CN106986008A - 具有联接推进支承件的无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及旋翼无人机(10)，该无人机包括具有控制无人机飞行的电路板的无人机本体(30)，在端部各自包括推进单元(38)的四个连接臂(36)，两个推进单元各自具有顺时针旋转的螺旋桨(12)，且另两个推进单元各自具有逆时针旋转的螺旋桨，具有沿同一方向旋转的螺旋桨的推进单元布置在同一对角线上。该无人机包括具有连接臂(36)和中枢件(34)的推进支承件(32)，两对对称连接臂各自在中枢件的各一侧延伸，中枢件(34)能够联接至无人机本体(30)，且推进支承件(32)具有在水平平面内延伸的至少一个扭转弯曲方向。该无人机使得提高在转至偏航命令期间控制所述无人机的能力而不损失续航时间成为可能。

Description

具有联接推进支承件的无人机
技术领域
本发明涉及诸如无人机之类的机动飞行器，特别是四旋翼直升机类型的旋翼无人机。
背景技术
法国Parrot SA的AR.Drone 2.0或Bebop Drone是四旋翼直升机类型的旋翼无人机。它们配备有一系列传感器(加速度计、3轴陀螺仪、高度计)且可包括至少一个前置摄像机，其获得无人机所朝向的场景的图像。这些无人机设置有各自由马达驱动的多个旋翼，该马达可被单独控制以控制无人机的姿态和速度。这种类型的旋翼无人机也在EP 2 937 123中描述。
这些四旋翼直升机配备有四个推进单元，每个推进单元设置有螺旋桨。两个推进单元上的螺旋桨沿顺时针方向旋转，而另两个推进单元上的螺旋桨沿逆时针方向旋转。配备有沿同一旋转方向旋转的螺旋桨的推进单元位于同一对角线上。
由于螺旋桨的升力，每个螺旋桨在无人机上施加向上的牵引力以及沿与所述螺旋桨旋转方向的相反方向的扭矩。在静止飞行中、即当看上去无人机保持高度和姿态不动时，四个螺旋桨同速旋转而四个升力结合并抵补无人机的重量。在螺旋桨的扭矩方面，由于螺旋桨的相反旋转方向，它们彼此抵消。
WO 2010/061099 A2、EP 2 364 757 A1以及EP 2 450 862 A1(Parrot)描述了通过具有触屏和集成加速度计的移动电话或平板、例如iPhone或iPad(注册商标)来驾驶无人机的原理。
控制设备产生四个命令，也就是滚转，即绕其纵轴线的转动；俯仰，即绕其横轴线的转动；航向，也称为偏航，即无人机朝向的方向；以及竖直加速。
已经注意到，特别是在例如由于风的扰动期间，将无人机转至偏航或保持偏航导致推进单元的急剧加速。在诸如这样的情况下，推进单元的能力达到它们的极限且无人机因而偏离偏航并非不常见。
事实上，当偏航命令传送到无人机时，具有沿一个方向旋转的螺旋桨的推进单元旋转得较快，即推进单元加速，而另两个推进单元旋转得较慢。
以此方式，升力的总和抵补无人机的重量，但扭矩的总和不再是零，因而，无人机转至偏航。将无人机向右或向左转至偏航取决于需要加速它们旋转的两个对角推进单元。
关于命令的效力，注意到的是，在所描述的四旋翼直升无人机中，转至偏航的命令没有滚转以及俯仰命令效力高。
命令的效力可通过测量对于螺旋桨的设定旋转速度在无人机上产生的角加速度来计算。因而，效力表达为弧度每平方秒每转每分(rad/s2/rpm)。
例如，在同一无人机上测得的命令的效力表明滚转命令的效力为0.10rad/s2/rpm，而俯仰命令的效力为0.06rad/s2/rpm，然而，偏航命令的效力为0.0035rad/s2/rpm。因而，已经观察到偏航命令与其它命令的效率之间有20倍。
无人机上偏航命令的效力的缺乏是由于扭矩差和螺旋桨的高阻力系数。
因而，比在俯仰轴线上的同样移动，将无人机移动到偏航需要推进单元上特别是在旋转速度方面20倍更大的功率，这意味着当将无人机移动到偏航时，推进单元通常在它们的最大值。
允许偏航命令的效力提高的一个已知方案涉及对无人机机架的结构改型，特别是通过在相对于无人机主飞行方向的无人机的后部使用被称为“VTail”的形状。机架被改型成相对于无人机主飞行方向定位在后部的两个螺旋桨不水平定位，而是各自相对于水平成10至30°角，且在它们端部支承推进单元的连接臂呈V形。
由于支承推进单元的臂的这个V形，螺旋桨的推力不再是竖直的。由于定位在无人机后部的螺旋桨产生倾斜气流，转至偏航的命令被改进。
