PL235760B1

PL235760B1 - System supporting the stability of unmanned aircraft in the event of power failure

Info

Publication number: PL235760B1
Application number: PL430545A
Authority: PL
Inventors: Zdzisław Gosiewski; Daniel Ołdziej
Original assignee: Politechnika Bialostocka
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2020-10-19
Also published as: PL430545A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest system wspomagający stabilność bezzałogowych statków powietrznych w przypadku awarii napędu, co zwiększy możliwość sterowania tymi statkami powietrznymi w przypadku awarii napędu.The subject of the invention is a system supporting the stability of unmanned aerial vehicles in the event of a drive failure, which will increase the ability to control these aircraft in the event of a drive failure.

Bezzałogowe statki powietrzne typu śmigłowiec wielowirnikowy, czy pionowzlot mają obecnie szerokie zastosowanie zarówno cywilne jak i wojskowe m.in. w zakresie inspekcji, ratownictwa, nadzoru, obserwacji itp. Bezzałogowce operują również w terenie zabudowanym i nad zgromadzeniami ludzi. Niekontrolowany upadek bezzałogowca stanowi więc istotne zagrożenie dla zdrowia, życia ludzi, a także stanowi niebezpieczeństwo uszkodzenia mienia. Dlatego należy podnosić niezawodność i poziom zabezpieczeń statków powietrznych tego typu. Aktualnie bezzałogowce są ogólnodostępne i atrakcyjne cenowo, co zwiększa liczbę nieprofesjonalnych użytkowników. Śmigłowce wielowirnikowe zbudowane są zazwyczaj z położonej centralnie komory ładunkowej zawierającej: sterowniki, źródła energii, kamery, moduły komunikacyjne i inne elementy wyposażenia związane z zadaniami, które ma realizować śmigłowiec. Z centralnego punktu śmigłowca wychodzą ramiona, na końcu których znajdują się wirnikowe zespoły napędowe, które generują siłę ciągu. Z kolei samoloty typu pionowzlot na potrzeby fazy startu i lądowania oprócz głównego napędu mają dodatkowe napędy, działające w kierunku pionowym, zainstalowane na ramionach mocowanych do skrzydeł. Zapewnienie nisko-kosztowej poprawy stabilności lotu w przypadku awarii napędów jest obecnie palącą potrzebą.Unmanned aerial vehicles such as a multi-rotor helicopter or a powered-lift are currently widely used, both civil and military, e.g. in the field of inspection, rescue, supervision, observation, etc. Unmanned aerial vehicles also operate in built-up areas and over gatherings of people. The uncontrolled fall of an unmanned aerial vehicle poses a significant threat to human health and life, and also poses a risk of damage to property. Therefore, the reliability and security level of this type of aircraft should be improved. Currently, unmanned aerial vehicles are generally available and affordable, which increases the number of non-professional users. Multi-rotor helicopters usually consist of a centrally located cargo compartment containing: controllers, energy sources, cameras, communication modules and other items of equipment related to the tasks to be performed by the helicopter. From the central point of the helicopter, arms emerge, at the end of which are rotor power units that generate thrust. On the other hand, powered-lift airplanes for the take-off and landing phase, apart from the main propulsion, have additional drives, operating in the vertical direction, installed on the arms attached to the wings. Providing low-cost flight stability improvements in the event of a drive failure is a pressing need today.

Jedną z metod zapewnienia bardziej równomiernego obciążenia napędów jest przesunięcie środka ciężkości bezzałogowca w kierunku przeciwnym do położenia uszkodzonego napędu. Istniejące rozwiązania dotyczą śmigłowców wielowirnikowych o ustalonej konstrukcji ramy i liczby ramion, gdzie możliwy jest wymuszony przez dodatkowe siłowniki ruch ramion w płaszczyźnie napędów (patenty CN 107839874 A 20180327, CN 107813932 A 20180320). Ruchy ramion w tych rozwiązaniach wymagają układów sterowania celem prawidłowego obrotu ramion. Przemieszczenia ramion prezentowane w innych patentach (CN 101973392 A 20110216, CN 108545170 A 20180918, KR 101456035 B1 20141104) służą zmianie gabarytów śmigłowca np. na potrzeby jego transportowania.One method of ensuring a more even load on the drives is to shift the center of gravity of the unmanned aerial vehicle in the opposite direction to that of the damaged drive. The existing solutions concern multi-rotor helicopters with a fixed frame structure and the number of arms, where it is possible to force the arms in the plane of the drives by additional actuators (patents CN 107839874 A 20180327, CN 107813932 A 20180320). The arm movements in these solutions require control systems for the correct rotation of the arms. The arm displacements presented in other patents (CN 101973392 A 20110216, CN 108545170 A 20180918, KR 101456035 B1 20141104) are used to change the dimensions of the helicopter, e.g. for the purpose of transporting it.

