CN114684347A - 一种球形倾转旋翼全向飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球形倾转旋翼全向飞行器，包括球形机架、倾转机构、动力单元和控制模组等四部分。所述球形机架包括球形经线环梁和纬线环梁、上平台和下平台；所述倾转机构包括舵机、舵机固定架、法兰和连接杆；所述动力单元包括电机、螺旋桨、电机固定板和固定夹；所述控制模组包括飞行控制器、功能扩展模块和电池；所述倾转机构和动力单元组成倾转旋翼组件，并采用悬臂梁结构固定在球形机架上，使倾转旋翼组件与控制模组相对隔离，可抑制电机振动对控制模组的干扰；所述球形机架，可对倾转旋翼组件进行保护，提高飞行的稳定性与安全性；所述安装控制模组的上平台和下平台，置于球形机架内部偏下，使飞行器重心位于球形机体下半球区域，可在飞行器失稳跌落后自动调节恢复待飞姿态以便重新复飞，提高飞行器的容错性。本发明可以通过倾转旋翼实现定点悬停状态时的机体姿态变化，也可以在机体固定姿态时进行全空间方向飞行；通过调节倾转旋翼倾转角可实现飞行器的位置和姿态解耦，使飞行器具有全向飞行运动能力，提高了飞行器的灵活性和机动性。

Description

一种球形倾转旋翼全向飞行器

技术领域

本发明涉及无人飞行器领域，特别涉及一种球形倾转旋翼全向飞行器。。

背景技术

传统的多旋翼飞行器通过控制多个旋翼的电机转速实现悬停、前后飞、侧飞和转向等，具有体积小、质量轻、结构简单、便于控制、成本低等特点，近年来已广泛应用于农业、测绘、军事、安防、救灾等领域。但是，传统多旋翼飞行器存在一定的局限性，多旋翼飞行器作为典型的欠驱动系统，在飞行过程中飞行器的升力垂直于机体平面，因此在实现前进后退、左右飞行等飞行动作时，飞行器只能通过调节机体姿态使升力产生分力来实现，其飞行速度和机动性受到很大限制，特别是对于一些特定飞行姿态的工作环境和任务，传统多旋翼飞行器还无法胜任。因此，针对如何提高多旋翼飞行器的机动性和灵活性是需要迫切解决的问题，近年来具有倾转旋翼的全向飞行器受到越来越多的关注。

具有倾转旋翼的全向飞行器，通过旋翼倾转机构改变旋翼驱动力方向，实现飞行器的位置和姿态解耦，使飞行器在飞行过程中具有全向飞行能力，可在不同姿态下保持悬停状态，也可在水平姿态或者倾斜姿态下飞行，提高了多旋翼飞行器的灵活性和机动性。

发明内容

为了克服上述传统多旋翼飞行器技术的不足，本发明提供了一种球形倾转旋翼全向飞行器，该飞行器通过倾转机构改变旋翼倾转方向，实现飞行器的位姿和姿态解耦，提高飞行器的灵活性和机动性。提供了一种球形机架，通过球形外框对倾转旋翼组件进行外力防护，提高飞行器的安全性；通过机体质心置于球形机架下半球区域并采用飞行器外轮廓球形结构，使飞行器失稳跌落后能自动调整姿态进行复飞，提高飞行器的容错性。提供了一种悬臂梁结构的旋翼安装方式，使旋翼和控制模组相对隔离，降低旋翼驱动电机的振动干扰，提高飞行器的稳定性。

本发明为解决其问题所采用的技术方案如下：

一种球形倾转旋翼全向飞行器，包括球形机架、倾转机构、动力单元和控制模组四部分组成；

所述球形机架包括球形经线环梁和纬线环梁、安装上平台和下平台；

所述倾转机构包括舵机、舵机固定架、法兰和连接杆，舵机通过固定架与球形机架相连；

所述动力单元包括电机、螺旋桨、电机固定板和固定夹，电机通过固定夹与倾转机构相连；

所述控制模组包括飞行控制器、功能扩展模块和电池。

进一步地，所述球形机架的球形外框采用经纬环梁交叉固定，保证机架球形结构的稳固可靠，所述球形机架的安装上平台和下平台置于球形机架内部偏下，所述控制模组位于安装平台上，使飞行器质心位于机体下半球区域，从而使飞行器在失稳跌落地面时能自动调整姿态进行复飞。

