CN109515714A - 一种基于六压杆整体张拉结构的多旋翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于六压杆整体张拉结构的无人机，该无人机机身是由一组不连续的受压构件和一组连续的受拉构件相互连接所组成的空间稳定结构，具有独特的可折展特性、较轻的质量和优美的结构外形。该类型多旋翼无人机的机身和机臂可构成一个整体张拉机构，共同构成一个结构可折叠的无人机。在基于整体张拉结构的无人机中，压杆件的末端安装旋翼，无人机的控制系统安装在机身的中心位置。在该无人机中，有四个可以收缩的收缩构件，它能够改变旋翼驱动的位置，并产生俯仰、偏航和扭转等复合运动。该无人机可通过弹性拉索实现连续自身形变，而不同变形对应着多种类型的位姿，以适应不同的工作环境(如起飞或降落等)，具有极大的工程应用价值。

Description

一种基于六压杆整体张拉结构的多旋翼无人机

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种基于六压杆整体张拉结构的无人机。

背景技术

无人机是指利用无线遥控设备和自身的控制装置进行控制的不载人飞行器，该设备融合了机械电子、计算机通信和导航控制等技术，能够在复杂环境中进行运动轨迹的实时控制。目前，无人机已被广泛应用于航拍摄影、电力巡检、环境监测、森林防火、灾情巡查、防恐救生和军事侦察等领域，能够有效克服有人驾驶飞机进行空中作业的不足，降低购买与维护成本。但在运行过程中，无人机存在着作业时间短、机身重量大、无法折叠(携带不便)以及在复杂环境下起降困难的问题。

目前，多旋翼无人机的机体结构都是刚性杆件，一般由碳纤维材料制成。当该类型无人机降落在岩石、山脉等复杂环境中时，其刚性结构对环境适应性较差。为了解决该问题，申请人提出了一种基于六压杆整体张拉结构的无人机，该类型无人机具有一定的连续变形能力，它可以大幅度改变机体形状，对起降环境的适应能力好。六压杆张拉整体结构在没有预应力存在的情况下是机构，但在特定的几何形状下，由于自应力状态的存在，使结构获得刚度，成为可承受载荷的结构，这是它与传统机构的本质区别。这也使得张拉整体结构的内力和形态高度相关，表现出很强的形态可调性。基于该设计思想，将张拉整体结构的概念引入到无人机结构的研究领域。

1948年，美国学者Fuller将‘Tension’和‘Integrity’这两个词缩减合成为一个新的名词‘Tensegrity’，首次提出了“张拉整体”这一概念。直到上世纪 80年代初期，这种独特的结构体系才引起了科研工作者的关注。作为一种新型空间结构，张拉整体结构是由少量刚性压杆和大量柔性拉索构成的，是一种效率极高的张力集成体系，可充分发挥拉索的强度与张拉整体的空间作用。将张拉整体结构引入到无人机的结构设计中，受拉构件无承压刚度，受压构件离散布置，每个节点有且只有一根压杆与之相连。由于杆件之间并不直接接触，提高了整个结构的抗压抗震性。

对于基于张拉整体结构的无人机，可通过改变拉索的长度，使无人机产生多重形变或所需的运动，可以适应各类飞行需求。由于拉力单元的广泛存在，该类型无人机整体表现为弹性系统，可通过设计结构参数来改变结构的形状、预应力和刚度等特性。同时，拉力单元的冗余也使得张拉整体结构的无人机可以选择多种方式来实现结构的变形，对于降落环境的适应性更好。总体上，该类型无人机具有柔性刚度、质量轻和阻尼小等特点。

在运动控制方面，传统无人机利用控制算法使其按照特定方式运动或保持在某一位置，故很大一部分能量用于维持结构稳定。而张拉整体结构可通过调整内部预应力来实现整体结构的变形，并维持整体结构处于自平衡状态。这种独特的性能使得张拉整体结构具有更好的控制性能，即需要较小的能量来维持结构的稳定。对于基于张拉整体结构的无人机，当其受到外力扰动后，依靠结构自身预应力来维持本身稳定性，这与张拉整体结构的自平衡原理相类似。

因此，将传统无人机进行创造性改机，使之应用张拉整体结构，是有重大意义的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于六压杆整体张拉结构的多旋翼无人机，以克服现有技术的不足。

本发明具体采用以下技术方案予以实现：

基于六压杆张拉整体结构的无人机，主要有六压杆张拉整体结构机身、支撑端面、可折叠动力支撑杆、螺旋桨和导航控制系统等组成，如附图1所示。在机身上方安装支撑板，其中导航控制系统安装在支撑端面上。其动力系统主要由动力支撑杆和螺旋桨组成，动力支撑杆固定位于支撑端面上，而螺旋桨安装在动力支撑杆的末端。

