CN104802985A - 变轴向多旋翼飞行器及其飞行姿态调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变轴向多旋翼飞行器及其飞行姿态调整方法，飞行器机身上安装有向外伸出的旋翼臂，旋翼臂至少有三个，相对于机身的中轴线所在的垂直平面，位置对称的安装在机身上；旋翼臂末端安装有变轴装置；变轴装置上安装有发动机；发动机上安装有螺旋桨；变轴装置控制发动机和螺旋桨在变轴装置所在的水平面之上的空间中自由转动。本发明通过变轴装置使每个旋翼臂上安装的发动机可向任意方向变轴，从而解决飞行器转向、前进、后退、左平移、右平移等方向的运动，可使飞行器在飞行的过程中始终保持水平状态，在应用于搭载测量仪器时，可以保证飞行器所搭载的仪器的安全，有利于应用到实际中以及大规模的生产与推广。
Description
技术领域
本发明涉及小型飞行器及其运行控制方法，具体涉及一种变轴向多旋翼飞行器及其飞行姿态调整的方法。
背景技术
多旋翼飞行器利用多个螺旋桨飞行，可以搭配微型相机录制空中视频，也可以用来搭载各种测量仪器，进行高空探测或高空物体投掷，可以应用在农业、探测、气象、灾害预报和救援等各种领域。
现有的多旋翼飞行器，都是使用改变飞行器发动机输出功率，或者改变桨叶螺距，使得多个发动机之间存在升力差或者扭矩差来实现飞行器姿态变化。为了使得飞行器平稳飞行，在调整每一个飞行姿态时，具体要怎样改变发动机的输出功率或者改变桨叶的螺距，需要利用计算机编制程序，进行精确计算，过程繁琐、难以普及，不易实时应付复杂多变的飞行环境。而且使用现有的调整方法，在飞行姿态改变的过程中经常会出现飞行器机身倾斜的情况，不利于在飞行器上搭载录像设备或者观测仪器。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种变轴向多旋翼飞行器及其飞行姿态调整方法。
本发明的技术方案如下：
一种变轴向多旋翼飞行器，包括机身，所述机身上安装有向外伸出的旋翼臂，所述旋翼臂至少有三个，相对于机身的中轴线所在的垂直平面，位置对称的安装在机身上；所述旋翼臂末端安装有变轴装置；所述变轴装置上安装有发动机；所述发动机上安装有螺旋桨；所述变轴装置可控制所述发动机和螺旋桨在所述变轴装置所在的水平面之上的空间中自由转动。
其进一步的技术方案为：所述发动机为电动机、内燃机或喷气发动机。
其进一步的技术方案为：所述变轴装置包括第一轴承杆和第二轴承杆；所述第一轴承杆的一端连接所述旋翼臂，另一端连接第二轴承杆的一端，连接处为万向球头关节轴承；所述第二轴承杆的另一端设置有第一固定平台；所述第一轴承杆的两边设置有第二固定平台；还包括推杆，所述推杆包括第一推杆和第二推杆；所述第一推杆的一端通过活动铰链固定在第二固定平台上，另一端与第二推杆的一端套接，可与第二推杆相对伸缩位移；所述第二推杆的另一端通过活动铰链固定在所述第二轴承杆侧壁；所述推杆有两根，相对于所述第一轴承杆所在的垂直平面对称安装。
其进一步的技术方案为：所述推杆为电动推杆、气动液压推杆或者舵机控制推杆。
一种如上述的变轴向多旋翼飞行器的飞行姿态调整方法，通过控制所述变轴装置使螺旋桨都倾斜同一角度，实现飞行器的悬停、前进、后退、左平移和右平移；通过控制所述变轴装置使螺旋桨都逆时针倾斜或者顺时针倾斜，实现飞行器的右转向或者左转向；通过计算机和飞控系统控制各发动机的输出功率实现飞行器平衡；通过手动控制发动机的输出功率实现飞行器的高度变化；
具体包括以下情形：
需要使飞行器处于悬停状态时，使螺旋桨的桨面都处于水平状态；
需要使飞行器处于平移状态时，使螺旋桨的桨面都方向一致，倾斜角度相同的朝向平移方向倾斜；
