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原文传递一种双轴倾斜四旋翼飞行器

专利名称：	一种双轴倾斜四旋翼飞行器
摘要：	本发明提出一种双轴倾斜四旋翼飞行器，机身包括均匀设于机身周沿处的多个动力臂，以及设于机身处的传感器单元、控制器单元、控制分配器单元、车辆动力学系统模块、无线通讯模块；无线通讯模块可与地面控制站建立无线通讯；所述动力臂包括旋翼和倾斜机构；旋翼以由倾斜机构支撑的电机固定座处的驱动电机驱动；所述倾斜机构与控制器单元相连；所述控制器单元经倾斜机构调节旋翼位置和旋翼朝向以调整飞行器的飞行；本发明能够按照输入指令自动调节四个旋翼的转速和旋翼倾转角度，利用闭环控制系统的稳定性，将自身的飞行状态加以反馈，自动完成自我飞行调控的工作，达到飞行俯仰、滚转和偏航的目的；既保证了飞行调控的高效率和高可靠性。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	福建;35
申请人：	福州大学
发明人：	雷瑶;叶艺强;王金利
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-09T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-16T00:00:00+0800
申请号：	CN201910382221.2
公开号：	CN110015415A
代理机构：	福州元创专利商标代理有限公司
代理人：	郭东亮;蔡学俊
分类号：	B64C27/08(2006.01);B;B64;B64C;B64C27
申请人地址：	350108 福建省福州市闽侯县上街镇福州大学城学院路2号福州大学新区
主权项：	1.一种双轴倾斜四旋翼飞行器，其特征在于：所述飞行器的机身(1)包括均匀设于机身周沿处的多个动力臂，以及设于机身处的传感器单元(2)、控制器单元(3)、控制分配器单元(4)、车辆动力学系统模块(5)、无线通讯模块(6)；所述无线通讯模块可与地面控制站(7)建立无线通讯；所述动力臂包括旋翼(108)和倾斜机构(115)；所述旋翼以由倾斜机构支撑的电机固定座(105)处的驱动电机(107)驱动；所述倾斜机构与控制器单元相连；所述控制器单元经倾斜机构调节旋翼位置和旋翼朝向以调整飞行器的飞行。 2.根据权利要求1所述的一种双轴倾斜四旋翼飞行器，其特征在于：所述动力臂数量为四个。 3.根据权利要求1所述的一种双轴倾斜四旋翼飞行器，其特征在于：所述倾斜机构以支撑臂(103)始端与机身处伺服电机(106)相连，以支撑臂末端与电机固定座的中部铰连；所述伺服电机驱动支撑臂转动以使旋翼倾转；所述支撑臂处设有用于固定舵机(109)的固定块(111)；所述舵机经连杆机构(104)与电机固定座的下端相连，所述舵机经连杆机构驱动电机固定座摆动使旋翼产生偏航力。 4.根据权利要求3所述的一种双轴倾斜四旋翼飞行器，其特征在于：所述连杆机构为平行四边形机构；所述旋翼的倾斜角度α可以在0°和90°之间进行调整，倾斜角度α可以为0°但不能为90°。 5.根据权利要求3所述的一种双轴倾斜四旋翼飞行器，其特征在于：所述机身还包括起落架(101)和电气设备舱(102)；所述电气设备舱内设有重力感应器(112)、陀螺仪(113)、遥感(114)和若干个电池(116)；所述伺服电机的输出轴和旋翼支撑臂与电气设备舱(102)的接触位置通过轴承(110)进行连接。 6.