CN108137152A - 垂直起降飞行器 - Google Patents

Abstract

一种VTOL(垂直起降)飞行器，包括内框，常平架系统以及外框，所述内框包括推进系统和控制系统。所述推进系统可以产生升力。所述VTOL还可以包括具有线性或非线性梁的分离构造，用于为内框提供相对于外框的至少两个旋转自由度。所述梁可以选择性地包括其端部的滑块，来为所述内框提供额外的旋转自由度。

Description

垂直起降飞行器

技术领域

本发明涉及一种垂直起降飞行器。

背景技术

VTOL飞行器通常依靠推进系统(例如一个或多个螺旋桨)产生向上的力(升力)来抵抗重力。这种飞行器能够缓慢飞行(悬停飞行)，垂直起降，并且通常具有控制系统控制其方位或方向以保持稳定的方位或侧向移动。当飞行器方位不稳定时，例如其推进系统产生的力不是总体朝上时，该飞行器便迅速失去升力，或者获得推进系统产生的力的方向的速度。

VTOL飞行器采用现有技术中已知的几种配置中的推进系统和控制系统来保持在空中。

当飞行器与障碍物接触时，相对较大的外部扭矩和力会干扰飞行器的方位。而机载控制系统(机械和/或软件)可能抵抗一定干扰并将飞行器带回到稳定的飞行方位中，这种控制系统往往不能快速纠正与外部物体接触后发生的较大干扰。这种接触因而可以引起飞行器的方位或轨迹的较大扰动，甚至导致飞行器向地面坠毁。因此，大多飞行器总是保持远离障碍物，以避免与障碍物的任何接触。此外，多数飞行器只能从一个静止方位起飞，其中推进系统可以产生向上的力，限制了飞行器从不平坦地面起飞或以其他方位着陆后起飞的能力。

许多上文提及的VTOL飞行器的缺点被WO2014/198774中所描述的VTOL飞行器所克服。文中所描述的系统允许飞行器与障碍物碰撞，同时在大多数时间内保持稳定的方位。该已知的垂直起降(VTOL)飞行器包括内框，常平架系统或分离构造以及外框。所述常平架系统允许外框独立于内框被动地旋转，减少了由于外部物体接触引起的干扰，允许其在障碍物上滚动并允许从任意方位起飞。该VTOL允许平台下面、侧向或平台上面与障碍物保持接触，并且在与障碍物保持接触时相对障碍物运动，文中描述为在障碍物上滚动。该VTOL被配置为可以从任何方位起飞的飞行器，即便是在不平坦的地面上。

根据WO2014/198774所公开的VTOL包括推进系统和控制系统，所述推进系统能够产生升力，所述控制系统可控制内框的方位，所述常平架系统将内框与外和内框连接起来，即所述外框有至少两个旋转轴，允许所述外框独立于所述内框旋转之间的旋转自由。

所述旋转轴被配置为从有常平架系统的内框机械地分离外框，使得外框能够被动地绕内框旋转。所述内框包含推进系统和控制系统，通过产生向上的力而将飞行器保持在空中并去除小的干扰，而所述外框防止外部物体接触内框并影响其方位。所述外框被几何构造为可承受相当大的冲击并保护所述VTOL内框、推进系统和控制系统，使得VTOL可以在冲击后重新保持稳定并继续行驶。

所述常平架系统允许所述外框围绕所述内框被动地沿两个或多个旋转轴旋转。因此，施加到所述外框的一些或全部的扭矩将引起围绕这些轴的旋转，但不会影响内框，使得推进系统保持在稳定的方位上来悬停飞行。因此，根据本公开所配置的飞行器可以与障碍物相撞而其内框保持稳定的方位，当推进系统经受显著的方位扰动时，防止飞行器出现较大的不稳定或坠毁。

此外，当所述外框与障碍物接触时，由于所述内框的方位不被限制，在所述外框与障碍物保持接触期间，所述控制系统仍能够使飞行器侧向移动、上下移动。这使得飞行器在与外部物体、墙壁或天花板持续接触期间向不同方向飞行(换句话说：它能够在飞行时在障碍物上滚动)。