对于给定的四旋翼直升无人机，在普通飞行条件下，即在8000转每分时，螺旋桨的阻力产生的推力和扭矩分别为1.33N和13.3mN·m。
通过相对于无人机的竖直轴线倾斜角度α的轴线以及连接臂的长度l，当转至偏航时对于推力P产生的扭矩为：
扭矩＝P×l×sin(α)
如果角度α为10°且连接臂的长度为15cm，则当转至偏航时产生的扭矩为34mN·m。因而，由于无人机两个后连接臂的10°角的产生，当转至偏航时由螺旋桨的推力产生的扭矩比由处于水平位置的相同螺旋桨产生的扭矩大几乎2.5倍。因而，控制转至偏航的能力被改进。
然而，该方案具有缺点。这是由于当无人机处于静止飞行时，倾斜的螺旋桨的一些推力不能抵消无人机的重量。事实上，这种类型的无人机上的螺旋桨的四个升力的总和小于当螺旋桨处于水平平面时螺旋桨的四个升力的总和，因而，为了抵补所述无人机的重量，其推进单元必须以更高的旋转频率旋转，且因而，无人机的续航时间减少。
本发明的目的在于通过提供一种无人机来克服该缺点，该无人机使得提高在转至偏航命令期间控制所述无人机的能力而不损失续航时间成为可能。
发明内容
为此目的，本发明提供了一种旋翼无人机，该旋翼无人机包括无人机本体，无人机本体包括控制无人机飞行的电路板、在其端部各自包括推进单元的四个连接臂、各自具有沿顺时针方向旋转的螺旋桨的两个推进单元以及各自具有沿逆时针方向旋转的螺旋桨的两个推进单元，具有沿相同方向旋转的螺旋桨的推进单元布置在同一对角线上。
该无人机的特征在于，无人机还包括，推进支承件包括连接臂和中枢件，两对对称连接臂各自在中枢件的各一侧延伸，中枢件能够联接至无人机本体，且推进支承件具有在水平平面内延伸的至少一个扭转弯曲方向。
根据各种附加的特征：
-中枢件包括切口；
-中枢件具有细长形状，该形状在每端部具有一对臂，且扭转弯曲方向是中枢件的纵轴线；
-推进支承件包括可变形的联接装置，所述可变形的连接装置能够附连至无人机本体；
-推进单元的螺旋桨处于基本水平的平面内；
-扭转弯曲方向是无人机的主飞行方向；
-推进支承件至少部分由可弹性变形的材料制成；
-根据在一对角线上的螺旋桨与在另一对角线的螺旋桨之间的受控推力差别的最大预定值，推进支承件能够扭转变形3°至10°之间的角度；
-使中枢件在弯曲方向上扭转的能力大于使臂在弯曲方向上扭转的能力。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的实施例，附图中：
图1为总体图，示出了无人机和用于驾驶所述无人机的相关控制设备；
图2为根据本发明的无人机的细节图；
图3为根据本发明的无人机的推进支承件的细节图；
图4示出了根据本发明在转至偏航的命令期间推进支承件的扭转弯曲；
图5示出了处于静止飞行的无人机的结构；以及
图6示出根据本发明在转至偏航的命令期间无人机的结构。
具体实施方式
现在将描述本发明的实施例。
在图1中，附图标记10总地标示无人机。根据图1中所示的示例，这是四旋翼直升机类型的无人机，诸如是法国巴黎Parrot SA的Bebop Drone型。
四旋翼直升无人机包括四个共面螺旋桨12，其推进单元由集成的导航和姿态控制系统分开控制。
为此，四旋翼直升无人机配备有四个推进单元，每个推进单元设置有螺旋桨12。两个推进单元上的螺旋桨沿顺时针方向旋转，而另两个推进单元上的螺旋桨沿逆时针方向旋转。配备有沿同一旋转方向旋转的螺旋桨的推进单元位于同一对角线上。
无人机10还包括前置相机14，用于捕获无人机所朝向的场景的图像。无人机还包括朝向下方的竖直视图相机(未示出)，竖直视图相机可捕获无人机在其上方飞行的地形的连续图像，并特别地用于分析无人机相对于地面的速度。
根据实施例，无人机还配备有惯性传感器(加速度计和陀螺仪)，用于以特定的精度来测量无人机的角速度和姿态角，即描述无人机相对于地面上固定参考点的水平面的倾斜度的欧拉角(俯仰角滚转角θ和偏航角ψ)，应当理解，水平速度的纵向和横向两个分量分别与绕俯仰和滚转两个轴线的倾斜紧密相关。
布置在无人机下方的超声距离指示器也提供相对于地面的高度测量。
无人机10由远程控制设备16控制，远程控制设备16诸如是具有触摸屏和集成加速度计的移动电话或平板，例如iPhone(注册商标)或类似的类型，或者iPad(注册商标)或类似的类型。该设备为标准设备，除了已经下载的用以控制无人机10飞行的定制软件应用之外，对该设备没有改动。根据该实施例，用户通过控制设备16实时地控制无人机10的运动。
