具有解耦自由度的飞行器制造技术

一种飞行器(1)，该飞行器(1)包括主机架(3)和多个可操作的多轴飞行器单元(2a‑2d)。每个多轴飞行器单元均具有多个推进单元(5)。推进单元(5)以固定的侧倾角、固定的俯仰角和固定的偏航角附接至相应的多轴飞行器单元(2a‑2d)。所述多个可操作的多轴飞行器单元(2a‑2d)通过相应的接头(4)的插入而附接至主机架(3)并且相对于主机架(3)彼此独立地旋转。接头(4)中的至少一个接头具有最少一个自由度，使得主机架(3)具有与主机架(3)的自由度的总数相比至少相同或更多数目的可控制的自由度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有解耦自由度的飞行器
本专利技术涉及有人驾驶飞行器和无人驾驶飞行器的领域，并且更具体地，涉及具有解耦自由度(DOF)的飞行器，该飞行器由联接至中央本体的多个多轴飞行器形成，其中，所述多个多轴飞行器的性能提供了具有解耦DOF的飞行器。
技术介绍
无人驾驶飞行器(UAV)是没有人类飞行员的飞行器。有人驾驶飞行器是具有至少对飞行器的功能中的一些功能进行管理的人类飞行员的飞行器。无人机可以是有人驾驶或无人驾驶的飞行器，并且可以通过遥控器利用例如无线电信号进行远程控制，或者可以是实现机载计算机系统的自主驾驶的无人机。无人机的一个示例是多轴飞行器。如本文中所使用的，多轴飞行器可以指利用多于一个的任何数目的推进单元(例如螺旋桨、旋翼、涡轮螺旋桨发动机、喷气发动机等)飞行的任何飞行器，无论是有人驾驶的还是无人驾驶的以及远程或自主控制的。多轴飞行器的示例包括但不限于双轴飞行器(两个推进单元)、三轴飞行器(三个推进单元)、四轴飞行器(四个推进单元)、六轴飞行器(六个推进单元)、八轴飞行器(八个推进单元)等。多轴飞行器的运动可以通过改变由每个推进单元产生的相对推力而被控制。具体地，围绕多轴飞行器的三个对称轴线的运动——称为侧倾(绕前后轴线旋转)、俯仰(绕侧向轴线旋转)和偏航(绕竖向轴线旋转)——可以各自通过改变由每个推进单元产生的相对推力而被控制。例如，侧倾和俯仰可以通过增加位于一侧上的推进单元的推力并且减少位于另一侧上的推进单元的推力来实现，而偏航可以通过增加彼此对角定位的推进单元的推力来实现。水平运动可以通过使多轴飞行器朝向预期的行进方向倾斜来实现，并且竖向运动通过同时增加每个推进单元的推力(上升)或通过同时减少每个推进单元的推力(下降)来实现。在过去几年中，多轴飞行器的使用变得越来越流行，并且随着技术的成熟，出现了针对多轴飞行器的新的应用。例如，使用多轴飞行器运输大件物品或人员是开始考虑的一些应用。然而，将现有的多轴飞行器架构应用于新的应用会导致尚未解决的新问题。这些问题中的一个问题是现有的具有固定推进单元的多轴飞行器均不具有多轴飞行器的被解耦的DOF(X、Y和Z平面上的运动、偏航、侧倾和俯仰均未被解耦)，因此这些多轴飞行器无法在不必显著增加多轴飞行器所包含的推进单元的数目以及因此显著增加多轴飞行器的重量和复杂性的情况下执行某些运动。具有被解耦的DOF的飞行器提供了至少两个主要优点，换句话说，具有彼此独立的DOF的飞行器提供了至少两个主要优点。第一个优点是提高了飞行器的效率。通过能够使飞行器以被解耦的DOF移动，避免了将飞行器从第一点移动至第二点时不必要的中间运动，并且因此节省了能量。此外，通过能够在能量损失较小的方向上引导飞行器以寻求最大的空气动力学效率，获得了更高的飞行效率。第二个优点是提高了飞行器的运动精度以及控制、操纵性和稳定性。运动精度的提高允许具有独立DOF的飞行器执行现有的具有相互依赖DOF的多轴飞行器所无法执行的任务，例如敏感载荷的精确处理、精确着陆等。它还允许为飞行器提供扩展的操纵性，这在飞行条件发生变化(阵风、可变或移动的有效载荷)的情况下或这种扩展的操纵性对于某些操纵或复杂且非常苛刻的飞行动力学而言是必要的情况下的任务中可能是至关重要的。为了提供具有独立DOF的飞行器，一些现有的多轴飞行器具有通过伺服致动器耦接至多轴飞行器的主体的旋翼，以允许推进单元相对于主体倾斜。然而，使用伺服致动器来精确控制推进单元的倾斜会增加架构的复杂性、增加多轴飞行器的重量、增加制造成本和维护成本并且降低安全性和可靠性。
技术实现思路