需要使飞行器右转向时，使螺旋桨的桨面都朝向逆时针方向倾斜；
需要使飞行器左转向时，使螺旋桨的桨面都朝向顺时针方向倾斜。
本发明的有益技术效果是：
本发明公开的变轴向多旋翼飞行器，是一种不同于现有的多旋翼飞行器的技术方案，可以用在农业、气象、测量、旅游和救灾等各个场景中，有很高的使用价值及推广价值。
与本发明公开的变轴向多旋翼飞行器所对应，本发明还还公开了一种变轴向多旋翼飞行器的飞行姿态调整方法，是一种与现有的多旋翼飞行器调整飞行姿态方法完全不同的技术方案，只靠改变各个螺旋桨桨面的方向，即可使得飞行器做出前进、后退、左移、右移以及左转、右转的姿态，与垂直翼飞行器和现有的多旋翼飞行器相比，本方法可以使得飞行器在飞行的过程中始终保持水平状态，在应用于搭载测量仪器时，可以保证飞行器所搭载的仪器的安全。而且与现有的多旋翼飞行器的控制方法相比，本方法原理易于理解，制作和操作都十分简单，有利于应用到实际中以及大规模的生产与推广。
附图说明
图1是飞行器结构示意图。
图2是变轴装置结构示意图。
图3是飞行器前进后退时的飞行姿态示意图。
图4是飞行器左右平移时的飞行姿态示意图。
图5是飞行器右转时的飞行姿态示意图。
图6是图5的俯视图。
图7是飞行器左转时的飞行姿态示意图。
图8是图7的俯视图。
具体实施方式
图1是本发明的飞行器结构示意图。飞行器包括机身3，机身3下部有机身支架4。机身3上安装有向外伸出的旋翼臂，旋翼臂至少有三个，相对于机身的中轴线所在的垂直平面，位置对称的安装在机身3上。在本实施例中，旋翼臂有四个，互相垂直，间隔角度为90度。旋翼臂末端安装有变轴装置1，变轴装置1上安装有发动机，发动机上安装有螺旋桨2，可带动螺旋桨2转动。变轴装置1可控制发动机和螺旋桨2的方向，使得发动机和螺旋桨2可在变轴装置1所在的水平面之上的空间中自由转动。发动机可以为电动机、内燃机或喷气发动机。
图2为变轴装置结构示意图。变轴装置1包括轴承杆5和轴承杆6，轴承杆5的一端连接旋翼臂，另一端连接轴承杆6的一端，轴承杆5和轴承杆6的连接处为万向球头关节轴承7，使得轴承杆6可自由的向各个角度转动。轴承杆6的另一端设置有固定平台11，轴承杆5的两边设置有固定平台8。变轴装置还包括推杆，推杆包括推杆9和推杆10。推杆9的一端通过活动铰链固定在固定平台8上，另一端与推杆10的一端套接，可与推杆10相对伸缩位移。推杆10的另一端通过活动铰链固定在轴承杆6的侧壁。推杆有两根，相对于轴承杆5所在的垂直平面对称安装。推杆可以是电动推杆、气动液压推杆或者舵机控制推杆，即推杆9和推杆10之间的相对伸缩运动有不同的控制方式。
针对上述变轴向多旋翼飞行器，本发明设计了相应的飞行器飞行姿态调整的方法。如果以螺旋桨的桨面即为螺旋桨所在的水平面，则有：
a.螺旋桨的桨面都处于水平状态时，飞行器悬停。
b.螺旋桨的桨面都方向一致的朝向平移方向倾斜时，飞行器平移。
图3是飞行器的前进和后退飞行姿态示意图。图3是飞行器的侧视图，则螺旋桨的桨面按照箭头的方向变动倾斜方向时，飞行器处于前进或者后退的姿态。
本发明的飞行器上安装有飞行姿态传感器(如陀螺仪、加速度传感器等)，飞行姿态传感器在整个飞行过程中不断探测飞行器的飞行姿态，然后将探测到数据发送给计算机。在理想状态下，经过计算机对飞行姿态数据的计算后输出一个控制信号给飞控系统，飞控系统根据该控制信号来控制飞行器各发动机的输出功率，以使各啊发动机螺旋桨的输出力的纵向分解矢量相等或者均处于一个允许的偏差范围内。实际中该控制信号具有误差，并不能一次控制即实现飞行器的平衡。为此本发明建立了反馈控制回路，通过飞行姿态传感器将经过调整后的飞行姿态再次发送给计算机，由计算机不断重复进行上述计算及控制过程对飞行姿态进行修正，直至实现飞行器的平衡。
