CN108945393B - 一种多轴飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多轴飞行器，其包括机身，机臂和动力装置，机臂的内侧安装在机身上，且与机身之间安装有力传感器，力传感器与飞控装置电连接。本发明具有在飞行过程中辅助调节飞行器平衡的优点，尤其保证在飞行器有足够的时间进行调节机身的运算并调节机身，提高飞行器的安全性能。

Description

一种多轴飞行器

技术领域

本发明涉及飞行器领域，特别是涉及一种多轴飞行器。

背景技术

多轴飞行器的起飞受场地限制小，还可以在空中悬停，实现定位航拍，因此获得越来越多的应用。为了增加多轴飞行器的飞行过程这种的稳定性，许多飞行器开始采用安装电子陀螺仪，增强多轴飞行器的飞行稳定性。

在现有技术中，采用电子陀螺仪的控制系统即飞控装置需要通过电子陀螺仪采集飞行姿态数据并进行复杂的运算以获取控制信号，然后根据控制信号调整电机转速而调整飞行姿态，其中飞行姿态数据采集和运算需要占据相对较长的时间，在恶劣环境中，例如突遇强气流，过长的运算时间会使控制系统无法及时地调整机身，从而导致飞行器侧翻，甚至坠机，造成损失。

现有的技术中的电子陀螺仪一般都安装在机身内，且位于飞行器的几何中心，当飞行器的机身发生倾斜时，电子陀螺仪检测到的表示机身姿态倾斜的数据信号发送至控制系统，控制系统通过运算得出机身倾斜幅度并产生相应的控制信号，由此可见，当控制系统接收到机身姿态信号时，机身已经发生倾斜，这样的控制属于后发控制，需要消耗较多的能力反复调整机身姿态。而且控制器一般采用降低电机转速达到调整机身姿态的，使驱动电机需要不断地调整电机转速，增加了电机的疲劳损坏，猛烈大风袭击下，搭载电子陀螺仪的传统飞控装置往往由于响应速度较慢而导致飞行器侧翻。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种姿态响应速度高，稳定性强的多轴飞行器。

为实现上述目的，本发明提供的多轴飞行器包括机身，多个动力装置和多个与动力装置对应的机臂。每个动力装置安装在对应的机臂的外侧，机臂的内侧安装在机身上，机臂的内侧与机身之间安装有力传感器，力传感器与飞控装置电连接。

由以上方案可见，当飞行器受到大风袭击时，位于来风方向的动力装置下侧率先形成高压，从而使得位于来风方向的机臂率先被气流抬起，位于来风方向的机臂的内侧与机身之间的力传感器率先检测到机臂运动，并将力的信号发送至飞控装置，飞控装置根据控制信号减弱位于来风方向的动力装置的拉力，从而使得在机身发生大幅度倾斜前实现姿态的辅助调整，为电子陀螺仪反馈控制过程争取响应时间，有效实现节能和降低飞行器侧翻风险。

较具体的方案为，机臂为弹性机臂，机臂具有朝向机身内延伸的检测杆，力传感器位于检测杆和机身之间。此方案结构简单，弹性机臂可以实现机臂对微小气流波动的自适应，延缓并衰减气流波动对机身稳定性的影响。

较具体的方案为，机臂通过铰链装置安装在机身上，机臂位于铰链装置内侧的部分较对应的机臂位于铰链装置外侧的部分短，使机臂形成省力杠杆结构。由此方案可见，在大风袭击到来之前，省力的杠杆结构的机臂会使得力传感器更灵敏地地检测到机臂的运动而捕捉到大风来袭前的微小气压变化，使控制装置实现减弱位于来风方向的动力装置的拉力辅助调整机身姿态的同时，能够通过机身、机臂和动力装置自身的的重量，在重力作用下达到辅助调整的目的，有效的实现节能。

更具体的方案为，机臂通过轴套与铰链装置连接，有效提高机臂安装结构强度。

更具体的方案为，轴套具有水平限位部，该限位部使机臂位于对应铰链装置外侧的部分向下摆动的极限位置为水平位置，机臂位于对应铰链装置内侧的部分的下侧压在对应的力传感器上。这样可有效定位机臂，飞行时，使力传感器始终保持与压力，可有效检测机臂转动，且结构简单，易于加工成型。

