CN109178299A - 一种垂直双层八旋翼飞行机器人 - Google Patents

一种垂直双层八旋翼飞行机器人 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种垂直双层八旋翼飞行机器人，包括控制模块、机体和动力部；动力部包括升力部和推力部；升力部包括四枚均匀分布于机体周围的升力旋翼；升力旋翼位于同一水平面内且与机体的距离相同；推力部包括四枚均匀分布于机体周围的推力旋翼；推力旋翼位于同一水平面内且与机体的距离相同；所述升力旋翼为水平向旋翼，相邻升力旋翼的转速相同但旋转方向相反；所述推力旋翼为垂直向旋翼，相邻推力旋翼的转速相同但旋转方向相反；本发明创新性的使用旋翼非平面布局的方式，既保持现有无人机在空中稳定工作的能力，又解决无人机做出复杂动作时的反应速度较慢的问题，同时尽量减少工作过程中的多余动作，使无人机的工作效率有最大的提升。

Description

一种垂直双层八旋翼飞行机器人
技术领域
本发明涉及无人机领域，尤其是一种垂直双层八旋翼飞行机器人。
背景技术
现阶段的无人机飞行器大多是采用多旋翼在同一平面的布局，无人机在空中工作时候，多旋翼无疑可以提高无人机的抗干扰性，但是在工作过程中有时会面临必要的翻转，急停，急弯等复杂的工况时，现有的平面无人机在这方面的反应较差。大多平面无人机在急停，翻转等复杂动作时候需要很长的反应时间，或者需要很大的作业半径，这样无疑会给飞行工作带来一些不可知的风险，情况严重时，可能会造成无人机不必要的损伤。
发明内容
本发明提出一种垂直双层八旋翼飞行机器人，创新性的使用旋翼非平面布局的方式，既保持现有无人机在空中稳定工作的能力，又解决无人机做出复杂动作时的反应速度较慢的问题，同时尽量减少工作过程中的多余动作，使无人机的工作效率有最大的提升。
本发明采用以下技术方案。
一种垂直双层八旋翼飞行机器人，所述飞行机器人包括控制模块、机体和动力部；所述动力部包括升力部和推力部；所述升力部包括四枚均匀分布于机体周围的升力旋翼；四枚升力旋翼位于同一水平面内且与机体的距离相同；所述推力部包括四枚均匀分布于机体周围的推力旋翼；四枚推力旋翼位于同一水平面内且与机体的距离相同；所述升力旋翼为水平向旋翼，相邻升力旋翼的转速相同但旋转方向相反；所述推力旋翼为垂直向旋翼，相邻推力旋翼的转速相同但旋转方向相反。
所述升力旋翼所在平面位于推力旋翼所在平面的上方。
所述升力旋翼和推力旋翼均包括悬臂、电机、桨叶；所述悬臂始端与机体相连；所述电机设于悬臂末端处的电机固定位处；所述电机与桨叶相连。
所述升力部和推力部的八根悬臂均为直臂；八根悬臂分布于四个垂直面内；每个垂直面内设有一根升力部的悬臂和一根推力部的悬臂；升力部的相邻悬臂间的夹角为九十度；推力部的相邻悬臂间的夹角为九十度；推力部的悬臂长度为升力部的悬臂长度的两倍。
所述控制模块包括电控模块；所述机体处设有控制模块、传感器模块和电池。
所述传感器模块包括对飞行机器人的姿态和加速度进行检测的传感器；
所述飞行机器人为升降运动通过调整升力旋翼升力大小来实现的飞行机器人；
所述飞行机器人为偏航运动通过对升力旋翼或推力旋翼的差速调节来实现的飞行机器人；
所述飞行机器人为偏航方向动力由调节推力旋翼动力而生成动力的飞行机器人。
所述飞行机器人的动力控制方法为非线性控制方法；
当飞行机器人为悬停姿态时，
设水平平面坐标由X和Y表示,Z为垂直位置，令ψ是围绕Z轴的偏航角,θ是围绕Y轴的俯仰角,而φ是围绕X轴的滚动角，和分别是新的偏航力矩、俯仰力矩和滚动力矩，
则有(公式1)为(公式1)中σgi(·)是饱和函数；