根据权利要求5所述的一种双轴倾斜四旋翼飞行器，其特征在于：所述传感器单元(2)负责传感器单元与控制器单元(3)之间的联系工作，接收传感器单元的测量信息并将接收到的测量信息按一定规律变换成为电信号输出给控制器单元(3)；所述控制器单元(3)完成接收传感器单元(2)和无线通讯模块(5)的传送信息后进行对应的处理并发出控制命令信号；所述控制分配器单元(4)完成控制器单元(3)的控制命令信号的分配工作，将接收到控制器单元(3)的命令信息进行有序分配给飞行器的四个伺服电机(106)、四个驱动电机(107)和四个舵机(109)，实现飞行状态的调整；所述车辆动力学系统模块(5)包括执行器单元(501)和感应器单元(502)，感应器单元(502)包括重力感应模块(503)、摄动感应模块(504)、重力感应器(111)、陀螺仪(113)、遥感(114)，执行控制分配器单元(4)的指令，车辆动力学系统模块通过感应器单元(502)进行实时重力和摄动外力测定并反馈给控制器单元(3)以形成闭环系统；所述无线通讯模块(6)包括发射模块(601)和接收模块(602)，所述发射模块(601)和接收模块(602)的工作模式可以同时互相转换且互不干涉，发射模块(602)与控制器单元(3)相连，接收模块(602)与地面控制站(7)之间以无线方式通讯联系以使所述地面控制站(7)对飞行器执行方位指令作业。 7.根据权利要求6所述的一种双轴倾斜四旋翼飞行器，其特征在于：所述传感器单元(2)是一个由SBG系统和IG-500的IMU，这个单元有一个嵌入式处理器，用于输出滤波的姿态和位置数据；所述控制器单元(3)是基于一个有3个SISD的PD控制器，其加工板的Digilent的芯片组最大准则用来读取信号；控制器单元(2)从传感器单元(2)输出信号中以MAX32读取串行信息，通过发出PWM信号指令伺服电机(106)、驱动电机(107)和舵机(109)；所述无线通讯模块(6)中的接收模块(602)与地面控制站(7)之间通过Spektrum卫星接收器和DX6i RC发射器进行通信。 8.根据权利要求3所述的一种双轴倾斜四旋翼飞行器，其特征在于：所述驱动电机的输出轴的绝对转速是飞行器在XYZ三个方向上的角速度、舵机和伺服电机转速的矢量之和，飞行器的四个支撑臂的物理特征一致，取一支撑臂进行受力分析，其驱动电机的输出轴的绝对转速角加速度为式中向量表示参照系j的单位矢量，用参照系i表示；p、q和r分别表示飞行器在参考坐标系XYZ三个方向上的角速度；η和γ表示伺服运动时双轴的倾转角度；η’γ’表示伺服运动时双轴的倾转角速度；Ω表示为驱动电机的转速；利用欧拉方程3M＝3I3α+3ω×3I3ω (公式3)，计算求得驱动电机输出轴的力矩3M，然后利用旋转矩阵R3to1计算求得在参考系中飞行器自身的力矩1MGyro，其计算公式为：连杆结构的推力扭矩为：式中L为平行四边形机构的长；H为平行四边形机构的高；旋翼的推力和扭矩系数定义为： T＝ρA(ΩR)2CT (6)和Q＝ρA(ΩR)2RCQ (公式7)；式中CT和CQ为连杆结构推力和扭矩系数。则飞行器总推力力矩为： 9.根据权利要求8所述的一种双轴倾斜四旋翼飞行器，其特征在于：飞行器在六个自由度上绝对受力情况为：式中X、Y和Z分别表示为飞行器在XYZ轴上的绝对作用力；L、M和N分别表示为飞行器在XYZ轴上的绝对作用力矩；u、v和w分别表示为飞行器整体在XYZ轴上的角速度；飞行器在综合受力情况时，其在XYZ坐标轴的三个方向上的绝对角速率为：式中Φ’、θ’和Ψ’分别表示为飞行器在XYZ坐标轴的三个方向上的绝对角速率；Φ为飞行器机身中心轴与纵轴Z轴的夹角；θ为飞行器机身中心轴在XY平面上的投影线与X轴的夹角。
所属类别：	发明专利