CN117068382A - 高敏捷性高速矢量四旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明属于多旋翼飞行器技术领域，具体涉及一种高敏捷性高速矢量四旋翼飞行器，包括机身和可以矢量转向的旋翼转向机构，旋翼转向机构包括两个联动控制器，联动控制器安装机身上，联动控制器两端分别控制一根机臂转动，两个联动控制器控制的机臂的轴线的连线相互交叉，每根机臂上远离联动控制器的一端上分别安装有舵机，舵机的输出轴上安装有摆臂，摆臂的摆动范围以其所在的机臂的轴线而轴对称，摆臂上安装有动力电机，动力电机的输出端上安装有螺旋桨。本发明从结构设计优化出发，解决了多旋翼飞行器机身姿态与旋翼姿态相互耦合问题，从而实现快速调整飞行方向的高敏捷性飞行、在任意不水平的地面垂直起飞降落及高精度控制机身飞行姿态。

Description

高敏捷性高速矢量四旋翼飞行器

技术领域

本发明属于多旋翼飞行器技术领域，具体涉及一种高敏捷性高速矢量四旋翼飞行器。

背景技术

多旋翼飞行器的组成主要包括动力单元、机架组件、飞控系统以及负载组件，机架组件通常为形状固定的刚性结构，其余组件都通过机架安装固定。通常，动力组件是通过高速旋转的直流无刷电机带动螺旋桨的转动来提供推力。动力组件在机架组件上的方向与位置是固定的。这就导致传统的多旋翼飞行器的机身姿态与旋翼姿态相互耦合。

相关技术中，大多采用优化的飞控算法实现多旋翼飞行器机身姿态与旋翼姿态的结构。也有优化结构设计以实现多旋翼飞行器机身姿态与旋翼姿态解耦的技术方案，例如公开号为CN111645855B的、名称为“两轴模组及使用该组件的无人机”的中国发明专利就公开了一种技术方案，其核心技术思想是采用两组Y型连接件结构且将动力电机安装在类似陀螺仪的结构中，实现多旋翼飞行器机身姿态与旋翼姿态的解耦，但是这种结构存在的缺点是：受限于其类似陀螺仪的连接件的结构设计，其飞行时必然至少有两个内环框架构成了较大的迎风面，而且每个内环框架外还设有外环框架，极大地增加了飞行器风阻，再加整个飞行器的结构设计导致飞控复杂，也很难做到飞行器高敏捷性地机动，导致这种方案的多旋翼飞行器并不能高速飞行。

发明内容

本发明意在提供一种高敏捷性高速矢量四旋翼飞行器，以解决多旋翼飞行器机身姿态与旋翼姿态相互耦合且不能高速、高敏捷性地飞行的问题。

为了达到上述目的，本发明的方案为：高敏捷性高速矢量四旋翼飞行器，包括机身和可以矢量转向的旋翼转向机构，旋翼转向机构包括两个联动控制器，联动控制器安装机身上，联动控制器两端分别控制一根机臂转动，两个联动控制器控制的机臂的轴线的连线相互交叉，每根机臂上远离联动控制器的一端上分别安装有舵机，舵机的输出轴上安装有摆臂，摆臂的摆动范围以其所在的机臂的轴线而轴对称，摆臂上安装有动力电机，动力电机的输出端上安装有螺旋桨。

本方案的工作原理及有益效果在于：

两个联动控制器控制的机臂的轴线的连线相互交叉是指：一个联动控制器两端的机臂的轴线的连线与一个联动控制器两端的机臂的轴线的连线交叉，该交叉可不共面，但两个连线在机身所处的平面上的投影相交。机臂上舵机和摆臂的设置，使得摆臂能够以机臂的轴线为中心线摆向机臂的两侧。

