CN109356964A - 一种用于多旋翼无人机的电涡流阻尼装置 - Google Patents

一种用于多旋翼无人机的电涡流阻尼装置 Download PDF

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    • F16F15/02—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems
    • F16F15/03—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using magnetic or electromagnetic means
    • F16F15/035—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using magnetic or electromagnetic means by use of eddy or induced-current damping

Abstract

本发明公开了一种用于多旋翼无人机的电涡流阻尼装置，包括推杆、水平杆、螺旋转轴、套管、永磁铁、扇叶及若干弹簧等；推杆顶部承接无人机电机，螺旋桨转动引起的电机振动使推杆发生向下运动，进而推动水平杆轴向运动；推杆向下运动时，固定于装置底部的螺旋转轴沿套管内螺纹转动，带动水平扇叶旋转从而水平向切割永磁铁产生的磁感线；同时，与水平杆连接的螺旋转轴沿水平套管内螺纹转动，带动竖向扇叶旋转，从而竖向切割磁感线，振动能量通过扇叶的电阻热效应耗散。本装置安装方便，可多方向切割磁感线，大幅度提升耗能能力，可有效提高无人机的相机成像质量以及测量精度。

Description

一种用于多旋翼无人机的电涡流阻尼装置
技术领域
本发明涉及无人驾驶飞机振动控制与力学领域，具体涉及一种用于有效提高无人机相机成像质量以及测量精度的电涡流减振装置。
背景技术
无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。与载人飞机相比，无人机具有体积小、造价低、使用方便、对工况环境要求低、使用寿命较强等优点。多旋翼无人机是无人机的一种，根据其飞行特点而得名，基于其能够垂直起降、自由悬停、控制灵活和适应环境能力强等优点得到了广泛研究与应用。多旋翼无人机由其螺旋桨转动而产生动力，较高转速的螺旋桨电机产生的振动会使得到的影像出现抖动、扭曲、倾斜和拖影等现象。此外，由于外加相机的属性和功能存在差异，也会产生“果冻现象”。
多旋翼无人机一般在户外作业，因此固结于飞控托架上的飞控平台常处于恶劣的环境中，导致机身经常受到多方向性、随机宽频的外部干扰，比如螺旋桨的振动，易受气流影响的颠簸甚至某些冲击。飞控和惯性测量单元都属于敏感元件，持续性的振动会影响惯性测量单元数据采集，并返回给飞控不准确的信号使机身摇晃、跳跃，如果冲击过大，可能会使传感器失效，甚至导致炸机。现阶段，多旋翼无人机的振动研究难点主要集中在以下三个方面：
(1)振动来源复杂：电机是多旋翼无人机的最主要驱动源，此外，每个电机和螺旋桨都有细微的差别，因此多旋翼无人机在工作时，每个电机的转速也会有所差别。同时无人机自身的姿态调整、外界风的影响、地面效应等也会对无人机产生干扰。以上多种因素构成了多旋翼无人机的复杂振源。
(2)振动耦合效应强：多旋翼无人机上不同电机的振动会相互叠加，相邻两臂电机之间的距离较小，极易产生翼间干扰。其次，外界风扰情况具有不确定性，使得无人机振动成分更加难以确定。
(3)飞行器结构不同导致振动特性不同：不同的多旋翼无人机结构差异较大，使用的材料、电机、载荷也各不相同，因此，基本上不存在对所有结构都适用的振动理论。
针对无人机的振动问题，目前国内外通常选用的减震器种类有钢丝绳减振器、金属弹簧减振器、无谐振峰减振器、金属橡胶减振器和橡胶减振器。当非磁性导体处于时变的磁场中或者在磁场中切割磁力线运动时，导致磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律，导体内将产生感应电动势，从而形成类似漩涡的电流，即电涡流。相比于其他类型的减振装置，基于电涡流原理的减振器具有无摩擦、无漏油、不会出现橡胶老化等优点，但目前仍没有针对无人机水平多维度和竖直单维度减振的电涡流阻尼装置，因此如何有效利用电涡流原理减少多旋翼无人机振动问题具有较高的研究和应用价值。
发明内容
发明目的：为提高无人机的相机成像质量以及测量精度，本发明提供一种用于多旋翼无人机的电涡流阻尼装置，通过多维度切割磁感线，将产生的振动转化为热能，进而有效减小无人机螺旋桨引起的振动干扰。
