CN106005372A - 一种四旋翼飞行器及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种四旋翼飞行器及其控制系统，其中的四旋翼飞行器包括机架、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第一旋翼、第二旋翼、第三旋翼、第四旋翼、第一旋翼轴、第二旋翼轴、第三旋翼轴、第四旋翼轴；其中的第一旋翼轴绕第一轴的轴向方向偏转、第二旋翼轴绕第二轴的轴向方向偏转、第三旋翼轴绕第三轴的轴向方向偏转、第四旋翼轴绕第四轴的轴向方向偏转。其可通过调整各个旋翼轴的偏转角度改变飞行器的飞行方向，便于控制飞行器的飞行方向。

Description

一种四旋翼飞行器及其控制系统

技术领域

本发明涉及飞行器领域，尤其涉及一种四旋翼飞行器及其控制系统。

背景技术

四旋翼飞行器具有垂直起降、空中悬停等优点，应用广泛，但现有四旋翼飞行器都是通过调整4个旋翼的转速改变飞行器在空中的飞行姿态，具有抗侧风能力差，调整姿态缓慢等缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种抗侧风能力强，飞行方向调整灵敏的四旋翼飞行器。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种四旋翼飞行器，其包括机架、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第一旋翼、第二旋翼、第三旋翼、第四旋翼、第一旋翼轴、第二旋翼轴、第三旋翼轴及第四旋翼轴；

所述第一轴、第二轴、第三轴及第四轴的一端均分别安装在所述机架上，且所述第一轴、第二轴、第三轴及第四轴均处于同一水平面上；其中，所述第三轴处在所述第一轴的延伸方向上，所述第二轴处在所述第四轴的延伸方向上，且所述第一轴垂直于所述第二轴；

所述第一旋翼轴垂直于水平面且安装在所述第一轴的另一端，所述第二旋翼轴垂直于水平面且安装在所述第二轴的另一端，所述第三旋翼轴垂直于水平面且安装在所述第三轴的另一端，所述第四旋翼轴垂直于水平面且安装在所述第四轴的另一端；

所述第一旋翼安装在所述第一旋翼轴的顶端，并绕所述第一旋翼轴的轴向方向旋转；所述第二旋翼安装在所述第二旋翼轴的顶端，并绕所述第二旋翼轴的轴向方向旋转；所述第三旋翼安装在所述第三旋翼轴的顶端，并绕所述第三旋翼轴的轴向方向旋转；所述第四旋翼安装在所述第四旋翼轴的顶端，并绕所述第四旋翼轴的轴向方向旋转；

所述第一旋翼轴绕所述第一轴的轴向方向旋转，所述第二旋翼轴绕所述第二轴的轴向方向旋转，所述第三旋翼轴绕所述第三轴的轴向方向旋转，所述第四旋翼轴绕所述第四轴的轴向方向旋转。

本发明的有益效果是：通过转动旋翼轴调整旋翼的朝向，将旋翼旋转推动空气产生的反作用力分解成一个水平方向上的推力和一个竖直方向上的升力，通过改变四个旋翼的朝向可以快速调整飞行器的飞行方向。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述第一旋翼位于所述机架前进方向的前端，所述第三旋翼位于所述机架前进方向的后端，所述第二旋翼位于所述机架前进方向的左端，所述第四旋翼位于所述机架前进方向的右端；所述第一旋翼和所述第一旋翼轴的连接处、所述第二旋翼和所述第二旋翼轴的连接处、所述第四旋翼和所述第四旋翼轴的连接处均位于同一水平面上，且所述第三旋翼和所述第三旋翼轴的连接处高于所述第一旋翼和所述第一旋翼轴的连接处。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过将第三旋翼和第三旋翼轴的连接处设置成高于第一旋翼和第一旋翼轴的连接处，可减小第一旋翼的尾流对第三旋翼的干扰和影响。

进一步，所述第一旋翼和所述第三旋翼互为等速反向旋转，所述第二旋翼和所述第四旋翼互为等速反向旋转。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过将第一旋翼和第三旋翼设置为等速反向旋转，将第二旋翼和第四旋翼设置为等速反向旋转，可使飞行器的飞行保持平衡，避免产生自旋。

进一步，所述第一旋翼的下方安装有与所述第一轴延伸方向平行的第一铰接轴，所述第一铰接轴上铰接有第一导流板。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过在第一铰接轴上铰接第一导流板，当第一导流板旋转至一定角度时，第一旋翼旋转产生的下洗气流作用在第一导流板上，产生一个横向的分力可改变四旋翼飞行器的飞行方向。

