用于飞行器的反向旋转推进器制造技术

一种飞行器包括机架、垂直推进单元和控制器。垂直推进单元安装到机架，并包括取向为向飞行器提供垂直推进的推进器。垂直推进单元在机架上以多个象限被物理地组织，其中每个象限包括两个或更多个垂直推进单元。控制器联接到垂直推进单元以控制垂直推进单元的操作。每个象限中的至少两个垂直推进单元被适配为在飞行器的飞行期间彼此反向旋转。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于飞行器的反向旋转推进器相关申请的交叉引用本申请要求享有2018年4月27日提交的美国临时申请第62/663,503号的权益，该美国临时申请通过引用全文合并于此。本申请还与和本申请同日提交的名称为“用于飞行器的推力分配”代理人案号为XCOM-1-66312的美国申请有关。
本公开总体上涉及飞行器，特别地但非排他地，涉及用于飞行器的垂直推进的控制系统。
技术介绍
无人运载工具，其也可称为自主运载工具，是能够在没有实际存在的人类操作者的情况下行驶的运载工具。无人运载工具可以以遥控模式、自主模式或部分自主模式操作。当无人运载工具以遥控模式操作时，位于远程位置的飞行员或驾驶员可以通过经由无线链路发送到无人运载工具的命令来控制无人运载工具。当无人运载工具以自主模式操作时，无人运载工具通常基于预编程的导航航点、动态自动化系统或这些的组合来移动。此外，一些无人运载工具可以以遥控模式和自主模式两者来操作，并且在一些情况下可以同时以两种模式操作。例如，作为示例，远程飞行员或驾驶员可能希望在手动执行另一任务(诸如操作用于拾取物体的机械系统)的同时将导航交托给自主系统。各种类型的无人运载工具针对各种不同的环境而存在。例如，无人运载工具针对在空中、在地面上、在水下或在太空中的操作而存在。总体来说，无人飞行器(UAV)或无人机正越来越受欢迎。随着其设计完善和其功能扩展，期望其在商业上的适用性扩展。提高UAV的效率、稳定性、可靠性和/或耐久性的设计将扩展其任务能力。附图说明本专利技术的非限制和非穷举的实施方式参照附图被描述，其中，贯穿各个视图，相同的附图标记表示相同的部分，除非另外指明。并非元件的所有实例都有必要被标记，从而在适当的地方不使附图混乱。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在示出所描述的原理上。图1是根据本公开的一实施方式的飞行器的透视图图示。图2是根据本公开的一实施方式的飞行器的平面图图示。图3是根据本公开的一实施方式的飞行器的平面图，示出了在单个垂直推进单元故障时飞行器上的偏航扭矩。图4是示出根据本公开的一实施方式的用于飞行器的垂直推进单元的控制系统的功能框图。图5示出了根据本公开的一实施方式的由飞行器的控制系统运行的飞行控制方程。图6示出了根据本公开的一实施方式，飞行器的推进环如何具有不同的有效杠杆臂。图7是示出根据本公开的一实施方式的用于垂直推进单元的控制系统的操作的流程图。图8A-C示出了根据本公开的一实施方式的从外推进环到内推进环的推力的传递。图9是示出根据本公开的一实施方式的控制系统的操作的流程图，该操作用于识别推进故障并对其做出反应。具体实施方式这里描述了用于控制飞行器的垂直推进的系统、装置和方法的实施方式。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对实施方式的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，这里描述的技术可以在没有一个或更多个具体细节的情况下、或者在利用其它方法、部件、材料等的情况下被实践。在其它情况下，众所周知的结构、材料或操作未被详细描述或示出，以避免混淆某些方面。贯穿本说明书对“一个实施方式”或“一实施方式”的引用意思是结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性被包括在本专利技术的至少一个实施方式中。因此，贯穿本说明书在各个位置的短语“在一个实施方式中”或“在一实施方式中”的出现并不一定都指同一实施方式。此外，在一个或更多个实施方式中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。这里公开的实施方式描述了用于飞行器的垂直推进单元的控制系统、推进布局和操作方法。在各种实施方式中，垂直推进单元在机架上以多个象限物理地组织，其中每个象限包括两个或更多个垂直推进单元。每个垂直推进单元的推进器的旋转方向被选择，以在垂直推进单元之一故障的情况下减小机架上的净偏航扭矩。在一个实施方式中，这通过在每个象限中具有彼此反向旋转的至少两个垂直推进单元来实现。每象限反向旋转还用于减小总的偏航扭矩，这对机架施加更少的应力，从而允许使用重量更轻的机架。垂直推进单元被进一步组织成至少包括内环和外环的推进环。这里描述的实施方式实现饱和方案，该饱和方案识别给定环中的推力命令削减(thrustcommandclipping)，并通过将扭矩传递到下一个内环来快速解决任何这样的推力命令削减。在各种实施方式中，通过在推力命令输出矢量中指定垂直推进单元的推力来实现饱和方案，该推力命令输出矢量使用分配矩阵和力命令输入矢量来确定。飞行控制器快速地分析推力命令输出矢量的初始估计，以确定它是否导致任何推力命令削减。如果是的话，则将扭矩从外环依次传递到(多个)内环，外环由于其更大的机械优势而提供更大的控制有效性。在各种实施方式中，控制系统提供对每个垂直推进单元的有效性的实时监测。如果确定一个或更多个垂直推进单元具有故障状况，则可以在飞行中修正控制有效性矩阵，以调整分配矩阵并因此调整飞行控制动态。图1是根据本公开的一实施方式的飞行器100的透视图图示。飞行器100的所示实施方式是垂直起降(VTOL)无人飞行器(UAV)，其包括分别用于提供水平推进和垂直推进的分离的推进单元106和112。垂直推进单元112也已被标记为1-8供单独引用，但是使用标记112被共同引用。飞行器100是固定机翼飞行器，顾名思义，它具有机翼组件102，该机翼组件102可以基于机翼形状产生升力，并且当由推进单元106水平推进时产生运载工具的向前空速。飞行器100的所示实施方式具有机架，该机架包括机身104、机翼组件102和吊杆组件110。在一个实施方式中，机身104是模块化的，并且包括电池模块、航空电子设备模块和任务有效载荷模块。这些模块可以是彼此可分离的和彼此可机械固定的，以连续形成机身或主体的至少一部分。电池模块包括用于容纳一个或更多个电池的腔，所述一个或更多个电池用于为飞行器100供电。航空电子设备模块容纳飞行器100的飞行控制电路，该飞行控制电路可以包括处理器和存储器、通信电子设备和天线(例如，蜂窝收发器、wifi收发器等)以及各种传感器(例如，全球定位传感器、惯性测量单元(IMU)、磁罗盘等)。任务有效载荷模块容纳与飞行器100的任务相关联的设备。例如，任务有效载荷模块可以包括用于保持和释放附接在外部的有效载荷的有效载荷致动器。在另一实施方式中，任务有效载荷模块可以包括用于承载相机/传感器设备(例如，相机、透镜、雷达、激光雷达、污染监测传感器、天气监测传感器等)的相机/传感器设备支架。如图所示，飞行器100包括位于机翼组件102上的水平推进单元106，水平推进单元106可以各自包括用于水平地推进飞行器100的电动机、具有轴的电动机转子和推进器叶片。飞行器100的所示实施方式还包括固定到机翼组件102的两个吊杆组件110。垂直推进单元112安装到吊杆组件110。垂直推进单元112还可以各自包括用于提供垂直推进的电动机、具有轴的电动机转子和推进器叶片。如上所述，垂直推进单元112可以在飞行器100正在下降本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种飞行器，包括：/n机架；/n多个垂直推进单元，安装到所述机架并包括取向为向所述飞行器提供垂直推进的推进器，其中所述垂直推进单元在所述机架上以多个象限物理地组织，其中每个所述象限包括两个或更多个所述垂直推进单元；以及/n控制器，联接到所述垂直推进单元以控制所述垂直推进单元的操作，其中每个所述象限中的至少两个所述垂直推进单元被适配为在所述飞行器的飞行期间在所述控制器的影响下彼此反向旋转。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180427 US 62/663,503;20180614 US 16/008,4641.一种飞行器，包括：
机架；
多个垂直推进单元，安装到所述机架并包括取向为向所述飞行器提供垂直推进的推进器，其中所述垂直推进单元在所述机架上以多个象限物理地组织，其中每个所述象限包括两个或更多个所述垂直推进单元；以及
控制器，联接到所述垂直推进单元以控制所述垂直推进单元的操作，其中每个所述象限中的至少两个所述垂直推进单元被适配为在所述飞行器的飞行期间在所述控制器的影响下彼此反向旋转。


