CN108372927A - 基于变距桨的六自由度全控制八旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变距桨的六自由度全控制八旋翼飞行器，变距螺旋桨可以完美的实现改变推力的方向。在水平方向增添了四个变距螺旋桨，可以按照需求任意改变桨距，不再需要改变电机的转速，变为两个电机通过桨叶可以同时向一个方向旋转产生推力，同时还可以确保电机的最大桨效，变距桨可以根据不同的飞行任务改变桨距，可以通过飞行过程中反馈自动更改，也可以设定好固定的桨距使得飞行器在飞行任务中达到最大飞行效率。在变距桨的作用下飞行器可以更好的实现任意方向起飞、目标追踪、特技表演、原地调整姿态、定点、特殊坡面着陆等任务，具有很强的使用价值。

Description

基于变距桨的六自由度全控制八旋翼飞行器

技术领域

本发明专利涉及无人飞行器技术领域，特别是对于需要实现位置与姿态的解耦控制及发挥最大桨效，提供一种基于变距桨的六自由度全控制八旋翼飞行器。

背景技术

传统的四旋翼通过控制四个电机的转速，来达到同时控制四旋翼位置和角度期望无法实现，由于受到控制输入量个数的限制。本发明专利通过添加四个垂直于夹板面的变距桨，解决了飞行器欠驱动问题，变距桨可以在飞行中根据飞行速度和高度自动(或人工)改变桨叶角的螺旋桨，传统的桨叶无法改变桨距，只能根据设计好的飞行器模型电机的功率定制桨叶，但是对于一般民用或者普通厂商无法专门的定制桨叶而且定制的桨叶在低速和高速飞行下使得电机的功率无法都达到最大值，但是变距桨在前进速度小的情况下，变距装置减小螺旋桨的桨叶角，这样就使发动机在最大转速和最大功率状态下工作，因而使螺旋桨产生最大的拉力，在平飞时，变距机构能使桨距变到与这种飞行状态相适应的高桨距，这时，在最大转速下螺旋桨能从发动机得到最大的有用功率。所以，变距桨在任何飞行速度下，均能利用发动机的最大有效功率。采用变距桨后，螺旋桨发动机的高度特性曲线与发动机的高度特性曲线便合成一条曲线，因而就再没有任何由于螺旋桨"变重"或"变轻"而造成的附加功率损失。使得飞行器在实现位置与姿态的独立控制的同时更加灵活和高效。例如在无人机自动飞行时，传统的四旋翼无法改变飞行器自身角度以适应特殊的路径和躲避障碍。本发明通过变距桨对电机的优化配合垂直的螺旋桨做到了姿态和位置的单独控制，使得本专利飞行器可以更完美的胜任一些特殊环境飞行和躲避障碍任务，例如在穿过狭小的空间，在有限的空间内通过改变姿态来躲避飞行中遇到的障碍。同时在变距桨的帮助下，飞行器可以根据自身的速度改变桨叶角，最大化电机的功率，从而提升飞行器的续航能力，在遇到恶劣的飞行条件，也可通过改变桨叶角适应此时的环境提高飞行器自身的安全系数。

发明内容

针对传统四旋翼的不足，本发明专利提出了一种基于变距桨的六自由度全控制八旋翼飞行器，使得飞行器的位置与姿态能单独控制，即保证位置控制的同时不会对姿态控制产生影响，从而实现六自由度的解耦并且加入了变距螺旋桨，使飞行器在调整姿态和位置时动力分配更高效。

本发明采用的技术方案是：

一种基于变距桨的六自由度全控制八旋翼飞行器，包括起落架、夹板、电机、舵机、四条水平杆、两对升降螺旋桨和两对变矩螺旋桨；

所述起落架固定在夹板下方，采用三脚架结构；水平杆贯穿固定在夹板上，水平杆两端通过桨叶固定结构连接有桨叶；

所述电机固定在水平杆两端，电机与桨叶固定结构连接，提供动力；

四条水平杆中，互相垂直的两条水平杆上设有两对升降螺旋桨；升降螺旋桨四个桨叶与夹板相同水平布置；另外两条水平杆上设有两对变矩螺旋桨，变矩螺旋桨上的四个桨叶与夹板呈垂直布置；变矩螺旋桨上设有舵机。