每个联动控制器可控制一对机臂的转动，再加上舵机和摆臂的设置，可让每个旋翼在避免与机臂干涉的情况下处于任意倾斜角度，从而实现四个旋翼的矢量控制；而两个联动控制器分别控制一对旋翼，则可成对地控制旋翼，一对旋翼可用于控制机身的姿态，另一对旋翼则可实现飞行器的机动，不但可以可降低飞控难度，而且同样是四旋翼的情况下，本方案能够现对于相关技术减少25％的电机使用量。也可同时使用四个旋翼复合控制飞行器的姿态和位置。

本方案中的四旋翼飞行器能够以高自由度姿态飞行：机身姿态不变情况下可改变旋翼推力方向，使移动不受机体姿态限制，实现机身姿态与旋翼姿态的解耦，因此可实现任意姿态飞行，具有优异的通过性。

现有技术中，四旋翼飞行器的起降必须依赖水平的平面才能实现，本方案中的四旋翼飞行器通过机身姿态与旋翼姿态的解耦，可在任意不水平的地面实现垂直起飞和垂直降落。

本方案中的四旋翼飞行器能够高敏捷度地飞行：传统四旋翼飞行器在快速改变机体位置时，必须协同调整机身姿态，导致响应速度慢。矢量四旋翼飞行器无需改变机身姿态，便可实现方向改变和加速飞行，响应速度更快，敏捷性更高。

本方案中的四旋翼飞行器高速飞行：传统四旋翼飞行过程中机身需倾斜，增加了迎风面，飞行阻力大。而本方案中的矢量四旋翼飞行时可以保持水平姿态，迎风面小，飞行阻力小。此外，传统四旋翼机身只能小角度倾斜，而矢量旋翼可以做到大角度倾转，提高了推进能力和飞行速度。

可选地，同一个联动控制器两端的机臂同向或者反向转动。

可选地，联动控制器包括蜗轮和蜗杆，机臂连接在蜗轮上，蜗轮和蜗杆啮合，蜗杆上连接有联动电机。用蜗轮蜗杆带动同一联动控制器上的两根机臂同向转动，并且利用蜗轮蜗杆的啮合锁定机臂的转动角度，防止机臂自行反转。

可选地，联动控制器上还安装有同步装置，同步装置连接同一个联动控制器上的两根机臂，同步装置上连接有同步电机。通过同步电机驱动同步装置，利用同步装置同步地控制同一个联动控制器上的两根机臂，也有利于进一步提高飞行器的敏捷性。

可选地，同步装置包括两个同步带轮，两个同步带轮分别连接同一个联动控制器的两侧的机臂，同步带轮通过同步带连接。通过同步带来同步同一个联动控制器上的两根机臂的转动，也可减少联动电机的数量，用一个联动电机来控制两根机臂。

可选地，同步装置包括同步齿轮组，同步齿轮组包括一对主动齿轮和一对从动齿轮，从动齿轮分别安装在同一个联动控制器两侧的机臂上，主动齿轮之间通过齿轮轴连接，齿轮轴转动连接在机身上，两个从动齿轮与两个主动齿轮啮合。通过同步齿轮组来同步同一个联动控制器上的两根机臂的转动。

可选地，同一个联动控制器的两根机臂同轴地连接在一起。

可选地，机臂上还安装有角度限制器，机臂上同轴套设有套环，套环上安装有挡杆；机身上安装有支撑座，支撑座上安装有限位杆，限位杆位于挡杆的旋转路径上。利用角度限制器，可以限定机臂的转动范围，即利用限位杆阻挡挡杆来限制机臂的转动。

