基于“类-萨鲁斯”连杆的可变构型四旋翼无人飞行器结构设计方法技术

一种基于“类‑萨鲁斯”连杆的可变构型的四旋翼无人飞行器结构设计方法，该方法是：设计一种“类‑萨鲁斯”连杆，用于组建可变构型的“类‑富勒德(类Fulleroid)”六面体机构；基于“类‑萨鲁斯”连杆机构，以六面体作为虚拟基底，将“类‑萨鲁斯”连杆机构合理地安置在六面体虚拟基底内，建立“类‑富勒德”可变构型的“球状‑六面体”机构；设计一种可展开的四旋翼翼臂结构并将其与“类‑富勒德”可变构型的“球状‑六面体”机构结合，实现可变构型四旋翼飞行器的初始设计，经增加直线电机驱动的结构优化后，最终完成可变构型的四旋翼飞行器全部结构功能设计。发明专利技术的变构型的结构特点增强了装载能力，扩展了装载方式，可以满足不同任务工况下的使用需求。

【技术实现步骤摘要】
基于“类-萨鲁斯”连杆的可变构型四旋翼无人飞行器结构设计方法
本专利技术涉及四旋翼飞行器结构设计领域，尤其涉及一种可变构型的四旋翼飞行器结构设计与验证方法。
技术介绍
四旋翼飞行器作为多旋翼飞行器的一种，近年来得到了较快的发展。四旋翼飞行器属于非共轴蝶形飞行器，在平面上成“十”字对称结构并均匀分布四个旋翼翼臂，通过调节四个旋翼翼臂上固定的旋翼旋转所产生的升力来控制6个自由度方向上的动作，即垂直起降(竖直Z方向)，前后左右移动(水平X或Y方向)，滚转运动(绕X轴转动)，俯仰运动(绕Y轴转动)以及偏航运动(绕Z轴转动)。与常规的单旋翼飞行器相比，通过调节四个旋翼两两不同的旋转方向，即可相互各个旋翼所产生的反扭力矩，因此其并不需要单独设置反扭矩螺旋桨，使得四旋翼飞行器结构更为紧凑，具有更好的飞行性能。四旋翼无人飞行器作为当今最具有市场应用潜力的无人飞行器，在军用警用领域内，能很好地胜任低空侦查、边防巡逻、电子干扰、情报监视和嫌疑人侦查等任务；在民用领域内，能够完成高空航拍、管道探测、灾害监测、交通管制和物流运输等任务。因此，成为许多国家的研究热点。在上述应用领域内，四旋翼无人飞行器并非作为一个单独的个体出现，而是作为一个通用的平台，实现功能单元化，即可以按照任务需求，装配相应的传感器等设备。这就对四旋翼无人飞行器的结构设计提出了新的要求。随着飞行器智能化的提高，控制算法的愈发成熟，以智能物流为例，四旋翼无人飞行器作为运输平台，不仅要能够实现大载荷起降飞行，通过路径轨迹巡线飞行，还要通过各种专业的传感器实现智能投递，如采用全天候图像传感器与人眼虹膜识别传感器，自主识别并确认货物收件人信息。为了实现这些功能，需要将各类传感器合理地安置在四旋翼无人飞行器的平台上。因此，设计一种可变构型的四旋翼无人飞行器的结构对无人机的研发与市场应用均具有十分重要的意义。近年来，对于可变结构的无人飞行器研究，大都采用传统固定翼飞机的机身设计，在两个主机翼的末端安装两个角度可以倾斜调整的旋翼。在飞机垂直起降时，旋翼面朝上提供升力，而在飞行器在空中改平后，旋翼面朝前倾斜直至垂直于机身，提供水平方向的推力。这种可变构型方式存在一定的缺陷，如：只有两个旋翼导致垂直起降时稳定性不佳；由悬停模式与平飞模式进行相互转换时，需要保证平稳的姿态控制，例如在由悬停向平飞过渡时，机翼倾斜角由垂直位置向前倾斜至失速点附近，机翼由提供水平阻力转变为提供足够升力，系统受力情况会有急剧变化。因此，在传统四旋翼无人飞行器的设计基础上实现可变构型，才能最大化发掘出无人飞行器的应用潜力。基于上述缺陷，本专利技术作者经过长时间的研究和实践获得了本创作。