进一步的方案为，力传感器包括第一力传感器和第二力传感器，即机臂位于对应的铰链装置的内侧部分的下侧与机身之间设置有对应的第一力传感器，机臂位于对应的铰链装置的内侧部分的上侧与机身之间设置有对应的第二力传感器。

由此方案可见，飞行器既可以检测机臂由于位于来风方向的动力装置下方形成高压而先被气流向上抬起的运动，机臂内侧部分与下侧的第一力传感器产生力的影响；也可以检测机臂由于位于来风方向的动力装置上方形成高压而先被气流向下压低的运动，机臂内侧部分与上侧的第二力传感器产生力的影响。由此扩大了飞行器针对气流对机臂影响而是机臂产生杠杆运动的检测范围，增强飞行器对气流的适应性和检测的准确定。

进一步的方案为，安装减缓装置于力传感器和机臂之间，既不降低机臂与感应装置的接触敏感性，还可以保护感应装置不受作用力损坏，增强飞行器的适应性。

另一具体方案为，机臂位于对应的铰链装置内侧的部分固定在对应的力传感器的第一端，对应的力传感器的第二端固定在所述机身上。对应的力传感器的力电信号转换部位于其的第一端和第二端之间。

由此方案可见，当飞行器受到风袭击时，位于来风方向的动力装置下侧率先形成高压，从而使得位于来风方向的机臂率先被气流抬起，位于机臂内侧与机身之间的力传感器的第一端和第二端之间的部位发生向下的形变，产生相应的第一力电信号；当飞行器受到风袭击时，位于来风方向的动力装置上侧率先形成高压，从而使得位于来风方向的机臂率先被气流压低，位于机臂内侧与机身之间的力传感器的第一端和第二端之间的部位发生向上的形变，产生相应的第二力电信号，飞控装置接收电力信号并计算，发出指令改变动力装置的拉力。这样可以有效消除机臂和传感器之间的间隙，减少误检，同时提高机臂安装的牢固性和可靠性。

进一步的方案为，多轴飞行器为四轴飞行器，臂沿机身的宽度方向设置，并呈H型分布。扩大装载装置的可布局的空间，同时能实现飞行器更换不同功能装置适应各种飞行工作任务。

另一进一步的方案为，多个动力装置和多个与动力装置对应的机臂沿机身的周向均匀分布，这样布局可以使机臂朝向来风方向，使机臂更容易被气流抬起，机臂运动检测更加灵敏。

进一步的方案为，动力电机与电子调速器电连接，电子调速器分别与飞控装置和所述电源电连接。电子调速器根据控制信号调节电动机的转速。电子调速接收到飞控装置的减速信号，控制动力装置的电机降低转速，进而使旋翼转速降低达到拉力的削弱，进行机身平衡调整。有利于保证信号传输精度，稳定调节电压。

进一步的方案为，桨为变距桨，动力装置中还电连接有变距伺服电机，并且与飞控装置电连接。由此可见，当遭遇大风袭击，控制系统将从力传感器的反馈信号进行运算并输送到动力装置，通过变距伺服电机改变变距桨变距角的大小，进行动力装置的输出功率调节，达到减低旋翼拉力的作用，调整机身平衡；同时也减少飞行器上电机起、停及改变转速的次数，使电机的输出处于平稳状态，减少动力装置可动部件的运动疲劳损坏。

附图说明

图1第一实施例的结构示意图；

图2第一实施例的前视图机构示意图；

图3是图1的A处局部放大图；

图4是第一实施例增加缓冲保护装后的示意图；

图5是图1的B处局部放大图；

图6是第二实施例的结构示意图；

图7是第三实施例的结构示意图；

图8是第四实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例并对照附图对本发明进行说明。

第一实施例

如图1、图2所示,多轴飞行器10主要包括机身1、动力装置2、机臂3。其中机身1包括机架11和机壳12。动力装置2包括驱动电机22和安装在驱动轴上的旋翼21。动力装置2固定在机臂3的一端，为机臂3外侧；机臂3的内侧安装在机身1上，机臂3的内侧与机身之间安装有传感器。当多轴飞行器10受到大风袭击时，例如，大风沿方向9袭向飞行器10时，位于来风方向的动力装置2下侧先形成高压，而使得位于来风方向的机臂31率先被气流抬起，位于来风方向的机臂31的内侧与机身1之间的力传感器5率先检测到机臂31运动，并将力的信号发送至飞控装置，飞控装置根据控制信号减弱位于来风方向的动力装置2的拉力，即降低驱动电机22的转速使得旋翼21 转速降低，从而减弱动力装置2的拉力，进而使得在机身1发生倾斜前实现姿态的辅助调整，为电子陀螺仪反馈控制过程争取响应时间，有效实现节能和降低飞行器10侧翻风险。

