一种基于四压杆整体张拉结构的多旋翼无人机制造技术

技术编号:20779610 阅读:26 留言:0更新日期:2019-04-06 03:28
本发明专利技术公开了一种基于四压杆整体张拉结构的多旋翼无人机,以四压杆整体张拉结构为机身主体的无人机。其机体由一系列不连续的受压单元和一系列连续的受拉单元相互作用而成。在该无人机机身中受压单元为压杆,受拉单元为拉索,单元与单元的相互作用点为节点;压杆之间互不接触,拉索形成了连续的张力网络,构成了结构稳定的空间外形。本发明专利技术的基于四压杆张拉整体结构的无人机实现了刚性构件与柔性构件的结合,具有可变形、易折叠和对地面环境适应性好等优点。同时,该类型无人机的结构更加简单,驱动更加容易,所需要的驱动能量也更少。

A Multi-Rotor UAV Based on Four Pressure Bar Integral Tension Structure

The invention discloses a multi-rotor UAV based on a four-bar integral tension structure, which takes the four-bar integral tension structure as the main body of the fuselage. The body is composed of a series of discontinuous compression elements and a series of continuous tension elements. In the UAV fuselage, the compression element is a compression bar, the tension element is a cable, and the interaction point between the element and the element is a node. The compression bar does not contact each other, and the tension cable forms a continuous tension network, which constitutes a stable spatial shape of the structure. The unmanned aerial vehicle based on the four-bar tension integral structure realizes the combination of rigid component and flexible component, and has the advantages of deformability, easy folding and good adaptability to the ground environment. At the same time, the structure of this type of UAV is simpler, the driving is easier, and the driving energy is less.