为了克服上述缺点，本专利技术公开了一种具有解耦自由度的飞行器和一种用于操纵该飞行器的方法。飞行器可以包括主机架和多个可操作的多轴飞行器单元。所述多个可操作的多轴飞行器单元中的每个可操作的多轴飞行器单元均可以具有多个推进单元，所述多个推进单元可以以固定的偏航角、固定的侧倾角和固定的俯仰角附接至多轴飞行器单元，换句话说，推进单元可以固定至多轴飞行器本体。由推进单元中的每个推进单元施加的推力可以彼此不同。因此，多轴飞行器单元的所述多个推进单元可以构造成施加相同方向的推力但推力的大小不同。推进单元的示例可以包括但不限于螺旋桨、旋翼、涡轮螺旋桨发动机、喷气发动机等。所述多个可操作的多轴飞行器单元可以通过相应的接头的插入而附接至主机架并且可以相对于主机架彼此独立地旋转。这些接头中的至少一个接头可以具有最少一个DOF，使得主机架、即飞行器具有与主机架的DOF的总数相比数目相同或更大的可控制的自由度(CDOF)。优选地，接头可以具有一个至三个之间的数目的DOF，尽管在一些实施方式中，接头中的一些接头可以是固定的。如这里所使用的，CDOF可以指可以在飞行器的飞行期间同时操纵的方向控制变量的最大数目。在三维空间中，实体刚性件的DOF的最大数目为六。尽管实体刚性件可以呈现具有小于六个的DOF数目的构型，但是具有总数为六个的解耦DOF的实体刚性件提供了最高可能的控制。因此，可以在本文中公开的具有解耦DOF的飞行器中同时操纵的方向控制变量的数目可以等于或大于主机架的六个DOF(并且因此等于或大于作为整体的飞行器的六个DOF)。主机架的六个DOF是X、Y和Z方向上的纵向运动以及偏航、侧倾和俯仰的旋转运动。然后，主机架(以及因此飞行器)将具有与要移动的刚性实体(飞行器)的DOF的总数相比相同或更多数目的CDOF。以这种方式，飞行器的每个DOF可以独立移动。根据飞行器的架构(多轴飞行器单元的数目、每个多轴飞行器单元中的推进单元的数目和接头的DOF的数目)，飞行器可以具有更多或更少的CDOF。当CDOF的数目等于实体刚性件的DOF的总数时，飞行器具有完整的架构，并且当CDOF的数目大于刚性实体的DOF的总数时，飞行器具有冗余架构。在这些冗余架构中，冗余的CDOF、即刚性实体的DOF的总数之上的那些额外的CDOF可以在不改变飞行器的其他CDOF中的任何CDOF的情况下改变。冗余的CDOF提高了安全性，提供了故障的安全模式，提供了常规无人机无法提供的操作模式等。本文中描述的飞行器的附加的CDOF(与仅具有4个CDOF以在其主要结构中产生总共六个DOF的常规无人机相比)允许为多轴飞行器单元中的每个多轴飞行器单元部署不同的设定点(不同的倾斜角和推力)，从而开发目前在现有无人机无法获得的动态操作模式，比如其中模块以某个倾斜角放置并且反作用力抵抗阵风给予飞行器以稳定性的稳定模式或者其中所有模块的协调运动在不改变其他DOF中的任何DOF的情况下导致X或Y方向上的运动的模式。其还允许具有必要的冗余，使得即使一些推进单元出现故障，飞行器也可以保持最少六个CDOF以在其主要结构中产生六个DOF。例如，对于具有相对于由多轴飞行器单元产生的力对称布置的重心的飞行器架构而言，可以通过简单地在多轴飞行器单元中的每个多轴飞行器单元中产生相同的力来产生向前、向后、向左和向右移动的基本模式，因为每个多轴飞行器单元将以相同的倾斜角定位，使得被施加有相同的推力。飞行器将根据产生的推力和多轴飞行器被操作的倾斜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种飞行器，包括：/n主机架；/n多个可操作的多轴飞行器单元，每个多轴飞行器单元均具有多个推进单元，其中，所述多个推进单元以固定的偏航角、固定的侧倾角和固定的俯仰角附接至所述多轴飞行器单元；并且/n其中，所述多个可操作的多轴飞行器单元通过相应的接头的插入而附接至所述主机架并且相对于所述主机架彼此独立地旋转，并且其中，至少一个接头具有最少一个自由度，使得所述主机架具有与所述主机架的自由度的总数相比相同或更多数目的可控制的自由度。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181130 EP 18382880.51.一种飞行器，包括：
主机架；
多个可操作的多轴飞行器单元，每个多轴飞行器单元均具有多个推进单元，其中，所述多个推进单元以固定的偏航角、固定的侧倾角和固定的俯仰角附接至所述多轴飞行器单元；并且
其中，所述多个可操作的多轴飞行器单元通过相应的接头的插入而附接至所述主机架并且相对于所述主机架彼此独立地旋转，并且其中，至少一个接头具有最少一个自由度，使得所述主机架具有与所述主机架的自由度的总数相比相同或更多数目的可控制的自由度。