进一步，所述第一导流板为多个，多个所述第一导流板间隔设置且相互平行。

采用上述进一步方案的有益效果是：增大下洗气流和第一导流板的接触面积，产生更大的横向分力用以改变四旋翼飞行器的飞行方向。

进一步，所述第三旋翼的下方安装有与所述第三轴延伸方向平行的第二铰接轴，所述第二铰接轴上铰接有第二导流板。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过在第二铰接轴上铰接第二导流板板，当第二导流板旋转至一定角度时，第三旋翼旋转产生的下洗气流作用在第二导流板上，产生一个横向的分力可改变四旋翼飞行器的飞行方向。

进一步，所述第二导流板为多个，多个所述第二导流板间隔设置且相互平行。

采用上述进一步方案的有益效果是：增大下洗气流和第二导流板的接触面积，产生更大的横向分力用以改变四旋翼飞行器的飞行方向。

进一步，所述第一旋翼的叶片数量为至少2个，所述第一旋翼、第二旋翼、第三旋翼及第四旋翼的叶片数量相同。

本发明还提供了一种四旋翼飞行器控制系统，其包括上述任一项所述的四旋翼飞行器、旋翼控制单元及旋翼轴控制单元，所述旋翼控制单元用于控制第一旋翼、第二旋翼、第三旋翼及第四旋翼的转速，所述旋翼轴控制单元用于控制第一旋翼轴、第二旋翼轴、第三旋翼轴及第四旋翼轴的旋转角度。

进一步，还包括导流板控制单元，用于控制第一导流板绕第一铰接轴旋旋转和/或控制第二导流板绕第二铰接轴旋转，以使得该第一导流板和第二导流板互为反向同步转动。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过导流板控制单元，控制第一导流板和第二导流板的旋转角度和方向，使得第一导流板和第二导流板互为反向同步转动，从而可改变四旋翼飞行器的飞行方向。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的四旋翼飞行器的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的四旋翼飞行器的第一旋翼、第二旋翼、第三旋翼及第四旋翼所处空间位置的结构示意图；

图3、4为本发明实施例一提供的四旋翼飞行器的工作状态的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、机架，2、第一导流板，3、第二导流板，4、第一铰接轴，5、第二铰接轴，11、第一轴，12、第一旋翼，13、第一旋翼轴，21、第二轴，22、第二旋翼，23、第二旋翼轴，31、第三轴，32、第三旋翼，33、第三旋翼轴，41、第四轴，42、第四旋翼，43、第四旋翼轴。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种四旋翼飞行器，其包括机架1、第一轴11、第二轴21、第三轴31、第四轴41、第一旋翼12、第二旋翼22、第三旋翼32、第四旋翼42、第一旋翼轴13、第二旋翼轴23、第三旋翼轴33及第四旋翼轴43；所述第一轴11、第二轴21、第三轴31及第四轴41的一端均分别安装在所述机架1上，且所述第一轴11、第二轴21、第三轴31及第四轴41均处于同一水平面上；其中，所述第三轴31处在所述第一轴11的延伸方向上，所述第二轴21处在所述第四轴41的延伸方向上，且所述第一轴11垂直于所述第二轴；所述第一旋翼轴13垂直于水平面且安装在所述第一轴11的另一端，所述第二旋翼轴23垂直于水平面且安装在所述第二轴21的另一端，所述第三旋翼轴33垂直于水平面且安装在所述第三轴31的另一端，所述第四旋翼轴43垂直于水平面且安装在所述第四轴41的另一端；所述第一旋翼12安装在所述第一旋翼轴13的顶端，并绕所述第一旋翼轴13的轴向方向旋转；所述第二旋翼22安装在所述第二旋翼轴23的顶端，并绕所述第二旋翼轴23的轴向方向旋转；所述第三旋翼32安装在所述第三旋翼轴33的顶端，并绕所述第三旋翼轴33的轴向方向旋转；所述第四旋翼42安装在所述第四旋翼轴43的顶端，并绕所述第四旋翼轴43的轴向方向旋转；所述第一旋翼轴13绕所述第一轴11的轴向方向旋转，所述第二旋翼轴23绕所述第二轴21的轴向方向旋转，所述第三旋翼轴33绕所述第三轴31的轴向方向旋转，所述第四旋翼轴43绕所述第四轴41的轴向方向旋转。