在本发明中，多旋翼无人机的机身是六压杆张拉整体结构。该结构是由一系列不连续的受压单元和一系列连续的受拉单元相互作用而成，如附图2所示。机身中受压单元称为压杆，受拉单元称为拉索，单元与单元的相互作用点称为节点。压杆之间互不接触，拉索形成了连续的张力网络，构成了结构稳定的空间外形。六压杆张拉整体结构由8个节点、4根压杆和12根拉索组成，其中拉索又分为上下两底面水平索(各4根)和4根呈对称布置的斜索。如附图2所示，粗实线表示4根压杆，上下两面细实线表示上下两底面水平索，斜着的4根细实线表示 4根斜索；上下两底面水平索均由4根拉索构成，每一面上通过同一节点相连接的两根拉索均呈角布置，由拉索连接而成的上下两底面水平索绕结构整体中心轴线呈角度布置。其状态包括初始状态和变形状态，在初始状态，该张拉整体结构中所有的杆构件和斜索的长度都分别相等，同一水平面上的水平索长度也相同，结构中所有构件的端部都连接于节点上，而所有节点都均匀分布于位于上下端面的圆周上。每个节点上都连有1根压杆和3根拉索，12根拉索相互连接形成一个立体空间索网结构，4根受压杆构件则从内部撑起索网形成一稳定结构。

在六压杆张拉整体结构中，当对称结构的杆长保持不变，绳长逐渐减小时可得到的一系列平衡位置。由于张拉整体结构的对称性，每一个平衡位置可以由杆的两个旋转角和上下级之间的高度差三个参数来描述，这一系列参数在笛卡尔坐标系中为一曲面，即平衡曲面。对于该类型无人机，可变结构体的机身主要依赖于变形能力，而张拉整体的结构参数如压杆的杨氏模量、拉索的弹性系数、预张紧力等，都会对结构的变形能力产生影响。如附图3所示，无人机的整体张拉结构可通过找形方法来调整，可通过绳索驱动结构能够容易地改变机身结构，最终通过复合控制策略实现无人机变结构节能机理。

本发明还具有以下特征：

基于六压杆张拉整体结构的无人机可通过驱动弹性绳索，利用自身形变可产生多类步态。而无人机的各类步态均依赖于自身的变形能力。其中，蠕动步态运动稳定，速度较低，适应于非平整地形；滚动步态运动速度快，适应于平整地形。总体上，基于张拉整体结构的无人机机身具有极高的变形能力，可产生多类稳定形态，以适应复杂的地面环境。同时，可变结构的机身具有较好的抗压抗震能力，能够适应复杂的作业环境。

作为一种新型的智能结构，基于张拉整体结构的无人机是可变结构的，整体形状可以灵活改变和有效控制。该类型无人机是由可承受大应变的拉索制成，实现自身形状的大范围改变，以适应有着各种障碍物的外界环境。张拉整体结构弹性单元的内力与构型有关，这些特点能够满足无人机在工业中的实际应用。另外，张拉整体结构可以通过变形或折叠来实现越障等工作，其轻型的结构可以节省能量。利用张拉整体结构作为基本结构来制作无人机，具有负载能力强、速度快的优点，也具有柔性结构极强的自我保护能力。该结构在未来的智能无人机领域有着较大的发展潜能。

本发明的优点是：

区别于现有无人机，基于六压杆张拉整体结构的无人机具有质量轻、可折叠、可变形和对环境适应能力强等优点，同时也实现了刚性构件与柔性构件的结合，结构可靠，可利用较少的能量来实现无人机机身不同稳定结构之间的转换。本专利将以六压杆张拉整体结构作为机身基础结构，提出一种可变结构的多旋翼无人机。本发明的优点在于：

(1)机身结构重量轻，运动续航能力强；

(2)无人机机身有着不同稳定状态，可折叠、易拆卸，方便运输；

(3)机身结构中特有的柔性单元为结构自身提供保护，避免外界伤害造成的机械损伤；

(4)可利用自身变形与地形相适应，可产生多类步态，更好地适应复杂地形；

(5)可利用压杆驱动、拉索驱动或二者结合驱动的三类驱动方式，实现机身结构的变形，变形能力强且所需变形空间小。同时也可通过多种驱动方式的组合来实现相同变形，冗余性好；

附图说明

图1为基于六压杆张拉整体机构无人机示意图；

图2为六压杆张拉整体结构的示意图；

图3为六压杆张拉整体结构机身的不同位姿示意图。

附图标记说明：1-螺旋桨，2-螺旋桨连接杆，3-操纵平台，4-弹性柔索，5- 控制系统，6-刚性压杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的任何限制。