2.根据权利要求1所述的飞行器，其中，所述接头具有最多三个自由度。


3.根据前述权利要求中的任一项所述的飞行器，其中，所述主机架具有从所述主机架径向延伸的多个臂，并且每个可操作的多轴飞行器单元均附接至所述多个臂中的对应的臂。


4.根据前述权利要求中的任一项所述的飞行器，其中，所述接头包括释放系统，使得所述多个可操作的多轴飞行器单元以可释放的方式附接至所述主机架。


5.根据前述权利要求中的任一项所述的飞行器，其中，所述接头包括锁定装置，所述锁定装置构造成限制所述接头在至少一个自由度中的运动。


6.根据前述权利要求中的任一项所述的飞行器，其中，所述接头包括阻挡装置，所述阻挡装置构造成暂时阻挡所述接头在至少一个自由度中的运动。


7.根据前述权利要求中的任一项所述的飞行器，其中，所述接头包括减震装置，所述减震装置构造成吸收由所述多轴飞行器单元相对于所述主机架的运动产生的震动脉冲。


8.根据前述权利要求中的任一项所述的飞行器，其中，所述接头选自包括球形接头、万向接头、球窝接头、等速接头及其任何组合的组。


9.根据权利要求1所述的飞行器，其中，所述多个可操作的多轴飞行器单元相对于所述主机架的中心点等距定位。


10.根据前述权利要求中的任一项所述的飞行器，包括参考处理单元，所述参考处理单元位于所述主机架上并且构造成确定所述主机架相对于水平面的位移。


11.根据前述权利要求中的任一项所述的飞行器，包括位于所述主机架中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：I·A·伊尼亚基，L·A·约瑟巴，
申请(专利权)人：技术研究与创新基金会，
类型：发明
国别省市：西班牙;ES