CN110758728B - 一种力反馈多旋翼无人机 - Google Patents
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Abstract
一种力反馈多旋翼无人机，包括机体、旋翼臂以及力反馈缆线，其中，机体上设置有飞行控制系统、力反馈测量装置和支撑结构；力反馈测量装置与飞行控制系统相连；旋翼臂上设置有铰链连接结构、旋翼电机以及旋翼桨叶，旋翼电机与旋翼桨叶相连；旋翼臂一端通过铰链连接结构与机体相连，另一端通过力反馈缆线与机体相连；旋翼臂的底部设置在支撑结构上。通过使用以两条力反馈缆线连接力反馈装置测量旋翼臂所受力的大小，反馈至飞行控制系统，在系统的PID反馈算法中，以期望的力与力矩代替期望的速度与位移，在无人机产生位移之前，通过期望力的变化控制机体，从而提高整个无人机系统的控制响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及多旋翼无人机技术领域，具体的说是一种力反馈多旋翼无人机。
背景技术
多旋翼无人机是近年来兴起的一种能够个人远程操作的飞行器，其能够实现垂直起降，空中悬停，多方向自由飞行等高难度飞行动作。目前除了在航拍中个人使用之外，植保、测绘、物流等工业实际应用中也开始使用多旋翼无人机进行辅助工作，充分发挥多旋翼无人机操作简便、机动灵活的特点。
但是在多旋翼无人机在越来越多的投入实际生产应用时，多旋翼无人机的相关性能也相应地被提出了更高的要求。尤其在需要执行运载任务的领域，要求多旋翼无人机在较大载重时也能够对控制信号进行快速响应，及时改变自身姿态。而目前的多旋翼无人机为了增大载重量，大多使用增大旋翼桨叶的方法，但是这种方法会使得系统的控制时间常数增大，减慢响应速率。需要新型技术来改善这一现状。
综上所述，现在需要一种新技术来提高多旋翼无人机的控制响应速度，提高系统整体鲁棒性，增强多旋翼无人机在实际工作中的可靠性。
发明内容
针对现有技术系统存在的上述缺陷或不足，本发明的目的在于提出了一种力反馈的多旋翼无人机，通过力反馈结构及时反馈多旋翼无人机各桨叶的升力情况，从而可以在控制环中加入力反馈这一因素，提高无人机的控制鲁棒性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种力反馈多旋翼无人机，其特征在于，包括机体、旋翼臂以及力反馈缆线，其中，机体上设置有飞行控制系统、力反馈测量装置和支撑结构；力反馈测量装置与飞行控制系统相连；
旋翼臂上设置有铰链连接结构、旋翼电机以及旋翼桨叶，旋翼电机与旋翼桨叶相连；旋翼臂一端通过铰链连接结构与机体相连，另一端通过力反馈缆线与机体相连；
旋翼臂的底部设置在支撑结构上。
本发明进一步的改进在于，飞行控制系统包括传感器、GPS通讯装置以及遥控接收装置，传感器通过GPS通讯装置与遥控接收装置相连；力反馈测量装置与遥控接收装置相连。
本发明进一步的改进在于，铰链连接结构为球铰链。
本发明进一步的改进在于，支撑结构位于旋翼臂的底面中部。
本发明进一步的改进在于，支撑结构与旋翼臂为点接触。
本发明进一步的改进在于，力反馈缆线与旋翼臂的数量之比为2比1。
本发明进一步的改进在于，每个旋翼臂与机体之间通过两条对称设置的力反馈缆线相连。
本发明进一步的改进在于，机体与力反馈缆线的连接处设置有力测量仪器。
本发明进一步的改进在于，力反馈缆线斜向布置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出一种能够实现力反馈的全新活动结构多旋翼无人机，无人机的旋翼臂同机体为活动连接，配合两条力反馈缆线拉紧以确定全部自由度。通过使用以两条力反馈缆线连接力反馈装置测量旋翼臂所受力的大小，反馈至飞行控制系统，在系统的PID反馈算法中，以期望的力与力矩代替期望的速度与位移，在无人机产生位移之前，通过期望力的变化控制机体，从而提高整个无人机系统的控制响应速度，解决当前无人机应用中许多对控制响应速度要求较高的问题，特别是对于需要多旋翼无人机进行载重作业的场合。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的详细描述，本发明的目的、特性和优点将会变得更明显。
图1为本发明的无人机总体结构示意图；
图2为本发明中机体与旋翼臂连接结构示意图；
图3为本发明中旋翼臂侧向结构示意图。
图中，1为机体，2为旋翼臂，3为力反馈缆线，4为球铰链，5为支撑结构。
具体实施方式
为了进一步直观描述本发明的细节，下面将结合附图和实例对本发明做出进一步的详细说明。
如图1所示，本实例所示为一种新型结构的力反馈多旋翼无人机的总体结构示意图，图1中所示为一种四旋翼布局形式，实际使用可以根据具体情况调整不同的旋翼布局。力反馈多旋翼无人机包括机体1、旋翼臂2以及力反馈缆线3，其中，机体1上设置有飞行控制系统、力反馈测量装置和支撑结构5；力反馈测量装置与飞行控制系统相连；力反馈装置包括拉力传感器。
