一种全向五旋翼飞行器制造技术

本实用新型专利技术提出一种全向五旋翼飞行器，所述飞行器设有五个旋翼和四个用于安装旋翼的管道，所述管道包括设于飞行器中部的一个中央管和三个以中央管为对称中心来环绕其设置的相同规格的边沿管；所述旋翼包括装于中央管内的主旋翼组，还包括分设于各边沿管内的相同规格的副旋翼；所述边沿管与其管内的副旋翼组合为桨叶角度可变的导管风扇；本实用新型专利技术可以完成复杂的操作工作，并克服传统垂直起飞和着陆的微型飞行器在自由度方面限制性能等缺陷。的微型飞行器在自由度方面限制性能等缺陷。的微型飞行器在自由度方面限制性能等缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种全向五旋翼飞行器


[0001]本技术涉及飞行器
，尤其是一种全向五旋翼飞行器。

技术介绍

[0002]传统的垂直起飞和着陆的微型飞行器都通常是超驱动的，也装备一些具有自由度的驱动器，但是自由度会限制它们的性能。例如，他们在侧向平移期间不能维持零横摇和俯仰姿势。对于传统的超驱动微型飞行器来说也不能随意导向他们的机身去完成复杂的抓握工作。
[0003]在申请人看来，为了完成复杂的操作工作，应该着力研究基于新型机械设计的完全驱动的微型飞行器。本技术的全向五旋翼飞行器的设计在机器人的六个方向自由度上可以灵活运动，它的中心有两个用来提供推力和调节偏航角的主固定的共轴反向螺旋桨，还有三个位于环绕在机身的三个位置的可调角单旋翼带尾桨，这些螺旋桨是用来控制飞行器的翻身和投掷并且提供侧向力。全向五旋翼飞行器有两种配置：C1：固定90
°
的随转子转速变化的导管风扇角度；C2：变量单旋翼带尾桨和变量转子速度。这种无人机原型重2磅3.5盎司并且带有一个在接近2磅6盎司的80％动力时的可用的有效载荷。它最初是为了使用AR80008-Channel接收器光谱和DX88-channel发射器实现远程控制而安装的。每个管道风扇的自定义安装都是使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料3D打印出来的。

