CN111094126B - 具有同轴的可反向的旋翼的无人飞行器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种多旋翼无人飞行器(UAV)。本公开的各方面提供了一种UAV，其包括：至少四个臂，每个臂配置有一对同轴的反向旋转螺旋桨，其中每个螺旋桨具有反向旋转以及相关联地使推力方向反向的能力；以及自动驾驶控制系统，控制至少四对同轴的螺旋桨的旋转方向和速度，以维持UAV的偏航稳定性、侧倾稳定性和俯仰稳定性，其中，在所述至少四对同轴的螺旋桨中的任何一对同轴的螺旋桨失效的情况下，所述自动驾驶控制系统会使任何一对正常工作的螺旋桨中的至少一个螺旋桨的旋转方向反向，并且从而使其推力方向反向。

Description

具有同轴的可反向的旋翼的无人飞行器

技术领域

本公开总体上涉及无人飞行器(UAV)领域，并且更具体地涉及在旋翼失效或者旋翼故障的情况下保持飞行特性稳定的UAV。

背景技术

背景描述包括可以用于理解本发明的信息。这并且非承认本文提供的任何信息是现有技术或者与当前要求保护的发明有关，或者明确或者隐含引用的任何出版物为现有技术。

四轴飞行器，也称为四旋翼直升机或者四旋翼飞行器，是由四个旋翼升高和推进的多旋翼无人飞行器(UAV)。四轴飞行器被归类为与固定翼飞行器相反的旋翼飞行器，因为它们的升力是由一组旋翼/螺旋桨产生的。由于设计简单且应用范围广泛，四轴飞行器在军事和民用领域均很受欢迎。

典型的四轴飞行器通常包括四个臂，每个臂在连接至四轴飞行器的框架结构的固定端和与四个竖直定向的旋翼可操作地联接的自由端之间延伸。四轴飞行器本质上是不稳定的，并且依赖于所有四个旋翼来对其控制和操纵。

显然，在四轴飞行器的旋翼失效或者故障的情况下，由于其他旋翼产生的推力过剩，四轴飞行器的飞行稳定性受到损害。当前，可用于处理四轴飞行器失效的解决方案包括为四轴飞行器配置紧急降落伞，以帮助四轴飞行器紧急降落。然而，这样的配置是非常不可靠的，并且采用紧急降落伞增加了与四轴飞行器相关的总成本。

因此，在本领域中需要提供一种简单且有效的四轴飞行器，该四轴飞行器减轻诸如旋翼失效或者旋翼故障的状况，并且平衡在这种状况下由其他旋翼产生的过剩的推力和不相等转矩。此外，在旋翼失效的情况下，需要为四轴飞行器的侧倾、俯仰和偏航提供稳定性。

如本文的说明书中以及贯穿所附权利要求书中所使用的，除非上下文另外明确指出，否则“一”和“该”的含义包括复数指代。而且，如本文的描述中所使用的，除非上下文另外明确指出，否则“在...中”的含义包括“在…中”和“在...上”。

在一些实施例中，在书面描述和所附权利要求书中阐述的数字参数是近似值，其可以根据特定实施例试图获得的期望特性而变化。在一些实施例中，应该根据报告的有效数字的数目并且通过应用普通的舍入技术来解释数字参数。尽管阐述本发明的一些实施例的广泛范围的数值范围和参数是近似值，但是是在具体示例中阐述的数值被精确地报告为实际可行。在本发明的一些实施例中呈现的数值可能包含由其各自测试测量中发现的标准偏差必然产生的某些误差。

本文中数值范围的列举仅旨在用作分别指代落入该范围内的每个单独数值的速记方法。除非本文另外指出，否则每个单独的值都被并且入说明书中，就好像它在本文中被单独列举一样。除非本文另外指出或者与上下文明显矛盾，否则本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行。针对本文的某些实施例提供的任何和所有示例或者示例性语言(例如“诸如”)的使用仅旨在更好地阐明本发明，而不是对以其他方式要求保护的本发明的范围构成限制。说明书中的任何语言都不应解释为表示任何未要求保护的要素对实施本发明必不可少。