进一步地，所述倾转机构和动力单元构成倾转旋翼组件，倾转旋翼组件采用悬臂梁结构均布安装于球形机架圆周点上，所述倾转旋翼组件与球形机架的安装平台相对隔离，可抑制旋翼驱动电机振动对控制模组的影响。

本发明实施例提供一种球形倾转旋翼全向飞行器，与传统多旋翼飞行器技术相比，其有益效果在于：

本发明实施例的一种球形倾转旋翼全向飞行器，具有普通飞行和全向飞行两种模式，可根据工作场景选择不同的飞行模式；普通飞行模式时与传统多旋翼飞行器相同，飞行器的倾转机构的倾转角保持不变，使旋翼转轴垂直于定点悬停时机体水平面，此时通过控制模组调节电机转速实现飞行器的飞行和姿态控制；全向飞行模式分为两种情况，一种是飞行器机体保持固定姿态下进行飞行器的位置控制，另一种是飞行器保持悬停状态下进行飞行器的姿态控制，该模式下飞行器通过倾转机构改变旋翼倾转角度来改变飞行器的驱动力方向，使飞行器能够产生所需姿态的飞行驱动力和力矩，实现位置与姿态的解耦控制，使飞行器具有全向飞行能力，提高了多旋翼飞行器的灵活性、机动性和容错性；球形机架的球形外轮廓使飞行器在失稳跌落地面时能依靠重心自动调整姿态进行复飞。

附图说明

图1是本发明实施例的球形倾转旋翼全向飞行器整体示意图；

图2是本发明实施例的球形机架结构示意图；

图3是本发明实施例的倾转机构示意图；

图4是本发明实施例的动力单元示意图；

图5是本发明实施例的倾转旋翼组件示意图；

图6是本发明实施例的控制模组的安装示意图。

图中，1-球形机架，2-倾转机构，3-动力单元，4-控制模组，101-经线环梁，102-纬线环梁，103-上平台，104-下平台，201-舵机固定架，202-舵机，203-法兰，204-连接杆，301-固定夹，302-电机固定板，303-电机，304-螺旋桨，401-飞行控制器，402-功能扩展模块，403-电池。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体技术方案作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例是一种球形倾转旋翼全向飞行器整体示意图，由球形机架1、倾转机构2、动力单元3、控制模组4等组成；所述的动力单元3安装在倾转机构2上，倾转机构2和控制模组4均安装在球形机架1上。

如图2所示，本发明球形机架1，由经线环梁101、纬线环梁102、上平台103、下平台104等组成；所述球形机架1的球形外框采用经纬梁结构，由2个经线环梁101和5个纬线环梁102交叉固定，保障机架的稳固可靠；所述球形机架1对旋翼倾转空间提供外力防护功能，提高飞行的安全性；所述球形机架1的安装平台由上平台103和下平台104组成，并固定在球形外框的内部下半球区域，飞行器的重心也位于球形机体下半球区域，使飞行器在失稳跌落后，可依靠球形外框和自身重力自动调整至旋翼向上的起飞姿态，以便于重新复飞。

如图3所示，本发明倾转机构2，由舵机固定架201、舵机202、法兰203、连接杆204等组成；所述舵机202通过固定架201安装在球形机架1上，连接杆204由法兰203与舵机输出轴相连，舵机202带动连接杆204进行转动。

如图4所示，本发明动力单元3，由固定夹301、电机固定板302、电机303、螺旋桨304等组成；所述螺旋桨304安装在电机303的输出轴上，电机固定板302和固定夹301连接固定。

如图5所示，本发明倾转旋翼组件由动力单元3通过固定夹301固定在倾转机构2的连接杆204上，通过舵机202控制旋翼实现倾转；所述倾转旋翼组件的倾转机构2和动力单元3采用模块化设计，可根据需要进行模块化更换；所述倾转旋翼组件采用悬臂梁结构固定于球形机架1上，并对称均布在球形机架1的圆周上，飞行器的倾转旋翼组件和安装平台相对隔离，降低了电机对安装平台上控制模组的振动干扰。

如图6所示，本发明飞行器的控制模组由飞行控制器401、功能扩展模块402、电池403等组成；所述飞行控制器401和功能扩展模块402均安装在机体上平台102的安装槽内，电池403安装在机体下平台103上。

