CN107161344A - 一种实现六自由度全控制的四旋翼飞行器 - Google Patents

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霍星
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Abstract

本发明公开了一种实现六自由度全控制的四旋翼飞行器，包括夹板、起落架、防护罩和动力系统，夹板固装于起落架上，防护罩为球形防护罩，与起落架固装，动力系统主要由螺旋桨、驱动电机、电机座、舵机、舵机座组成，螺旋桨安装在驱动电机上，驱动电机固装于电机座上，电机座经电机座转轴轴接于起落架上，舵机座固装于起落架上，安装在舵机座的舵机，经摇臂，驱动固装于电机座的限位轴旋转，使得驱动电机在特定方向提供拉力和转矩，实现四旋翼飞行器的六自由度全控制。本发明具有八个控制输入，弥补了传统四旋翼飞行器欠驱动特性，实现了四旋翼飞行器位置与姿态的解耦控制，更好地完成沿任意方向起飞、定点着落、目标追踪、特技表演等飞行任务。

Description

一种实现六自由度全控制的四旋翼飞行器
技术领域
本发明涉及无人飞行器领域，具体是一种实现六自由度全控制的四旋翼飞行器。
背景技术
无人飞行器是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。近年来在军用与民用领域得到广泛的应用，多用于军事侦察、国家生态环境监测与保护、地理测绘、目标跟踪、商业航拍等活动。
现有的四旋翼飞行器由于受到控制输入量个数的限制，仅通过控制四个电机的转速来控制飞行器的位置和角度，这种“欠驱动”的控制方式，不能有效的对飞行器的六个自由度进行解耦控制。例如，在目标追踪的实际应用中，现有的四旋翼飞行器所带相机的光轴无法始终对准所追踪的目标，无法保证所追踪的目标始终保持在相机的视野范围内。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现六自由度全控制的四旋翼飞行器，使得对飞行器的位置与姿态能够同步控制，保证位置控制的同时不会对姿态控制产生影响，从而实现飞行器六自由度的解耦，解决现有四旋翼飞行器的不足。
能够实现上述目的的一种实现六自由度全控制的四旋翼飞行器，包括：夹板、起落架、四个球形防护罩和四个动力系统。
所述夹板均匀对称地开有通风孔，其固装于起落架中心位置处，用于安放飞行控制器等部件。
所述防护罩为球形防护罩，其杆状结构与化学元素C60一样，由20个六边形和12个五边形构成，与起落架固装。
所述起落架为四角对称结构，端部形状为直径大于螺旋桨长度的1/4圆，与动力系统安装部为圆形，开有用于限位的弧形限位槽。
所述动力系统由螺旋桨、驱动电机、电机座、电机座转轴、舵机、舵机座、摇臂杆和限位轴组成。所述螺旋桨安装在驱动电机上，所述驱动电机固装于电机座上，电机座经电机座转轴轴接于所述起落架上，所述舵机座固装于所述起落架上，安装在舵机座的舵机，经所述摇臂，驱动固装于电机座的限位轴在起落架的限位槽内绕电机座转轴旋转，从而使得驱动电机在特定方向提供拉力和转矩，实现四旋翼飞行器的六自由度全控制。
所述动力系统中螺旋桨为两正桨、两反桨，对角线上的螺旋桨旋转方向相反，具体为①号和②号为正桨，③号和④号为反桨；
所述电机座转轴与所述舵机输出轴同心；
本发明具有以下优点：
1)本发明动力系统为驱动电机与舵机组合，在舵机的驱动下，由驱动电机所产生的升力不仅大小可以改变，而且方向也可以改变，从而实现了四旋翼飞行器的六自由度全控制。
2)本发明采用四个球形防护罩，所占空间小，防护能力强。当一个防护罩损坏时，其他防护罩依然可以起到保护飞行器的作用。
3)本发明可在特殊环境下更好地完成定点着落、目标追踪、沿任意方向起飞和特技表演等飞行任务，应用更加广泛。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明夹板立体结构示意图；
图3为本发明防护罩立体结构示意图；
图4为本发明起落架的立体结构示意图；
图5为本发明动力系统立体结构示意图；
图6为本发明驱动电机正反桨分配图。
附图标识说明：1、防护罩；2、动力系统；3、夹板；4、起落架；5、螺旋桨；6、驱动电机；7、电机座；8、限位轴；9、电机座转轴；10、摇臂；11、舵机；12、舵机座；①号和②号为正桨，③号和④号为反桨。
具体实施方式
下面结合附图及对本发明的技术方案作进一步说明：
如图1至图5所示，一种实现六自由度全控制的四旋翼飞行器，包括：四个球形防护罩1、四个动力系统2、夹板3和起落架4。
所述夹板3均匀对称地开有通风孔，减少飞行器重量的同时有助于空气流通。其固装于起落架4中心位置处，用于安放飞行控制器等部件。
所述防护罩1为球形防护罩，其杆状结构与化学元素C60一样，由20个六边形和12个五边形构成，采用碳纤维材质，具有结构简单、重量轻的特点，且具有较高的机械强度。四个球形防护罩1分别安装在起落架4的端部1/4圆处，起到很好的安全保护作用。
所述起落架4为四角对称结构，端部形状为直径大于螺旋桨长度的1/4圆，与动力系统2安装部为圆形，开有用于限位的弧形限位槽。其半圆形的结构确保了动力系统2中的驱动电机6与电机座7绕电机座转轴9有大的旋转角度，且在其旋转过程中不会对其它组件造成干扰。
所述动力系统2由螺旋桨5、驱动电机6、电机座7、电机座转轴9、舵机11、舵机座12、摇臂10和限位轴8组成。所述螺旋桨5安装在驱动电机6上，驱动电机6固装于电机座7上，电机座7经电机座转轴9轴接于起落架4上，舵机座12固装于起落架4上，安装在舵机座12的舵机11，经摇臂10，驱动固装于电机座7的限位轴8在起落架4的限位槽内绕电机座转轴9旋转，从而使得驱动电机6在特定方向提供拉力和转矩，实现四旋翼飞行器的六自由度全控制。
所述电机座转轴9与所述舵机11输出轴同心；
如图6所示，所述四个动力系统2中螺旋桨5为两正桨、两反桨，对角线上的螺旋桨旋转方向相反，①号和③号驱动电机为一组，②号和④号驱动电机为一组，且每组两驱动电机旋转方向相反，具体为①号和②号为顺时针旋转，③号和④号为逆时针旋转；
当四旋翼飞行器控制系统发出PWM控制舵机11的转角以及驱动电机6的转速时，驱动电机6就会带动螺旋桨5旋转，并产生平行于驱动电机6主轴的升力。通过控制舵机11的转动角度，从而改变驱动电机6主轴相对于夹板3的角度。这样驱动电机6所产生的升力、转矩大小和方向均可控。
实施例一：四旋翼飞行器平移运动
在舵机11的驱动下，当两组驱动电机6的主轴转角大小相等、方向相同且驱动电机转速大小相等时，即①号和③号桨的转动方向相同、转速大小相等，②号和④号桨的转动方向相同、转速大小相等，两组桨所产生转矩的合力矩为零，只产生沿各自方向的拉力，从而四旋翼飞行器只受升力和重力的作用，沿任意方向作平移运动。
实施例二：四旋翼飞行器转动运动
在舵机11的驱动下，当两组驱动电机6的主轴转角大小相等、方向相反，且驱动电机6转速大小相等时，即①号和③号桨的转动方向相反、转速大小相等，②号和④号桨的转动方向相反、转速大小相等，两组桨产生沿水平方向任意方向的扭矩，以及沿竖直方向的拉力。但当驱动电机6转速大小不等、舵机11转角为零时，就会产生一个竖直向上的扭矩。在两种效果叠加的情况下，四旋翼飞行器产生沿任意方向的扭矩、竖直方向的升力和受到垂直向下的重力作用。当升力与重力相抵消时，四旋翼飞行器可以沿任意方向转动，而对飞行器平动不会产生影响。

