实时采集发动机的转速和经典的PID控制，发动机转速超过设定转速自动减小油门开度，发动机转速低于设定转速自动增大油门开度，实现发动机转速实时闭环控制。

3.根据权利要求2所述的油动四旋翼无人飞行器，其特征在于：所述的传感器包括有姿态陀螺、GPS、气压高度计、航向计、测距传感器组成，陀螺用于测量飞机的姿态和角速率变化信息，用于飞机的姿态换控制；GPS主要输出位置、速度、高度等信息，用于飞机的位置换控制；气压高度计主要测量飞机当前的气压高度，用于飞机的高度环控制；测距传感器安装在飞机的上下、左右、前后六个面上，用于飞机全方位的避障控制。

4.根据权利要求3所述的油动四旋翼无人飞行器，其特征在于：所述的飞控装置主要依据采集板采集到的相关信息和传感器信息，通过模型算法对飞机进行实时控制，包括有采集板、飞控计算机、电源板，采集板主要采集传感器的相关数据信息并实时送给飞控计算机；飞机计算机主要完成所有的数据运算；电源板采用高精度隔离、稳压等元器件组成，输出高品质的电供飞控计算机工作。

5.根据权利要求4所述的油动四旋翼无人飞行器，其特征在于：测控装置主要完成地面与飞机之间的人机交互功能，使飞机能按照地面控制人员的意愿进行控制飞行，包括有数传电台、图传电台、地面显控单元组成，数传电台主要完成飞机与地面指挥终端之间的数据交互；图传电台主要完成飞机上的图像实时下传到地面指挥终端；地面显控单元主要实时显示飞机的飞行状态信息，任务状态信息，主要由飞机操作按键、任务操作按键、飞行监测软件、航路规划软件组成，飞机操作按键主要是操纵飞机所用，任务操作按键主要是操纵任务所用，飞行监测软件不但实时监测飞机的飞行状态和任务工作状态，以及实时保存所有回传信息；航路规划软件主要完成各个不同任务的航路规划设置。

6.根据权利要求5所述的油动四旋翼无人飞行器，其特征在于：任务设备是完成稳定摄像和拍照功能，包括有三轴稳定云台、照相机和摄像机，三轴稳定云台主要是消除飞机姿态变化和震动对照相机和摄像机成像的影响，获得比较清晰的视频源。