CN107284653A - 一种多旋翼飞行器水平起飞调节系统及多旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多旋翼飞行器水平起飞调节系统，包括设置在旋翼臂下方的调节单元和用于控制该调节单元的控制单元。其中，通过有效利用多旋翼飞行器起飞前的机体信息，运用控制单元采集、分析该机体所处状态的信息数据，并生成相应指令反馈到调节单元进行相应的状态调整，使得多旋翼飞行器起飞前处于较好的水平状态和重心状态。本发明还公开了具有上述水平起飞调节系统的多旋翼飞行器。上述水平起飞调节系统结构简单，设置成本较低，且能保证多旋翼飞行器在待飞状态时处于理想的水平状态和重心状态，提升多旋翼飞行器的起飞质量，减少因起飞环境复杂和/或飞行器工作状态复杂而造成的多旋翼飞行器工作状态异常或损坏。

Description

一种多旋翼飞行器水平起飞调节系统及多旋翼飞行器

技术领域

本发明属于多旋翼飞行器相关技术领域，具体涉及一种多旋翼飞行器水平起飞调节系统及多旋翼飞行器。

背景技术

随着多旋翼飞行器相关技术的不断发展，多旋翼飞行器的使用已经越来越广泛，其功能也越来越多，除用于休闲娱乐外，还广泛运用到了高空摄像、无人探测侦察、高空作业、测量测绘、GIS信息采集等领域。

现有的多旋翼飞行器通常包括飞行器机体、起落架、旋翼组件和旋翼臂组件等，且在现有的技术中，多旋翼飞行器的起落架通常为固定设置，保证多旋翼飞行器在水平基面上起落时能保持机体水平。但是，由于多旋翼飞行器的功能越来越多，运用领域越来越广，其运用环境也有很大的差异。当多旋翼飞行器在凹凸不平的地面上起飞或者飞行器上装有额外负载物时，飞行器起飞时很难保证机体能维持水平或者使飞行器的重心保持在理想的位置，这对于多旋翼飞行器的正常起飞有极大地影响，甚至会使得飞行器遭到破坏。

例如专利文献CN 201610648307.1提出的一种无人机起落架收放系统中，其起落架收放系统通过在无人机完成降落后，运用陀螺仪采集水平数据，根据水平数据判断无人机当前是否处于水平状态，若判断获知所述无人机处于非水平状态，则根据所述水平数据选择需要调整的脚架，通过调节脚架的旋转角度来改变无人机的非水平状态，使无人机最终达到水平状态。上述收放系统虽然能一定程度上调整无人机降落后至水平状态，但是，该系统无法在调节水平状态的同时调整无人机的重心位置，无法有效保证无人机起飞时既保持机体处于水平状态，又将重心保持在理想的位置。现有技术存在的上述诸多问题限制了多旋翼飞行器在复杂环境和/或复杂工作状态下的使用，导致多旋翼飞行器在复杂环境下无法使用，或者存在较大的损坏风险。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多旋翼飞行器水平起飞调节系统，该调节系统通过有效利用多旋翼飞行器起飞前的机体信息，采用控制单元分析各旋翼臂所处的位置状态，并将相应的指令反馈到各旋翼臂进行相应的调整，从而实现多旋翼飞行器在复杂环境下和/或复杂工作状态下以理想的水平状态起飞。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多旋翼飞行器水平起飞调节系统，其特征在于：

包括设置在旋翼臂下方的调节单元和用于控制该调节单元的控制单元；其中所述控制单元包括用于识别并反馈飞行器水平状态数据的三轴陀螺仪和三轴加速度传感器、用于识别并反馈飞行器重心状态数据的重心测量模块、用于处理所述三轴陀螺仪、所述三轴加速度传感器和所述重心测量模块的反馈数据以融合解算飞行器水平及重心状态的控制芯片，以及用于将所述控制芯片处理数据后生成的相应调节指令传递给相应电机的电机驱动器；