Claims (3)

1.一种实现六自由度全控制的四旋翼飞行器，其特征在于：
包括：夹板(3)、起落架(4)、四个防护罩(1)和四个动力系统(2)；
所述夹板(3)均匀对称地开有过风孔，其固装于起落架(4)中心位置处，用于安放飞行控制器部件；
所述防护罩(1)为球形结构，其杆状结构与化学元素C60形状相同，与起落架(4)卡固安装；
所述起落架(4)为四角对称结构，端部形状为直径大于螺旋桨(5)长度的1/4圆，与动力系统(2)安装部为圆弧，开有用于限位的弧形限位槽；
所述动力系统(2)由螺旋桨(5)、驱动电机(6)、电机座(7)、电机座转轴(9)、舵机(11)、舵机座(12)、摇臂(10)和限位轴(8)组成；所述螺旋桨(5)安装在驱动电机(6)上，驱动电机(6)固装于电机座(7)上，电机座(7)经电机座转轴(9)轴接于起落架(4)上，舵机座(12)固装于起落架(4)上，舵机(11)安装在舵机座(12)上，舵机(11)经摇臂(10)驱动固装在电机座(7)上的限位轴(8)，沿着起落架(4)的限位槽内绕电机座转轴(9)旋转，从而使得驱动电机(6)在特定方向提供拉力和转矩，实现四旋翼飞行器的六自由度控制。
2.根据权利要求1所述的一种实现六自由度全控制的四旋翼飞行器，其特征在于：所述动力系统(2)中螺旋桨(5)为两正桨、两反桨，对角线上的螺旋桨旋转方向相反，具体为①号和②号为正桨，③号和④号为反桨。
3.根据权利要求1所述的一种实现六自由度全控制的四旋翼飞行器，其特征在于：所述电机座转轴(9)与舵机(11)输出轴同心。
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