2.根据权利要求1所述的飞行器，其中所述垂直推进单元被组织成右舷推进单元和左舷推进单元，以及其中每个所述右舷推进单元相对于所述左舷推进单元中的对应左舷推进单元反向旋转，所述对应左舷推进单元具有关于所述飞行器的前-后轴线的镜像位置。


3.根据权利要求2所述的飞行器，其中所述垂直推进单元被进一步组织成前推进单元和后推进单元，以及其中每个所述前推进单元相对于所述后推进单元中的对应后推进单元反向旋转，所述对应后推进单元具有关于所述飞行器的左舷-右舷轴线的镜像位置。


4.根据权利要求1所述的飞行器，其中所述多个垂直推进单元在每个所述象限中由两个推进单元组成。


5.根据权利要求4所述的飞行器，其中所述垂直推进单元由八个垂直推进单元组成，所述八个垂直推进单元被组织成前-右舷象限(Q1)、后-左舷象限(Q2)、前-左舷象限(Q3)和后-右舷象限(Q4)，其中所述垂直推进单元的第一半被组织成外推进环(R1)，并且第二半被组织成内推进环(R2)，以及其中所述垂直推进单元具有以下旋转方向：
对于所述垂直推进单元中的在位置Q1-R1、Q2-R1、Q3-R2、Q4-R2的那些垂直推进单元的第一旋转方向，以及
对于所述垂直推进单元中的在位置Q1-R2、Q2-R2、Q3-R1、Q4-R1的那些垂直推进单元的第二旋转方向，所述第二旋转方向与所述第一旋转方向平行但相反。


6.根据权利要求1所述的飞行器，其中所述多个垂直推进单元在每个所述象限中由三个推进单元组成。


7.根据权利要求1所述的飞行器，其中所述控制器被联接以独立地控制在所述多个象限中的给定象限内的每个所述垂直推进单元的旋转速率。


8.根据权利要求1所述的飞行器，其中所述垂直推进单元的旋转方向的每个被选择，使得绕偏航轴线的推进器反作用扭矩的损失与绕所述偏航轴线的推力矢量扭矩对抗并至少部分地与该推力矢量扭矩相抵消，所述推进器反作用扭矩的损失是由于所述垂直推进单元中的任何一个的单个故障，所述推力矢量扭矩由所述机架中的扭曲引起，该扭曲是由于来自所述垂直推进单元中仍在起作用的剩余部分的推力不对称。


9.根据权利要求1所述的飞行器，其中所述飞行器包括固定机翼垂直起降(VTOL)无人飞行器(UAV)。


10.根据权利要求9所述的飞行器，其中所述飞行器进一步包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：K詹金斯，J霍夫曼，N雷诺德，C菲彻纳，
申请(专利权)人：WING航空有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US