技术方案：一种用于多旋翼无人机的电涡流阻尼装置，包括推杆、箱体、边永磁铁、侧支座、滚珠、水平杆、螺旋转轴、中套管、水平扇叶、水平弹簧、内壁、侧螺旋轴、底支座、竖直弹簧、竖直扇叶、中永磁铁、边套管；
所述箱体顶部中间设有缺口，推杆底部截面为倒梯形，推杆竖直穿过缺口并与箱体通过竖直弹簧连接，推杆端部内设中套管与水平扇叶连接，螺旋转轴与底支座连接并固定于箱体底部；水平杆与推杆相垂直且与推杆底部相接触，水平杆穿过内壁且通过水平弹簧相连接，水平杆端部安装侧螺旋轴；侧支座一端固定于箱体内侧，另一端与竖直扇叶连接，侧支座内设置边套管，所述水平扇叶和竖向扇叶均为非磁性导体材料；中永磁铁固定于箱体底部，边永磁铁固定于箱体顶部和底部。
推杆顶部承接无人机电机，螺旋桨转动引起的电机振动使推杆发生向下运动，进而推动水平杆轴向运动。推杆与水平杆发生运动时，带动水平和竖直方向的扇叶旋转，从而在两个方向同时切割永磁铁产生的磁感线，产生电涡流效应，使振动的能量通过铜制扇叶的电阻热效应耗散。
有益效果：该电涡流阻尼装置安装简便灵活，可多方向切割磁感线，大幅度提升耗能能力，有效提高无人机的相机成像质量以及测量精度。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明装置的主轴剖面图；
图3为本发明装置的侧转子剖面图；
图4为螺旋桨连接杆与受推杆的受力关系图；
图5为本发明装置的俯视剖面图；
图6为本发明装置的俯视图；
图7为本发明装置的滚珠连接剖面图。
具体实施方式
如图1-3所示，一种用于多旋翼无人机的电涡流阻尼装置，包括推杆1、箱体2、边永磁铁3、侧支座4、滚珠5、水平杆6、螺旋转轴7、中套管8、水平扇叶9、水平弹簧10、内壁11、侧螺旋轴12、底支座13、竖直弹簧14、竖直扇叶15、中永磁铁16、边套管17；
所述箱体2顶部中间设有缺口，推杆1竖直穿过缺口并与箱体2通过竖直弹簧14连接，推杆1端部内设中套管8与水平扇叶9连接，螺旋转轴7与底支座13连接并固定于箱体2底部；水平杆6与推杆1相垂直且与推杆1底部相接触，推杆1和水平杆6的接触面优选为相互平行，接触面涂有润滑剂。水平杆6穿过内壁11且通过水平弹簧10相连接，在水平杆6穿过内壁11的位置进一步设置滚珠，方便水平杆运动，水平杆6端部安装侧螺旋轴12；侧支座13一端固定于箱体2内侧，另一端与竖直扇叶15连接，侧支座4内设置边套管17，所述水平扇叶6和竖向扇叶14均为非磁性导体材料；中永磁铁16固定于箱体2底部，边永磁铁3固定于箱体2顶部和底部。
推杆1顶部承接无人机电机，螺旋桨转动引起的电机振动使推杆1发生向下运动，进而推动水平杆6轴向运动。推杆1向下运动时，固定于箱体2底部的螺旋转轴沿中套管8内螺纹转动，带动水平扇叶9旋转从而水平向切割中永磁铁16产生的磁感线。同时，与水平杆6连接的侧螺旋轴12沿边套管17内螺纹转动，带动竖直扇叶15旋转，从而竖向切割磁感线。螺旋桨产生扰动时，会使得承接轴带动推杆1向下运动，从而使铜制扇叶转动并切割永磁铁产生的磁感线，形成电涡流。当导体以速度为v在均匀磁场B中运动，流过导体的电流密度为：
J＝σ(v×B) (1)
其中，σ——导体的导电率；B——磁感应强度；J——电涡流密度。
导体电流在磁场中受到的电磁力为：
从式(1)和(2)中可知，阻尼力与磁场和导体切割磁感线的体积有关。
由于导体速度方向与磁感应强度垂直，则F的大小为：
F＝-σδB2vdΓ (3)
其中，δ——导体的厚度。
式(3)中，负号表示电磁力与切割磁感线速度方向相反，根据楞次定律，电涡流产生与原磁场方向相反的磁场。铜板切割磁感线时，将会形成阻止两者相对运动的阻尼力，导致能量通过铜板的电阻热效应消耗，最终减小螺旋桨振动对无人机测量或相机成像质量的影响。
若承接轴受竖直方向扰动，作用力为F，初始速度为v0，作用时长为t，每秒旋转圈出为n，竖直方向转轴为一个，水平方向转轴为m个，旋转半径均为r。
竖直方向转轴导体的电流密度为：
同时水平方向转轴导体的电流密度为：
螺旋桨连接杆与受推杆的受力关系如图4所示，对O点进行受力分析：
F1x＝F1 sinθ (6)
由水平方向合力平衡可知：
F1x＝F1x' (8)
由竖向合力平衡可知：
F1y＝F2y'+F2y (9)
其中，F1x——推杆斜截面水平向分力，F1y——推杆斜截面竖向分力，F1x’——推杆轴向力，F2y’——内壁上部竖向力，F2y——内壁下部竖向力。
如图5-6所示，中永磁铁3与边永磁铁16相对排列并按同心圆形状布置，且相邻磁级相反，边永磁铁16上下磁铁为N、S级相对，此时水平扇叶9与竖直扇叶15上产生的磁感应最大，使更多的能量通过导体的电阻热效应消耗。
如图7所示，为了转子能够平滑转动而不脱落，特别使用滚珠相互咬合的办法进行连接。