远程控制设备16为设置有触摸屏18的设备，触摸屏18显示由无人机10的机载相机14捕获的场景的图像，该图像叠加了数个符号以允许用户通过他们的手指20简单接触触摸屏18上显示的符号而激活命令。
控制设备16利用WiFi局域网类型(IEEE 802.11)或蓝牙(注册商标)的无线连接通过双向数据交换与无人机10通信，即从无人机10至控制设备16，特别地用于传送由相机捕获的图像，以及从控制设备16到无人机10，用于发送驾驶命令。
无人机10的驾驶涉及通过以下方式使其运动：
a)绕俯仰轴线22转动，使无人机向前或向后运动；和/或
b)绕滚转轴线24转动，使无人机向右或向左运动；和/或
c)绕偏航轴线26转动，使无人机的主轴线，即前置相机的指向和无人机的运动方向向右或向左枢转；和/或
d)通过改变功率程度来向下28或向上30平移，从而分别减少或增加无人机的高度。
通过使螺旋桨沿同一方向旋转的一对推进单元旋转得稍微快一些，并使另一对推进单元旋转得稍微慢一些，从而执行转至偏航的命令。
为了提高转至偏航的命令的效力，无人机的结构如下面参考图2和3描述的那样被修改。
图2示出了无人机10，无人机10包括无人机本体30和推进支承件32。
推进支承件32包括中枢件34，中枢件34与从中枢件34延伸的四个连接臂36刚性连接。每个连接臂在其远端配备有推进单元38，推进单元38包括旋转螺旋桨12的马达。两个推进单元各自具有沿顺时针方向旋转的螺旋桨，且另两个推进单元各自具有沿逆时针方向旋转的螺旋桨，具有沿同一方向旋转的螺旋桨的推进单元位于同一对角线上。
在下部区域，推进单元38通过形成脚部的无人机支承件40延伸，通过无人机支承件40，无人机可在它空闲时停放在地面上。
根据另一实施例，无人机支承件40附连至推进支承件32，特别地附连至中枢件34或连接臂36上。
根据本发明，两对对称连接臂36各自在中枢件34的各一侧延伸。
无人机本体30包括用于接纳电路板44的安装板42，电路板44承载包括惯性导航系统在内无人机的几乎所有电子部件，并用于接纳无线通信装置。安装板42为单件元件形式，其由轻金属材料制成并作为冷却器，用于消散来自产生大量热量的某些部件的过量卡路里，这些部件诸如是主处理器、无线电芯片、用于切换马达开断的MOSFET等。
根据本发明，推进支承件32的中枢件34能够联接至无人机本体30。
根据特定的实施例，推进支承件32包括可变形的联接装置46，所述可变形的连接装置46能够附连至无人机本体30。
可变形的连接装置46例如为弹性体单元。
如图1和2中所示，推进单元的螺旋桨处于基本水平的平面内。
图3为推进支承件32的放大图，推进支承件32具有中枢件34和在中枢件34的各一侧延伸的两对对称连接臂36。
根据实施例，中枢件34具有细长形状，该形状在每端具有一对臂。根据该实施例，推进支承件32的扭转弯曲方向为中枢件的纵轴线。
根据另一实施例，中枢件34具有圆或方的形状，连接臂36围绕中枢件34分布。
推进支承件32特别地至少部分由弹性可变形的材料制成，特别地由聚酰胺、例如PA12制成，材料中集成有例如20％量的玻璃纤维。玻璃纤维具有使推进支承件的结构更轻同时增强支承件的结构的优点。
优选地，推进支承件的材料的弹性模量为约3500MPa。
根据本发明，推进支承件32具有在水平面内延伸的至少一个扭转弯曲方向。当执行转至偏航的命令时，支承件的该变形是特别有利的，并在提高转至偏航的命令的效力的同时防止在无人机的续航时间的任何负面影响。
图4示出了配备有中枢件34且配备有在其远端各自具有推进单元38的四个连接臂36的推进支承件32在执行转至偏航的命令时发生的变形，。
推进支承件32的结构的变形具有偏置推进单元38的螺旋桨的推力的效果。特别地，不同推进单元的螺旋桨的推力不再竖直，而处于产生倾斜推力的角度。
所引起的推进单元32的结构的变形沿推进支承件的中心竖直轴线对称。
为了使推进支承件的结构的变形有助于转至偏航的命令的效力，推进单元的旋转方向通过以下方式确定。根据本发明，如图4中所示，沿顺时针方向的旋转命令产生结构的变形并导致推进单元1和3的旋转速度的增加以及推进单元2和4的旋转速度的降低。为了提高转至偏航的命令的效力，推进单元1和3的螺旋桨需沿逆时针方向旋转。
否则，结构的变形抵消了由螺旋桨的阻力产生的扭矩，因而，转至偏航的命令的效力降低。