本实施例提供的四旋翼飞行器，第一旋翼12的叶片数量可为至少2个，所述第一旋翼12、第二旋翼22、第三旋翼32及第四旋翼42的叶片数量相同，其中的第一旋翼12、第二旋翼22、第三旋翼32及第四旋翼42也可用涵道风扇代替。本实施例提供的四旋翼飞行器通过调整四个旋翼轴绕各自轴的轴向方向的旋转角度，可调整旋翼的朝向，将旋翼旋转推动空气产生的反作用力分解成一个水平方向上的推力和一个竖直方向上的升力，通过改变四个旋翼的朝向可以快速调整飞行器的飞行方向。

其中的第一旋翼12位于所述机架1前进方向的前端，所述第三旋翼32位于所述机架1前进方向的后端，所述第二旋翼22位于所述机架1前进方向的左端，所述第四旋翼42位于所述机架1前进方向的右端；所述第一旋翼12和所述第一旋翼轴13的连接处、所述第二旋翼22和所述第二旋翼轴23的连接处、所述第四旋翼42和所述第四旋翼轴43的连接处均位于同一水平面上，且所述第三旋翼32和所述第三旋翼轴33的连接处高于所述第一旋翼12和所述第一旋翼轴13的连接处。通过将第三旋翼32和第三旋翼轴33的连接处设置成高于第一旋翼12和第一旋翼轴13的连接处，可减小第一旋翼12的尾流对第三旋翼32的干扰和影响。为保持飞行器的飞行平衡，避免产生自旋，还可将第一旋翼12和第三旋翼32设置为互为等速反向旋转，将第二旋翼22和第四旋翼42设置为互为等速反向旋转。如图4所示，还可在第一旋翼12的下方安装与第一轴11延伸方向平行的第一铰接轴4，第一铰接轴4上铰接有第一导流板2。通过在第一铰接轴4上铰接第一导流板2，当第一导流板2绕第一铰接轴4旋转至一定角度时，第一旋翼12旋转产生的下洗气流作用在第一导流板2上，产生一个横向的分力可改变四旋翼飞行器的飞行方向。其中的第一导流板2可为多个，多个第一导流板2间隔设置且相互平行，且多个第一导流板2同步旋转，通过设置多个第一导流板2，可增大下洗气流和第一导流板2的接触面积，产生更大的横向分力用以改变四旋翼飞行器的飞行方向。还可在第三旋翼32的下方安装与第三轴31延伸方向平行的第二铰接轴5，第二铰接轴5上铰接有第二导流板3。通过在第二铰接轴5上铰接第二导流板板3，当第二导流板3绕第二铰接轴5旋转至一定角度时，第三旋翼32旋转产生的下洗气流作用在第二导流板3上，产生一个横向的分力用以改变四旋翼飞行器的飞行方向。其中的第二导流板3可为多个，多个所述第二导流板3间隔设置且相互平行，且多个第二导流板3同步旋转。

本实施例还提供了一种四旋翼飞行器控制系统，其包括上述所述的四旋翼飞行器、旋翼控制单元及旋翼轴控制单元，所述旋翼控制单元用于控制第一旋翼12、第二旋翼22、第三旋翼32及第四旋翼42的转速，所述旋翼轴控制单元用于控制第一旋翼轴13、第二旋翼轴23、第三旋翼轴33及第四旋翼轴43的旋转角度，并通过导流板控制单元控制第一导流板2绕第一铰接轴旋转和/或控制第二导流板3绕第二铰接轴旋转。通过导流板控制单元，控制第一导流板和第二导流板的旋转角度和方向，使得第一导流板和第二导流板互为反向同步转动，从而可改变四旋翼飞行器的飞行方向。

为便于理解本实施例提供的四旋翼飞行器的工作过程，以下具体阐述四旋翼飞行器的工作过程。

为便于描述，将飞行器的飞行方向在空间直角坐标系中表示，如图2所示，空间直角坐标系定义为：X、Y、Z为三条互相垂直的坐标轴，x轴和y轴配置在水平面上，而z轴则是垂直水平面坐标轴。X轴定义为飞行器纵向方向，即飞行器前进和后退方向，Y轴定义为飞行器横向方向，即飞行器左右移动方向，Z轴定义为飞行器垂直方向，即飞行器上升和下降方向。位于飞行器的纵向方向的前端为第一旋翼，即为1号旋翼，后端为第三旋翼，即为3号旋翼，第二旋翼位于飞行器的纵向方向的左端，即为2号旋翼，第四旋翼位于飞行器的纵向方向的右端，即为4号旋翼，2号旋翼和4号旋翼均位于Y轴上。

