一种正四面体动力结构布局的无人飞行器

摘要

本发明涉及一种正四面体动力结构布局的无人飞行器，属于航空飞行器设计技术领域。飞行器机身采用包括六根长度相等的机架，六个机架组成正四面体的六条棱，每三根机架连接于一个顶点，共形成四个顶点。任意一根机架(棱)与其相邻的机架(棱)夹角均为60°，整体构成正四面体布局结构，任意三个顶点连线形成正三角形。在每一个顶点处，分别安装有一组动力系统、姿态采集与控制系统和电源。通过与传感器进行配合，可以灵活调整飞行器的飞行姿态，在空中轻松实现水平移动、垂直移动、转向、翻转等飞行动作。当进行图像采集时，在飞行器移动、翻转过程中，可通过正四面体结构顶点处的四个摄像头能够保证拍摄目标始终位于某一摄像头拍摄范围内。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无人飞行器，尤其涉及一种正四面体动力结构布局的无人飞行器，属于航空飞行器设计技术领域。

背景技术

传统的无人飞行器，例如常见的四轴、六轴、八轴等无人旋翼(或使用小型喷气动力系统)等飞行器，在飞行时主要通过分布于周身基本同一水平面的旋翼系统提供动力，通过控制旋翼转速进行姿态调整。

受限于传统的物理结构布局设计，此类飞行器的飞行姿态调整不够稳定和灵活，容易受到大风等因素的影响，飞行稳定性不高、姿态调整不够灵活，严重时容易出现侧翻、倒转等极端情况。且传统的旋翼飞行器正常飞行依赖所有旋翼正常工作，当出现旋翼损坏时，飞行活动将不能正常进行。

此外，传统飞行器所携带的摄像设备通常位于飞行器中间，且通常只有一个。一旦飞行器受气候等条件影响，飞行姿态发生改变时，摄像头有可能无法对准拍摄目标，从而无法采集目标图像。

发明内容

本发明的目的是针对现有无人飞行器结构设计及视频采集的短板，存在飞行姿态调整不够稳定灵活、受气候等条件影响无法持续视频拍摄等问题，提出一种新式动力结构布局的无人飞行器。

本发明所述飞行器采用正四面体动力结构布局设计，通过与传感器进行配合，可以灵活调整飞行器的飞行姿态，在空中轻松实现水平移动、垂直移动、转向、翻转等飞行动作。若飞行器在飞行期间出现单个动力系统损坏的情况，飞行器的控制系统可以根据传感器数据对其余三个动力系统进行动态调整，保证飞行器在空中的姿态平衡。此外，在飞行器移动、翻转过程中，正四面体结构顶点处的四个摄像头能够保证拍摄目标始终位于某一摄像头拍摄范围内。

本发明所采用的技术方案如下：

一种正四面体动力结构布局的无人飞行器，包括机身、动力系统、姿态采集与控制系统和电源。

所述机身采用包括六根长度相等的机架，六个机架组成正四面体的六条棱，每三根机架连接于一个顶点，共形成四个顶点。任意一根机架(棱)与其相邻的机架(棱)夹角均为60°，整体构成正四面体布局结构，任意三个顶点连线形成正三角形。例如，当采用旋翼动力系统时，某一顶点处的旋翼动力系统的输出力方向与其他三个顶点所组成的平面垂直。

在每一个顶点处，分别安装有一组动力系统、姿态采集与控制系统和电源。动力系统与姿态采集与控制系统相连，电源与动力系统、姿态采集与控制系统相连。其中，每个顶点处的动力系统正常飞行状态下的动力输出中心轴线垂直于其他三个顶点所组成的平面。姿态采集与控制系统用于获取飞行器的飞行姿态数据信息，控制调节动力系统的输出功率与方向，从而调整和控制飞行器的飞行姿态。

优选地，四个顶点处的姿态采集与控制系统采用Wi-Fi实现相互之间数据通信，通信的数据内容包括飞行姿态信息、动力系统控制信息等。

进一步地改进，还可以包括摄像头，用于拍摄图像及视频信息。每个顶点处分别安装有至少一个摄像头。摄像头与所在顶点处的姿态采集与控制系统、电源分别相连。

进一步地改进，还可以包括信号传输系统，用于与飞行器外部的控制系统进行传输通信。每个顶点处分别安装有一套信号传输系统。信号传输系统与所在顶点处的姿态采集与控制系统、电源分别相连。

当某一顶点的动力系统发生损坏或故障时，姿态采集与控制系统根据飞行姿态数据信息对其余三个动力系统的进行动态调整，维持上升的合力，保证飞行器在空中的姿态平衡。当飞行器姿态发生变化时，四个顶点处的摄像头可以保证拍摄目标在任意时刻均会位于某一个摄像头拍摄范围中。