所述调节单元包括丝杆、滑块、步进电机、推杆、步进推杆电机、滑杆、套环和固定环，其中，所述滑杆的一端为用于支撑多旋翼飞行器的支撑端，其另一端为连接固定环并可相对所述固定环转动的固定端，所述滑杆用以与推杆匹配以调整飞行器的水平状态；所述丝杆固定在旋翼臂的下方，其端部装设有用于驱动所述丝杆转动的步进电机，所述滑块套设在所述丝杆上并可沿其轴向滑动以调整飞行器的重心位置，即所述步进电机接收所述电机驱动器的调节指令以使得所述滑块滑动一定距离来调整多旋翼飞行器的重心位置；所述推杆一端连接固定在所述滑块下方的步进推杆电机，另一端通过所述套环套设在所述滑杆上，并可相对所述滑杆滑动，所述推杆可在其轴向上往复运动以调整飞行器的旋翼臂的水平高度，即通过所述步进推杆电机接收所述电机驱动器的调节指令用以调节所述推杆的高度，继而调整飞行器的水平状态。

作为本发明的进一步改进，所述重心测量模块以当前重心位置与理想重心位置的偏差来计算调整量。

按照本发明的另一个方面，提供一种具有上述起飞调整系统的多旋翼飞行器。

作为本发明的进一步改进，所述多旋翼飞行器为四旋翼飞行器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的技术方案中，通过控制单元采集多旋翼飞行器起飞前的水平状态信息和重心位置信息，并反馈到相应的调整机构以调整飞行器处于水平状态，且重心位置处于理想的范围内，保证多旋翼飞行器在复杂环境和/或复杂工作状态下能以理想状态起飞，提升飞行器的起飞质量，减少因起飞状态不理想而造成飞行器的损坏；

(2)本发明技术方案提供的多旋翼飞行器起飞调节系统结构简单，结构成本较低，有利于起飞调节系统的推广应用；

(3)本发明技术方案的多旋翼飞行器起飞调节系统可以自动调节飞行器的水平和/或重心状态，提升了多旋翼飞行器的使用范围，促进了多旋翼飞行器的推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例的具有水平起飞调节系统的多旋翼飞行器的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的具有水平起飞调节系统的多旋翼飞行器的调节单元结构组件拆装图；

图3为本发明实施例的一种多旋翼飞行器水平起飞调节系统的工作流程图；

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1.调节单元，101.旋翼件，102.臂架，103.旋翼轴，104.套环，105.滑杆，106.固定环，107.推杆，108.步进推杆电机，109.滑块，1010.丝杆，1011.步进电机，1012.旋翼电机，1013.固定套圈，2.机架，3.控制单元，301.三轴陀螺仪，302.三轴加速度传感器，303.重心测量模块，304.电机驱动器，305.控制芯片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明的一个优选实施例中具有水平起飞调节系统的多旋翼飞行器的整体结构示意图；图2为本发明的一个优选实施例中具有水平起飞调节系统的多旋翼飞行器的旋翼臂结构组件拆装图；图3为本发明的一个优选实施例中一种多旋翼飞行器水平起飞调节系统的工作流程图。

在一个优选实施例中，所述多旋翼飞行器为四旋翼飞行器，其主要结构示意图如图1所示。该四旋翼飞行器包括调节单元1、机架2和控制单元3，其中，机架2上开设有固定旋翼臂一端的方形开槽，且控制单元3容置于机架2的中心位置；调节单元1包括旋翼件101、臂架102、旋翼轴103、套环104、滑杆105、固定环106、推杆107、步进推杆电机108、滑块109、丝杆1010、步进电机1011、旋翼电机1012和固定套圈1013；控制单元3包括三轴陀螺仪301、三轴加速度传感器302、重心测量模块303、电机驱动器304和控制芯片305。