Z dokumentu WO2017098412 znany jest pojazd latający zawierający co najmniej pięć ramion, na których zamocowane są parami współosiowo przeciwstawnie śmigła. W przypadku awarii jednego ze śmigieł, system kontroli wyłącza odpowiednie przeciwstawne śmigło z pary oraz reguluje ustawienie przepustnicy dla pozostałych działających śmigieł, aby zachować stabilność aparatu latającego.From WO2017098412 an aerial vehicle is known which comprises at least five arms on which propellers coaxially opposed in pairs are mounted. In the event of failure of one of the propellers, the control system disables the corresponding opposing propeller from the pair and adjusts the throttle setting for the remaining operating propellers to maintain the stability of the flying apparatus.

Ze zgłoszenia patentowego opublikowanego pod numerem CN 107813932 A 20180320 (ZH) znany jest statek powietrzny, który zawiera przynajmniej cztery ramiona połączone w taki sposób, że koniec jednego ramienia łączy się z końcem drugiego ramienia tworząc punkt łączenia, a ramiona rozmieszczone są promieniście w płaszczyźnie horyzontalnej względem punktu łączenia. Na każdym ramieniu zamocowany jest wirnik. Każdy wirnik może obracać się względem osi ramienia w płaszczyźnie pionowej dla regulacji ustawienia płaszczyzny roboczej wirnika. W przypadku awarii jednego lub więcej wirników, ramię z wirnikiem nieuszkodzonym może obracać się względem punktu łączenia w płaszczyźnie horyzontalnej do pozycji, w której statek powietrzny może stabilnie kontynuować lot.From the patent application published under the number CN 107813932 A 20180320 (ZH), an aircraft is known which comprises at least four arms connected in such a way that the end of one arm joins the end of the other arm to form a joining point, and the arms are arranged radially in the horizontal plane relative to the join point. A rotor is mounted on each arm. Each rotor can rotate about the axis of the arm in a vertical plane to adjust the position of the rotor's working plane. In the event of a failure of one or more rotors, the arm with the intact rotor may rotate about the joining point in the horizontal plane to a position where the aircraft can continue to fly stably.

Ze zgłoszenia patentowego opublikowanego pod numerem CN 107839874 A 20180327 (ZH) znany jest wielowirnikowy aparat latający zbudowany z korpusu i przynajmniej dwóch ramion, które zamocowane są w korpusie tak, aby mogły się obracać względem punktu mocowania. Na każdym końcu ramienia zamocowane są wirniki. W przypadku awarii wirnika, odpowiednie ramię może zostać przemieszczone w płaszczyźnie horyzontalnej pojazdu latającego względem punktu zamocowania w taki sposób, aby zachować balans aparatu i zapobiec wypadkowi.From the patent application published under the number CN 107839874 A 20180327 (ZH) there is known a multi-rotor flying apparatus made of a body and at least two arms, which are fixed in the body so as to be able to rotate in relation to the mounting point. Rotors are attached to each end of the arm. In the event of a rotor failure, the corresponding arm may be moved in the aircraft's horizontal plane in relation to the attachment point in such a way as to maintain the balance of the apparatus and prevent an accident.