本发明所述无人飞行器的飞行姿态运动原理，在空间中任意方向的翻转运动可以分解为水平方向的旋转运动和竖直方向的旋转运动。当飞行器发生偏转时，调整规则与过程如下：

无人飞行器四个顶点动力系统产生的力分别为F₁、F₂、F₃和F₄，四个力产生的合力可以进一步分解为x、y和z轴方向上的力F_x、F_y、F_z，其中，x、y轴方向上的力又可以合成水平方向上的合力F_h。

当飞行器姿态发生偏转时，安装在机体上的传感器将获得飞行器的水平角度θ及竖直角度φ。对飞行姿态进行受力分析，根据牛顿第二定律F_h＝ma_h、F_z＝ma_z得合力F_h、F_z和所作用点加速度a_h、a_z的关系，m为质量；根据v＝ωR可以获得轴端点的运动角速度ω；又由速度与加速度公式进一步计算出各自轴端角速度ω与各自加速度a的关系。

有益效果

本发明与现有技术及方法相比，存在以下优势：

飞行器正四面体结构动力布局，配合传感器采集的飞行姿态信息，可以动态灵活调整飞行器的飞行姿态，在空中轻松实现水平移动、垂直移动、转向、翻转等动作。

由于采用正四面体结构动力布局，任意顶点都可作为上顶点。当某一顶点动力系统发生损坏时，控制系统可以根据传感器数据对其余三个动力系统进行动态调整，从而保证飞行器在空中的姿态平衡。

正四面体结构由四个正三角形构成，受力平衡，能够最大限度地保证飞行器结构的稳固。

正四面体结构顶点处安装的摄像头可以保证当飞行器姿态发生变化时，拍摄目标在任意时刻均会位于某一个摄像头拍摄范围中。

附图说明

图1为本发明所述无人飞行器的结构组成立体示意图；

图2为本发明所述无人飞行器的顶点组成示意图；

图3为本发明所述无人飞行器的升降状态下的受力示意图；

图4为本发明所述无人飞行器的水平面三旋翼受力俯视图；

图5为本发明所述无人飞行器的姿态翻转受力示意图；

图6为本发明所述无人飞行器的单旋翼损坏后受力示意图。

图7为本发明所述无人飞行器的软硬件系统组成示意图。

图8为本发明所述无人飞行器的机械结构组成示意图。

图9为本发明所述无人飞行器的视频拍摄范围示意图。

其中，1-机身、2-动力系统、3-第一机架、4-第二机架、5-第三机架、6-第四机架、7-第五机架、8-第六机架、9-第一动力系统、10-第二动力系统、11-第三动力系统、12-第四动力系统、13-机架连接件、14-电机支撑轴、15-旋翼、16-摄像头、17-电机、18-电源、19-嵌入式控制板、20-姿态传感器、21-电子调速器、22-姿态采集与控制系、23-信号传输系统。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式进行进一步详细说明。

一种正四面体动力结构布局的无人飞行器，如图1和图2所示，包括机身1、4组动力系统2、4组电源18、4组姿态采集与控制系统22。还可以包括4组摄像头16、信号传输系统23。

所述机身1采用包括六个长度相等的机架(第一机架3、第二机架4、第三机架5、第四机架6、第五机架7、第六机架8)。六个机架连接构成正四面体结构，两两相邻机架相互之间的夹角均为60°，整体构成正四面体布局结构，任意三个顶点连线形成正三角形。

优选地，机身1的材质采用铝或玻璃纤维材料，能够在保证强度的同时具有优良地稳定性。

所述动力系统2共有四组，分别为第一动力系统9、第二动力系统10、第三动力系统11和第四动力系统12，四组动力系统的轴线在正四面体中心位置处相交于一点，如图1所示。本具体实施方式中，动力系统采用旋翼动力系统，每一组动力系统均包括有机架连接件13、电机支撑轴14、旋翼15和电机17，如图2所示。其中，机架连接件13与顶点处的3个机架分别相连，电机支撑轴14固定安装在机架连接件13上；电机17固定安装在电机支撑轴14上，并与姿态采集与控制系统22、电源18分别相连；旋翼15与电机17相连。旋翼动力系统的输出力方向与其他三个顶点所组成的平面垂直。

所述姿态采集与控制系统22，安装于机架连接件13和电机支撑轴14的中心固定处中部，包括嵌入式控制板19、姿态传感器20、电子调速器21。

所述嵌入式控制板19用于控制电机17，电机17带动旋翼15旋转产生推力。根据设定的控制规则，结合姿态传感器20获得的飞行状态数据信息，调整动力系统2的转速和方向，实现对飞行器姿态的控制。当需要改变飞行姿态时，嵌入式控制板19控制电子调速器21进而调节电机17的输出功率，从而控制旋翼15的旋转速度和旋转方向，实现推力大小和方向的改变。所述姿态传感器20用于获得飞行器飞行时的三维姿态数据，通过基于四元数的传感器数据算法进行运动姿态测量，实时输出以四元数、欧拉角等表示的三维姿态数据。为调整飞行状态提供数据基础。

