CN112874771A - 一种变形可倾转四旋翼无人机 - Google Patents

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冯坤辉
管若乔
李少林
王续乔
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Abstract

一种变形可倾转四旋翼无人机。其包括机体、飞行控制器、GPS定位模块、旋翼、倾转舵机活动支架、外连接件、机臂、内连接件、机臂转动轴、第一至第四动力电机、第一至第四倾转舵机、第一至第四变形电机、电池和通讯模块。本发明提供的变形可倾转四旋翼无人机具有如下有益效果：(1)通过在机臂外端加装倾转舵机，可使旋翼提供的推力方向时变，进而使机体实现位置和姿态全独立控制及调整，这样可以很大程度上提高对环境的适应性，扩展了应用场景；(2)变形形态大大增强了无人机的可通过性能，便于完成许多常规无人机无法执行的任务，如狭小空间的侦察、搜救，多障碍物环境下电力巡检等任务。

Description

一种变形可倾转四旋翼无人机
技术领域
本发明属于无人机结构技术领域，特别是涉及一种变形可倾转四旋翼无人机。
背景技术
四旋翼无人机正在革新从农业到交通、安全、基础设施、娱乐和搜救等诸多行业，所具有的机动性和悬停能力使其能够穿越复杂的结构，检查受损的建筑，甚至探索地下隧道和洞穴。然而，目前的四旋翼无人机仍然缺乏适应不同飞行条件和任务的能力，这在鸟类中很常见，而这一能力在复杂的情况下十分有用的，例如执行救援任务或检查复杂的结构。另外，鸽子和雨燕可通过折叠来调整它们的翅膀表面，以便在更大的速度范围内优化滑翔效率。鸽子也被证明会选择不同形态的翅膀来穿越不同大小的缝隙:它们向上折叠翅膀来穿越相对较大的垂直缝隙，然后将翅膀折叠成紧贴身体以穿越更窄的缝隙。
为了进一步增加四旋翼无人机的多功能性，最近有些学者正在研究自适应形态学的使用，包括在飞行期间修改飞行器的形状以适应特定的任务或环境。然而，这些工作要么增加了平台的复杂性，要么降低了其可控性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供了一种具备四种变形模式、实用可靠的变形可倾转四旋翼无人机。
为了达到上述目的，本发明提供的变形可倾转四旋翼无人机包括机体、飞行控制器、GPS定位模块、旋翼、倾转舵机活动支架、外连接件、机臂、内连接件、机臂转动轴、第一动力电机、第二动力电机、第三动力电机、第四动力电机、第一倾转舵机、第二倾转舵机、第三倾转舵机、第四倾转舵机、第一变形电机、第二变形电机、第三变形电机、第四变形电机、电池和通讯模块；其中，所述的第一变形电机、第二变形电机、第三变形电机和第四变形电机依次安装在机体的四角处；四个机臂的内端分别通过一个内连接件铰接在机体的一个角部，并且四个机臂位于同一平面内；每根机臂转动轴的两端分别连接在一台变形电机的输出轴和相应的内连接件上，因此在变形电机的驱动下机臂能够在平面内顺时针或逆时针转动；每根机臂的外端分别安装一个外连接件；每个外连接件的顶面上分别安装一个倾转舵机活动支架；第一倾转舵机、第二倾转舵机、第三倾转舵机和第四倾转舵机分别安装在一个外连接件的内部，并且输出端连接在相应的倾转舵机活动支架上；第一动力电机、第二动力电机、第三动力电机和第四动力电机分别安装在与第一倾转舵机、第二倾转舵机、第三倾转舵机和第四倾转舵机相连接的四个倾转舵机活动支架的顶面上，每台动力电机上均安装多片旋翼；飞行控制器和GPS定位模块安装在机体的顶面上，电池和通讯模块安装在机体的底面上，飞行控制器分别与GPS定位模块、动力电机、倾转舵机、变形电机和通讯模块电连接；通讯模块与地面操控人员手持的遥控器无线连接；电池用于为本无人机上各用电部件提供电能。
所述的飞行控制器采用STM32F7单片机。
所述的变形可倾转四旋翼无人机还包括安装在机体底面上且与飞行控制器电连接的视觉检测模块，包括摄像头。
所述的机体采用盒式结构。
所述的机臂与内连接件间通过螺丝连接。
所述的外连接件、机臂和内连接件采用碳纤维材料制成。
本发明提供的变形可倾转四旋翼无人机具有如下有益效果：
(1)通过在机臂外端加装倾转舵机，可使旋翼提供的推力方向时变，进而使机体实现位置和姿态全独立控制及调整，这样可以很大程度上提高对环境的适应性，扩展了应用场景；
(2)变形形态大大增强了无人机的可通过性能，便于完成许多常规无人机无法执行的任务，如狭小空间的侦察、搜救，多障碍物环境下电力巡检等任务。
附图说明
图1为本发明提供的变形可倾转四旋翼无人机立体图。
图2为“X”型模式下本发明提供的变形可倾转四旋翼无人机俯视图。
图3为“T”型模式下本发明提供的变形可倾转四旋翼无人机俯视图。