WO2014/198774公开的系统对于从不同方位起飞也很有用：当在地面上时，所述内框可以在外框内自由旋转，构造因此可以将内框旋转到适于起飞的方位(例如用可以产生向上的力的推进系统)。所述内框的旋转可以通过放置内框的质心来实现，从而重力在所需方位中将其拉动，或者通过采用所述内框的控制系统来实现。

然而，尤其在当遇到障碍物时，需要持续改善VTOL飞行器的稳定性和易操控性，同时保持或改善性能。例如，性能的改善可以源自提高自主性，提高速度或者提高有效载荷中的一个或多个。对于某些用途，例如检查用途，在保持检查能力(负载的相机和传感器)、性能和对VTOL良好的远程控制的同时减小VTOL的大小也可以是一个重要因素。

鉴于上述内容，本发明的目的是提供一种具有良好稳定性、性能并易控制的VTOL飞行器。

本发明的目的已经通过根据权利要求1提供的VTOL飞行器实现。

本发明的目的已经通过权利要求14提供的VTOL飞行器实现。

本发明的目的已经通过权利要求21提供的VTOL飞行器实现。

发明内容

文中根据本发明的第一方面公开的，是一种垂直起降(VTOL)飞行器，包括：

外框；以及，

分离构造；以及

通过分离构造连接到所述外框的内框，所述内框包括配置为产生升力的推进系统；

所述分离构造包括与所述内框耦合的梁，并形成了第一旋转轴，并且所述梁被耦合到与第一旋转轴基本呈正交布置的第二旋转轴。

在一个实施方式中，所述梁包括位于该梁中心附近的旋转接头。

所述第一旋转轴可以由一个或多个位于所述旋转接头中的轴承形成。

在一个实施方式中，所述内框具有基本与每个旋转轴位于同一直线上的质心。

在一个实施方式中，所述第一旋转轴基本竖直。

在一个实施方式中，所述梁是非线性的。

在一个实施方式中，所述推进系统包括四个螺旋桨，至少两个所述螺旋桨是部分重叠的。

在一个实施方式中，所述推进系统包括四个螺旋桨，至少两个所述螺旋桨是部分重叠的。

在一个实施方式中，所述梁包括两个平行部分，其中一个平行部分与所述VTOL飞行器的质心轴向对齐。

在一个实施方式中，VTOL飞行器还可以包括耦合到所述梁的环，该环绕第三旋转轴耦合到外框，第二和第三旋转轴基本正交。

在一个实施方式中，所述梁包括滑块；以及耦合到所述滑块的环，该环绕第二旋转轴绕所述梁旋转，所述环还绕第三旋转轴滑过所述滑块，所述第二和第三旋转轴正交。

文中还公开了根据本发明的第二方面，是一种垂直起降(VTOL)飞行器，包括：

外部保护罩；

包括用于产生升力的推进装置的内框；

用于控制所述内框方位的控制装置；以及

用于提供内框相对于外部保护罩的至少两(2)个旋转自由度的分离装置。

在一个实施方式中，所述分离装置包括具有耦合到环的滑动表面的梁。

在一个实施方式中，所述分离装置可以包括具有耦合到环的滑动表面的梁，所述梁具有沿所述梁中心定位的旋转接头，所述分离装置提供了四个旋转自由度。

在一个实施方式中，所述分离装置包括耦合到环上的梁，所述梁在与所述环相连接的末端部具有旋转接头，所述梁具有沿所述梁中心定位的旋转接头，所述分离装置提供了三个旋转自由度。

在一个实施方式中，所述分离装置包括梁，该梁包括两个基本平行的部分。

在一个实施方式中，所述推进装置包括四个螺旋桨，至少两个螺旋桨是部分重叠的。

文中还根据本发明的第三方面公开了，一种垂直起降(VTOL)飞行器，包括：

外框；

耦合到所述外框的内环；

旋转地耦合到所述内环的梁；

配置为产生升力的推进系统；所述推进系统通过分离装置耦合到所述梁上，提供了推进系统相对于所述内环的至少两个旋转自由度。

在一个实施方式中，所述推进系统包括当运动时部分重叠的螺旋桨。

在一个实施方式中，所述梁还包括耦合到所述内环的滑块，来将所述梁旋转地耦合到所述内环。

在一个实施方式中，多个外环相对于所述内环没有旋转自由度。

在一个实施方式中，所述内环与多个外环中的至少一个外环具有至少一个旋转自由度。

因此，根据本发明的一个方面的飞行器(VTOL)包括由梁与环组成的分离构造。所述梁可以被联接到旋转接头来产生第一旋转轴。所述旋转接头可以被配置来提供与所述第一旋转轴基本正交的第二旋转轴。