本文公开的本发明的替代要素或者实施例的分组不应解释为限制性的。每个组构件可以单独地或者与该组的其他构件或者本文中发现的其他要素组合进行引用和要求保护。出于便利性和/或者可专利性的原因，一个组中的一个或者多个构件可以在该组中或者从该组中删除。当发生任何这样的包含或者删除时，说明书在本文中被认为包含经修改的组，从而实现所附权利要求书中使用的所有组的书面描述。

发明目的

本公开的总体目的是提供一种具有同轴的可反向的旋翼的无人飞行器(UAV)。

本公开的另一个目的是提供一种缓解诸如旋翼失效或者旋翼故障的状况的UAV。

本公开的另一个目的是提供一种UAV，该UAV在旋翼失效的情况下平衡由UAV的其他旋翼产生的过剩的推力和不相等的扭矩。

本公开的另一个目的是提供一种在旋翼失效的情况下稳定UAV的侧倾、俯仰和偏航的UAV。

通过以下结合附图的详细描述，本发明的这些和其他目的将变得显而易见。

发明内容

本公开的方面涉及无人飞行器(UAV)。特别地，本公开提供了在旋翼失效或者旋翼故障的情况下保持飞行特性稳定的UAV。

在一方面，本公开提供了一种UAV，其包括：至少四个臂，每个臂具有近端和远端，所述近端连接至所述UAV的主体框架，其中所述至少四个臂的远端限定多边形；至少四对同轴的反向旋转螺旋桨，在所述至少四个臂中的每个臂的远端处配置一对同轴的螺旋桨，其中每个螺旋桨具有反向旋转的能力以及相关联地使推力方向反向；以及自动驾驶控制系统，控制所述至少四对同轴的螺旋桨的旋转方向和速度，以维持所述UAV的偏航稳定性、侧倾稳定性和俯仰稳定性；其中，在所述至少四对同轴的螺旋桨中的任何一对同轴的螺旋桨失效的情况下，所述自动驾驶控制系统会使任何一对正常工作的螺旋桨中的至少一个螺旋桨的旋转方向反向，并且从而使其推力方向反向。

在一方面，在任何一对同轴的螺旋桨失效的情况下，与所述失效的一对螺旋桨的重心相对的一对同轴的螺旋桨中的至少一个螺旋桨使其旋转方向反向，以产生与同一对同轴的螺旋桨中的另一螺旋桨的推力相反的推力。

在一方面，在任何一对同轴的螺旋桨失效的情况下，最靠近所述失效的螺旋桨对的垂直方向的每对同轴的螺旋桨中的至少一个螺旋桨产生额外的推力，以稳定所述UAV的升高。

在一方面，在任何一对同轴的螺旋桨失效的情况下，最靠近所述失效的螺旋桨对的垂直方向的同轴的螺旋桨对的编队航速通过所述自动驾驶控制系统进行调节，以稳定所述UAV的侧倾。在一方面，最靠近所述失效的螺旋桨对的垂直方向的同轴的螺旋桨对的编队航速被调节以抵消由所述至少四对同轴的螺旋桨的旋转产生的不足的推力和不相等的扭矩。

在一方面，在任何一对同轴的螺旋桨失效的情况下，与所述失效的螺旋桨对的重心相对的同轴的螺旋桨对的旋转速度通过所述自动驾驶控制系统进行调节，以稳定所述UAV的俯仰。在一方面，与所述失效的螺旋桨对的重心相对的所述同轴的螺旋桨对的旋转速度被调节以使相同的同一对同轴的螺旋桨中的每个螺旋桨的旋转方向反向，以产生相反的推力。

在一方面，在任何一对同轴的螺旋桨失效的情况下，正常工作的螺旋桨对中的至少一个螺旋桨的旋转速度通过所述自动驾驶控制系统进行调节，以控制所述UAV的偏航。

通过以下对优选实施例的详细描述以及附图，本发明主题的各种目的、特征、方面和优点将变得更加显而易见，在附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

附图说明

附图包括在本公开中以提供对本公开的进一步理解，并且附图被并且入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图示出了本公开的示例性实施例，并且与描述一起用于解释本公开的原理。

在附图中，相似的部件和/或者特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在附图标记之后加上第二标记来区分相同类型的各种部件，该第二标记在相似部件之间进行区分。如果在说明书中仅使用第一附图标记，则该描述适用于具有相同的第一附图标记的任何相似部件，而与第二附图标记无关。