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于“类-萨鲁斯(类Sarrus)”连杆的可变构型四旋翼无人飞行器结构设计方法，用以克服上述技术缺陷。基于“类-萨鲁斯”连杆的可变构型四旋翼无人飞行器是由一种“类-富勒德(类Fulleroid)”可变构型“球状-六面体”机构以及一个可以与其实现联动展开-闭合的四旋翼翼臂结构组成。一种基于“类-萨鲁斯”连杆的可变构型四旋翼无人飞行器结构设计方法，包括以下步骤：步骤a，提出并设计一种“类-萨鲁斯”过约束空间八连杆机构。运动学分析结果表明其结构与运动学特性可以用于组建生成可变构型的“类-富勒德”多面体机构。步骤b，选择六面体结构作为虚拟基底，将所提出的“类-萨鲁斯”过约束空间八连杆机构合理地安置在虚拟基底内，用于生成“类-富勒德”可变构型的“球状-六面体”机构。本步骤主要包括：安置方式以及“类-富勒德”可变构型的“球状-六面体”机构构型分析。步骤c，设计一种可展开的四旋翼翼臂结构，将其与“类-富勒德”可变构型“球状-六面体”机构相结合，使其与“类-富勒德”可变构型的“球状-六面体”机构联动展开(或闭合)，完成可变构型四旋翼飞行器结构的初始设计。步骤d，完善可变构型四旋翼飞行器结构初始设计：选择直线电机作为可变构型四旋翼飞行器的展开驱动器。进一步地，所述的步骤a中的“类-萨鲁斯”过约束空间八连杆机构，由两个相同的“V型”连杆以及6个相同长度的直杆组成，八个连杆的两端各有一个转动关节，依次为A1，B1，C1，D1，A2，B2，C2，D2。将八个连杆从1至8进行编号，“V型”连杆分别编号为1和5。进一步地，在上述步骤b中，六面体虚拟基底为框架式结构，从其任一顶角开始，即可有序地设计并建立“类-富勒德”可变构型机构，形状优化后完成“类-富勒德”可变构型的“球状-六面体”机构。进一步地，在上述步骤c中，可展开的四旋翼翼臂结构需要与“类-富勒德”可变构型的“球状-六面体”机构形成联动，即在“类-富勒德”可变构型的“球状-六面体”机构展开或闭合时，四旋翼翼臂结构可以实现在“十”字型翼臂轴向方向的伸缩运动。进一步地，在上述步骤d中，以“类-富勒德”可变构型机构的结构特点为基础，加入直线电机，实现可变构型四旋翼飞行器结构的展开与闭合。与现有技术相比较本专利技术的有益效果在于：本专利技术提出一种可变构型的四旋翼无人飞行器结构设计，弥补了一般固定飞行结构的四旋翼飞行器无法根据任务需求改变飞行器结构的弊端，可变构型的结构特点增强了装载能力，扩展了装载方式，可以满足不同任务工况下的使用需求。本专利技术对四旋翼无人机未来的发展方向提供了新的思路，具有一定的实际应用意义。附图说明图1为本专利技术所提出的“类-萨鲁斯”空间八连杆机构结构示意图。图2为本专利技术所提出的“类-富勒德”可变构型机构顶角建立过程示意图。图3为本专利技术所提出的“类-富勒德”可变构型“球状-六面体”机构展开过程示意图。图4为本专利技术所提出的可展开四旋翼翼臂结构示意图。图5为本专利技术所提出的可变构型的四旋翼无人飞行器某一中间状态构型示意图。具体实施方式请参阅图1所示，其为本专利技术提出的“类-萨鲁斯”空间过约束八连杆机构结构及几何参数示意图；通过在两个“V型”连杆1以及5上分别建立全局坐标系与局部坐标系，以及图1所示几何参数，采用旋量代数理论可以计算得到“类-萨鲁斯”连杆机构的活动度为3，但根据Grübler-Kutzbach公式，此八连杆机构自由度应为2，故此“类-萨鲁斯”连杆为过约束机构。请参阅图2所示，其为本专利技术所提出的“类-富勒德”可变构型机构顶角建立过程示意图。