如图3所示，铰链装置包括铰链机架41，套筒42和呈板状结构的水平限位部43。铰链装置4安装在机架11上，机臂3通过铰链装置4固定在机身1上，使得机臂3外侧长于内侧，并且形成杠杆结构。当大风来袭，风力会由小变大，省力的杠杆结构的机臂3在风作用力下的上下运动会变得更灵敏，使得力传感器5更敏捷地检测到机臂3的运动，使控制装置实现减弱位于来风方向的动力装置的拉力辅助调整机身姿态的同时，能够通过机臂3和动力装置2自身的的重量，在重力作用下达到辅助调整的目的，有效的实现节能。机臂3通过轴套42与铰链机架41连接，轴套42包括水平限位部43，当遭遇风袭击，臂3绕铰链装置转动时，套筒42保护机臂3转动，提高机臂3与机身1之间的连接强度，同时水平限位部43保证机臂3外侧向下摆动的极限位置为水平位置。

如图4所示，在力传感器5和机臂3之间设置减缓装置硅胶块6，既不降低机臂与力传感器接触时力传递的敏感性，还可以保护力传感器不易受损。

如图5所示，动力装置2还包括丝杆电机23，丝杆24，调节板25和调节板连杆26。丝杆电机23固定在动力装置的底部，与丝杆24一端连接，丝杆24远离丝杆电机23的一端与调节板25连接，并带动调节板25以轴为圆心做顺时针旋转；调节连杆26分别与调节板25和旋翼21铰接，调节板25被带动旋转的同时，通过调节连杆26使旋翼21发生偏转，改变桨距角，从而调节变距桨。

飞控装置接收到力传感器6对于机臂3的偏移的检测信号，根据不同情况进行计算，可得出飞控装置对动力装置2的拉力控制两种方案。一、飞控装置只控制改变桨距角，调节变距桨，降低动力装置2的拉力；二、飞控装置不仅控制动力装置2降低驱动电机22转速，同时改变桨距角调节变距桨，共同作用降低动力装置2的拉力，适合应用在风较大的时候动力装置2的拉力降低后，利用动力装置2和机臂3的重力进行机身的平衡调节，为机身上电子陀螺仪的复杂运算保证充足的运算时间。以此减少驱动电机改变转速的次数，有利于降低驱动电机的疲劳损坏。

第二实施例

如图6所示，本实施例与第一实施例的区别在于力传感器的布置。飞行器20设置有力传感器205，其包括第一力传感器2051和第二力传感器2052，即机臂位203于对应的铰链装置204的内侧部分的下侧与机身之间设置有对应的第一力传感器2051，机臂203位于对应的铰链装置204的内侧部分的上侧与机身201之间设置有对应的第二力传感器2052。由此方案可见，飞行器20既可以通过第一力传感器2051检测机臂203位于铰链装置外侧部分由于位于来风方向的动力装置202下方形成高压而先被气流向上抬起的运动，也可以通过第二力传感器2052检测机臂203位于铰链装置外侧部分由于位于来风方向的动力装置202上方形成高压而先被气流向下压低的运动。

由此扩大了飞行器20针对气流对机臂203影响而是机臂203产生杠杆运动的检测范围，增强飞行器20对气流的适应性,与此同时铰链装置204不需要设置水平限位部，使结构及加工更简单。

第三实施例

如图7所示，本实施例与第一实施例的区别在于力传感器的布置。飞行器30设置有传感器305，机臂303位于对应的铰链装置304内侧的部分固定在对应的力传感器305的第一端，对应的力传感器305的第二端固定在机身301上。对应的力传感器305的力电信号转换部位于所述第一端和所述第二端之间。

当飞行器300受到风袭击时，位于来风方向的动力装置302下侧率先形成高压，从而使得位于来风方向的机臂303率先被气流抬起，位于机臂303内侧与机身301之间的力传感器305的第一端和第二端之间的部位发生向下的形变，产生第一力电信号；当飞行器30受到风袭击时，位于来风方向的动力装置302上侧率先形成高压，从而使得位于来风方向的机臂303率先被气流压低，位于机臂303内侧与机身之间的力传感器305的第一端和第二端之间的部位发生向上的形变，产生第二力电信号。所产生的电信号发送到飞控装置（未显示），飞控装置根据力传感器反馈的电信号调节动力装置302的拉力，实现对机身301提前的辅助调整。有效实现节能和降低飞行器30侧翻风险，且检测的灵敏度更高,使检测信号更准确。