由此可得
所述动力控制方法为闭环系统；当以动力学方法对闭环系统稳定性进行验证时，其方法如下；
定义
控制输出为
定义正函数可得
则有
使用(公式3)可得，
定义 若然后所以
如果则
从公式(3)，(4)，(5)可知t＞T2，
令重新定义(公式2)，此处
结合(公式6)然后需要选择和kθ2
，矩阵(A-BKT)是正定的，所以(公式5)有效。
所述动力控制方法包括平移子系统，平移子系统的分析方法如下；
定义ψ是围绕Z轴的偏航角,θ是围绕Y轴的俯仰角,而φ是围绕X轴的滚动角，x,y,z,分别为维度上的位移函数；
则有ux＝f6-f8，uy＝f5-f7，uz＝u+f9+f10+f11+f12，u＝f1+f2+f3+f4，(f9,f10,f11,f12参看附图4)；
飞行器随着ψ，θ，φ→0而t→∞，但是当t(时间)变得足够大，ψ，θ，φ足够小时候，改变欧拉公式为：
为了确定飞行器位置，再次定义：
整理归纳可得，
可以表明和z→zd，x→xd，y→yd。
所述推力旋翼旋转时把空气向机体方向吹出；所述机体下部设有升降架；所述升力旋翼和推力旋翼均采用高升阻比翼形的桨叶。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出的一种新型垂直双层八旋翼飞行机器人与平面八转子飞行机器人相比，在保留八个旋翼的结构设计基础上，升力部四旋翼,也称为主旋翼,是用来稳定飞行器的飞行姿态,而推力部的四个的旋翼(侧面旋翼)是用来执行飞行器的横向运动；同时，本发明采用的对称安装旋翼的方式，旋翼之间相互配合，对机体的合扭矩为零，克服了气动干扰带来的不良影响，实现了飞行机器人姿态转动和平动运动的独立控制，在保留了无人机稳定性的基础上，显著的提升了系统的灵活性。
本发明提出的全新的旋翼布局方式，通过主旋翼和侧向旋翼之间的配合，辅助无人机完成升降、偏航、悬停等一系列动作。同时也为在复杂工况时，无人机需要灵活的改变飞行姿态的情况下，保证了飞行器具有良好的灵活性。
本发明结构紧凑，操作容易，具有优良的机动性和可控性，在军事和民用领域都有广阔的应用前景。
由于本发明采用了推力部的侧面旋翼提供飞行时的侧面动力，因此可以达到更好的抗风性，能在更为恶劣的气侯环境下工作。
由于本发明在飞行时以升力部和推力部同时供应动力，因此提供了更好的动力冗余性，即使有个别水平旋翼或垂直旋翼损坏，飞行机器人仍可凭借剩余的旋翼动力而具备飞行能力。
本发明中，由于推力部的悬臂长度为升力部的悬臂长度的两倍；这可使得升力旋翼与推力旋翼之间的气流不易相互干扰，也使得推力部在调整飞行姿态时能比升力部有更大的力矩，更有利于飞行姿态的灵活调节及稳定。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的正面示意图(已去除部分桨叶)；
附图2是本发明的侧面示意图(已去除部分桨叶)；
附图3是本发明的俯视向示意图；
附图4是本发明的多旋翼工作时的矢量示意图；
附图5是升力部与推力部的动力分析示意图；
附图6是对称旋翼的原理示意图；
附图7是相邻旋翼的原理示意图；
图中：1-升力旋翼；2-升力部的悬臂；3-升力旋翼的电机；4-机体；5-升降架；6-推力旋翼的电机；7-推力部的悬臂；8-推力旋翼；
100-桨叶；101-升力部；102-推力部。
具体实施方式
