一种抗风扰可倾斜转子的八旋翼飞行器制造技术

本实用新型专利技术提出一种抗风扰可倾斜转子的八旋翼飞行器，所述飞行器的旋翼中包括可倾斜旋翼；当飞行器工作于抗风扰工况以优化抗风性能时，所述可倾斜旋翼的旋翼所在平面相对于飞行器的机身水平面成倾斜角；所述可倾斜旋翼以多自由度电机驱动；所述多自由度电机可调整转子倾斜角以使可倾斜旋翼的旋翼相对飞行器机身水平面倾斜；所述飞行器设有机载风速检测装置和可控制旋翼倾斜姿态的飞控模块；当飞行器工作于低风速环境时，所述可倾斜旋翼的旋翼驱动轴垂直于飞行器的机身水平面，使飞行器以普通八轴旋翼飞行器的形态及工况运行以节省电力；本实用新型专利技术可优化多旋翼飞行器的抗风扰能力。力。力。

【技术实现步骤摘要】
一种抗风扰可倾斜转子的八旋翼飞行器


[0001]本技术涉及多旋翼飞行器
，尤其是一种抗风扰可倾斜转子的八旋翼飞行器。

技术介绍

[0002]多旋翼飞行器被广泛地应用于航空摄影、测量等各种领域。就在不久前，有研究人员提出了将其应用于喷洒或林冠取样。这些应用需要飞行器接近在自然环境中的物体，这使得精确定位极其重要。然而，由于风场的湍流干扰的宽带宽和不可预测性，飞行器在这种环境中运行是一个挑战。标准多旋翼构型即旋翼沿共同轴线定向，只能通过姿态变化来保持水平位置，不是完美适用于干扰抑制情景。并且在复杂风场中，改变飞行器姿态有可能导致飞行器失事等严重后果。故而有必要设计一种能够在野外环境中工作，兼顾续航与准确操作性的旋翼飞行器，这也是本技术所致力的。