图3中画出了螺旋桨的输出力的分解矢量图，飞行器在调整状态时，螺旋桨倾斜，螺旋桨的输出力F可分解为垂直方向上的分力F1和水平方向上的分力F2。在任何状态下，所有螺旋桨的垂直分力F1要保持相等，或者不完全相等但均处于一个允许的偏差范围内，这样所有的螺旋桨对机身的向上的推进力是基本相等的，可保持机身3始终为水平状态。
图4是飞行器的左右平移飞行姿态示意图。图4是飞行器的正视图，则螺旋桨的桨面按照箭头的方向变动倾斜方向时，飞行器处于左平移或者右平移的姿态。
c.螺旋桨的桨面都朝向逆时针方向倾斜相同的角度时，飞行器右转向。
图5是飞行器的右转飞行姿态示意图，可在图中看到螺旋桨桨面的倾斜状态。图6是图5的俯视图，可从图中看出飞行器的旋转方向。
d.螺旋桨的桨面都朝向顺时针方向倾斜相同的角度时，飞行器左转向。
图7是本发明的左转飞行姿态示意图，可在图中看到螺旋桨桨面的倾斜状态。图8是图7的俯视图，可从图中看出飞行器的旋转方向。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种变轴向多旋翼飞行器，其特征在于：包括机身(3)，所述机身(3)上安装有向外伸出的旋翼臂，所述旋翼臂至少有三个，相对于机身(3)的中轴线所在的垂直平面，位置对称的安装在机身(3)上；所述旋翼臂末端安装有变轴装置(1)；所述变轴装置(1)上安装有发动机；所述发动机上安装有螺旋桨(2)；所述变轴装置(1)控制所述发动机和螺旋桨(2)在所述变轴装置(1)所在的水平面之上的空间中自由转动。
2.如权利要求1所述的变轴向多旋翼飞行器，其特征在于：所述发动机为电动机、内燃机或喷气发动机。
3.如权利要求1所述的变轴向多旋翼飞行器，其特征在于：所述变轴装置(1)包括第一轴承杆(5)和第二轴承杆(6)；所述第一轴承杆(5)的一端连接所述旋翼臂，另一端连接第二轴承杆(6)的一端，连接处为万向球头关节轴承(7)；所述第二轴承杆(6)的另一端设置有第一固定平台(11)；所述第一轴承杆(5)的两边设置有第二固定平台(8)；还包括推杆，所述推杆包括第一推杆(9)和第二推杆(10)；所述第一推杆(9)的一端通过活动铰链固定在第二固定平台(8)上，另一端与第二推杆(10)的一端套接，可与第二推杆(10)相对伸缩位移；所述第二推杆(10)的另一端通过活动铰链固定在所述第二轴承杆(6)侧壁；所述推杆有两根，相对于所述第一轴承杆(5)所在的垂直平面对称安装。
4.如权利要求3所述的变轴向多旋翼飞行器，其特征在于：所述推杆为电动推杆、气动液压推杆或者舵机控制推杆。
5.一种如权利要求1～4任一项所述的变轴向多旋翼飞行器的飞行姿态调整方法，其特征在于：
通过控制所述变轴装置使螺旋桨都倾斜同一角度，实现飞行器的悬停、前进、后退、左平移和右平移；通过控制所述变轴装置使螺旋桨都逆时针倾斜或者顺时针倾斜，实现飞行器的右转向或者左转向；通过计算机和飞控系统控制各发动机的输出功率实现飞行器平衡；通过手动控制发动机的输出功率实现飞行器的高度变化；
具体包括以下情形：
需要使飞行器处于悬停状态时，使螺旋桨的桨面都处于水平状态；
需要使飞行器处于平移状态时，使螺旋桨的桨面都方向一致、倾斜角度相同的朝向平移方向倾斜；
需要使飞行器右转向时，使螺旋桨的桨面都朝向逆时针方向倾斜；
需要使飞行器左转向时，使螺旋桨的桨面都朝向顺时针方向倾斜。
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