【技术实现步骤摘要】
一种基于四压杆整体张拉结构的多旋翼无人机
本专利技术属于无人机
,具体涉及一种基于四压杆整体张拉结构的多旋翼无人机。
技术介绍
无人机是指利用无线遥控设备和自身的控制装置进行控制的不载人飞行器,该设备融合了机械电子、计算机通信和导航控制等技术,能够在复杂环境中进行运动轨迹的实时控制。目前,无人机已被广泛应用于航拍摄影、电力巡检、环境监测、森林防火、灾情巡查、防恐救生和军事侦察等领域,能够有效克服有人驾驶飞机进行空中作业的不足,降低购买与维护成本。但是,无人机在作业时,会面临着崎岖的地貌、山脉、建筑物、树木和输电线路等复杂障碍物的安全威胁。基于此,本专利技术提出一种基于四压杆整体张拉结构的无人机,该类型无人机具有独特的可折展特性和较轻的质量,对复杂作业环境有着良好的适应性。目前,无人机机体结构都是由刚性杆件构成,杆件材料一般为碳纤维。但是,由刚性杆件构成的机身结构对环境适应性较差,特别是在复杂环境中降落时会受到极大的限制。为了克服该问题,申请人提出了基于四压杆整体张拉结构的无人机,该类型无人机具有一定的连续变形能力,它可以大幅度改变机体形状,对降落环境的适应能力好。张拉整体结构在没有预应力存在的情况下是机构,但是由于自应力状态的存在,在特定的几何形状下,稳定了一阶无穷小机构,从而使结构获得刚度称为可承受载荷的结构,这是它区别与传统机构的本质特点。正是由于该本质特点,使得张拉整体结构的内力和形态高度相关,表现出很强的形态可调性。基于该设计思想,将张拉整体结构的概念也被引入至无人机的研究领域。1948年,美国学者Fuller将‘Tension’和‘Integrity’这两个词缩减合成为一个新的名词‘Tensegrity’,首次提出了‘张拉整体’这一概念。直到上世纪80年代初期,这种独特的结构体系才引起了工程界研究者的关注。作为一种新型空间结构,张拉整体结构是由少量刚性压杆和大量柔性拉索构成的,是一种效率极高的内力自平衡结构体。在运动控制方面,传统无人机利用控制算法使其按照特定方式运动或保持在某一位置,所以控制中很大一部分能量用于维持结构稳定。而张拉整体结构通过调整内部预应力来实现整体结构的变形,并维持整体结构处于自平衡状态。这种独特的性能使得张拉整体结构具有更好的控制性能,即需要较大的能量来改变平衡位置,较小的能量维持结构稳定。当该类型无人机受到外部扰动后,依靠结构自身预应力来维持本身稳定性,与张拉整体结构的自平衡原理相类似。因此,将传统无人机进行创造性改机,使之应用张拉整体结构,是有重大意义的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于四压杆整体张拉结构的多旋翼无人机,以克服现有技术存在的不足:本专利技术具体采用以下技术方案予以实现:基于四压杆张拉整体结构的无人机,其机体由一系列不连续的受压单元和一系列连续的受拉单元相互作用而成。其中,机身中受压单元称为压杆,受拉单元称为拉索,单元与单元的相互作用点称为节点。压杆之间互不接触,拉索形成了连续的张力网络,构成了结构稳定的空间外形。四压杆张拉整体结构由8个节点、4根压杆和12根拉索组成,其中拉索又分为上下两底面水平索(各4根)和4根呈对称布置的斜索。如附图1所示,粗实线表示4根压杆,上下两面细实线表示上下两底面水平索,斜着的4根细实线表示4根斜索;上下两底面水平索均由4根拉索构成,每一面上通过同一节点相连接的两根拉索均呈角布置,由拉索连接而成的上下两底面水平索绕结构整体中心轴线呈角度布置。另外,四压杆张拉整体结构中所有的杆构件和斜索的长度都分别相等,同一水平面上的水平索长度也相同,结构中所有构件的端部都连接于节点上,而所有节点都均匀分布于位于上下端面的圆周上。每个节点上都连有1根压杆和3根拉索,12根拉索相互连接形成一个立体空间索网结构,4根受压杆构件则从内部撑起索网形成一稳定结构。在四压杆张拉整体结构的研究中,当对称结构的杆长保持不变,绳长逐渐减小时会得到的一系列平衡位置。由于张拉整体结构的对称性,每一个平衡位置可以由杆的两个旋转角和上下级之间的高度差三个参数来描述,这一系列参数在笛卡尔坐标系中为一曲面,即平衡曲面。可变结构体无人机运动主要依赖于变形能力,而张拉整体的结构参数如压杆的杨氏模量、拉索的弹性系数、预张紧力等,都会对结构的变形能力产生影响。通过找形方法来调整无人机的整体张拉结构,运用绳索驱动结构能够容易地改变无人机的结构,通过复合控制策略实现了无人机变结构节能机理。本专利技术还具有以下特征:如附图2所示,基于四压杆张拉整体结构的无人机是可变结构体,具有极高的变形能力,可产生多类变形状态,同时也具有较好的抗压抗震能力,适应复杂的地面环境下的作业。此外,基于张拉整体结构的无人机可利用自身形变可产生多类运动形态,其中蠕动运动状态稳定,速度较低,适应于非平整地形;滚动运动状态速度快,适应于平整地形。基于四压杆张拉整体结构无人机对地面的适应能力依赖于自身的变形状态,而张拉整体结构参数,如压杆的长度和杨氏模量,拉索的长度和弹性系数等,均会对无人机的变形能力产生影响。基于四压杆张拉整体结构的无人机是由可承受大应变的拉索制成,可大范围地改变自身形状,以适应飞行和降落环境中各种障碍物,该特点能够满足无人机在工业中的实际应用。该类型无人机是可变结构的,形状可以灵活的改变和控制,具有负载能力强、速度快的优点,也具有柔性结构极强的自我保护能力。该无人机可利用自身形变,产生多类步态以适应不同地形。张拉整体结构可以通过变形或折叠来实现越障等工作,其轻型的结构可以节省能量。利用张拉整体结构作为基本结构来制作无人机,该结构在未来的智能无人机领域有着较大的发展潜能。本专利技术的优点是:区别于现有无人机,基于四压杆张拉整体结构的无人机实现了刚性构件与柔性构件的结合,具有可变形、易折叠和对地面环境适应性好等优点。同时,该类型无人机的结构更加简单,驱动更加容易,所需要的驱动能量也更少。本专利以构件相对较少的四压杆张拉整体结构作为研究对象,提出了一种可变机身结构的无人机。本专利技术的优点在于:(1)重量轻、可折叠、易拆卸,方便运输;(2)结构中特有的柔性单元为结构自身提供保护,避免外界伤害造成的机械损伤;(3)可利用压杆驱动、拉索驱动或二者结合驱动三种驱动方式,可变形能力强,所需变形空间小;(4)不同驱动方式可产生相类似的运动,冗余性好,运动续航能力强;(5)利用自身变形,产生多类不同形式的变形,能够更好地适应复杂地面环境。附图说明图1为四压杆张拉整体结构及其不同位姿示意图;图2为基于四压杆张拉整体结构的无人机示意图。附图标记说明:1-螺旋桨,2-刚性压杆,3-弹性柔索,4-压杆和柔索的连接端;a1-a8以及b1-b4均表示连接端的位置。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明,但不作为对本专利技术的任何限制。如图1和2所示:图中螺旋桨1为现有产品,图中所有节点的字母a1、a2等都是刚性压杆2(粗黑线)和弹性柔索3(细线)的连接点,即压杆和柔索的连接端4,在本专利技术中这些字母都是作为设计参数,如a1a2的长度,本领域技术人员在实际生产中可行自行取值。对于四压杆张拉整体结构的无人机,取四根刚性压杆4的长度为300mm,截面半径10mm,8根水平弹性柔索3的长度为150mm,截面半径2.5mm。本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于四压杆整体张拉结构的多旋翼无人机,其特征在于:该无人机机身是由以四压杆整体张拉结构为机身结构;该结构是由一系列不连续的受压单元和一系列连续的受拉单元相互作用而成。

【技术特征摘要】
1.一种基于四压杆整体张拉结构的多旋翼无人机,其特征在于:该无人机机身是由以四压杆整体张拉结构为机身结构;该结构是由一系列不连续的受压单元和一系列连续的受拉单元相互作用而成。2.根据权利要求1所述的基于四压杆整体张拉结构的多旋翼无人机,其特征在于:在该无人机机身中受压单元为压杆,受拉单元为拉索,单元与单元的相互作用点为节点;压杆之间互不接触,拉索形成了连续的张力网络,构成了结构稳定的空间外形。3.根据权利要求2所述的基于四压杆整体张拉结构的多旋翼无人机,其特征在于:四压杆张拉整体结构由8个节点、4根压杆和12根拉索组成,其中拉索包括上下两底面各4根水平索和4根呈对称布置的斜索。4.根据权利要求3所述的基于四压杆整体张...

【专利技术属性】
技术研发人员:崔祚
申请(专利权)人:贵州理工学院
类型:发明
国别省市:贵州,52

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