变矩螺旋桨主要包括桨叶夹持结构、桨叶固定结构、桨叶连杆、十字夹板、U形连杆；

桨叶夹持结构是将桨叶通过螺栓固定两个夹板中间的结构，桨叶夹持结构通过一个水平轴与桨叶固定结构垂直相连，并且桨叶夹持结构可以绕水平轴旋转，

桨叶夹持结构与桨叶连杆固定连接，桨叶连杆为三段式摆臂，桨叶连杆与十字夹板轴接，在十字夹板上下位移的作用下带动桨叶连杆运动，从而带动桨叶夹持结构转动，使固定在桨叶夹持结构上的桨叶改变切角，从而改变桨距；

桨叶固定结构上下两端固设有垂直转轴，通过垂直转轴的旋转，带动桨叶固定结构和桨叶夹持结构以垂直转轴为中心旋转；垂直转轴与电机相连；

桨叶夹持结构穿过U形连杆的方形开口；

U形连杆顶端与十字夹板固定连接；U形连杆的上铜套与下铜套抵接；

桨叶固定结构上端的垂直转轴上连接有十字夹板；桨叶固定结构下端与上铜套与下铜套贯穿套接；桨叶固定结构的转轴与电机相连；下铜套的与舵机相连；

舵机连杆带动下铜套上下移动，下铜套通过上铜套带动U形连杆上下移动，实现十字夹板上下移动，十字夹板带动连杆拉动桨叶夹持结构改变桨叶的切角。

本发明的优点是：

本发明实现六自由度全控制新型八旋翼飞行器，包括传统四旋翼的四个桨叶和垂直于夹板的变距螺旋桨和电机组成。两套动力系统提供的不同推力，通过合理地动力分配，从而提供八旋翼飞行器所需的推力要求。通过舵机可以精确的控制桨叶的桨距，从而控制桨叶产生推力的方向及最大桨效。飞行器通过外部传感器检测自身速度、所处环境的风速等信息，飞控根据反馈信息改变桨距角，其目的在于使截面具有最有利的攻角，这一独特性质，使得该八旋翼在某些特殊的应用领域更加稳定和高效，如自动飞行，目标跟踪，特技飞行等。

附图说明

图1为本发明飞行器的整体结构示意图。

图2为本发明飞行器的变距桨结构局部示意图。

图3为本发明飞行器的桨叶固定结构示意图。

图4为本发明飞行器的U形连杆结构示意图。

图5为本发明飞行器的变距桨结构整体示意图。

具体实施方式

下面结合说明附图1-5及实施例对本发明进一步详细说明。

一种基于变距桨的六自由度全控制八旋翼飞行器，包括起落架3、夹板6、电机、舵机、四条水平杆4、两对升降螺旋桨(设有一正一反的桨叶)和两对变矩螺旋桨；

所述起落架3固定在夹板6下方，采用三脚架结构；水平杆贯穿固定在夹板6上，水平杆4两端通过桨叶固定结构12连接有桨叶；

所述电机1固定在水平杆两端，电机1与桨叶固定结构12连接，提供动力；

四条水平杆中，互相垂直的两条水平杆两端设有两对升降螺旋桨，包括升降螺旋桨一13、升降螺旋桨二14、升降螺旋桨三15、升降螺旋桨四16；升降螺旋桨的四个桨叶与夹板6相同水平布置；另外两条水平杆上设有两对变矩螺旋桨，包括变矩螺旋桨一17、变矩螺旋桨二18、变矩螺旋桨三19、变矩螺旋桨四20，变矩螺旋桨上的四个桨叶与夹板呈垂直布置；变矩螺旋桨上设有舵机。

变矩螺旋桨主要包括桨叶夹持结构5、桨叶固定结构12、桨叶连杆7、十字夹板6、U形连杆8；

桨叶夹持结构5是将桨叶通过螺栓固定两个夹板中间的结构，桨叶夹持结构5通过一个水平轴与桨叶固定结构12垂直相连，并且桨叶夹持结构5可以绕水平轴旋转，

桨叶夹持结构5与桨叶连杆7固定连接，桨叶连杆7为三段式摆臂(摆臂的横臂与纵臂轴接)，桨叶连杆7与十字夹板6轴接，在十字夹板6上下位移的作用下带动桨叶连杆7运动，从而带动桨叶夹持结构5转动，使固定在桨叶夹持结构5上的桨叶改变切角，从而改变桨距；

