[實用新型]一種抗風擾的非平面飛行器

有效

• 申請號: 201720577138.7
• 申請日: 2017-05-23
• 公開（公告）號: CN206968972U
• 公開（公告）日: 2018-02-06
• 發明（設計）人: 雷瑤;紀玉霞;陳如明;汪長煒;吳智泉
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: B64C27/08
• 分類號: B64C27/08;B64C27/32;B64C9/00
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司35100
• 代理人: 蔡學俊

技術領域

本實用新型涉及一種抗風擾的非平面飛行器。

背景技術

旋翼式飛行器能夠支持搜索和救援行動，這與其在任意空間的定位能力有極大關系，然而，大多數搜救行動的環境往往極其惡劣，例如災難現場，危險的野外森林等，飛行器需要對瞬時氣動環境變化做出快速響應并迅速對抗劇烈干擾，尤其需要能夠抵抗來自任意方向的風擾而正常工作。

目前已有的旋翼飛行器大都采用平面布局結構，如平面四旋翼、六旋翼飛行器，其全部旋翼位于同一個平面或兩個平行平面內且旋翼的轉軸都指向同一方向。平面式飛行器要對抗環境中的風擾，必須朝著風擾的方向傾斜整個機體，其平飛運動必須依靠姿態角的改變，由升力的水平分量提供平飛所需的驅動力，由升力的垂直分量來克服飛行器機體的重力。由于各個旋翼產生的升力方向相同且相互耦合，平面式旋翼系統只能向飛行器提供一個可調的升力以及三個姿態控制力矩，使得平面式飛行器本質上是一種欠驅動系統。

由于平面式飛行器只能通過姿態改變產生平動飛行的力，其姿態轉動和平動運動間存在耦合，嚴重制約了其機動能力，給飛行器的穩定控制帶來了困難。此外，平面旋翼飛行器的控制方法復雜，姿態調整反應慢導致了抗風擾響應慢，難以適應惡劣的工作環境。

發明內容

本實用新型針對上述現有技術存在的問題做出改進，即本實用新型所要解決的技術問題是提供一種抗風擾的非平面飛行器，飛行器受到的扭矩可相互抵消，能在空間中獨立調節升力與力矩，具有多自由度獨立控制能力，可實現姿態轉動和平動運動的解耦，從本質上消除了平面式飛行器的欠驅動性；此外，該飛行器較平面式飛行器姿態調整快、抗風擾響應快、在惡劣環境中的存活率高，并且其控制方法簡單，裝置成本低。

為了解決上述技術問題，本實用新型的技術方案是：一種抗風擾的非平面飛行器，包括機體、多對支撐臂，支撐臂一端固定設置在機體上，另一端設有旋翼，旋翼的旋轉平面與機體平面的夾角為旋翼的傾轉角，0°<<90°，相鄰旋翼組成面-面或背-背旋翼對，其中面-面旋翼對的升力方向相對且均朝向旋翼對之間的空間，背-背旋翼對的升力方向相背且均遠離旋翼對之間的空間，旋翼對中的旋翼傾轉角數值相等，旋轉方向相反，分別為順時針旋轉和逆時針旋轉。

進一步地，支撐臂的幾何中心線位于同一平面，相鄰支撐臂的夾角相等，一對支撐臂的幾何中心線位于同一直線。

進一步地，支撐臂通過支撐臂夾緊裝置固定在機體上，支撐臂夾緊裝置的支撐臂安裝孔與支撐臂過盈配合，支撐臂安裝孔上標有角度刻度線，支撐臂上標有基準線，基準線沿支撐臂的方向，并與旋翼的旋轉平面平行，支撐臂安裝時，通過調節基準線對應的角度刻度線實現任意的旋翼傾轉角。

進一步地，夾緊板上的角度刻度線標有0°~90°和-90°~0°范圍內的角度，其中0°刻度線垂直于機體平面。

進一步地，支撐臂夾緊裝置包括兩個夾緊板，兩個夾緊板對接形成支撐臂安裝孔，兩個夾緊板均固定連接在機體上，通過螺紋連接實現兩個夾緊板間的固定連接以實現支撐臂的固定。

進一步地，旋翼由各自的電機驅動，電機通過電機固定裝置與支撐臂固定，電機固定裝置包括兩個固定板，兩個固定板對接形成支撐臂連接孔和電機安裝孔，支撐臂連接孔位于電機固定裝置的一端，電機安裝孔位于電機固定裝置的另一端，支撐臂與支撐臂連接孔過盈配合，通過螺紋連接實現兩個固定板間的固定連接以實現支撐臂與電機固定裝置的固定連接。

進一步地，電機為直流無刷電機，機體底部設置彈性支架，機體內部設有飛行器控制系統、傳感器以及電池。

進一步地，支撐臂為三對，旋翼為六個，六個旋翼的位置矩陣P和姿態矩陣O如下：

其中，為旋翼距離機體中心的距離。

進一步地，非平面飛行器改變旋翼的拉力即調整旋翼轉速以對抗環境中的風擾，對于背-背旋翼對的初始狀態e、面-面旋翼對的初始狀態g，旋翼對中的兩個旋翼的升力相等，分別記為和；旋翼的轉速調整后使飛行器依然處于懸停狀態以抵抗風擾，對于背-背旋翼對調整后的狀態f、面-面旋翼對調整后的狀態h，旋翼對中的旋翼升力分別由、，對于面-面旋翼對，接近風擾的旋翼轉速降低，遠離風擾的旋翼轉速增大；對于背-背旋翼對，接近風擾的旋翼轉速增大，遠離風擾的旋翼轉速降低。

進一步地，對抗風擾的響應時間為旋翼系統中升力一次改變的時間，為背-背旋翼對抵抗風擾的時間，為面-面旋翼對抵抗風擾的時間；

對于背-背旋翼對，

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