进一步具体的，机架2优选为中空结构，其中部容置有多旋翼飞行器的控制单元3，大体形状呈四方体形，且上述四方体形在四个侧面交界处背离其中心向外延伸了四组方形开槽，相邻的两个方形开槽互相垂直，即保证了机架2的结构对称，在不负载其他结构时，其重心处于中心位置。与机架2对应设置的旋翼臂是飞行器起飞的动力部件，其数量可根据机架2上开设的方形开槽数量匹配设置，在一个优选实施例中的多旋翼飞行器中，旋翼臂的数量为四个，分别套设在机架2上的方形开槽中，每一个旋翼臂上都设置有调节单元1，且每一个旋翼臂的尺寸与结构相同。具体地，调节单元1包括有与机架2上的方形开槽匹配的方形臂架102，臂架102的一端为装配端，设置有相应的装配缺口和螺丝孔，用于与机架2匹配固定，其另一端为旋翼端，旋翼件101通过旋翼轴103与旋翼电机1012连接，用于旋转产生飞行的上升力，旋翼电机1012通过连接件固定在臂架102上，用以给旋翼件101提供提供旋转动力。

进一步地，臂架102的下端面上还设置有丝杆1010，其靠近机架2的一端通过固定套圈1013固定在臂架102的下端面上，靠近旋翼件101的一端通过固定套圈1013固定在臂架102的下端面上并连接步进电机1011，步进电机1011固定在臂架102靠近旋翼件101一侧的下端面上，其动力输出端与丝杆1010连接，可带动丝杆1010绕其轴向转动；丝杆1010为开设有螺纹的螺旋杆，其螺纹段上匹配螺纹装配有具有一定质量的滑块109，即当丝杆1010被步进电机1011带动旋转时，滑块109能在丝杆1010上沿其轴向运动，以调整多旋翼飞行器的重心位置；所述滑块109优选为立方体形状，其下端面上固定设置有步进推杆电机108，步进推杆电机108的动力输出端连接可在竖直方向上往复伸缩运动的推杆107，推杆107优选为垂直水平面设置，其一端为连接步进推杆电机108的伸缩端，另一端上开设有插销孔，通过插销与套设在滑杆105上的套环104匹配，通过推杆107的伸缩运动带动套环104在滑杆105上滑动；滑杆105的一端为与地面接触的支撑端，为多旋翼飞行器提供支撑，其另一端通过固定环106固定在机架2的下端面上，并可相对固定环106进行转动，推杆107的伸缩运动带动套环104在滑杆105上滑动，当套环104运动到靠近滑杆105支撑端时，旋翼臂的水平高度较低，相应地，当套环104运动到靠近固定环106一端时，旋翼臂的水平高度较高，从而通过套环104的滑动来调节旋翼臂的水平高度。

在一个优选实施例中，多旋翼飞行器的控制单元3包括三轴陀螺仪301、三轴加速度传感器302、重心测量模块303、电机驱动器304和控制芯片305。其中，三轴陀螺仪301和三轴加速度传感器302共同用于测量机架2的水平状态数据，并将测量的数据反馈给控制芯片305进行融合解算，以确定当前飞行器所处的水平状态，控制芯片305将该水平状态的相关数据生成相应的调节指令并传递给电机驱动器304，进一步地，在一个优选实施例中的三轴陀螺仪301和三轴加速度传感器302优选集成为MPU6050模块，即MPU6050模块进行飞行器水平状态相关数据的收集、处理并反馈于控制芯片305。重心测量模块303用于检测多旋翼飞行器的重心位置，并将重心位置的数据传递给控制芯片305，继而由控制芯片305将该重心位置状态与重心参考位置的数据进行对比，并生成相应的控制指令传递给电机驱动器304；控制单元3将反馈的数据信号进行分析、处理后，生成相应的调节指令并通过电机驱动器304驱动相应旋翼臂上的目标电机工作，以调整多旋翼飞行器在起飞前处于理想起飞状态。