图4为“H”型模式下本发明提供的变形可倾转四旋翼无人机俯视图。
图5为“O”型模式下本发明提供的变形可倾转四旋翼无人机俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1-图5所示，本发明提供的变形可倾转四旋翼无人机包括机体1、飞行控制器2、GPS定位模块3、旋翼4、倾转舵机活动支架5、外连接件6、机臂7、内连接件8、机臂转动轴10、第一动力电机11、第二动力电机12、第三动力电机13、第四动力电机14、第一倾转舵机15、第二倾转舵机16、第三倾转舵机17、第四倾转舵机18、第一变形电机19、第二变形电机20、第三变形电机21、第四变形电机22、电池和通讯模块；其中，所述的第一变形电机19、第二变形电机20、第三变形电机21和第四变形电机22依次安装在机体1的四角处；四个机臂7的内端分别通过一个内连接件8铰接在机体1的一个角部，并且四个机臂7位于同一平面内；每根机臂转动轴10的两端分别连接在一台变形电机的输出轴和相应的内连接件8上，因此在变形电机的驱动下机臂7能够在平面内顺时针或逆时针转动；每根机臂7的外端分别安装一个外连接件6；每个外连接件6的顶面上分别安装一个倾转舵机活动支架5；第一倾转舵机15、第二倾转舵机16、第三倾转舵机17和第四倾转舵机18分别安装在一个外连接件6的内部，并且输出端连接在相应的倾转舵机活动支架5上；第一动力电机11、第二动力电机12、第三动力电机13和第四动力电机14分别安装在与第一倾转舵机15、第二倾转舵机16、第三倾转舵机17和第四倾转舵机18相连接的四个倾转舵机活动支架5的顶面上，每台动力电机上均安装多片旋翼4；飞行控制器2和GPS定位模块3安装在机体1的顶面上，电池和通讯模块安装在机体1的底面上，飞行控制器2分别与GPS定位模块3、动力电机、倾转舵机、变形电机和通讯模块电连接；通讯模块与地面操控人员手持的遥控器无线连接；电池用于为本无人机上各用电部件提供电能。
所述的飞行控制器2采用STM32F7单片机。
所述的变形可倾转四旋翼无人机还包括安装在机体1底面上且与飞行控制器2电连接的视觉检测模块，包括摄像头。
所述的机体1采用盒式结构，这样制作方便且具有较高的安全性和稳定性。
所述的机臂7与内连接件8间通过螺丝9连接。
所述的外连接件6、机臂7和内连接件8采用碳纤维材料制成，以减轻整机的重量。
本发明提供的变形可倾转四旋翼无人机可在“X”型、“T”型、“H”型和“O”型四种模式之间变换飞行形态：
当需要在“X”型模式下进行飞行时，此模式为本无人机的常规飞行形态，用于正常情况下的飞行，在该模式下，由地面操控人员利用遥控器通过通讯模块向飞行控制器2发出相应指令，在飞行控制器2的控制下，启动第一至第四动力电机11－14而使旋翼4进行转动，由此提供飞行动力及力矩。可通过不同的倾转舵机使相应的倾转舵机活动支架5产生不同角度的偏转，进而带动相应的动力电机整体转动，通过倾转角差动及旋翼差速来改变机体1的运动姿态及位置，由此实现原地姿态变换及保持特定姿态运动的功能，如图2所示；另外，在飞行过程中，可通过GPS定位模块3对无人机进行定位，并可利用视觉检测模块采集下方的图像。
当需要在“T”型模式下进行飞行时，在“X”型模式的形态下，由地面操控人员利用遥控器通过通讯模块向飞行控制器2发出相应指令，在飞行控制器2的控制下，第一、第二变形电机19，20分别控制相应的机臂7逆时针和顺时针转动45°而张开，使这两机臂处于同一条直线；第三、第四变形电机21，22则分别控制相应的机臂7顺时针和逆时针转动45°，使这两机臂处于平行状态，这时整个无人机呈“T”字构型。第三、第四动力电机13、14通过旋翼4提供竖直向上的升力，第一、第二动力电机11，12可在提供升力的同时由相应的倾转舵机驱动倾转，由此实现无人机的转向与进退，如图3所示；
当需要在“H”型模式下进行飞行时，在“X”型模式的形态下，由地面操控人员利用遥控器通过通讯模块向飞行控制器2发出相应指令，在飞行控制器2的控制下，第一、第二变形电机19，20分别控制相应的机臂7顺时针和逆时针转动45°，使这两机臂处于平行状态；第三、第四变形电机21，22则分别控制相应的机臂7顺时针和逆时针转动45°，使这两机臂也处于平行状态，这时整个无人机呈“H”字构型。四个动力电机均可通过相应的倾转舵机驱动倾转，由此实现无人机的偏航和进退，如图4所示；
当需要在“O”型模式下进行飞行时，在“X”型模式的形态下，由地面操控人员利用遥控器通过通讯模块向飞行控制器2发出相应指令，在飞行控制器2的控制下，第一至第四变形电机19－22分别控制相应的机臂7同时逆时针或顺时针转动45°，使无人机收紧轴距缩短，由此使无人机可以通过狭窄区域,如图5所示。