图1示出了根据本公开的实施例的配置有四对同轴的反向旋转螺旋桨/旋翼的无人飞行器(UAV)的示例性表示。

图2示出了根据本公开的实施例的在旋翼失效的情况下配置有四对同轴的反向旋转螺旋桨的UAV的示例性表示。

具体实施方式

以下是在附图中描绘的本公开的实施例的详细描述。这些实施例如此详细以便清楚地传达本公开。然而，所提供的细节量并且不旨在限制实施例的预期变化；相反，意图是覆盖落入由所附权利要求书限定的本公开的精神和范围内的所有修改、等同物和替代方案。

本公开提供了一种无人飞行器(UAV)，其包括至少两个杆，以及一个或者多个中心支撑板，其保持所述至少两个杆以形成刚性结构，其中所述至少两个杆重叠以形成交叉结构，其中所述至少两个杆的端部构成规则的或者不规则多边形，并且其中多个螺旋桨可操作地联接在至少两个杆的端部以使得UAV能够飞行。

本文中解释的本公开的实施例涉及一种无人飞行器(UAV)，其包括：至少四个臂，每个臂具有近端和远端，近端连接至UAV的主体框架，其中至少四个臂的远端限定多边形，至少四对同轴的反向旋转螺旋桨-在至少四个臂中的每个臂的远端处配置一对同轴的螺旋桨，其中每个螺旋桨都具有反向旋转以及相关联地使推力方向反向的能力；以及自动驾驶控制系统，该自动驾驶控制系统控制至少四对同轴的螺旋桨的旋转方向和速度，以维持UAV的偏航稳定性、侧倾稳定性和俯仰稳定性，其中，在至少四对同轴的螺旋桨中的任一对同轴的螺旋桨失效的情况下，自动驾驶控制系统会使任何一对正常工作的螺旋桨中的至少一个螺旋桨的旋转方向反向，并且从而使其推力方向反向。

图1示出了根据本公开的实施例的配置有四对同轴的反向旋转螺旋桨/旋翼的UAV的示例性表示。在一个方面，本公开提供了一种多旋翼UAV，其包括至少四个臂，每个臂具有远端和近端，其中每个臂的近端连接至UAV的主体框架，并且每个臂的远端与一对同轴的反向旋转旋翼/螺旋桨可操作地联接。

在一个实施例中，UAV还可以包括自动驾驶控制系统(未显示)，该系统控制一对同轴的反向旋转螺旋桨的中的每个螺旋桨的旋转方向和速度，以维持UAV的偏航稳定性、升力稳定性和俯仰稳定性。

在一方面，与UAV的每个臂可操作地联接的一对同轴的反向旋转螺旋桨中的单个螺旋桨具有反向旋转以及相关联地使推力方向反向的能力。

如在图1中所示的本公开的示例性方面，UAV可以是四轴飞行器。应当理解，UAV可以选自一组多旋翼飞行器，诸如如六旋翼飞行器、八旋翼飞行器和其他竖直起降(VTOL)的飞行器。

在示例性实施例中，四轴飞行器可以包括四个臂102、104、106和108，每个臂具有远端和近端，其中每个臂的近端连接至四轴飞行器的主体框架，并且每个臂的远端可以与一对同轴的反向旋转螺旋桨可操作地联接。例如，臂102可以与包括螺旋桨102-1和102-2的一对同轴的反向旋转螺旋桨可操作地联接。臂104可以与包括螺旋桨104-1和104-2的一对同轴的反向旋转螺旋桨可操作地联接。以相同的方式，臂106和臂108可以与相应的一对同轴的反向旋转螺旋桨可操作地联接。应当理解，任何数量的螺旋桨可以与UAV的每个臂的远端联接，并且与每个臂的远端相联接的螺旋桨的数量仅仅是示例性的，并且不限制本公开的范围。

在一个实施例中，一对同轴的反向旋转螺旋桨中的每个螺旋桨可以由合适的驱动装置可反向地驱动，诸如电动无刷电动机、无刷直流(BLDC)电动机、永磁同步电动机(PMSM)等。