所述梁在其端部可以具有滑块，允许所述环沿着所述梁滑动，产生第三旋转轴。

所述梁可以是线性或是非线性的，取决于实现。

根据本发明的另一方面，文中描述的飞行器(VTOL)的所述内框可以在同轴转子或者非同轴四旋翼飞行器内实现，四旋翼的螺旋桨彼此重叠，从而可以在需要扩大内框大小时使用更大的螺旋桨。

附图说明

借助参考附图会更好地理解本公开的VTOL，其中：

图1示出了包括分离构造的飞行器的部分，该分离构造包含非直线梁和环；

图2示出了包括具有滑块和环的直线梁的分离构造的飞行器，具有包括四旋翼配置的推进系统；

图3示出了具有包括所述梁的分离构造的飞行器的透视图，具有包括同轴螺旋桨配置的推进系统；

图4(a)示出了所述分离构造线性梁的透视图；

图4(b)示出了所述分离构造非线性梁的透视图；

图4(c)示出了包括具有滑块和所述环的梁的所述分离构造配置的分解视图；

图5(a)至5(e)示出了根据本公开的包括梁的分离构造配置的各种分解视图；

图6(a)至6(d)示出了具有与各种分离构造相关的重叠螺旋桨配置的同轴和四旋翼飞行器的平面图。

具体实施方式

根据本公开的飞行器包括与具有常平架系统的内框机械分离的外框，使得外框能够被动地绕内框旋转。所述内框包含所述推进系统和控制系统，通过产生向上的力将飞行器保持在空中并抵抗小的干扰，而所述外框防止外部物体接触所述内框并影响其方位。所述常平架系统允许外框绕所述内框被动地绕一个或多个旋转轴旋转，并不需要主动地驱动或控制(例如用马达)。

在常规的飞行器上，防护结构(如果有)被刚性地联接到推进和控制系统上。因此，与外部物体接触将产生扭矩，将导致整个飞行器包括推进系统的旋转。这可能对飞行器在空中保持稳定的能力有极大的影响，因为推进系统可能不会再产生总体向上的力，相反地会在失去高度时侧向推动飞行器。然而，利用常平架系统将所述内框从外框分离使得所述内框与所述外框的旋转保持无关。因此，与外部物体的接触将产生所述外框的旋转，而内框和推进系统保持稳定的方位。

当常平架系统的两个轴线彼此对齐时，它就失去了一个自由度，所述内框不再与所述外框完全分离。这种情况被称为常平架锁定，可以防止常平架系统减小与外部物体接触的干扰，特别是如果水平面内的旋转轴丢失时，因为俯仰和滚动轴线对于保持推进系统产生的总体向上的升力是最为关键的。该问题的解决方案包括：增加常平架或者自由度和/或驱动一些常平架来控制他们的位置使其避免常平架锁定，增加排斥或吸引元件例如磁铁以有助于常平架的位置避免常平架锁定。如果使用驱动器，这些驱动器应该是可逆的或者能够关闭的，以便当发生碰撞时，它们可以以低摩擦力自由旋转。

文中描述的分离构造是机械仪器，提供所述外框相对于所述内框或组件(例如内环，梁和文中描述的其它结构)的一个或多个旋转自由度。该旋转自由是沿着旋转轴的，通常是通过机械旋转接头或其它所描述的机械装置产生的。

图1和图2示出了根据本公开的飞行器1500的实施方式。该飞行器1500包括产生推力来移动飞行器1500的螺旋桨1502，以及控制系统/电子锁1504，它包括，例如，用来控制飞行器1500的电子器件，能源，例如电池，以及有效负载(例如相机或者其他仪器)。所述控制系统1504可以位于梁1506之上或者下面所描述的旋转接头1510之上，所述推进系统可以位于所述梁1506之下。所述飞行器1500还包括分离构造，该分离构造包括所述梁1506和环1508。所述梁1506具有位于所述梁1506中心附近的旋转接头1510。所述旋转接头1510可以被配置为提供至少两个旋转轴，示为A-A和B-B(见图2为佳)。第一旋转轴A-A和第二旋转轴B-B基本垂直/正交，并且优选为彼此垂直/正交。第二旋转轴B-B可以基本与所述梁1506的长度同轴，而第一旋转轴A-A可以基本与所述梁1506垂直。