如图1-7所示，一种垂直双层八旋翼飞行机器人，所述飞行机器人包括控制模块、机体4和动力部；所述动力部包括升力部101和推力部102；所述升力部101包括四枚均匀分布于机体4周围的升力旋翼1；四枚升力旋翼1位于同一水平面内且与机体的距离相同；所述推力部102包括四枚均匀分布于机体4周围的推力旋翼8；四枚推力旋翼8位于同一水平面内且与机体4的距离相同；所述升力旋翼1为水平向旋翼，相邻升力旋翼1的转速相同但旋转方向相反；所述推力旋翼8为垂直向旋翼，相邻推力旋翼8的转速相同但旋转方向相反。
所述升力旋翼所在平面位于推力旋翼所在平面的上方。
所述升力旋翼和推力旋翼均包括悬臂(升力旋翼的悬臂为升力部的悬臂2、推力旋翼的悬臂为推力部的悬臂7)、电机(升力旋翼的电机3、推力旋翼的电机6)、桨叶100；所述悬臂2、7始端与机体相连；所述电机3、6设于悬臂末端处的电机固定位处；所述电机3、6与桨叶100相连。
所述升力部和推力部的八根悬臂均为直臂；八根悬臂分布于四个垂直面内；每个垂直面内设有一根升力部的悬臂2和一根推力部的悬臂7；升力部的相邻悬臂2间的夹角为九十度；推力部的相邻悬臂7间的夹角为九十度；推力部的悬臂7长度为升力部的悬臂2长度的两倍。
所述控制模块包括电控模块；所述机体处设有控制模块、传感器模块和电池。
所述传感器模块包括对飞行机器人的姿态和加速度进行检测的传感器；
所述飞行机器人为升降运动通过调整升力旋翼升力大小来实现的飞行机器人；
所述飞行机器人为偏航运动通过对升力旋翼或推力旋翼的差速调节来实现的飞行机器人；
所述飞行机器人为偏航方向动力由调节推力旋翼动力而生成动力的飞行机器人。
所述飞行机器人的动力控制方法为非线性控制方法；
当飞行机器人为悬停姿态时，
设水平平面坐标由X和Y表示,Z为垂直位置，令ψ是围绕Z轴的偏航角,θ是围绕Y轴的俯仰角,而φ是围绕X轴的滚动角，和分别是新的偏航力矩、俯仰力矩和滚动力矩，
则有(公式1)为(公式1)中σgi(·)是饱和函数；
由此可得
所述动力控制方法为闭环系统；当以动力学方法对闭环系统稳定性进行验证时，其方法如下；
定义
控制输出为
定义正函数可得
则有
使用(公式3)可得，
定义 若然后所以
如果则
从公式(3)，(4)，(5)可知t＞T2，
令重新定义(公式2)，此处
结合(公式6)然后需要选择和kθ2，矩阵(A-BKT)是正定的，所以(公式5)有效。
所述动力控制方法包括平移子系统，平移子系统的分析方法如下；
定义ψ是围绕Z轴的偏航角,θ是围绕Y轴的俯仰角,而φ是围绕X轴的滚动角，x,y,z,分别为维度上的位移函数；
则有ux＝f6-f8，uy＝f5-f7，uz＝u+f9+f10+f11+f12，u＝f1+f2+f3+f4，(f9,f10,f11,f12参看附图4)；
飞行器随着ψ，θ，φ→0而t→∞，但是当t(时间)变得足够大，ψ，θ，φ足够小时候，改变欧拉公式为：
为了确定飞行器位置，再次定义：
整理归纳可得，
可以表明和z→zd，x→xd，y→yd。
所述推力旋翼8旋转时把空气向机体4方向吹出；所述机体4下部设有升降架5；所述升力旋翼和推力旋翼均采用高升阻比翼形的桨叶100。
本例的图4中，一种新型垂直双层八旋翼飞行机器人的矢量方案，f1，f2，f3和f4表示为主旋翼旋转带动的气流所产生的飞行所需的推力。f9，f10，f11和f12表示为侧向旋翼带动气流转动所产生的推力。侧向转子用于控制飞行动作的推力表示为f5，f6，f7和f8。
参考图5，一种新型垂直双层八旋翼飞行机器人旋翼的主侧推力图示，fi，fj和fk，分别为主旋翼产生的飞行必须的推力，侧向旋翼产生的飞行所需的推力，侧向旋翼产生的控制转向的推力。

Claims (10)