图2示出了根据本公开的实施例的在旋翼失效的状况下配置有四对同轴的反向旋转螺旋桨的UAV的示例性表示。在一个方面，自动驾驶控制系统可以控制一对同轴的反向旋转螺旋桨中的每个螺旋桨的旋转方向和速度，以维持无人飞行器的偏航稳定性、升力稳定性和俯仰稳定性。自动驾驶控制系统可以基于UAV及其功能系统的操作状况控制多个旋翼/螺旋桨的操作，包括控制多个旋翼/螺旋桨的油门杆的操作，以维持偏航稳定性、升力稳定性和倾斜稳定性，其中在任何一对同轴的螺旋桨失效的情况下，自动驾驶控制系统控制其他多个旋翼/螺旋桨的操作，以维持偏航稳定性、升力稳定性和倾斜稳定性。

在一方面，如果UAV的任何一个臂失效导致配置有该臂的一对同轴的反向旋转旋翼完全失效，那么，这些旋翼产生的推力和扭矩下降，从而由于配置在与失效臂的重心相对的臂上的一对同轴的反向旋转旋翼产生的推力和扭矩过剩而导致UAV倾斜。在这种情况下，与失效臂的重心相对的臂上的反向的同轴旋翼对中的任何一个旋翼的方向被反向，并且该旋翼的推力也与同一对同轴的旋翼中的另一个旋翼的推力相等。使可反向旋翼的标称方向反向会产生相反方向的推力。因此，相对的同轴的旋翼对的任何一个旋翼的这种反向产生负推力，该负推力与同一对同轴的旋翼中的另一个旋翼产生的推力相反并且相等，这抵消了由于一对同轴的旋翼的失效而引起的在同一对同轴的旋翼中的另一旋翼处的过剩的推力和不足的扭矩。另外，进一步地，与最靠近失效臂的垂直方向的每个臂联接的UAV的其他旋翼产生的推力增加，使得UAV就升力稳定性方面而言在空中稳定。如本领域技术人员可以理解的，失效臂代表这种与失效的一对同轴的螺旋桨联接的UAV的臂。

应当理解，在多旋翼飞行器包括臂和一起限定不规则多边形的端部，或者多旋翼飞行器包括奇数个臂的情况下，并且当配置在这种飞行器的臂上的同轴的一对螺旋桨失效时，不能很好地定义与该失效臂成对角线或者垂直方向的臂。因此，在这种情况下，可以将与失效臂的重心相对的臂解释为与失效臂成对角线的臂，并且将最靠近失效臂的垂直方向的臂解释为与失效臂垂直的臂。

在如图2中所示的本公开的示例性实施例中，在配置在臂102处的一对同轴的螺旋桨失效的情况下(以下也称为失效臂102)，使得配置在与失效臂102的重心相对的臂104的远端处的一对同轴的反向旋转螺旋桨中的至少一个螺旋桨104-1的旋转方向反向，以产生与同一对同轴的螺旋桨中的另一螺旋桨104-2的推力相反的推力。

在如图2中所示的本公开的示例性实施例中，在配置在臂102处的一对同轴的螺旋桨失效的情况下，配置在最靠近失效臂102的垂直方向的臂106/108的远端处的一对同轴的反向旋转螺旋桨中的至少一个螺旋桨106-1/108-1产生额外推力，以稳定四轴飞行器的升高。

在另一个示例性实施例中，在配置在臂102处的一对同轴的螺旋桨失效的情况下，配置在最靠近失效臂102的垂直方向的臂106和臂108的远端处的同轴的反向旋转螺旋桨106-1、106-2、108-1和108-2的编队航速通过自动驾驶控制系统进行调节，以稳定UAV的侧倾(即，沿x轴线)，其中，配置在最靠近失效臂102的垂直方向的臂106和臂108远端处的同轴的反向旋转螺旋桨106-1、106-2、108-1和108-2的编队航速被调节，以抵消因四轴飞行器的螺旋桨的旋转而产生的不足的推力和不相等的扭矩。

在另一个示例性实施例中，在配置在臂102处的一对同轴的螺旋桨失效的情况下，配置在与失效臂102的重心相对的臂104的远端处的一对同轴的反向旋转螺旋桨104-1和104-2的旋转速度通过自动驾驶控制系统进行调节，以稳定UAV的俯仰(即，沿y轴线)。配置在与失效臂102的重心成对角线的臂104的远端处的同轴的反向旋转螺旋桨104-1和104-2的旋转速度被调节使得同一对同轴的螺旋桨中的每个螺旋桨104-1/104-2的旋转方向反向，以产生相反的推力，其中螺旋桨的旋转速度通过所述自动驾驶控制系统进行调节，以控制四轴飞行器的偏航。