飞行器的垂直升降，即飞行器的起飞和降落过程：通过同时增加1号旋翼、2号旋翼、3号旋翼及4号旋翼的转速，各个旋翼产生的升力逐渐增大，当飞行器旋翼产生的升力可以克服自身的重力时，飞行器就可实现向上运动，当升力与重力相等时，飞行器就可实现悬停，通过同时降低1号旋翼、2号旋翼、3号旋翼及4号旋翼的转速，各个旋翼产生的升力逐渐降低，当升力小于自身重力时，飞行器即可向下运动，直至降落。

飞行器的水平前进和水平后退运动过程：如图3所示，通过旋翼轴控制单元控制第二旋翼轴，即第二旋翼22的旋翼轴绕第二轴的轴向旋转一定角度，并控制第四旋翼轴，即第四旋翼的旋翼轴绕第四轴的轴向偏转相同的角度，位于第二旋翼轴上的第二旋翼22和位于第四旋翼轴上的第四旋翼产生推力的水平分力使得飞行器产生向前或向后的推动力，从而使得飞行器沿X轴前进或后退。

飞行器的横向运动或抵抗侧风的运动过程：如图4所示，通过旋翼轴控制单元控制第一旋翼轴13，即第一旋翼12(1号旋翼)的旋翼轴绕第一轴11的轴向旋转一定角度，并控制第三旋翼轴33，即3号旋翼的旋翼轴绕第三轴31的轴向旋转相同角度，位于第一旋翼轴13上的第一旋翼12和位于第三旋翼轴33上的第三旋翼32产生推力的水平分力使得飞行器产生向左或向右的推动力，从而使得飞行器沿Y轴横向运动或抵御侧风保持沿Y轴方向的相对静止姿态。

飞行器转向运动或原地掉头的运动过程：通过调整设置于第一旋翼12的下方的第一导流板2的旋转方向和角度及第三旋翼32的下方的第二导流板3的旋转方向和角度，第一导流板2和第二导流板3互为反向偏转，当第一导流板2和第二导流板3同步反向旋转至一定角度时，与第一旋翼12和第三旋翼32的下洗气流形成一定夹角，下洗气流作用在第一导流板2和第二导流板3上，分别产生一个横向的分力，该横向分力对于Z轴形成偏转力矩，使飞行器转向。

当飞行器前进时，若第一导流板2下部向左偏转，第一旋翼12旋转产生的下洗气流作用在第一导流板2上产生向右横向分力，使机头向右偏转，同时第二导流板3下部向右偏转，第三旋翼32旋转产生的下洗气流作用在第二导流板3上产生向左横向分力，使机尾向左偏转，从而使得飞行器向右转向。若第一导流板2下部向右偏转，第一旋翼12旋转产生的下洗气流作用在第一导流板2上产生向左横向分力，使机头向左偏转，同时第二导流板3下部向左偏转，第三旋翼32旋转产生的下洗气流作用在第二导流板3上产生向右横向分力，使机尾向右偏转，从而使得飞行器向左转向。飞行器后退时与上述原理相同，在此不再赘述。

当飞行器在空中悬停时，若第一导流板2下部向左偏转，第一旋翼12旋转产生的下洗气流作用在第一导流板2上产生向右横向分力，使机头向右偏转，同时第二导流板3下部向右偏转，第三旋翼32旋转产生的下洗气流作用在第二导流板3上产生向左横向分力，使机尾向左偏转，从而使得飞行器向右原地掉头。若第一导流板2下部向右偏转，第一旋翼12旋转产生下洗气流作用在第一导流板2上产生向左横向分力，使机头向左偏转，同时第二导流板3下部向左偏转，第三旋翼32下洗气流作用在第二导流板3上产生向右横向分力，使机尾向右偏转，从而使得飞行器向左原地掉头。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底”、“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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种四旋翼飞行器，其特征在于，包括机架(1)、第一轴(11)、第二轴(21)、第三轴(31)、第四轴(41)、第一旋翼(12)、第二旋翼(22)、第三旋翼(32)、第四旋翼(42)、第一旋翼轴(13)、第二旋翼轴(23)、第三旋翼轴(33)及第四旋翼轴(43)；