可选地，支撑座上还安装有行程开关，行程开关位于挡杆的旋转路径上。通过角度限制器结合行程开关的双保险的方式限制机臂的转动范围。

可选地，两个联动控制器分别连接在机身相反的两侧。如此结构设置，可让机身结构更紧凑。

附图说明

图1为本发明实施例一中高敏捷性高速矢量四旋翼飞行器的结构示意图；

图2为本发明实施例一中角度限制器的结构示意图；

图3为本发明实施例一中高速矢量四旋翼飞行器在斜坡上起降时的状态的示意图；

图4为本发明实施例二中高敏捷性高速矢量四旋翼飞行器的结构示意图；

图5为本发明实施例三中高敏捷性高速矢量四旋翼飞行器的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的标记包括：机身1、安装板101、联动控制器2、第一蜗轮201、联动电机202、机臂3、舵机4、摆臂5、动力电机6、角度限制器7、挡杆701、限位杆702、同步装置8、主动齿轮801、从动齿轮802、同步电机803。

实施例一

本实施例基本如图1所示：高敏捷性高速矢量四旋翼飞行器，包括机身1和两个联动控制器2，联动控制器2安装机身1的同一侧上，联动控制器2两端分别控制一根机臂3转动，在本实施例中，两根机臂3合并在一起为一体成型的中空的圆杆，联动控制器2位于圆杆的中部。两个联动控制器2控制的机臂3的轴线的连线相互交叉但并不位于同一平面上，本实施例中交叉角度为90°。在本实施例中，联动控制器2包括第一蜗轮201和第一蜗杆，机臂3贯穿第一蜗轮201，机臂3中部上安装花键，第一蜗轮201中部则开设有与花键配合的花键槽，机臂3通过花键与花键槽与第一蜗轮201连接在一起。第一蜗轮201和第一蜗杆啮合，第一蜗杆上连接有联动电机204，本实施例中联动电机204为伺服电机，精确控制联动电机204的输出的转动量，从而精确控制机臂3的转动角度。

机臂3上远离联动控制器2的两端上分别安装有舵机4，本实施例中，舵机4为B&BC-CAI双轴舵机4，舵机4两侧均有输出轴且安装有摆臂5，在摆臂5的摆动范围以其所在的机臂3的轴线而轴对称，在本实施例中，摆臂5呈“[”形，摆臂5的两端与舵机4的输出轴两端稳定连接，摆臂5的中部则安装动力电机6，动力电机6的输出端上安装有螺旋桨。

机臂3上还安装有角度限制器7，角度限制器7如附图2所示，包括机臂3上同轴套设的套环，套环上安装有挡杆701；机身1上安装有支撑座，支撑座上安装有限位杆702，限位杆702位于挡杆701的旋转路径上，支撑座上还安装有行程开关，行程开关位于挡杆701的旋转路径上。

行程开关、联动电机204、舵机4和动力电机6均与飞控系统连接。

具体实施过程中，通过飞控系统分别控制两个联动电机204和四个舵机4，两个联动电机204通过两个联动控制器2分别控制两根机臂3，每个舵机4则单独控制舵机4的摆动角度。联动电机204和舵机4的复合控制飞行器的姿态和位置。并且机体姿态不变情况下可改变旋翼推力方向，使移动不受机体姿态限制，实现机身姿态与旋翼姿态的解耦，因此可实现任意姿态飞行，具有优异的通过性。本实施例中的矢量四旋翼飞行器无需改变机身1姿态，便可实现方向改变和加速飞行，响应速度更快，具有优异敏捷性。本实施例中的矢量四旋翼飞行时可以保持水平姿态，迎风面小，飞行阻力小。此外，传统四旋翼机身1只能小角度倾斜，而矢量旋翼可以做到大角度倾转，提高了推进能力和飞行速度。

本实施例中的四旋翼飞行器实现了机身姿态与旋翼姿态的解耦，可在任意不水平的地面实现垂直起飞和垂直降落，附图3为本实施例中的四旋翼飞行器在斜坡上起降时的状态的示意图。

实施例二

本实施例与实施例一的区别之处在于：基本如附图4所示，两个联动控制器2分别连接在机身1相反的两侧，即机身1主体结构为平面型的安装板101，两个联动控制器2分别安装在安装板101上下的两侧。同样的，每个联动控制器2的上安装的机臂3、舵机4、动力电机6等也分布于安装板101的上下两侧。分两侧布置两个联动控制器2和四个机臂3，可以减少机身1长和宽的尺寸，而且对于采用一个联动控制器2同时控制两个机臂3的方案，也无需解决两个联动控制器2的机臂3交叉的问题。