技术实现思路

[0004]本技术提出一种全向五旋翼飞行器，可以完成复杂的操作工作，并克服传统垂直起飞和着陆的微型飞行器在自由度方面限制性能等缺陷。
[0005]本技术采用以下技术方案。
[0006]一种全向五旋翼飞行器，所述飞行器设有五个旋翼和四个用于安装旋翼的管道，所述管道包括设于飞行器中部的一个中央管(1)和三个以中央管为对称中心来环绕其设置的相同规格的边沿管；所述旋翼包括装于中央管内的主旋翼组(3)，还包括分设于各边沿管内的相同规格的副旋翼(2)；所述边沿管与其管内的副旋翼组合为桨叶角度可变的导管风扇。
[0007]每个边沿管内设有一个副旋翼；所述导管风扇的可变角度为180
°
；所述三个边沿管排列为以中央管为中心的等边三角形；所述主旋翼组包括规格相同但旋转方向相反的主螺旋桨F1和主螺旋桨F2，主螺旋桨F1和主螺旋桨F2旋转中心的连线垂直于三个导管风扇所在的平面；三个导管风扇内的副旋翼分别为第一副螺旋桨F3、第二副螺旋桨F4和第三副螺旋桨F5。
[0008]所述飞行器还设有接收器和控制板；所述主螺旋桨F1和主螺旋桨F2之间设有为飞行器提供动力的电池模块(4)。
[0009]所述边沿管为以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料3D打印成型的结构。
[0010]所述飞行器的飞行动作包括六个方向上的自由度；所述主螺旋桨F1和主螺旋桨F2
形成共轴反向螺旋桨结构，用于提供飞行器所需的推力和偏航角；所述第一副螺旋桨F3、第二副螺旋桨F4和第三副螺旋桨F5均为可调角度的单旋翼带尾桨结构，用于控制飞行器的翻身动作、投掷动作，并且提供飞行器所需的侧向力。
[0011]一种全向五旋翼飞行器的控制方法，以上所述的全向五旋翼飞行器，其旋翼均由带转子的电机驱动；所述副旋翼固定于边沿管内；其飞行器控制方法包括配置C1和配置C2；所述配置C1为随转子转速变化对副旋翼桨叶角度进行调节；所述配置C2为对驱动旋翼的各电机的转子速度进行控制。
[0012]所述控制方法基于全向五旋翼飞行器的动力模型，所述动力模型中，设飞行器为刚体，根据牛顿力学，设I＝I
X
,I
Y
,I
Z
为惯性坐标系，设B＝B
X
,B
Y
,B
Z
为飞行器的机身框架，所述动力学模型表述为
[0013][0014][0015][0016][0017]其中ξ，υ，m，g，R，ω，J，f和τ分别代表位置，速度，质量，重力加速度，旋转矩阵，角速度，惯性矩阵，力和由促动器产生的位于机身坐标上的转矩。
×
表示矢量和e3＝【001】
T
的叉积算子；
[0018]设主螺旋桨F1、主螺旋桨F2提供的动力分别为F1、F2，第一副螺旋桨F3、第二副螺旋桨F4和第三副螺旋桨F5提供的动力分别为F3、F4、F5；
[0019]当动力学模型以机身受力表述时，可表述为公式
[0020][0021][0022][0023][0024][0025][0026]其中F
x
，F
y
，F
z
是惯性坐标系中的力；
[0027]当动力模型以可变桨叶角度的导管风扇单旋翼带尾桨的控制环表述时，
[0028]设控制板块虚拟控制中，飞行器六个自由度输入的虚拟矢量为ν＝[F
x
F
y
F
z
τ
x
τ
y
τ
z
]T
，
[0029]飞行器六个自由度输入的虚拟矢量以PID控制，分别为v1、v2、v4、v5和v6，则有公式，
[0030][0031]此公式中i＝1,2,3；
[0032]机身中的控制力可以通过以下公式计算
[0033][0034]从惯性坐标系到机身的旋转矩阵是
[0035][0036]对于位置控制输入，即v4，v5和v6，可以应用PD控制设计固定角度配置，有公式，
[0037][0038]此公式中j＝4、5、6；
[0039]设在机身坐标系中的模拟控制输入ω＝[f
x
f
y
f
z
τ
x
τ
y
τ
z
]T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式七；
[0040]驱动五个旋翼的五个电机的角速度分别是(w1到w5)；伺服马达驱动三个导管风扇的桨叶角度变化至(β1到β3)；
[0041]则介于飞行器制动器输入矢量和模拟控制输入w＝[f
x
f
y
f
z
τ
x
τ
y
τ
z
]T
量之间的映射是
[0042][0043][0044][0045][0046][0047][0048]公式中，s＝sin，c＝cos，是推力因数，和是拉力因数；
[0049]关于u0的ω(u)线性关系是
[0050][0051]其中线性控制定位的表述为
[0052][0053]此处有效矩阵u0被选作先前应用的控制输入，u(t-δ)和δ是步长；线性化效果以矩阵表述为
[0054][0055]与现有技术相比，本技术的有益效果是它的新型驱动理论允许三个单旋翼带尾桨关于连接全向五旋翼飞行器主要机身的装配轴转动，这就使它有可能完全控制它的六个自由度，从而可以完成复杂的操作工作，克服传统垂直起飞和着陆的微型飞行器在自由度方面限制性能等本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全向五旋翼飞行器，其特征在于：所述飞行器设有五个旋翼和四个用于安装旋翼的管道，所述管道包括设于飞行器中部的一个中央管（1）和三个以中央管为对称中心来环绕其设置的相同规格的边沿管；所述旋翼包括装于中央管内的主旋翼组（3），还包括分设于各边沿管内的相同规格的副旋翼（2）；所述边沿管与其管内的副旋翼组合为桨叶角度可变的导管风扇。2.根据权利要求1所述的一种全向五旋翼飞行器，其特征在于：每个边沿管内设有一个副旋翼；所述导管风扇的可变角度为180
°
；所述三个边沿管排列为以中央管为中心的等边三角形；所述主旋翼组包括规格相同但旋转方向相反的主螺旋桨F1和主螺旋桨F2，主螺旋桨F1和主螺旋桨F2旋转中心的连线垂直于三个导管风扇所在的平面；三个导管风扇内的副旋翼分别...

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