当上述优选实施例中的多旋翼飞行器准备起飞时，多旋翼飞行器的控制单元3按照图3所示的工作流程图对飞行器所处的状态进行数据分析，以调整多旋翼飞行器处于理想的起飞状态。具体地，多旋翼飞行器放置于起飞地面上，由MPU6050模块测量多旋翼飞行器机架2与水平面的第一倾斜角度，若第一倾斜角度为零，则进行下一步检测，若第一倾斜角度不为零，则先进行飞行器水平调整过程，即由控制单元3中的电机驱动器304将控制芯片305处理的数据传递给相应的步进推杆电机108，驱动推杆107伸缩一定长度以调整第一倾斜角度为零。当第一倾斜角度为零后，由控制单元3中的重心测量模块303测量此时多旋翼飞行器的重心位置，若此时重心位置处于理想位置范围以内，则多旋翼飞行器可进入待飞状态；若此时重心位置处于理想位置范围以外，则先由重心测量模块303反馈数据到控制芯片305，再由控制芯片305分析、处理该重心状态数据并生成相应的调节指令，继而由控制单元3中的电机驱动器304将生成的调节指令传递给步进电机1011，步进电机1011开始工作，带动滑块109沿丝杆1010轴向滑动一定的距离，以调整多旋翼飞行器的重心处于理想位置范围内；完成上述重心调整过程后，由三轴陀螺仪301测量此时多旋翼飞行器机架2与水平面的第二倾斜角度，若第二倾斜角度为零，则多旋翼飞行器可进入待飞状态，若第二倾斜角度不为零，则再进行多旋翼飞行器水平调整过程直至第二倾斜角度为零。当多旋翼飞行器的机架2处于水平状态，且其重心位置处于理想重心位置范围内时，多旋翼飞行器可进入待飞状态，进行多旋翼飞行器的起飞工作。进一步优选地，上述调整过程可在多旋翼飞行器的滑杆105触地后由其控制单元3控制而进行自动调整。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多旋翼飞行器水平起飞调节系统，其特征在于：

包括设置在旋翼臂下方的调节单元(1)和用于控制该调节单元的控制单元(3)；其中所述控制单元(3)包括用于识别并反馈飞行器水平状态数据的三轴陀螺仪(301)和三轴加速度传感器(302)、用于识别并反馈飞行器重心状态数据的重心测量模块(303)、用于处理所述三轴陀螺仪(301)、所述三轴加速度传感器(302)和所述重心测量模块(303)的反馈数据以融合解算飞行器水平及重心状态的控制芯片(305)，以及用于将所述控制芯片(305)处理数据后生成的相应调节指令传递给相应电机的电机驱动器(304)；

所述调节单元(1)包括丝杆(1010)、滑块(109)、步进电机(1011)、推杆(107)、步进推杆电机(108)、滑杆(105)、套环(104)和固定环(106)，其中，所述滑杆(105)的一端为用于支撑多旋翼飞行器的支撑端，其另一端为连接固定环(106)并可相对所述固定环(106)转动的固定端，所述滑杆(105)用以与推杆(107)匹配以调整飞行器的水平状态；所述丝杆(1010)固定在旋翼臂的下方，其端部装设有用于驱动所述丝杆(1010)转动的步进电机(1011)，所述滑块(109)套设在所述丝杆(1010)上并可沿其轴向滑动以调整飞行器的重心位置，即所述步进电机(1011)接收所述电机驱动器(304)的调节指令以使得所述滑块(109)滑动一定距离来调整多旋翼飞行器的重心位置；所述推杆(107)一端连接固定在所述滑块(109)下方的步进推杆电机(108)，另一端通过所述套环(104)套设在所述滑杆(105)上，并可相对所述滑杆(105)滑动，所述推杆(107)可在其轴向上往复运动以调整飞行器的旋翼臂的水平高度，即通过所述步进推杆电机(108)接收所述电机驱动器(304)的调节指令用以调节所述推杆(107)的高度，继而调整飞行器的水平状态。

2.根据权利要求1的多旋翼飞行器水平起飞调节系统，其中，所述重心测量模块(303)以当前重心位置与理想重心位置的偏差来计算调整量。

3.一种具有权利要求1或2中所述多旋翼飞行器水平起飞调节系统的多旋翼飞行器。

4.根据权利要求3的多旋翼飞行器，其中，所述多旋翼飞行器为四旋翼飞行器。