如图所示，所述梁1506可以是非直线性/非线性(如图1所示)或者直线性(如图2所示)。当所述梁1506为非线性时，所述内框的质心1512位于沿旋转轴B-B的旋转接头1510之上。所述旋转接头1510从包括第二旋转轴B-B和与第一旋转轴A-A正交的平面的偏移被描述为1514。例如，旋转轴B-B可以通过一个或多个与所述梁1506相互作用的轴承产生以允许所述梁1506旋转。第一旋转轴A-A可以通过位于所述旋转接头1510内的一个或多个轴承产生，该旋转接头1510允许所述内框的一个或多个元件旋转。所述非直线性梁可以容纳任意形状的内框，通常确保所述内框的质心(COM)与旋转轴大部分对齐时，允许所述内框上放置的组件有更大的自由度。

具体参考图2，描述了具有滑块1602的梁1506。所述滑块1602沿环1508自由滑动。所述滑块1602可以包括一个或多个位于其内的轴承，允许环1508容易地穿过滑块1602移动。或者，所述环穿过所述滑块的移动可以通过采用具有低摩擦系数的材料实现。在所述梁1506上对滑块1602的使用产生了额外的旋转轴C-C。这使得在飞行器1500内总共有三个旋转轴A-A、B-B和C-C。换句话说，在所述梁1506上对滑块1602的使用使得内框具有三个自由度。外框1604可以被可移动地耦合到所述内框。所述外框1604对分离构造的耦合可以包括一个或多个轴承的使用。此外，所述外框1604可以间接耦合到分离构造的所述环1508上。虽然已经描述了所述滑块1602可以在直梁1506上实现，本领域技术人员应当理解，滑块1602可以在非线性梁1506上实现并不偏离本发明的范围。

图3示出了所述飞行器1500具有包括所述梁1506和所述环1508的分离构造。该飞行器包括两个螺旋桨1502和控制系统/电子锁1504。在螺旋桨1502和控制系统1504之间为所述旋转接头1510，控制系统1504下为控制表面1702。该控制表面1702可以包括两对，每一对控制表面包括两个平行控制表面1702。所述控制表面1702控制飞行器1500的俯仰和滚动运动。

图4(a)和4(b)示出了根据本公开的可选配置中的所述梁1506，分别如图2和1所相关描述的。所述梁1506可以是线性的(如图4(a)中所示)或非线性的(如图4(b)中所示)。所述非线性梁1506具有位于其中的四个弯(两对)。例如，最接近所述旋转接头1510的两个弯1802可以基本在同一方向上弯曲90度，离所述旋转接头1510最远的两个弯1804可以基本弯曲90度，使得所述梁1506具有两个基本平行的部分。所述弯梁1506的所述旋转轴B-B穿过远离旋转接头1510的线性部分。可以在所述旋转接头1510中实施一个或多个轴承，以允许绕第一旋转轴A-A和第二旋转轴B-B旋转。所述梁1506可以具有旋转接头1806，以允许该梁1506直接或间接地耦合到所述环1508上(未示出)。所述旋转接头1806可以位于所述梁1506的远端外端处。

图4(c)示出了具有滑块1602的所述梁1506。所述滑块1602将至少一个滑移表面耦合到所述环1508上。所述滑块1602可以被植入到图4(a)和4(b)所示的两个所述梁上。在所述梁1506上滑块1602的实现产生了与第一旋转轴A-A和第二旋转轴B-B分离的另一旋转轴。通过使用所述滑块1602产生的所示出的旋转轴在图2中被描述为旋转轴C-C。所述滑块可以耦合到刚性地联接到所述外框的环上。

图5(a)至5(e)示出了根据本公开的所述分离构造组件的各种组合和配置的分解视图。具体地，图5(b)示出了提供了两个旋转自由度(两个旋转轴)的分离构造，图5(a)、5(c)和5(d)示出了提供三个旋转自由度(三个旋转轴)的分离构造，图5(e)示出了提供四个旋转自由度(四个旋转轴)的分离构造。图5(c)示出了在不包括单个分离环的同时提供三个旋转自由度的分离构造的配置，仅有的环与所述保护框架刚性联接。