应当理解，尽管以四轴飞行器的方式解释了上述实施例，但是这些实施例还可以被配置成用于任何多旋翼UAV，诸如六旋翼飞行器、八旋翼飞行器和其他竖直起降(VTOL)飞行器。因此，本公开的范围不以任何方式受限于四轴飞行器，并且可以包括各种多旋翼UAV。

虽然上文描述了本发明的各种实施例，但是是在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以设计出本发明的其他和进一步的实施例。本发明的范围由所附权利要求书确定。本发明不限于所描述的实施例、解释或者示例，其被包括以使得本领域普通技术人员在结合可获得的信息和知识时能够制造和使用本发明。

发明的优点

本公开提供了一种具有同轴的可反向的旋翼的无人飞行器(UAV)。

本公开提供了一种缓解诸如旋翼失效或者旋翼故障的状况的UAV。

本公开提供了一种UAV，该UAV在旋翼失效的情况下平衡由UAV的其他旋翼产生的过剩的推力和不相等的扭矩。

本公开提供了一种在旋翼失效的情况下稳定UAV的侧倾、俯仰和偏航的UAV。

Claims (8)

1.一种无人飞行器，包括：

至少四个臂，每个臂具有近端和远端，所述近端连接至所述无人飞行器的主体框架，其中所述至少四个臂的远端限定了多边形；

至少四对同轴的反向旋转螺旋桨，在所述至少四个臂中的每个臂的远端处配置一对同轴的螺旋桨，其中每个螺旋桨具有反向旋转以及相关联地使推力方向反向的能力；以及

自动驾驶控制系统，控制至少四对同轴的螺旋桨的旋转方向和速度，以维持所述无人飞行器的偏航稳定性、侧倾稳定性和俯仰稳定性；

其中，在至少四对同轴的螺旋桨中的任何一对同轴的螺旋桨失效的情况下，所述自动驾驶控制系统会使任何一对正常工作的螺旋桨中的至少一个螺旋桨的旋转方向反向，并且从而使所述一对正常工作的螺旋桨中的所述至少一个螺旋桨的推力方向反向。

2.根据权利要求1所述的无人飞行器，其中，在任何一对同轴的螺旋桨失效的情况下，所述自动驾驶控制系统使在所述无人飞行器的重心相对侧的一对同轴的螺旋桨中的至少一个螺旋桨的旋转方向反向。

3.根据权利要求1所述的无人飞行器，其中在任何一对同轴的螺旋桨失效的情况下，最靠近失效的一对螺旋桨的臂的垂直方向的方向上延伸的臂上的每对同轴的螺旋桨中的至少一个螺旋桨产生额外的推力，以稳定所述无人飞行器的升高。

4.根据权利要求1所述的无人飞行器，其中，在任何一对同轴的螺旋桨失效的情况下，最靠近失效的一对螺旋桨的臂的垂直方向的方向上延伸的臂上的同轴的螺旋桨对的编队航速通过所述自动驾驶控制系统进行调节，以稳定所述无人飞行器的侧倾。

5.根据权利要求4所述的无人飞行器，其中，最靠近失效的一对螺旋桨的臂的垂直方向的方向上延伸的臂上的同轴的螺旋桨对的编队航速被调节，以抵消由至少四对同轴的螺旋桨的旋转而产生的不足的推力和不相等的扭矩。

6.根据权利要求1所述的无人飞行器，其中，在任何一对同轴的螺旋桨失效的情况下，在所述无人飞行器的重心相对侧的同轴的螺旋桨对的旋转速度通过所述自动驾驶控制系统进行调节，以稳定所述无人飞行器的俯仰。

7.根据权利要求6所述的无人飞行器，其中，在所述无人飞行器的重心相对侧的同轴的螺旋桨对的旋转速度被调节使得每个螺旋桨的旋转方向反向，以产生相反的推力。

8.根据权利要求1所述的无人飞行器，其中，在任何一对同轴的螺旋桨失效的情况下，正常工作的螺旋桨对中的至少一个螺旋桨的旋转速度通过所述自动驾驶控制系统进行调节，以控制所述无人飞行器的偏航。