Ze zgłoszenia patentowego US2018229833 znana jest metoda kontroli wielośmigłowych pojazdów powietrznych poprzez zmianę jednego lub więcej atrybutów fizycznych. Jest to realizowane przez wyposażenie pojazdu powietrznego w silniki napędowe z możliwością zmiany pozycji względem ramienia, przez co mogą być obracane wokół jednej lub więcej osi, w celu przekierowania sił generowanych przez silniki podczas pracy. Pojazd powietrzny może być również wyposażony w jeden lub więcej innych obiektów ruchomych, takich jak podwozie, antena lub specjalnych ładunków użytecznych, których pozycja może być zmieniana w jednym lub więcej kierunkach w celu dostosowania środka ciężkości pojazdu powietrznego.From the patent application US2018229833 there is known a method of controlling multi-prop air vehicles by changing one or more physical attributes. This is accomplished by equipping the air vehicle with repositionable propulsion motors so that they can be pivoted about one or more axes to redirect the forces generated by the motors during operation. The air vehicle may also be equipped with one or more other movable objects such as a landing gear, antenna or special payloads, the position of which can be changed in one or more directions to adjust the center of gravity of the aircraft.

Przedmiot wynalazku pokazano na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia śmigłowiec wielowirnikowy w konfiguracji sześcioramiennej w widoku z góry, fig. 2 w śmigłowiec w widoku z boku, zaś fig. 3 przedstawia ramię śmigłowca z możliwością pochylania.The subject matter of the invention is shown in the drawings, in which Fig. 1 shows a multi-rotor helicopter in a six-arm configuration in top view, Fig. 2 in a side view of the helicopter, and Fig. 3 shows the tiltable arm of the helicopter.

PL 235 760 B1PL 235 760 B1

Proponowane rozwiązanie obracania ramion przedstawiono dla konstrukcji śmigłowca o sześciu ramionach z pojedynczymi napędami - sześciowirnikowca, ale może być zastosowane w konstrukcji bezzałogowca o dowolnej liczbie ramion większej niż trzy.The proposed solution for rotating the arms is presented for the construction of a six-arm helicopter with single drives - a six-rotor, but it can be used in the construction of an unmanned aerial vehicle with any number of arms greater than three.

Kierunek siły ciągu wszystkich napędów jest równoległy lub prawie równoległy i ma ten sam zwrot, chociaż kierunek obrotu sąsiednich śmigieł jest zwykle naprzemienny. W sześcioramiennej konfiguracji ramy (fig. 1) elementy obrotowe napędów 2, 4, 6 wirują w przeciwnym kierunku niż elementy obrotowe napędów 1, 3, 5. Przeciwbieżność kolejnych par wirników niweluje moment reakcyjny śmigieł powodujący ruch obrotowy wokół głównej osi symetrii 8 wielowirnikowca.The direction of the thrust of all the drives is parallel or nearly parallel and has the same sense, although the direction of rotation of adjacent propellers is usually alternating. In the six-arm configuration of the frame (Fig. 1) the rotational elements of the drives 2, 4, 6 rotate in the opposite direction than the rotational elements of the drives 1, 3, 5. The counter-rotating pairs of rotors reduces the reaction torque of the propellers causing the rotation about the main symmetry axis 8 of the multirotor.

Jak pokazano na fig. 2 siła nośna śmigłowca jest sumą składowych wektora ciągu 10 wszystkich napędów w kierunku przeciwnym do wektora siły ciążenia 9. Operacje pochylania i przechylania zapewniają horyzontalny ruch śmigłowca w wyniku pojawienia się składowych poziomych 12 wektora ciągu, ale zmniejszają składową pionową 11 wektora ciągu generującą siłę nośną, co rekompensuje się wzrostem wektora ciągu 10 od wszystkich napędów. Operacja odchylania generuje obrót śmigłowca względem głównej osi symetrii 8 przechodzącej przez punkt zbiegania się ramion w centralnej części śmigłowca 7 i prostopadłej do płaszczyzny napędów.As shown in Fig. 2, the lift of the helicopter is the sum of the thrust vector components 10 of all propulsion in the direction opposite to the gravity vector 9. The pitch and roll operations ensure the horizontal motion of the helicopter due to the appearance of the horizontal components 12 of the thrust vector, but reduce the vertical component 11 of the vector. lift generating lift, which is compensated by an increase in thrust vector 10 from all drives. The yawing operation generates the rotation of the helicopter about the main symmetry axis 8 passing through the point of convergence of the arms in the central part of the helicopter 7 and perpendicular to the plane of the drives.

