CN111891353A - 一种基于矢量推力的六自由度运动全解耦控制微小型无人机结构 - Google Patents

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Abstract

一种基于矢量推力的六自由度运动全解耦微小型无人机结构，由机身、三个二自由度框架和三个共轴旋翼三部分构成。机身采用气动外形，沿机身纵向飞行时可提供气动升力。通过调整共轴旋翼的转速，以及通过二自由度框架调整共轴旋翼的二自由度倾角，可以实现无人机任意自由度的飞行。本发明通过引入二自由度可倾转共轴旋翼，能实现无人机六自由度运动的全解耦控制，完成精准起降、无偏摆侧飞、万向飞行、高精度抗扰等，结合气动外形，还能进一步提高飞行速度、载荷能力与续航时间，尤其适用于高机动平台搭载微小型无人机，为在工业和军事等空地协同领域的应用提供了重要基础。

Description

一种基于矢量推力的六自由度运动全解耦控制微小型无人机 结构
技术领域
本发明提出一种基于矢量推力的六自由度运动全解耦微小型无人机结构，通过引入二自由度可倾转共轴旋翼，能实现微小型无人机六自由度运动的全解耦控制，完成精准起降、无偏摆侧飞、万向飞行、高精度抗扰等，结合气动外形，还能进一步提高飞行速度、载荷能力与续航时间，尤其适用于高机动平台搭载无人机，为在工业和军事等空地协同领域的应用提供了重要基础。
背景技术
垂直起降的微小型无人机的工作范围不受限于路况和地形，环境适应能力强，即便在废墟、山地中也能自由灵活地实施空中侦察、监视、打击等军事作业。但受限于体积，微小型无人机载荷、续航和通讯能力低下。相比之下，军用车辆具有强大的载荷、续航和通讯能力，将无人机搭载于军用车辆，可以极大的弥补无人机的不足，是提高无人机工作能力的有效手段，具有广阔的应用前景。
车载的垂直起降无人机必须在颠簸疾驰的机动车辆上平稳起降，即无人机必须能对车辆位姿及其速度进行高精度跟踪，这就要求无人机具备六自由度运动全解耦的结构和能力。现有的垂直起降无人机主要包括旋翼机、复合翼机无人机两大类。旋翼无人机利用螺旋桨产生升力来飞行，具有垂直起降能力，可以实现低速飞行、空中悬停等多种飞行状态。但是纯粹的旋翼无人机气动效率低下，载荷能力差、续航时间短。而且旋翼机是通过改变姿态来调整飞行方向的，质心运动和姿态运动存在耦合，无法在位姿机动车辆上实现平稳起降。复合翼无人机同时结合旋翼机和固定翼机的优点，既可以垂直起降，又有较高的气动效率，但复合翼无人机在起降时与旋翼机完全相同，质心运动和姿态运动存在类似的耦合性。因此，现有的垂直起降无人机均不适用于车载。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服目前无人机结构存在的姿态运动与质心运动耦合等问题，结合固定翼与旋翼结构的优点，用一种二自由度旋转框架机构来实现共轴旋翼的灵活倾转，并结合采用气动外形设计的机身，从而实现一种全新的六自由度运动全解耦的微小型无人机结构。
本发明的解决方案是：一种基于矢量推力的六自由度运动全解耦微小型无人机结构，由机身、三个二自由度框架和三个共轴旋翼三部分构成。机身采用底部平坦，顶部凸起的气动外形，沿机身纵向飞行时可提供垂直于底面的气动升力。
所述的二自由度框架包括外框架和内框架，外框架通过外框架电机连接机身，通过内框架电机连接内框架，内框架连接共轴旋翼，共轴旋翼通过旋翼电机连接螺旋桨。
所述共轴旋翼包含一对共轴且反向旋转的螺旋桨。
所述机身采用底部平坦，顶部凸起且周向对称的全向气动外形，沿机身任意径向飞行时均可提供垂直于底面的气动升力。
所述的外框架电机驱动内框架，改变共轴旋翼的外框架角，所述的内框架电机驱动共轴旋翼，改变共轴旋翼的内框架角，所述的旋翼电机驱动螺旋桨，并改变螺旋桨的转速。
本发明的原理是：根据所需飞行状态的不同，通过外框架电机驱动内框架，改变旋翼的外框架角，通过内框架电机驱动旋翼，改变旋翼的内框架角，通过旋翼电机驱动螺旋桨，并改变螺旋桨的转速，从而实现任意自由度的全解耦运动。
建立如图1所示正交的机体坐标系，坐标系原点O与机体质心重合，x轴指向机身右侧，与旋翼2和旋翼3的连线平行，y轴指向机身前方向，z轴指向机身竖直向上方向。
俯仰运动：同时调整旋翼的倾转角和转速，使机身沿机体坐标系x轴的转动力矩不等于零，但受到的总合力不变，实现机身相对机体坐标系的俯仰运动，但机身质心运动状态不发生改变。例如增大旋翼1转速的同时减小旋翼2和旋翼3的转速，调整旋翼倾转角，保持机身受到的总合力不变，合力矩沿x轴正方向，则机身将出现俯仰角正向增大的转动。
滚转运动：同时调整旋翼的倾转角和转速，使机身沿机体坐标系y轴的转动力矩不等于零，但受到的总合力不变，实现机身相对机体坐标系的滚转运动，但机身质心运动状态不发生改变。例如保持旋翼1转速不变的同时，增大旋翼2的转速，减小旋翼3的转速，调整旋翼倾转角，保持机身受到的总合力不变，合力矩沿y轴正方向，则机身将出现滚转角正向增大的转动。
偏航运动：同时调整旋翼的倾转角和转速，使机身沿机体坐标系z轴的转动力矩不等于零，但受到的总合力不变，实现机身相对机体坐标系的偏航运动，但机身质心运动状态不发生改变。例如同时增大所有旋翼的转速，调整旋翼倾转角，保持机身受到的总合力不变，合力矩沿z轴正方向，则机身将出现偏航角正向增大的转动。
质心运动：同时调整旋翼的倾转角和转速，使得机身受到的合力矩不变，受到的总合力不为零，则机身质心沿总合力方向运动，且姿态运动状态不变。
悬停或匀速运动：同时调整旋翼的倾转角和转速，使机身受到的合力矩与总合力都为零，则机身保持悬停或者匀速运动。
在平飞巡航过程中，调整旋翼2与旋翼3向前倾转并调整旋翼转速，利用机身的气动外形提供升力，可以显著提高无人机能效。
本发明的优势在于：相对于现有无人机结构，通过引入二自由度可倾转共轴旋翼，能实现微小型无人机六自由度运动的全解耦控制，完成精准起降、无偏摆侧飞、万向飞行、高精度抗扰等，结合气动外形，还能进一步提高飞行速度、载荷能力与续航时间，具有体积小、质量轻、机动性好、续航时间长、工作效率高的特点。该微小型无人机尤其适用于高机动平台搭载，并应用于各种军事和民用工业场景，在城市或山地的侦查、打击、救援、勘探、测绘等领域具有广阔的应用前景。该结构还可以推广到中、大型无人机。
附图说明：
图1为本发明的一种基于矢量推力的六自由度运动全解耦微小型无人机全向气动外形机身结构图；
图2为本发明的一种基于矢量推力的六自由度运动全解耦微小型无人机全向气动外形机身左视图；
图3为本发明的一种基于矢量推力的六自由度运动全解耦微小型无人机有向气动外形机身结构图；
图4为本发明的一种基于矢量推力的六自由度运动全解耦微小型无人机有向气动外形机身左视图；
图5为本发明的一种基于矢量推力的六自由度运动全解耦微小型无人机二自由度可倾转共轴旋翼结构图。
具体实施方式：
如图1所示为无人机的结构图，装置整体由机身、三个二自由度框架和三个共轴旋翼三部分构成。
图1中的机身采用底部平坦，顶部凸起的气动外形，沿机身径向飞行时可提供垂直于机身底面的气动升力。图2为其侧视图。
如图3中所示，机身也可以采用底部为等腰三角形，纵向剖面为圆头平凸形的气动外形。图4为其侧视图。
如图5所示为二自由度框架的三维结构图，其中二自由度框架包括外框架和内框架，外框架通过外框架电机连接机身，通过内框架电机连接内框架，内框架连接共轴旋翼，共轴旋翼通过旋翼电机连接螺旋桨。图5中的共轴旋翼包含一对共轴且反向旋转的螺旋桨。外框架电机驱动内框架，改变共轴旋翼的外框架角，内框架电机驱动共轴旋翼，改变共轴旋翼的内框架角，旋翼电机驱动螺旋桨，并改变螺旋桨的转速。