图6(a)至6(d)展示了根据本公开的具有各种分离构造的飞行器的推进系统大小的影响。参考图6(a)和6(b)，示出了同轴转子飞行器。图6(a)中所示的飞行器包括两个螺旋桨2002以及具有两个不同环2004、1508的分离构造。图6(b)中示出的飞行器包括两个螺旋桨2008和具有耦合到所述环1508的所述梁1506的分离构造。通过实现所述梁1506，可以移除所述分离构造的所述内环2004，使得螺旋桨2008比螺旋桨2002更大，而不会扩大所述外环1508。因此，包括所述梁1506的所述内环的实现是有利的，因为其允许飞行器推进系统更大而不改变飞行器外部尺寸。例如，具有较大的推进系统允许提高飞行时间、提高反应性以及提高有效载荷能力。

包括推进系统和控制系统的所述内框，以一个优选实施方式被安装在外框内，可以被动地并自由地绕所述内框围绕每个所述旋转轴旋转。包括在所述内框中的所述推进系统和控制系统可以是任意类型，并不局限于所示出的。而且，外框可以是任意类型的保护结构，并不局限于所示出的。

参考图6(c)和6(d)，示出了四旋翼飞行器。图6(c)的四旋翼飞行器包括四个螺旋桨2002和具有两个不同环2004、1508的分离构造。图6(d)的四旋翼飞行器包括四个螺旋桨2008和具有耦合到所述环1508的梁1506的分离构造。像图6(a)的同轴转子飞行器一样，通过在四旋翼飞行器内实现所述梁1506，可以移除所述分离构造的所述内环2004，使得螺旋桨2008比螺旋桨2002更大，而不会扩大所述外环1508。因此，包括所述梁1506的所述分离构造的实现是有利的，因为其允许飞行器推进系统更大而不改变飞行器外部尺寸。例如，具有较大的推进系统允许提高飞行时间、提高反应性以及提高有效载荷能力。

图6(c)和6(d)的四旋翼飞行器的所述螺旋桨2002、2008可以被彼此重叠配置，使得飞行器更加紧凑。紧凑性是飞行器的推进系统的外部尺寸和飞行器的一个螺旋桨的外部尺寸之间的比率。通过使螺旋桨2002、2008彼此重叠配置，可获得四旋翼的高性能优势(例如构造简单，高反应性等等)，同时减小了通常四旋翼的较大尺寸。

文中已经公开了所述分离构造的各个优点，其它优点对本领域现有技术人员是显而易见的。不受限制，公开的分离构造的具体优点包括：

●常平架锁定敏感度减小：发生在所公开的分离构造的常平架锁定对所述飞行器的稳定性影响较小。常平架锁定是在所述第三旋转轴C-C与第一旋转轴A-A对齐时发生的，损失了一个自由度。当轴A-A、C-C基本对齐时，小罩旋转通常产生分离构造的大的运动，由于需要加速的构造部件的惯性，在分离构造内便产生了虚拟摩擦。在所公开的配置中，所述梁的惯性比在WO2014/198774中所描述的现有技术常平架的环的惯性小。

●障碍减少：垂直环的实现通常会阻碍相机的视野。在涉及图1A至6(d)的分离构造的实现中，只有一个通常为水平的环，因此不在相机的视野范围中。

文中描述的实施方式包括具有同轴螺旋桨或四旋翼的推进系统，本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以实现具有其它数量的同轴或非同轴螺旋桨的任意各种推进系统。

尽管已经结合某些实施方式描述并示出了设备、系统和方法，在不脱离本发明主旨和范围的前提下，很多变化和修改对本领域技术人员是显而易见的。因此，本公开不局限于上述方法或结构的准确细节，因为这些变化和修改包括在本公开的范围内。

Claims (23)