Podczas ruchu poziomego lub zawisu śmigłowca pionowe składowe 11 wektora ciągu napędów kompensują siłę ciążenia. Utrata ciągu przez jeden z napędów lub jego całkowite uszkodzenie skutkuje zwiększeniem obciążenia pozostałych, a tym samym ich zapas mocy ulega zmniejszeniu. Co gorsze, w takiej sytuacji dla zapewnienia stabilności sprawne napędy są nierównomiernie obciążone, co jeszcze bardziej zmniejsza zapas mocy niektórych napędów. Zmniejszenie zapasu mocy do zera w wyniku osiągnięcia maksymalnej prędkości śmigieł powoduje niesterowność śmigłowca, co prowadzi do utraty kontroli i rozbicia statku powietrznego.During horizontal movement or hovering of the helicopter, the vertical components 11 of the drive thrust vector compensate for the gravitational force. Loss of thrust by one of the drives or its complete damage results in increasing the load on the others, and thus their power reserve is reduced. What is worse, in such a situation, to ensure stability, the efficient drives are unevenly loaded, which further reduces the power reserve of some drives. Reducing the power reserve to zero as a result of reaching the maximum speed of the propellers causes the helicopter to become uncontrollable, leading to loss of control and the crash of the aircraft.

Istotą wynalazku jest zapewnienie bardziej równomiernego obciążenia napędów przez zmianę położenia środka masy śmigłowca w sposób całkowicie pasywny. W tym celu mocuje się ramiona z zamontowanymi na ich końcach napędami na zawiasach 16 o ograniczonym zakresie ich ruchu obrotowego 17, jak to pokazano na fig. 3. Skrajne położenia ramion są blokowane przez ograniczniki 14, 15. Część ramienia 13 jest nieruchoma względem centralnej części śmigłowca 7. Pozostała część ramienia 18 z zamontowanym zespołem napędowym 19 może wykonywać ruch obrotowy. Ruch do dołu jest uzyskiwany grawitacyjnie, gdy wyłączony zostanie napęd lub dodatkowym napędem umieszczonym w zawiasie, natomiast ruch do góry wynika z działania momentu siły ciągu napędu. W wyniku pochylenia ramienia w płaszczyźnie wertykalnej do płaszczyzny napędów przesuwa się środek ciężkości, co pasywnie poprawia jego stabilność stateczną.The essence of the invention is to ensure a more even loading of the drives by changing the position of the helicopter center of mass in a completely passive manner. For this purpose, the arms are mounted with hinged drives 16 at their ends with a limited range of their rotational movement 17, as shown in Fig. 3. The extreme positions of the arms are blocked by stops 14, 15. The arm part 13 is fixed relative to the central part. helicopter 7. The remainder of the arm 18 with the drive unit 19 mounted can perform a rotary motion. The downward movement is achieved by gravity when the drive is turned off or by an additional drive located in the hinge, while the upward movement is due to the thrust moment of the drive. As a result of the tilting of the arm in the vertical plane to the plane of the drives, the center of gravity shifts, which passively improves its stability.

Prezentowane rozwiązanie posiada dodatkową zaletę, gdyż pozytywnie wpływa na możliwości transportowe śmigłowca wielowirnikowego. Zakończenie fazy lądowania i wyłączenie zespołów napędowych powoduje grawitacyjnie złożenie się ramion bez konieczności ich demontażu w celu zmniejszenia gabarytów obiektu.The presented solution has an additional advantage, as it positively affects the transport capabilities of a multi-rotor helicopter. Completion of the landing phase and switching off the propulsion units causes the arms to fold together by gravity without having to disassemble them in order to reduce the size of the object.

Claims

1. A system supporting the stability of unmanned aerial vehicles in the event of a drive failure by ensuring a more even load of the drives by changing the position of the helicopter center of mass in a completely passive manner through the structure with arms with a limited range of rotational movement on which the drive units are mounted, characterized in that in In case of loss of one of the drives or its damage in order to evenly load the efficient drives, the arm (18) spontaneously rotates on the articulated joint (16) with a limited range of motion (17), and the extreme positions of the arms are blocked by stops (14), (15) ) causing an appropriate and desired shift of the center of gravity of the unmanned aircraft.