Claims (6)

1.一种基于矢量推力的六自由度运动全解耦微小型无人机结构，其特征在于：由机身(4)、三个二自由度框架(5)和三个共轴旋翼(6)构成。
2.根据权利要求1所述的一种基于矢量推力的六自由度运动全解耦控制微小型无人机结构，其特征在于：所述机身(4)采用底部平坦，顶部凸起的气动外形，沿机身纵向飞行时可提供垂直于底面的气动升力。
3.根据权利要求1所述的一种基于矢量推力的六自由度运动全解耦控制微小型无人机结构，其特征在于：所述的二自由度框架(5)包括外框架(8)和内框架(10)，外框架通过外框架电机(9)连接机身(4)，通过内框架电机(11)连接内框架(10)，内框架(10)连接共轴旋翼(6)，共轴旋翼(6)通过旋翼电机(12)连接螺旋桨(13)。
4.根据权利要求1所述的一种基于矢量推力的六自由度运动全解耦控制微小型无人机结构，其特征在于：所述共轴旋翼(6)包含一对共轴且反向旋转的螺旋桨(10)。
5.根据权利要求2所述的机身采用底部平坦，顶部凸起的气动外形，其特征在于：所述的气动外形，既可以是底部为圆形(4)，径向剖面为前后对称平凸形的全向气动外形，也可以是底部为等腰三角形(7)，纵向剖面为圆头平凸形的气动外形。
6.根据权利要求3所述的外框架，其特征在于：所述的外框架电机(9)驱动内框架(10)，改变共轴旋翼(6)的外框架角，所述的内框架电机(11)驱动共轴旋翼(6)，改变共轴旋翼(6)的内框架角，所述的旋翼电机(12)驱动螺旋桨(13)，并改变两个共轴的螺旋桨(13)的转速。
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