根据本发明，当结构变形时，推进支承件32的四个推进单元38有助于执行转至偏航的命令，从而提高了该命令的效力，而没有减少无人机的续航时间。
同样为了提高转至偏航的命令的效力，有利的是使推进支承件、特别是中枢件34更容易扭转地弯曲。为此，中枢件34可如图3中所示具有至少一个切口48。
优选地，推进支承件32的扭转弯曲方向是无人机的主飞行轴。
此外，根据特定的实施例，中枢件在弯曲方向上扭曲的能力大于臂在弯曲方向上扭曲的能力。
如图3中所示，当中枢件34在中心部分具有大切口48时，通过增强元件50增强中枢件的特别是抗冲击的结构可能是有利的。
图5为静止飞行期间无人机10的推进支承件32的正视图，特别地，四个连接臂36各自在其远端具有推进单元38以及在推进单元下方的无人机支承件40。能够看到，无人机的推进支承件的所有连接臂36处于基本水平的平面内。
图6示出了当执行转至无人机偏航的命令时，根据本发明的推进支承件32的变形。
根据本发明且根据实施例，根据在一对角线上的螺旋桨与在另一对角线上的螺旋桨之间的受控推力差异的最大预定值，推进支承件32能够扭曲变形3°至10°之间的角度。
在图6中的实施例中，在位于沿无人机的主运动方向的无人机前部的连接臂36与位于无人机后部的连接臂36之间能够看到约4.7°的角度。
在根据本发明的、具有不同刚性程度的相应的推进支承件的两个无人机上测量转至偏航的命令的效力。
根据本发明的第一无人机的转至偏航的命令的效力表明：当如图4所示的螺旋桨1和3的旋转方向为逆时针时，测得的命令的效力为0.004rad/s2/rpm，相对地，如果螺旋桨沿顺时针方向安装，则所测的命令的效力为0.003rad/s2/rpm。
在根据本发明的、具有比第一无人机更小的刚性的推进支承件的第二无人机上执行第二测试。这个测试表明：当如图4中所示的螺旋桨1和3的旋转方向为逆时针时，测得的命令的效力为0.005rad/s2/rpm，相对地，如果螺旋桨沿顺时针方向安装，则所测的命令的效力为0.002rad/s2/rpm。
这表明：当推进支承件在水平面内特别是沿无人机的主飞行方向上具有良好的扭转弯曲程度时，转至偏航的命令的效力全面提升。

Claims (9)

1.旋翼无人机(10)，包括：
无人机本体(30)，所述无人机本体包括控制所述无人机飞行的电路板，
各自在其端部包括推进单元(38)的四个连接臂(36)，两个推进单元各自具有沿顺时针方向旋转的螺旋桨(12)，且另两个推进单元各自具有沿逆时针方向旋转的螺旋桨，具有沿同一方向旋转的螺旋桨的所述推进单元布置在同一对角线上，
其特征在于，所述无人机还包括推进支承件(32)，所述推进支承件包括连接臂(36)和中枢件(34)，两对对称连接臂各自在所述中枢件的各一侧延伸，所述中枢件(34)能够联接至所述无人机本体(30)，且所述推进支承件(32)具有在水平平面内延伸的至少一个扭转弯曲方向。
2.根据权利要求1所述的旋翼无人机，其特征在于，所述中枢件包括切口(48)。
3.根据权利要求1或2所述的旋翼无人机，其特征在于，所述中枢件(34)具有细长形状，所述细长形状在每端具有一对臂，且所述扭转弯曲方向是所述中枢件的纵轴线。
4.根据前述权利要求中任一项所述的旋翼无人机，其特征在于，所述推进支承件(32)包括可变形的连接装置(46)，所述可变形的连接装置能够附连至所述无人机本体。
5.根据前述权利要求中任一项所述的旋翼无人机，其特征在于，所述推进单元的所述螺旋桨(12)处于基本水平的平面内。
6.根据前述权利要求中任一项所述的旋翼无人机，其特征在于，所述扭转弯曲方向是所述无人机的主飞行轴线。
7.根据前述权利要求中任一项所述的旋翼无人机，其特征在于，所述推进支承件(32)至少部分地由可弹性变形的材料制成。
8.根据前述权利要求中任一项所述的旋翼无人机，其特征在于，根据在一对角线上的螺旋桨与在另一对角线的螺旋桨之间的受控推力的差异的最大预定值，所述推进支承件能够扭转变形3°至10°之间的角度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的旋翼无人机，其特征在于，使所述中枢件在弯曲方向上扭转的能力大于使所述臂在弯曲方向上扭转的能力。
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