本发明的这种基于六压杆张拉整体结构的无人机，如图1和2所示：图中螺旋桨1、螺旋桨连接杆2、操纵平台3和控制系统5可以直接采用现有产品，图中所有节点的字母a1、a2等都是刚性压杆6(粗黑线)和弹性柔索4(细线)的连接点，在本发明中这些字母都是作为设计参数，如a1a2的长度，本领域技术人员在实际生产中可行自行取值。

对于六压杆张拉整体结构的无人机，取六根刚性压杆的长度为l₁，截面半径R₁，8根水平柔性索的长度为l₂，截面半径R₂。当六压杆张拉整体结构发生变形时，构件的长度会发生变化，所以，这里把剩余4根斜索用弹簧来替代，弹簧的长度为l₃，刚度系数为k。

为方便驱动，该无人机机身模型中的水平柔索采用柔性体进行代替，同时在各端面节点处添加四对由移动副连接的伸缩杆组。选择在端面添加对角索，通过对角索的长度变化来驱动结构整体形状进行变化，从而实现整体结构的移动和翻滚。为了使端面的形状变化具有可控性，这里水平索为变形较小的绳索，四根压杆都为刚性杆。

该类型无人机机身共有8个节点，当其在复杂环境降落并进行翻滚时，其位移姿态根据节点着地数目可大致分为三点着地状态和两点翻滚状态。当它每次3 个节点着地时，翻滚前后的两个着地态中，总有两个着地节点是相同的。另外，此无人机机身可通过驱动端面对角索来改变整体形状。为了保持端面形状的可控性，收缩一根对角索，同一个端面上的另一根对角索必须协同伸长，从而保证端面的形状始终为正方形或菱形。

本发明中的无人机机身能够适应复杂的地面环境，主要是由无人机自身发生形变所导致，即驱动力和被动力相互作用的结果。为描述无人机滚动步态各项性能，可通过一系列参数来描述无人机机身的变形状态。具体包括：

(1)性能参数，包括构件动能、临界驱动长度、驱动力和接触力，这些参数分别对应着无人机进行变形时的易滚动性、能耗、结构可靠性和运动平稳性四项性能。其中，相关构件的动能值越大，物体越容易从静止开始滚动；伸缩杆组临界驱动长度越大，能耗越高。杆构件与地面接触力的值越小，发生弹性碰撞时所引发能量损失越小，即运动越平稳。

(2)控制变量参数，包括材料参数和驱动参数。材料参数指的是组建无人机机身的刚性杆件和柔性索件的刚度，其中压杆刚度由弹性模量、横截面积和长度决定，拉索刚度则仅由其弹性系数决定，二者均影响驱动力的大小。驱动参数包括驱动器组合和驱动长度。驱动器组合指的是驱动无人机机身变形时，六对伸缩杆组的组合方式。驱动长度指机身变形时伸缩杆组所进行的伸缩长度。

以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于六压杆整体张拉结构的无人机，其特征在于：该多旋翼无人机的机身是六压杆张拉整体结构；该结构是由一系列不连续的受压单元和一系列连续的受拉单元相互作用而成。

2.根据权利要求1所述的基于六压杆整体张拉结构的无人机，其特征在于：在机身中受压单元为压杆，受拉单元为拉索，单元与单元的相互作用点为节点；压杆之间互不接触，拉索形成了连续的张力网络，构成了结构稳定的空间外形。

3.根据权利要求2所述的基于六压杆整体张拉结构的无人机，其特征在于：该六压杆张拉整体结构由8个节点、4根压杆和12根拉索组成，其中拉索又分为上下两底面水平索和4根呈对称布置的斜索。

4.根据权利要求3所述的基于六压杆整体张拉结构的无人机，其特征在于：所述上下两底面水平索均由4根拉索构成，每一面上通过同一节点相连接的两根拉索均呈角布置，由拉索连接而成的上下两底面水平索绕结构整体中心轴线呈角度布置。

5.根据权利要求3所述的基于六压杆整体张拉结构的无人机，其特征在于：在初始状态，该张拉整体结构中所有的杆构件和斜索的长度都分别相等，同一水平面上的水平索长度也相同，结构中所有构件的端部都连接于节点上，而所有节点都均匀分布于位于上下端面的圆周上。

6.根据权利要求3所述的基于六压杆整体张拉结构的无人机，其特征在于：每个节点上都连有1根压杆和3根拉索，12根拉索相互连接形成一个立体空间索网结构，4根受压杆构件则从内部撑起索网形成一个稳定结构。