实施例三

本实施例与实施例一的区别之处在于：基本如附图5所示，包括机身1和两个联动控制器2，联动控制器2安装机身1的同一侧上，联动控制器2两端分别控制一根机臂3转动，机臂3均为中空的碳纤维制成的圆杆，其中一个联动控制器2的两个机臂3一体成型，另一个联动控制器2两端的机臂3分离设置，但所有机臂3的轴线在同一平面上且两个联动控制器2控制的机臂3的轴线的连线交叉角度为90。包括了一体成型的机臂3的联动控制器2上连接了联动电机204，另一联动控制器2上则设置了同步装置8。本实施例中，同步装置8包括同步齿轮组，同步齿轮组包括一对主动齿轮801和一对从动齿轮802，从动齿轮802分别安装在同一个联动控制器2两侧的机臂3上，主动齿轮801之间通过齿轮轴连接，齿轮轴转动连接在机身1上，两个从动齿轮802与两个主动齿轮801啮合，其中一个齿轮轴上连接有同步电机803。

同步装置8设置的好处在于通过一个同步电机803驱动两个机臂3同步转动。在其他实施例中，调整从动齿轮802的个数，可实现相对的两个机臂3同步同向转动或者同步反向转动。

以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.高敏捷性高速矢量四旋翼飞行器，其特征在于：包括机身和可以矢量转向的旋翼转向机构，旋翼转向机构包括两个联动控制器，联动控制器安装机身上，联动控制器两端分别控制一根机臂转动，两个联动控制器控制的机臂的轴线的连线相互交叉，每根机臂上远离联动控制器的一端上分别安装有舵机，舵机的输出轴上安装有摆臂，摆臂的摆动范围以其所在的机臂的轴线而轴对称，摆臂上安装有动力电机，动力电机的输出端上安装有螺旋桨。

2.根据权利要求1所述的高敏捷性高速矢量四旋翼飞行器，其特征在于：同一个联动控制器两端的机臂同向或者反向转动。

3.根据权利要求1所述的高敏捷性高速矢量四旋翼飞行器，其特征在于：联动控制器包括蜗轮和蜗杆，机臂连接在蜗轮上，蜗轮和蜗杆啮合，蜗杆上连接有联动电机。

4.根据权利要求2所述的高敏捷性高速矢量四旋翼飞行器，其特征在于：联动控制器上还安装有同步装置，同步装置连接同一个联动控制器上的两根机臂，同步装置上连接有同步电机。

5.根据权利要求4所述的高敏捷性高速矢量四旋翼飞行器，其特征在于：同步装置包括同步齿轮组，同步齿轮组包括一对主动齿轮和一对从动齿轮，从动齿轮分别安装在同一个联动控制器两侧的机臂上，主动齿轮之间通过齿轮轴连接，齿轮轴转动连接在机身上，两个从动齿轮与两个主动齿轮啮合。

6.根据权利要求1所述的高敏捷性高速矢量四旋翼飞行器，其特征在于：同一个联动控制器的两根机臂同轴地连接在一起。

7.根据权利要求1所述的高敏捷性高速矢量四旋翼飞行器，其特征在于：机臂上还安装有角度限制器，机臂上同轴套设有套环，套环上安装有挡杆；机身上安装有支撑座，支撑座上安装有限位杆，限位杆位于挡杆的旋转路径上。

8.根据权利要求1所述的高敏捷性高速矢量四旋翼飞行器，其特征在于：支撑座上还安装有行程开关，行程开关位于挡杆的旋转路径上。

9.根据权利要求1所述的高敏捷性高速矢量四旋翼飞行器，其特征在于：两个联动控制器分别连接在机身相反的两侧。