1.一种垂直起降(VTOL)飞行器，包括：

能源；

配置为产生升力的推进系统；

包括控制该飞行器的电子器件的控制系统；

外框；

分离构造；以及

通过所述分离构造连接到所述外框的内框，该内框包括所述推进系统，所述控制系统，以及所述能源；

所述分离构造包括耦合到所述内框的梁，并形成了第一旋转轴，该梁耦合到与第一旋转轴基本正交布置的第二旋转轴，

所述梁包括位于临近该梁中心的旋转接头，所述第一旋转轴通过一个或多个位于所述旋转接头内的轴承所形成。

2.权利要求1所述的VTOL飞行器，其中所述内框还包括具有相机或其它仪器的有效负载。

3.前述任意一项权利要求所述的VTOL飞行器，其中所述内框具有基本与每个旋转轴位于同一直线上的质心。

4.前述任意一项权利要求所述的VTOL飞行器，其中所述第一旋转轴基本竖直。

5.前述任意一项权利要求所述的VTOL飞行器，其中所述梁是非线性的，所述旋转接头从与第一旋转轴正交且包括第二旋转轴的平面偏移。

6.权利要求5所述的VTOL飞行器，其中所述非线性梁具有位于其中的四个弯。

7.权利要求6所述的VTOL飞行器，其中最接近所述旋转接头的两个弯在同一方向上基本弯曲90度，离所述旋转接头最远的两个弯基本弯曲90度。

8.前述任意一项权利要求所述的VTOL飞行器，其中第二旋转轴包括位于所述梁的远端外端处的旋转接头。

9.前述任意一项权利要求所述的VTOL飞行器，其中包括推进系统和控制系统的所述内框被安装在所述外框内，所述外框可以被动地并自由地绕所述内框绕每个所述旋转轴旋转。

10.权利要求1所述的VTOL飞行器，其中所述推进系统包括四个螺旋桨，至少两个所述螺旋桨部分重叠。

11.前述任意一项权利要求1所述的VTOL飞行器，其中所述梁包括两个平行部分，其中一个平行部分与所述VTOL飞行器的质心轴向对齐。

12.前述任意一项权利要求所述的VTOL飞行器，还包括耦合到所述梁的环，该环绕第三旋转轴耦合到外框，第二和第三旋转轴基本正交。

13.前述任意一项权利要求所述的VTOL飞行器，其中所述梁包括滑块；以及耦合到所述滑块的环，该环绕第二旋转轴绕所述梁旋转，所述环还绕第三旋转轴滑过所述滑块，所述第二和第三旋转轴正交。

14.一种垂直起降(VTOL)飞行器，包括：

外部保护罩；

包括用于产生升力的推进装置的内框；

用于控制所述内框方位的控制装置；以及

用于提供内框相对于外部保护罩的至少两个旋转自由度的分离装置，其中所述分离装置包括梁，所述内框通过位于该梁中心的旋转接头安装在该梁上，提供了至少一个旋转自由度。

15.权利要求14所述的VTOL飞行器，其中所述梁包括耦合到环的滑移表面，提供至少一个旋转自由度。

16.权利要求14所述的VTOL飞行器，其中所述分离装置提供了四个旋转自由度。

17.权利要求14至16中任意一项所述的VTOL飞行器，其中所述分离装置还包括耦合到所述梁的环，该梁包括在末端处的旋转接头，该梁在此处与所述环相连接，所述分离装置提供了至少三个旋转自由度。

18.权利要求14至17中任意一项所述的VTOL飞行器，其中所述梁包括两个基本平行的部分。

19.权利要求14至18中任意一项所述的VTOL飞行器，其中所述推进装置包括四个螺旋桨，至少两个所述螺旋桨部分重叠。

20.权利要求14至19中任意一项所述的VTOL飞行器，还包括权利要求1至13中任意一项的一个或多个额外特征。

21.一种垂直起降(VTOL)飞行器，包括：

外框；

耦合到所述外框的内环；

旋转地耦合到所述内环的梁；

配置为产生升力的推进系统；所述推进系统通过分离装置耦合到所述梁上，分离装置提供了推进系统相对于所述内环的至少两个旋转自由度，其中所述推进系统包括非同轴并在运动时部分重叠的螺旋桨。

22.权利要求21所述的VTOL飞行器，其中所述推进装置包括四个螺旋桨，所述四个螺旋桨中的至少两个在运动时部分重叠。

23.权利要求21或22所述的VTOL飞行器，还包括权利要求1至19中任意一项的一个或多个额外特征。