技术实现思路

[0003]本技术提出一种抗风扰可倾斜转子的八旋翼飞行器，可优化多旋翼飞行器的抗风扰能力。
[0004]本技术采用以下技术方案。
[0005]一种抗风扰可倾斜转子的八旋翼飞行器，所述飞行器的旋翼中包括可倾斜旋翼；当飞行器工作于抗风扰工况以优化抗风性能时，所述可倾斜旋翼的旋翼所在平面相对于飞行器的机身水平面成倾斜角。
[0006]所述可倾斜旋翼以多自由度电机驱动；所述多自由度电机可调整转子倾斜角以使可倾斜旋翼的旋翼相对飞行器机身水平面倾斜。
[0007]所述飞行器设有机载风速检测装置和可控制旋翼倾斜姿态的飞控模块；当飞行器工作于低风速环境时，所述可倾斜旋翼的旋翼驱动轴垂直于飞行器的机身水平面，使飞行器以普通八轴旋翼飞行器的形态及工况运行以节省电力。
[0008]所述多自由度电机为转子具备三个方向上的自由度的三自由度电机；所述三个方向上的自由度，即在一个单一作用点处进行X轴、Y轴的转子倾斜动作以驱动旋翼倾斜，还在该作用点处进行Z轴的转子旋转动作以驱动旋翼旋转。
[0009]所述三自由度电机包括用于驱动所述三自由度电机转子旋转运动的直流无刷执行器、可倾斜的内部框架和固定于机身处的外部框架；
[0010]所述三自由度电机的转子设于内部框架处；
[0011]所述外部框架处设有音圈执行器和力矩执行器；所述音圈执行器转子、力矩执行器转子的输出轴经万向节与内部框架相连，驱动内部框架按所需角度倾斜，使三自由度电机的转子倾斜至所需姿态。
[0012]所述力矩执行器以永磁电机驱动，所述永磁电机包括倾斜执行器转子、倾斜执行器定子和缠绕线圈；所述倾斜执行器定子处的缠绕线圈可在单相电或双相电下工作；当需
减小尺寸以便于倾斜时，所述永磁电机以单相电供电；
[0013]所述内部框架处设有可对内部框架的倾斜过程进行监测的微传感器；所述微传感器包括惯性测量单元、编码器和分解器；所述内部框架的最大倾斜角为45度；所述直流无刷执行器以两个转子结构驱动可倾斜旋翼的旋翼驱动轴，直流无刷执行器具有可减少两个转子结构同步速度运行时的铁损的双气隙结构。
[0014]所述音圈执行器包括永磁体、音圈执行器定子、固定有线圈的线圈架和音圈执行器转子的转子背轭；音圈执行器以永磁体的磁化方向确定北极方向的x轴和南极方向的y轴；
[0015]音圈执行器定子和线圈架连接在音圈执行器底部的支撑板上形成底部结构，而转子背轭和永磁体连接在音圈执行器顶部的支架上形成顶部结构；所述顶部结构与三自由度电机的内部框架相连以驱动其倾斜；
[0016]所述顶部结构和底部结构通过万向节连接，当顶部结构相对底部结构倾斜时，永磁体的磁场方向也随之改变；所述音圈执行器利用永磁体提供的磁场，产生与线圈架处线圈的电流成比例的扭矩；
[0017]所述音圈执行器为无齿轮、无齿隙的电机驱动结构；所述电机驱动结构可提供没有滞后损失、易控制的恒定高扭矩，且可实现平衡和准确的转子定位；
[0018]当顶部结构处于初始角度时，若电流流过线圈，则音圈执行器根据极化方式和重力产生负扭矩，当供电电流中断后，顶部结构通过回复力返回到角度为0度的低功率工况；
[0019]当顶部结构的倾斜角变化时，音圈执行器的线圈电感也随之改变；
[0020]所述转子后轭设有包括倾斜操作范围的扩展结构以自电阻随倾斜角的变化；在永磁体的北极和南极之间设有磁芯以使转子后轭表现出最小的基本动态稳定性；
[0021]所述转子背轭朝向端部的方向逐渐变细，以使带凸极的音圈执行器转子的开口最大且电感最小；
[0022]所述永磁体在线圈中产生的磁通量、磁阻与可倾斜旋翼的倾斜角度大小相关，以实现对音圈执行器的无传感器控制；
[0023]当可倾斜旋翼的倾斜角为0
°
时，音圈执行器转子和定子铁芯之间的气隙长度最小以增加磁通量；当可倾斜旋翼的倾角为20
°
时，转子和定子铁芯之间的长度最大以降低磁通量。
[0024]一种抗风扰可倾斜转子的八旋翼飞行器控制方法，以上所述飞行器的八个旋翼均为可倾斜旋翼；飞行器旋翼的驱动方式包括常规驱动形式、中间驱动形式和倾斜驱动形式；
[0025]当飞行器旋翼工作于常规驱动形式时，各可倾斜旋翼的旋翼驱动轴均与机身水平面垂直，以提供最长的续航时间；
[0026]当飞行器旋翼工作于中间驱动形式时，以两对可倾斜旋翼转为倾斜姿态进行驱动，其余可倾斜旋翼的旋翼驱动轴按常规驱动形式与机身水平面保持垂直，以在提升飞行器抗风扰性能的同时兼顾飞行器的续航时间；
[0027]当飞行器旋翼工作于倾斜驱动形式时，各可倾斜旋翼的旋翼驱动轴均与机身水平面保持相同的倾斜角进行工作，以使飞行器具有最佳的抗风扰性能和空间保持能力。
[0028]所述可倾斜旋翼的旋翼可相对于机身水平面进行0度至31度范围的匀速倾斜调整，所述倾斜调整在5秒内完成；
[0029]所述飞行器的飞控模块以机载风速检测装置实时获取环境中的风速信息，并根据风速信息自动调整可倾斜旋翼的驱动方式；当可倾斜旋翼的驱动方式由飞控模块自动调整时，
[0030]若风速为0
‑
2.5m/s时，飞行器旋翼工作于常规驱动形式；
[0031]若风速为2.5
‑
5m/s，或在此风速环境下仅偶然出现瞬时风速大于5m/s时，飞行器旋翼工作于中间驱动形式；
[0032]若风速大于5m/s，飞行器旋翼工作于倾斜驱动方式。
[0033]所述飞行器的飞行器模型为二维刚体模型；
[0034]飞行器的运动方程为
[0035][0036]其中，T、T
H
和M分别是垂直推力、水平推力和产生的力矩；多旋翼飞行器框架产生的空气动力和力矩由和M
areo
表示；
[0037]驱动旋翼的电机转子产生的力和力矩以公式表述为
[0038][0039]其中，C
T
是转子推力常数，ω
i
是转子的转速。注意，公式二中的因子2用于说明x
b
‑
z
b
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抗风扰可倾斜转子的八旋翼飞行器，其特征在于：所述飞行器的旋翼中包括可倾斜旋翼；当飞行器工作于抗风扰工况以优化抗风性能时，所述可倾斜旋翼的旋翼所在平面相对于飞行器的机身水平面成倾斜角；所述可倾斜旋翼以多自由度电机驱动；所述多自由度电机可调整转子倾斜角以使可倾斜旋翼的旋翼相对飞行器机身水平面倾斜。2.根据权利要求1所述的一种抗风扰可倾斜转子的八旋翼飞行器，其特征在于：所述飞行器设有机载风速检测装置和可控制旋翼倾斜姿态的飞控模块；当飞行器工作于低风速环境时，所述可倾斜旋翼的旋翼驱动轴垂直于飞行器的机身水平面，使飞行器以普通八轴旋翼飞行器的形态及工况运行以节省电力。3.根据权利要求1所述的一种抗风扰可倾斜转子的八旋翼飞行器，其特征在于：所述多自由度电机为转子具备三个方向上的自由度的三自由度电机；所述三个方向上的自由度，即在一个单一作用点处进行X轴、Y轴的转子倾斜动作以驱动旋翼倾斜，还在该作用点处进行Z轴的转子旋转动作以驱动旋翼旋转。4.根据权利要求3所述的一种抗风扰可倾斜转子的八旋翼飞行器，其特征在于：所述三自由度电机包括用于驱动所述三自由度电机转子旋转运动的直流无刷执行器、可倾斜的内部框架和固定于机身处的外部框架；所述三自由度电机的转子设于内部框架处；所述外部框架处设有音圈执行器和力矩执行器；所述音圈执行器转子、力矩执行器转子的输出轴经万向节与内部框架相连，驱动内部框架按所需角度倾斜，使三自由度电机的转子倾斜至所需姿态。5.根据权利要求4所述的一种抗风扰可倾斜转子的八旋翼飞行器，其特征在于：所述力矩执行器以永磁电机驱动，所述永磁电机包括倾斜执行器转子、倾斜执行器定子和缠绕线圈；所述倾斜执行器定子处的缠绕线圈可在单相电或双相电下工作；当需减小尺寸以便于倾斜时，所述永磁电机以单相电供电；所述内部框架...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷瑶，王家鼎，马晨凇，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：新型
国别省市：