本发明实施例一种球形倾转旋翼全向飞行器具有普通飞行模式和全向飞行模式两种飞行模式；所述的普通飞行模式，当飞行器的旋翼旋转轴垂直于定点悬停时机体水平面，且倾转机构2倾转角保持不变时，飞行器为普通飞行模式，此时飞行器通过调节4个电机303转速实现飞行方向和姿态控制；所述的全向飞行模式，当飞行器的倾转机构2工作时，飞行器为全向飞行模式，此时飞行器通过调节旋翼倾转角度来改变旋翼的驱动力方向，在定姿态状态下飞行器的飞行位置控制可通过调节四个旋翼的倾转角来实现，而不需要改变机体姿态，在悬停状态下通过调节旋翼的倾转角可改变飞行器的姿态；所述的飞行器固定姿态、变换姿态、全向飞行是通过倾转旋翼形成驱动力的垂直分力和水平分力变化而实现的。

本发明实施例一种球形倾转旋翼全向飞行器，通过球形结构和倾转旋翼，可实现失稳跌落后的姿态自动调整和复飞，在定姿态和变姿态情况下实现全空间方向高机动飞行。

Claims (13)

1.一种球形倾转旋翼全向飞行器，包括球形机架、倾转机构、动力单元和控制模组，所述动力单元通过连接件与所述倾转机构相连，相连的倾转机构和动力单元通过固定架与所述球形机架相连，所述控制模组安装在球形机架的上平台和下平台的安装面上。

2.根据权利要求1所述的球形倾转旋翼全向飞行器，其特征在于，所述球形机架包括球形经线环梁、纬线环梁、安装平台的上平台和下平台，且均为碳纤维材料。

3.根据权利要求1所述的球形倾转旋翼全向飞行器，其特征在于，所述倾转机构包括舵机、舵机固定架、连接杆和法兰，且所述固定架和连接杆为碳纤维材料。

4.根据权利要求1所述的球形倾转旋翼全向飞行器，其特征在于，所述动力单元包括电机、螺旋桨、电机固定板和固定夹，所述螺旋桨安装在电机的输出轴上。

5.根据权利要求3所述的球形倾转旋翼全向飞行器，其特征在于，所述倾转机构通过舵机固定架与球形机架的球形外框相连，所述倾转机构和动力单元对称分布在球形机架圆周的四个点上。

6.根据权利要求要求3所述的球形倾转旋翼全向飞行器，其特征在于，所述倾转机构采用模块化设计，可根据需求进行模块整体更换。

7.根据权利要求4所述的球形倾转旋翼全向飞行器，其特征在于，所述动力单元通过固定夹与倾转机构的连接杆相连。

8.根据权利要求要求4所述的球形倾转旋翼全向飞行器，其特征在于，所述动力单元采用模块化设计，可根据需求进行模块整体更换。

9.根据权利要求1所述的球形倾转旋翼全向飞行器，其特征在于，所述动力单元和倾转机构组成倾转旋翼系统并采用悬臂梁结构安装在球形机架的球形外框上，与所述球形机架的安装平台相对隔离，可在一定程度上抑制由于电机和舵机振动对安装平台上控制模组的干扰。

10.根据权利要求2所述的球形机架，其特征在于，所述球形外框架采用经纬梁结构，由经线环梁和纬线环梁通过交叉固定构成；所述安装平台由两层结构组成，分为上平台和下平台并与球形外框架相连，安装平台安装在球形机架内部下半球区域；所述球形机架对倾转旋翼提供了一个倾转空间，可进行外力防护，使倾转旋翼在一个安全空间区域内运行。

11.根据权利要求1所述的球形倾转旋翼全向飞行器，其特征在于，所述飞行器为球体结构且飞行器重心在球体下半球区域，飞行器在意外跌落时可依靠自身重力自动调整姿态至旋翼向上，以便重新复飞。

12.根据权利要求1所述的球形倾转旋翼全向飞行器，其特征在于，所述控制模组包括电池、飞行控制器和功能扩展模块。

13.根据权利要求12所述的控制模组，其特征在于，所述飞行控制器与功能扩展模块固定在球形机架的安装平台的上平台，所述电池固定在安装平台的下平台。

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