CN112278255A - 一种用飞轮进行姿态控制的无人机 - Google Patents

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宋硕
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孙冲
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Abstract

本发明公开了一种用飞轮进行姿态控制的无人机，包括无人机本体。所述无人机主要由框架、飞轮驱动机构以及旋翼机构构成，包含三个由电机驱动的互相垂直飞轮机构，用于控制无人机俯仰、横滚与偏航轴的倾角，从而控制无人机的飞行方向；包含一个由电机驱动的共轴双桨的旋翼机构，上下两个旋翼旋向相反，转速相同，产生的扭矩相同。控制效果更加平稳，防止出现误操作导致的力矩突变以及姿态突变。

Description

一种用飞轮进行姿态控制的无人机
技术领域
本发明涉及一种无人机，其特点在于使用了共轴双桨的旋翼系统，以及使用飞轮作为其转向的驱动装置。
技术背景
在常见的旋翼无人机的操控过程中，由于其进行俯仰、偏航、滚转等动作时，主要由不同旋翼之间的力的差值或是力矩的差值进行控制的，由于力的差值或者力矩差值难以计算或预估，往往导致无人机在进行俯仰、偏航、滚转等动作时过程不平滑，产生较大的震荡，且需要反复调整以达到预期位置。因此我们希望将这一缺点进行改进，考虑到由于飞轮产生控制力以及控制力矩较为稳定，突变小，力矩平缓，因此我们希望将飞轮应用于无人机控制中，使无人机的控制更加平稳。
同时，对于一般的没有尾桨的共轴双桨无人机，主要由共轴双旋翼以及舵机作为驱动，利用舵机改变旋翼系统的方向可以实现俯仰与横滚运动，飞行较为平稳，且节省空间，利用这套飞轮系统(单轴)布置与飞行器垂直于螺旋桨驱动轴的一面上，可以实现利用飞轮控制其偏航角。
发明内容
本发明，设计了一种新型的无人机的控制方法，可以解决目前常用的无人机的部分问题，式飞行过程更加平稳。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种利用飞轮进行姿态控制的无人机。
其中无人机本体主要由外部框架、飞轮、旋翼机构、飞轮电机、旋翼电机、主控板、飞轮电机基座、旋翼电机基座以及主控基座构成。三个飞轮相互垂直，用于控制无人机俯仰、横滚与偏航轴的倾角，从而控制无人机的飞行方向；旋翼机构是一个共轴双桨旋翼，上下两个旋翼旋向相反，转速相同。
外部框架是无人机的主要结构，其外观上是一个中空立方体，飞轮电机基座、主控基座、旋翼电机基座，三种基座与外部框架通过连接柱固定，连接柱的具体长度与飞轮厚度和电机轴长度有关。
飞轮利用法兰联轴器固定在电机轴上，位于外部框架与电机基座之间，飞轮与联轴器的总厚度不超过电机轴可使用的长度。飞轮电机固定在电机基座上，其轴指向外部框架方向，但不超出外部框架平面，三个平面以及螺旋桨电机皆如此安装。
旋翼电机被固定在旋翼电机基座上，电机轴延伸到外部框架之外，以便在电机轴上安装共轴双桨旋翼机构，旋翼电机基座固定通过连接柱固定在外部框架上。
无人机的主控以及电池被固定在主控基座上，主控基座通过连接柱与外部框架连接、固定，以防止支架晃动导致主控产生位移。主控位于整个外部框架的正中心。
本发明的技术效果如下：
1.一种新型的无人机控制方式，相比四旋翼的控制方式，使用飞轮转速控制力矩，控制效果更加平稳，防止出现误操作导致的力矩突变以及姿态突变。
2.为共轴双旋翼无尾桨的无人机设计了一种新的控制思路，不局限于舵机控制的方式，使用舵机直接控制翼面角度会使舵机受到较大载荷，而且直接控制翼面会产生较大抖动，影响操控或者航拍效果。
附图说明
图1为本发明提出的无人机的整体外观展示；
图2为本发明提出的无人机的结构示意图；
图3为本发明提出的无人机内部电机—飞轮驱动系统结构示意图；
图4为本发明提出的无人机内部电机—共轴双桨旋翼系统结构示意图；
图5为本发明提出的无人机内部主控及基座的结构示意图；