1.一种垂直双层八旋翼飞行机器人，其特征在于：所述飞行机器人包括控制模块、机体和动力部；所述动力部包括升力部和推力部；所述升力部包括四枚均匀分布于机体周围的升力旋翼；四枚升力旋翼位于同一水平面内且与机体的距离相同；所述推力部包括四枚均匀分布于机体周围的推力旋翼；四枚推力旋翼位于同一水平面内且与机体的距离相同；所述升力旋翼为水平向旋翼，相邻升力旋翼的转速相同但旋转方向相反；所述推力旋翼为垂直向旋翼，相邻推力旋翼的转速相同但旋转方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种垂直双层八旋翼飞行机器人，其特征在于：所述升力旋翼所在平面位于推力旋翼所在平面的上方。
3.根据权利要求2所述的一种垂直双层八旋翼飞行机器人，其特征在于：所述升力旋翼和推力旋翼均包括悬臂、电机、桨叶；所述悬臂始端与机体相连；所述电机设于悬臂末端处的电机固定位处；所述电机与桨叶相连。
4.根据权利要求3所述的一种垂直双层八旋翼飞行机器人，其特征在于：所述升力部和推力部的八根悬臂均为直臂；八根悬臂分布于四个垂直面内；每个垂直面内设有一根升力部的悬臂和一根推力部的悬臂；升力部的相邻悬臂间的夹角为九十度；推力部的相邻悬臂间的夹角为九十度；推力部的悬臂长度为升力部的悬臂长度的两倍。
5.根据权利要求4所述的一种垂直双层八旋翼飞行机器人，其特征在于：所述控制模块包括电控模块；所述机体处设有控制模块、传感器模块和电池。
6.根据权利要求5所述的一种垂直双层八旋翼飞行机器人，其特征在于：所述传感器模块包括对飞行机器人的姿态和加速度进行检测的传感器；
所述飞行机器人为升降运动通过调整升力旋翼升力大小来实现的飞行机器人；
所述飞行机器人为偏航运动通过对升力旋翼或推力旋翼的差速调节来实现的飞行机器人；
所述飞行机器人为偏航方向动力由调节推力旋翼动力而生成动力的飞行机器人。
7.根据权利要求6所述的一种垂直双层八旋翼飞行机器人，其特征在于：所述飞行机器人的动力控制方法为非线性控制方法；
当飞行机器人为悬停姿态时，
设水平平面坐标由X和Y表示,Z为垂直位置，令ψ是围绕Z轴的偏航角,θ是围绕Y轴的俯仰角,而φ是围绕X轴的滚动角，和分别是新的偏航力矩、俯仰力矩和滚动力矩，
则有(公式1)为(公式1)中σgi(·)是饱和函数；
由此可得
8.根据权利要求7所述的一种垂直双层八旋翼飞行机器人，其特征在于：所述动力控制方法为闭环系统；当以动力学方法对闭环系统稳定性进行验证时，其方法如下；
定义
控制输出为
定义正函数可得
则有
使用(公式3)可得，
定义若然后所以
如果则
从公式(3)，(4)，(5)可知t＞T2，
令重新定义(公式2)，此处
结合(公式6)然后需要选择和矩阵(A-BKT)是正定的，所以(公式5)有效。
9.根据权利要求8所述的一种垂直双层八旋翼飞行机器人，其特征在于：所述动力控制方法包括平移子系统，平移子系统的分析方法如下；
定义ψ是围绕Z轴的偏航角,θ是围绕Y轴的俯仰角,而φ是围绕X轴的滚动角，x,y,z,分别为维度上的位移函数，
则有ux＝f6-f8，uy＝f5-f7，uz＝u+f9+f10+f11+f12，u＝f1+f2+f3+f4，(f9,f10,f11,f12参看附图4)；
飞行器随着ψ，θ，φ→0而t→∞，但是当t(时间)变得足够大，ψ，θ，φ足够小时候，改变欧拉公式为：为了确定飞行器位置，再次定义：
整理归纳可得，
可以表明和z→zd，x→xd，y→yd。
10.根据权利要求6所述的一种垂直双层八旋翼飞行机器人，其特征在于：所述推力旋翼旋转时把空气向机体方向吹出；所述机体下部设有升降架；所述升力旋翼和推力旋翼均采用高升阻比翼形的桨叶。
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