Claims (6)

1.一种变形可倾转四旋翼无人机，其特征在于：所述的变形可倾转四旋翼无人机包括机体(1)、飞行控制器(2)、GPS定位模块(3)、旋翼(4)、倾转舵机活动支架(5)、外连接件(6)、机臂(7)、内连接件(8)、机臂转动轴(10)、第一动力电机(11)、第二动力电机(12)、第三动力电机(13)、第四动力电机(14)、第一倾转舵机(15)、第二倾转舵机(16)、第三倾转舵机(17)、第四倾转舵机(18)、第一变形电机(19)、第二变形电机(20)、第三变形电机(21)、第四变形电机(22)、电池和通讯模块；其中，所述的第一变形电机(19)、第二变形电机(20)、第三变形电机(21)和第四变形电机(22)依次安装在机体(1)的四角处；四个机臂(7)的内端分别通过一个内连接件(8)铰接在机体(1)的一个角部，并且四个机臂(7)位于同一平面内；每根机臂转动轴(10)的两端分别连接在一台变形电机的输出轴和相应的内连接件(8)上，因此在变形电机的驱动下机臂(7)能够在平面内顺时针或逆时针转动；每根机臂(7)的外端分别安装一个外连接件(6)；每个外连接件(6)的顶面上分别安装一个倾转舵机活动支架(5)；第一倾转舵机(15)、第二倾转舵机(16)、第三倾转舵机(17)和第四倾转舵机(18)分别安装在一个外连接件(6)的内部，并且输出端连接在相应的倾转舵机活动支架(5)上；第一动力电机(11)、第二动力电机(12)、第三动力电机(13)和第四动力电机(14)分别安装在与第一倾转舵机(15)、第二倾转舵机(16)、第三倾转舵机(17)和第四倾转舵机(18)相连接的四个倾转舵机活动支架(5)的顶面上，每台动力电机上均安装多片旋翼(4)；飞行控制器(2)和GPS定位模块(3)安装在机体(1)的顶面上，电池和通讯模块安装在机体(1)的底面上，飞行控制器(2)分别与GPS定位模块(3)、动力电机、倾转舵机、变形电机和通讯模块电连接；通讯模块与地面操控人员手持的遥控器无线连接；电池用于为本无人机上各用电部件提供电能。
2.根据权利要求1所述的变形可倾转四旋翼无人机，其特征在于：所述的飞行控制器(2)采用STM32F7单片机。
3.根据权利要求1所述的变形可倾转四旋翼无人机，其特征在于：所述的变形可倾转四旋翼无人机还包括安装在机体(1)底面上且与飞行控制器(2)电连接的视觉检测模块，包括摄像头。
4.根据权利要求1所述的变形可倾转四旋翼无人机，其特征在于：所述的机体(1)采用盒式结构。
5.根据权利要求1所述的变形可倾转四旋翼无人机，其特征在于：所述的机臂(7)与内连接件(8)间通过螺丝(9)连接。
6.根据权利要求1所述的变形可倾转四旋翼无人机，其特征在于：所述的外连接件(6)、机臂(7)和内连接件(8)采用碳纤维材料制成。
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