沿虚拟基底中的AD、AB、AF分别安置三组“类-萨鲁斯”空间八连杆(直线连杆长度a＝30mm，“V型”连杆中)。三组“类-萨鲁斯”连杆中，每组各有一个“V型”连杆相交重叠为“类-富勒德”可变构型机构的一个顶角。重复该过程即可完成“类-富勒德”可变构型“球状-六面体”机构的建立：其完全闭合状态(连杆与四边形组件一边重合)、任一中间展开状态、完全展开状态(连杆与四边形组件一边夹角为135°)，其中四边形组件边长与连杆长度相等，为30mm，两个相对的四边形组件在完全闭合状态与完全展开状态下的距离分别为196.22mm与304.83mm，如图3所示。根据欧拉公式在独立环路中的应用，此“类-富勒德”可变构型“球状-六面体”机构的约束矩阵Mc的nullity维度为1。此表明“类-富勒德”可变构型“球状-六面体”机构的活动度为1。请参阅图4所示，设计一种可展开的四旋翼翼臂结构。四个旋翼翼臂(翼臂直径13mm，臂长143mm本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于“类‑萨鲁斯”连杆的可变构型四旋翼无人飞行器结构设计方法，其特征在于：基于“类‑萨鲁斯”连杆的可变构型四旋翼无人飞行器是由一种“类‑富勒德”可变构型“球状‑六面体”机构以及一个可以与其实现联动展开‑闭合的四旋翼翼臂结构组成；结构设计方法包括以下步骤：步骤a：提出并设计一种“类‑萨鲁斯”过约束空间八连杆机构；对其进行运动学分析，结果表明其结构与运动学特性可以用于组建生成可变构型的“类‑富勒德”多面体机构；步骤b：选择六面体结构作为虚拟基底，将所提出的“类‑萨鲁斯”过约束空间八连杆机构合理地安置在虚拟基底内，用于生成“类‑富勒德”可变构型的“球状‑六面体”机构；步骤c：设计一种可展开的四旋翼翼臂结构，将其与“类‑富勒德”可变构型“球状‑六面体”机构相结合，使其与“类‑富勒德”可变构型的“球状‑六面体”机构联动展开或闭合，完成可变构型四旋翼飞行器结构的初始设计；步骤d：完善可变构型四旋翼飞行器结构初始设计：选择直线电机作为可变构型四旋翼飞行器的展开过程驱动器。

【技术特征摘要】
1.一种基于“类-萨鲁斯”连杆的可变构型四旋翼无人飞行器结构设计方法，其特征在于：基于“类-萨鲁斯”连杆的可变构型四旋翼无人飞行器是由一种“类-富勒德”可变构型“球状-六面体”机构以及一个可以与其实现联动展开-闭合的四旋翼翼臂结构组成；结构设计方法包括以下步骤：步骤a：提出并设计一种“类-萨鲁斯”过约束空间八连杆机构；对其进行运动学分析，结果表明其结构与运动学特性可以用于组建生成可变构型的“类-富勒德”多面体机构；步骤b：选择六面体结构作为虚拟基底，将所提出的“类-萨鲁斯”过约束空间八连杆机构合理地安置在虚拟基底内，用于生成“类-富勒德”可变构型的“球状-六面体”机构；步骤c：设计一种可展开的四旋翼翼臂结构，将其与“类-富勒德”可变构型“球状-六面体”机构相结合，使其与“类-富勒德”可变构型的“球状-六面体”机构联动展开或闭合，完成可变构型四旋翼飞行器结构的初始设计；步骤d：完善可变构型四旋翼飞行器结构初始设计：选择直线电机作为可变构型四旋翼飞行器的展开过程驱动器。2.根据权利要求1所述的一种基于“类-萨鲁斯”连杆的可变构型四旋翼无人飞行器结构设计方法，其特征在于：所述步骤a中，“类-萨...

【专利技术属性】
技术研发人员：任雷，魏国武，修豪华，钱志辉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22