任一时刻，四个嵌入式控制板中只有一个为主控制板，其余三个为从控制板，采集四组姿态传感器20的数据信息。优选地，四个嵌入式控制板19通过Wi-Fi连接通信。

所述摄像头16用于拍摄图像及视频信息。飞行器的每个顶点处分别安装有至少一个摄像头16。摄像头16与所在顶点处的姿态采集与控制系统22、电源18分别相连。优选地，摄像头16安装于旋翼15的中间位置。姿态采集与控制系统22采集摄像头16的图像和视频信息。摄像头16优选采用广角摄像头。

所述信号传输系统23用于飞行器与外部系统(如地面遥控站、空中遥控站、船载遥控站等)进行传输通信。信号传输系统23任意安装在某一个顶点处，并与该顶点处的姿态采集与控制系统22和电源18相连。

电源18安装于机架连接件13和电机支撑轴14的中心固定处内侧，为所有耗电设备供电。

优选地，姿态采集与控制系统22、信号传输系统23、电源18摄像头16均采用微小型、低能耗的电子器件，保持低功耗、小型化的同时具有优良的性能。

因旋翼旋转速度的平方与其产生的推力成正比关系，即F∝r²，因此，可在飞行器调整到目标水平角度θ′和目标竖直角度φ′的过程中，根据旋翼转速r的调整实现F_x、F_y、F_z的变化，配合测得的角速度ω、加速度a、水平角度θ及竖直角度φ进行控制，最终完成飞行器的姿态调整动作。

下面描述本发明所述无人飞行器的不同飞行状态及姿态调整过程：

1、空中悬停、抬升及下降

如图3所示，由与重力同方向的顶点1处的旋翼动力系统提供竖直向上或竖直向下的力，其他3个顶点处的旋翼动力系统在输出功率一致的情况下水平方向上合力为0，垂直方向上提供竖直向上或竖直向下的力；若无人飞行器竖直向上的整体合力等于重力，即飞行器在竖直方向上合力为0时，无人飞行器实现空中悬停；若无人飞行器在竖直方向上合力不为0，当向上的升力大于重力时，无人飞行器抬升，反之，无人飞行器下降。

2、水平面任意方向的运动

顶点2、3和4的旋翼在水平方向上的受力俯视示意图如图4所示，水平面任意方向的飞行所依赖的水平合力由三个力叠加可得。依靠顶点2、3和4的动力系统在水平方向上的力，当顶点2的输出力增大，飞行器在垂直方向上的升力变大，飞行器整体姿态发生倾斜，整体合力方向继续指向顶点1的方向，此时加上垂直方向上的作用力后，可以实现在三维空间中自由飞行。

3、姿态翻转

如图5所示，顶点1、2、3、4地位相同，都可以作为翻转参考点。以竖直方向翻转为例，在翻转过程中，任意形态均为平衡状态，通过姿态传感器20可以测得角速度ω、加速度a、水平角度θ及竖直角度φ，四个顶点的旋翼产生的推力分别F₁、F₂、F₃和F₄，F₂、F₃和F₄产生的合力为F，方向为如图5所示，其与重力G、推力F₁共同作用产生的合力对于四顶点所在的四轴来皆为顺时针的作用力，增大合力F并减小F₁，飞行器翻转速度加快。当飞行器翻转至目标角度时，四个顶点的合力与重力平衡，飞行器悬停，处于平衡状态。

4、当某一顶点发生损坏时

当出现某旋翼损坏或故障的情况时，如图6所示，若顶点1的旋翼动力系统发生损坏时，嵌入式控制板19可以根据姿态传感器20所采集到的姿态数据对其余三个旋翼动力系统的输出功率及输出力方向(如旋翼反转)进行动态调整，维持上升的合力，保证无人飞行器在空中的姿态平衡。

5、任意姿态下的视频拍摄

飞行器整体采用正四面体的结构，摄像头16位于正四面体的顶点位置处，飞行器在飞行过程中，四个摄像头始终处于工作状态，四个摄像头采用广角摄像头，当摄像头16支持的拍摄角度大于120°时，如图9所示，以二维平面为例，顶点1、顶点2、顶点3处的3个广角摄像头可沿拍摄方向覆盖全部二维空间，正四面体结构的四个摄像头的拍摄范围可覆盖除飞行器自身外的全部三维空间。当飞行器姿态发生改变时，拍摄的目标物体始终处于某一个摄像头的拍摄范围中，从而确保不会造成目标图像和视频缺失。