桨叶固定结构12上下两端固设有垂直转轴10，通过垂直转轴10的旋转，带动桨叶固定结构12和桨叶夹持结构5以垂直转轴10为中心旋转；垂直转轴10与电机相连；

桨叶夹持结构5穿过U形连杆8的方形开口；

U形连杆8顶端与十字夹板6固定连接；U形连杆8的上铜套11与下铜套9抵接；

桨叶固定结构12上端的垂直转轴10上连接有十字夹板6；桨叶固定结构12下端与上铜套11与下铜套9贯穿套接；桨叶固定结构12的转轴10与电机相连；下铜套9的与舵机相连；

舵机连杆带动下铜套9上下移动，下铜套9通过上铜套11带动U形连杆8上下移动，实现十字夹板6上下移动，十字夹板6带动连杆7拉动桨叶夹持结构5改变桨叶的切角。

两对升降螺旋桨的桨叶一正一反布置，可以通过电机的旋转方向及转速，产生相同或不同方向的扭矩，当产生相同方向扭矩时，飞行器可以在合扭矩的作用下改变其偏航角，当产生的扭矩方向相反时，合扭矩为零，飞行器不会改变偏航角；当同一杆上的两个电机转速不同时，飞行器会产生倾斜，改变俯仰和滚动角，通过两对升降螺旋桨的电机正反转及转速结合桨叶可以很好的控制飞行器的姿态。

变距螺旋桨由舵机控制可以按要求改变桨距，不但可以改变螺旋桨产生的推力，同时还可以达到最高桨效，提高飞行器的性能和飞行时间；当飞行器在调整姿态的同时会产生水平方向的分力，从而会改变飞行器的位置，但是此时水平方向的电机配合变距桨可以产生一定的水平力抵消姿态调整时产生的水平分力；而当水平分力为零变距桨产生的水平力推动飞行器水平移动，当飞行器改变姿态产生水平分力，而变距桨产生的水平推力大于分力时，飞行器就可以保持此时的姿态做水平运动；进而达到姿态和位置的解耦控制。

升降螺旋桨一13、升降螺旋桨二14、升降螺旋桨三15、升降螺旋桨四16组成的姿态控制动力结构，变矩螺旋桨一17、变矩螺旋桨二18、变矩螺旋桨三19、变矩螺旋桨四20组成的水平位置动力结构。

工作过程

其中升降螺旋桨一13和升降螺旋桨三15安装的是正浆桨叶，升降螺旋桨二14和升降螺旋桨四16安装反浆桨叶；变距螺旋桨可以在舵机的控制下调节桨距，从而调节变矩螺旋桨一17、变矩螺旋桨二18、变矩螺旋桨三19、变矩螺旋桨四20旋转产生的推力，提高了效率和飞行器的灵活度。八旋翼的控制器控制电机的转速，并产生升力，水平位置控制动力结构可以产生抵消由姿态控制产生的水平力，达到姿态的解耦控制，同样在当水平位置控制结构产生的力大于姿态控制产生的分力，飞行器就可以保持某个姿态进行位置移动。由于变距螺旋桨的特性，使得变矩螺旋桨一17、变矩螺旋桨二18、变矩螺旋桨三19、变矩螺旋桨四20通过动力分配可以产生同一个方向的水平力，而不是传统形式的需要电机的不同转速，产生的合力，同时还可以调节变距桨的桨距达到桨叶的最高桨效，有效的提高了电机的效率和飞行器的灵活性。通过两个动力结构的动力分配，达到电机产生的升力和扭矩大小、方向均可控。

实施例1

高桨效水平移动，姿态控制动力结构提供可以抵消飞行器重力的升力，即升降螺旋桨一13和升降螺旋桨三15安装的是正浆桨叶，升降螺旋桨二14和升降螺旋桨四16的电机转速大小相等，升降螺旋桨一13和升降螺旋桨三15的转动方向相同、大小相等，升降螺旋桨二14和升降螺旋桨四16转动方向相同、大小相等，各组浆产生的转矩的合力为零，使飞行器在空中悬停，然后通过变距浆提供水平方向的推力，实现任意方向的水平移动。在飞行过程中可以调节桨距，适应不同环境，使电机一直工作在最大效率。