旋翼臂2上设置有铰链连接结构、旋翼电机以及旋翼桨叶，旋翼电机与旋翼桨叶相连；旋翼臂2一端通过铰链连接结构与机体1相连，另一端通过力反馈缆线3与机体1相连；
铰链连接结构为球铰链4。旋翼臂2分布在无人机的机体1周围，靠近机体1的一端，与机体1通过球铰链4相连，应当保证旋翼臂2与无人机机体的紧密连接；旋翼臂2的中间部分通过设置在机体1上的支撑结构5进行支撑；旋翼臂2外侧末端通过两条对称力反馈缆线3拉紧。同时，旋翼臂2分布在无人机机体周围，并且旋翼臂2通过旋翼电机为整体提供动力。
机体1是无人机的主体部分，装载无人机的主要电子设备，连接各机械结构。
所述无人机力反馈缆线3连接旋翼臂2末端和机体1，起到固定旋翼臂，连接力测量装置的作用。
所述无人机球铰链4连接机体1和旋翼臂2中间，主要起到连接作用，不会影响力反馈缆线3测量无人机旋翼的受力情况。
所述无人机的机体1内部应当有飞行控制系统，飞行控制系统包括多旋翼无人机飞行所必要的传感器、GPS通讯装置以及遥控接收装置。飞行控制系统应当与力反馈测量装置相连接。
飞行控制系统并搭载用于进行力反馈的控制算法，该算法应当包含有力反馈信息。对于传统算法中的位置姿态反馈算法，将其中的位置、速度反馈PID算法中的位置、速度量，替换为期望的力、力矩。在无人机的受力产生位移之前做出响应。
力反馈缆线3与旋翼臂2的数量之比应为2比1配合；所述无人机的机体1与力反馈缆线3的连接处应有力测量仪器，测量力反馈缆线3所承受的拉力并反馈至飞行控制系统。
所述力反馈缆线3为两条一组，仅承受拉力，具有一定的柔性与强度，但受拉时不能发生过度形变拉长。力反馈缆线3应斜向布置，以补偿球铰链与支撑结构的约束，使旋翼臂2在飞行中能够稳定。
所述无人机布局形式，不止局限于四旋翼形式，可以为其他布局形式。
如图2所示，本实例所示为一种新型力反馈多旋翼无人机的球铰链连接结构示意图。机体1通过球铰链4与无人机的旋翼臂2连接，并通过支撑结构5补足约束。
所述球铰链4仅限制旋翼臂径向自由度，其余自由度通过其他结构限制，不影响缆线测量拉力。球铰链4与支撑结构5应当有足够强度和精度，保证旋翼臂2摩擦较小的同时也要保证结构强度。
所述旋翼臂2的底部中部与支撑结构5接触，并且支撑结构5与无人机的旋翼臂2为点接触，将相互之间的摩擦降到最小，不会影响力的测量，同时作为悬臂梁结构应保证自身的刚性。
如图3所示，本实例所示为一种新型力反馈多旋翼无人机的旋翼臂侧面结构示意图。力反馈缆线3分布在旋翼臂2的两侧，单独的力反馈缆线3仅测量拉力。力反馈缆线3斜向下拉，以补足最后垂直向上的约束。
下面对本发明的工作原理作进一步阐述。
当该多旋翼无人机飞行时，旋翼臂2必将承受空气所带来的阻力，此时球铰链4限制旋翼臂径向的自由度、支撑结构5限制垂直向下的自由度、力反馈缆线3限制水平自由度与垂直向上的自由度，同时通过力反馈测量装置对这几个方向上的拉力进行测量，将反馈到的拉力传递给飞行控制系统，进而实现对多旋翼无人机的一个实时的力反馈控制。
本发明提出一种能够实现力反馈的全新活动结构多旋翼无人机，无人机的旋翼臂同机体为活动连接，配合两条缆线拉紧以确定全部自由度。通过使用以两条力反馈缆线连接力反馈装置测量旋翼臂所受力的大小，反馈至飞行控制系统，在系统的PID反馈算法中，以期望的力与力矩代替期望的速度与位移，在无人机产生位移之前，通过期望力的变化控制机体，通过力产生位移之前提前控制，从而提高整个无人机系统的控制响应速度，解决当前无人机应用中许多对控制响应速度要求较高的问题，特别是对于需要多旋翼无人机进行载重作业的场合。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干形式变更和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种力反馈多旋翼无人机，其特征在于，包括机体(1)、旋翼臂(2)以及力反馈缆线(3)，其中，机体(1)上设置有飞行控制系统、力反馈测量装置和支撑结构(5)；力反馈测量装置与飞行控制系统相连；
旋翼臂(2)上设置有铰链连接结构、旋翼电机以及旋翼桨叶，旋翼电机与旋翼桨叶相连；旋翼臂(2)一端通过铰链连接结构与机体(1)相连，另一端通过力反馈缆线(3)与机体(1)相连；
旋翼臂(2)的底部设置在支撑结构(5)上；铰链连接结构为球铰链；
力反馈缆线(3)与旋翼臂(2)的数量之比为2比1；
每个旋翼臂(2)与机体(1)之间通过两条对称设置的力反馈缆线(3)相连；
机体(1)与力反馈缆线(3)的连接处设置有力测量仪器；
力反馈缆线(3)斜向布置。
2.根据权利要求1所述的一种力反馈多旋翼无人机，其特征在于，飞行控制系统包括传感器、GPS通讯装置以及遥控接收装置，传感器通过GPS通讯装置与遥控接收装置相连；力反馈测量装置与遥控接收装置相连。
3.根据权利要求1所述的一种力反馈多旋翼无人机，其特征在于，支撑结构(5)位于旋翼臂(2)的底面中部。
4.根据权利要求2所述的一种力反馈多旋翼无人机，其特征在于，支撑结构(5)与旋翼臂(2)为点接触。
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