所述第一轴(11)、第二轴(21)、第三轴(31)及第四轴(41)的一端均分别安装在所述机架(1)上，且所述第一轴(11)、第二轴(21)、第三轴(31)及第四轴(41)均处于同一水平面上；其中，所述第三轴(31)处在所述第一轴(11)的延伸方向上，所述第二轴(21)处在所述第四轴(41)的延伸方向上，且所述第一轴(11)垂直于所述第二轴(21)；

所述第一旋翼轴(13)垂直于水平面且安装在所述第一轴(11)的另一端，所述第二旋翼轴(23)垂直于水平面且安装在所述第二轴(21)的另一端，所述第三旋翼轴(33)垂直于水平面且安装在所述第三轴(31)的另一端，所述第四旋翼轴(43)垂直于水平面且安装在所述第四轴(41)的另一端；

所述第一旋翼(12)安装在所述第一旋翼轴(13)的顶端，并绕所述第一旋翼轴(13)的轴向方向旋转；所述第二旋翼(22)安装在所述第二旋翼轴(23)的顶端，并绕所述第二旋翼轴(23)的轴向方向旋转；所述第三旋翼(32)安装在所述第三旋翼轴(33)的顶端，并绕所述第三旋翼轴(33)的轴向方向旋转；所述第四旋翼(42)安装在所述第四旋翼轴(43)的顶端，并绕所述第四旋翼轴(43)的轴向方向旋转；

所述第一旋翼轴(13)绕所述第一轴(11)的轴向方向旋转，所述第二旋翼轴(23)绕所述第二轴(21)的轴向方向旋转，所述第三旋翼轴(33)绕所述第三轴(31)的轴向方向旋转，所述第四旋翼轴(43)绕所述第四轴(41)的轴向方向旋转。

2.根据权利要求1所述的四旋翼飞行器，其特征在于，所述第一旋翼(12)位于所述机架(1)前进方向的前端，所述第三旋翼(32)位于所述机架(1)前进方向的后端，所述第二旋翼(22)位于所述机架(1)前进方向的左端，所述第四旋翼(42)位于所述机架(1)前进方向的右端；

所述第一旋翼(12)和所述第一旋翼轴(13)的连接处、所述第二旋翼(22)和所述第二旋翼轴(23)的连接处、所述第四旋翼(42)和所述第四旋翼轴(43)的连接处均位于同一水平面上，且所述第三旋翼(32)和所述第三旋翼轴(33)的连接处高于所述第一旋翼(12)和所述第一旋翼轴(13)的连接处。

3.根据权利要求1或2所述的四旋翼飞行器，其特征在于，所述第一旋翼(12)和所述第三旋翼(32)互为等速反向旋转，所述第二旋翼(22)和所述第四旋翼(42)互为等速反向旋转。

4.根据权利要求3所述的四旋翼飞行器，其特征在于，所述第一旋翼(12)的下方安装有与所述第一轴(11)延伸方向平行的第一铰接轴(4)，所述第一铰接轴(4)上铰接有第一导流板(2)。

5.根据权利要求4所述的四旋翼飞行器，其特征在于，所述第一导流板(2)为多个，多个所述第一导流板(2)间隔设置且相互平行。

6.根据权利要求4或5所述的四旋翼飞行器，其特征在于，所述第三旋翼(32)的下方安装有与所述第三轴(31)延伸方向平行的第二铰接轴(5)，所述第二铰接轴(5)上铰接有第二导流板(3)。

7.根据权利要求6所述的四旋翼飞行器，其特征在于，所述第二导流板(3)为多个，多个所述第二导流板(3)间隔设置且相互平行。

8.根据权利要求1或2所述的四旋翼飞行器，其特征在于，所述第一旋翼(12)的叶片数量为至少2个，所述第一旋翼(12)、第二旋翼(22)、第三旋翼(32)及第四旋翼(42)的叶片数量相同。

9.一种四旋翼飞行器控制系统，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的四旋翼飞行器、旋翼控制单元及旋翼轴控制单元，所述旋翼控制单元用于控制第一旋翼(12)、第二旋翼(22)、第三旋翼(32)及第四旋翼(42)的转速，所述旋翼轴控制单元用于控制第一旋翼轴(13)、第二旋翼轴(23)、第三旋翼轴(33)及第四旋翼轴(43)的旋转角度。

10.根据权利要求9所述的一种四旋翼飞行器控制系统，其特征在于，还包括导流板控制单元，用于控制第一导流板(2)绕第一铰接轴(4)旋转和/或控制第二导流板(3)绕第二铰接轴(5)旋转。