Claims (5)

1.一种用于多旋翼无人机的电涡流阻尼装置，其特征在于：包括推杆(1)、箱体(2)、边永磁铁(3)、侧支座(4)、滚珠(5)、水平杆(6)、螺旋转轴(7)、中套管(8)、水平扇叶(9)、水平弹簧(10)、内壁(11)、侧螺旋轴(12)、底支座(13)、竖直弹簧(14)、竖直扇叶(15)、中永磁铁(16)、边套管(17)；
所述箱体(2)顶部中间设有缺口，推杆(1)底部截面为倒梯形，推杆(1)竖直穿过缺口并与箱体(2)通过竖直弹簧(14)连接，推杆(1)端部内设中套管(8)与水平扇叶(9)连接，螺旋转轴(7)与底支座(13)连接并固定于箱体(2)底部；水平杆(6)与推杆(1)相垂直且与推杆(1)底部相接触，水平杆(6)穿过内壁(11)且通过水平弹簧(10)相连接，水平杆(6)端部安装侧螺旋轴(12)；侧支座(13)一端固定于箱体(2)内侧，另一端与竖直扇叶(15)连接，侧支座(4)内设置边套管(17)，所述水平扇叶(6)和竖向扇叶(14)均为非磁性导体材料；中永磁铁(16)固定于箱体(2)底部，边永磁铁(3)固定于箱体(2)顶部和底部。
2.根据权利要求1所述的用于多旋翼无人机的电涡流阻尼装置，其特征在于：中永磁铁(3)与边永磁铁(16)采用钕铁硼材料，上下、相邻磁极均N、S级相对排列，并按同心圆方式指向圆心排布。
3.根据权利要求1所述的用于多旋翼无人机的电涡流阻尼装置，其特征在于：推杆(1)和水平杆(6)的接触面相互平行，接触面涂有润滑剂。
4.根据权利要求1所述的用于多旋翼无人机的电涡流阻尼装置，其特征在于：侧支座(4)内部的转动机构由滚珠(5)组成。
5.根据权利要求1所述的用于多旋翼无人机的电涡流阻尼装置，其特征在于：在水平杆(6)穿过内壁(11)的位置设置滚珠。
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