实施例2

恒姿态运动，当姿态控制动力结构像传统四旋翼控制飞行器姿态时，由于姿态与位置的耦合关系，会产生相应的位置移动，此时通过变距螺旋桨提供相反的水平力，当相反的力刚好抵消姿态控制动力结构产生的水平分力时，飞行器不移动且保持当前姿态，当变距浆产生的力大于由姿态调整产生的水平分力时，飞行器就可以保持此姿态任意移动。

以上所述仅为本发明专利的实施例，并非因此限制本发明专利的范围，凡是用本发明专利说明书内容所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关技术领域，均同理包含在本发明专利保护范围。

Claims (4)

1.一种基于变距桨的六自由度全控制八旋翼飞行器，其特征在于：

包括起落架、夹板、电机、舵机、四条水平杆、两对升降螺旋桨和两对变矩螺旋桨；

所述起落架固定在夹板下方，采用三脚架结构；水平杆贯穿固定在夹板上，水平杆两端通过桨叶固定结构连接有桨叶；

所述电机固定在水平杆两端，电机与桨叶固定结构连接，提供动力；

四条水平杆中，互相垂直的两条水平杆上设有两对升降螺旋桨；升降螺旋桨四个桨叶与夹板相同水平布置；另外两条水平杆上设有两对变矩螺旋桨，变矩螺旋桨上的四个桨叶与夹板呈垂直布置；变矩螺旋桨上设有舵机。

2.根据权利要求1所述的基于变距桨的六自由度全控制八旋翼飞行器，其特征在于：

变矩螺旋桨主要包括桨叶夹持结构、桨叶固定结构、桨叶连杆、十字夹板、U形连杆；

桨叶夹持结构是将桨叶通过螺栓固定两个夹板中间的结构，桨叶夹持结构通过一个水平轴与桨叶固定结构垂直相连，并且桨叶夹持结构可以绕水平轴旋转，

桨叶夹持结构与桨叶连杆固定连接，桨叶连杆为三段式摆臂，桨叶连杆与十字夹板轴接，在十字夹板上下位移的作用下带动桨叶连杆运动，从而带动桨叶夹持结构转动，使固定在桨叶夹持结构上的桨叶改变切角，从而改变桨距；

桨叶固定结构上下两端固设有垂直转轴，通过垂直转轴的旋转，带动桨叶固定结构和桨叶夹持结构以垂直转轴为中心旋转；垂直转轴与电机相连；

桨叶夹持结构穿过U形连杆的方形开口；

U形连杆顶端与十字夹板固定连接；U形连杆的上铜套与下铜套抵接；

桨叶固定结构上端的垂直转轴上连接有十字夹板；桨叶固定结构下端与上铜套与下铜套贯穿套接；桨叶固定结构的转轴与电机相连；下铜套的与舵机相连；

舵机连杆带动下铜套上下移动，下铜套通过上铜套带动U形连杆上下移动，实现十字夹板上下移动，十字夹板带动连杆拉动桨叶夹持结构改变桨叶的切角。

3.根据权利要求1所述的基于变距桨的六自由度全控制八旋翼飞行器，其特征在于：

两对升降螺旋桨的桨叶一正一反布置，可以通过电机的旋转方向及转速，产生相同或不同方向的扭矩，当产生相同方向扭矩时，飞行器可以在合扭矩的作用下改变其偏航角，当产生的扭矩方向相反时，合扭矩为零，飞行器不会改变偏航角；当同一杆上的两个电机转速不同时，飞行器会产生倾斜，改变俯仰和滚动角，通过两对升降螺旋桨的电机转速结合正反桨叶可以很好的控制飞行器的姿态。

4.根据权利要求1所述的基于变距桨的六自由度全控制八旋翼飞行器，其特征在于：

变距螺旋桨由舵机控制可以按要求改变桨距，不但可以改变螺旋桨产生的推力，同时还可以达到最高桨效，提高飞行器的性能和飞行时间；当飞行器在调整姿态的同时会产生水平方向的分力，从而会改变飞行器的位置，但是此时水平方向的电机配合变距桨可以产生一定的水平力抵消姿态调整时产生的水平分力；而当水平分力为零变距桨产生的水平力推动飞行器水平移动，当飞行器改变姿态产生水平分力，而变距桨产生的水平推力大于分力时，飞行器就可以保持此时的姿态做水平运动；进而达到姿态和位置的解耦控制。