第四实施例

如图8所示，本实施例与第一实施例的区别在于机臂材料结构。动力装置402通过机臂403与机身401连接，机臂403为弹性机臂，且机臂403具有朝向机身内延伸的检测杆404，力传感器405位于检测杆404和机身401之间。当机臂403因气流而使的机臂403上的检测杆404发生轻微形变时，力传感器405将形变量转为电信号，输送给飞控装置（未显示），由此来调节动力装置402的拉力，优先起辅助调节机身401的功效。此方案结构简单，弹性机臂403可以实现机臂对微小气流波动的自适应，延缓并衰减气流波动对机身稳定性的影响。优选的，弹性机臂变形后，旋翼可以上下浮动5mm，减小因风力给机身带来的不平衡，有效减弱因机身外部气流给飞机造成的不稳定的影响，为电子舵螺仪挣取足够的反应时间。防止风速过快时直接造成飞机翻滚。

优选的，当来风方向旋翼减速或减少桨距时，其它旋翼也做相应的转速或桨距调整，以实现整机的合力平衡，从而高精度的保证机身平稳。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.多轴飞行器，包括内部安装有飞控装置及电源的机身，多个动力装置和多个与所述动力装置对应的机臂，每个所述动力装置安装在所述对应的机臂的外侧，所述对应的机臂的内侧安装在所述机身上，所述飞控装置具有检测机身姿态的电子陀螺仪，其特征在于：

所述对应的机臂通过轴套与铰链装置连接，所述对应机的臂通过铰链装置安装在所述机身上，所述对应的机臂绕铰链装置转动；

所述轴套具有水平限位部，所述限位部使机臂位于对应铰链装置外侧的部分绕所述铰链装置向下摆动的极限位置为水平位置；

所述机臂位于对应的所述铰链装置的内侧部分的下侧与所述机身之间设置有用于检测机臂相对机身运动的力传感器；所述力传感器与所述飞控装置电连接。

2.根据权利要求1所述多轴飞行器，其特征在于：

所述对应的机臂位于所述铰链装置内侧的部分较所述对应的机臂位于所述铰链装置外侧的部分短。

3.根据权利要求1所述多轴飞行器，其特征在于：

所述机臂位于对应的所述铰链装置的内侧部分的下侧压在对应的所述力传感器上。

4.根据权利要求3所述多轴飞行器，其特征在于：

所述力传感器包括第一力传感器和第二力传感器；

所述机臂位于对应的所述铰链装置的内侧部分的下侧与所述机身之间设置有对应的所述第一力传感器，所述机臂位于对应的所述铰链装置的内侧部分的上侧与所述机身之间设置有对应的所述第二力传感器。

5.根据权利要求4所述多轴飞行器，其特征在于：

所述力传感器与所述对应的机臂之间设置有缓冲保护装置。

6.根据权利要求2所述多轴飞行器，其特征在于：

所述机臂位于对应的铰链装置内侧的部分固定在对应的所述力传感器的第一端，对应的所述力传感器的第二端固定在所述机身上；

所述对应的力传感器的力电信号转换部位于所述第一端和所述第二端之间。

7.根据权利要求1至6任一所述多轴飞行器，其特征在于：

所述的多轴飞行器为四轴飞行器，所述对应的机臂沿机身的宽度方向设置并呈H型分布。

8.根据权利要求1至6任一所述多轴飞行器，其特征在于：

多个所述动力装置和多个与所述动力装置对应的机臂沿所述机身的周向均匀分布。

9.根据权利要求1至6任一所述多轴飞行器，其特征在于：

每个所述的动力装置包括电子调速器、动力电机和由所述动力电机驱动的桨，所述动力电机与所述电子调速器电连接，所述电子调速器分别与所述飞控装置和所述电源电连接。

10.根据权利要求9所述多轴飞行器，其特征在于：

所述桨为变距桨，所述动力装置还包括变距伺服电机，所述变距伺服电机与所述电子调速器或所述飞控装置电连接。

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