图中：1-无人机本体、2-连接机构、3-无人机外部框架、4-连接柱、5-飞轮电机基座、6-飞轮、7-飞轮电机、8-法兰联轴器、9-共轴双桨旋翼、10-旋翼电机基座、11-旋翼电机、12-主控基座、13-主控板、14-电池组。
具体实施方式
为了清楚说明本方案的技术特点，将结合附图，对于方案实施的具体方案进行详细阐述。
参照附图所示，能够展示出无人机1的完整内部结构，可以看到主要内部结构,包括外框架3、飞轮6、两种大小不同的电机(飞轮电机7与旋翼电机11)、共轴双桨旋翼结构9、主控13与电池组14。所述无人机的外部框架3、基座5(10、12)等结构采用轻型的ABS材料、由3D打印获得，减轻结构质量，飞轮6部分使用了铝合金材料。
所述无人机1的结构主要被固定在外部框架3上。共轴双桨旋翼机构安装在旋翼电机11上，旋翼电机11被固定在旋翼电机基座10上，基座10通过连接柱4固定在外框架3上。飞轮机构利用法兰联轴器8安装在飞轮电机7上，飞轮电机7被固定在飞轮电机基座5上，基座5通过连接柱4固定在外框架3上。主控13与电池14安装在主控基座12上，主控板13位于外部框架3结构的几何中心位置，主控基座12也由连接柱4固定在外部框架3上。
所述无人机1采用共轴双桨旋翼结构9，由旋翼电机11驱动、能源来自电池组14。其主要结构为两个旋向相反的旋翼以及内部的传动结构，保证其旋向相反但转速相同，产生的扭矩相互抵消，使无人机1在偏航轴能保持稳定。
所述无人机1采用飞轮6作为姿态控制以及稳定的装置。主要原理：三个飞轮6机构相互垂直，分别控制无人机1的偏航轴、俯仰轴、滚转轴的姿态。主要控制力矩通过飞轮6加减转速时产生的转矩提供。在俯仰轴与滚转轴通过控制力矩实现无人机1整体的角度偏转，此时旋翼6相对于水平面的角度也会发生改变，其由升力产生的分力就会带动无人机1朝需要的方向前进，但同时由于在垂直地面方向上，无人机1的升力相对下降，因此需要相应的提高升力大小。在偏航轴，可以直接通过飞轮的加减速改变无人机1的偏航角。
在此前提下，可对无人机1进行适当改造，例如使用有差动传动结构的共轴双桨旋翼9系统，利用该结构可以控制上下旋翼的转速，以实现偏航角的控制，进一步可以减少一个偏航轴上的电机7-飞轮6机构等。因此以上所述只是针对本发明的其中一种优选方案，但本发明的保护范围并不局限于此。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在本发明的基础上还可以做出若干的技术推演以及推算，都应当属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种利用飞轮进行姿态控制的无人机，包括外部框架、飞轮、旋翼机构、飞轮电机、旋翼电机、主控板、飞轮电机基座、旋翼电机基座以及主控基座，其特征在于，三个飞轮相互垂直，用于控制无人机俯仰、横滚与偏航轴的倾角，从而控制无人机的飞行方向；旋翼机构是一个共轴双桨旋翼，上下两个旋翼旋向相反，转速相同，外部框架是一个中空立方体，飞轮电机基座、主控基座、旋翼电机基座，三种基座与外部框架通过连接柱固定，连接柱的具体长度与飞轮厚度和电机轴长度有关。
2.根据权利要求1所述的一种利用飞轮进行姿态控制的无人机，其特征在于，飞轮通过法兰联轴器固定在电机轴上，位于外部框架与电机基座之间，飞轮与联轴器的总厚度不超过电机轴可使用的长度，飞轮电机固定在电机基座上，其轴指向外部框架方向，但不超出外部框架平面，三个平面以及螺旋桨电机皆如此安装。
3.根据权利要求1所述的一种利用飞轮进行姿态控制的无人机，其特征在于，旋翼电机被固定在旋翼电机基座上，电机轴延伸到外部框架之外，以便在电机轴上安装共轴双桨旋翼机构，旋翼电机基座固定通过连接柱固定在外部框架上。
4.根据权利要求1所述的一种利用飞轮进行姿态控制的无人机，其特征在于，无人机的主控以及电池被固定在主控基座上，主控基座通过连接柱与外部框架连接、固定，以防止支架晃动导致主控产生位移，主控位于整个外部框架的正中心。
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