[发明专利]具有联接推进支承件的无人机

说明书

技术领域

本发明涉及诸如无人机之类的机动飞行器，特别是四旋翼直升机类型的旋翼无人机。

背景技术

法国Parrot SA的AR.Drone 2.0或Bebop Drone是四旋翼直升机类型的旋翼无人机。它们配备有一系列传感器(加速度计、3轴陀螺仪、高度计)且可包括至少一个前置摄像机，其获得无人机所朝向的场景的图像。这些无人机设置有各自由马达驱动的多个旋翼，该马达可被单独控制以控制无人机的姿态和速度。这种类型的旋翼无人机也在EP 2 937 123中描述。

这些四旋翼直升机配备有四个推进单元，每个推进单元设置有螺旋桨。两个推进单元上的螺旋桨沿顺时针方向旋转，而另两个推进单元上的螺旋桨沿逆时针方向旋转。配备有沿同一旋转方向旋转的螺旋桨的推进单元位于同一对角线上。

由于螺旋桨的升力，每个螺旋桨在无人机上施加向上的牵引力以及沿与所述螺旋桨旋转方向的相反方向的扭矩。在静止飞行中、即当看上去无人机保持高度和姿态不动时，四个螺旋桨同速旋转而四个升力结合并抵补无人机的重量。在螺旋桨的扭矩方面，由于螺旋桨的相反旋转方向，它们彼此抵消。

WO 2010/061099 A2、EP 2 364 757 A1以及EP 2 450 862 A1(Parrot)描述了通过具有触屏和集成加速度计的移动电话或平板、例如iPhone或iPad(注册商标)来驾驶无人机的原理。

控制设备产生四个命令，也就是滚转，即绕其纵轴线的转动；俯仰，即绕其横轴线的转动；航向，也称为偏航，即无人机朝向的方向；以及竖直加速。

已经注意到，特别是在例如由于风的扰动期间，将无人机转至偏航或保持偏航导致推进单元的急剧加速。在诸如这样的情况下，推进单元的能力达到它们的极限且无人机因而偏离偏航并非不常见。

事实上，当偏航命令传送到无人机时，具有沿一个方向旋转的螺旋桨的推进单元旋转得较快，即推进单元加速，而另两个推进单元旋转得较慢。

以此方式，升力的总和抵补无人机的重量，但扭矩的总和不再是零，因而，无人机转至偏航。将无人机向右或向左转至偏航取决于需要加速它们旋转的两个对角推进单元。

关于命令的效力，注意到的是，在所描述的四旋翼直升无人机中，转至偏航的命令没有滚转以及俯仰命令效力高。

命令的效力可通过测量对于螺旋桨的设定旋转速度在无人机上产生的角加速度来计算。因而，效力表达为弧度每平方秒每转每分(rad/s²/rpm)。

例如，在同一无人机上测得的命令的效力表明滚转命令的效力为0.10rad/s²/rpm，而俯仰命令的效力为0.06rad/s²/rpm，然而，偏航命令的效力为0.0035rad/s²/rpm。因而，已经观察到偏航命令与其它命令的效率之间有20倍。

无人机上偏航命令的效力的缺乏是由于扭矩差和螺旋桨的高阻力系数。

因而，比在俯仰轴线上的同样移动，将无人机移动到偏航需要推进单元上特别是在旋转速度方面20倍更大的功率，这意味着当将无人机移动到偏航时，推进单元通常在它们的最大值。

允许偏航命令的效力提高的一个已知方案涉及对无人机机架的结构改型，特别是通过在相对于无人机主飞行方向的无人机的后部使用被称为“VTail”的形状。机架被改型成相对于无人机主飞行方向定位在后部的两个螺旋桨不水平定位，而是各自相对于水平成10至30°角，且在它们端部支承推进单元的连接臂呈V形。

由于支承推进单元的臂的这个V形，螺旋桨的推力不再是竖直的。由于定位在无人机后部的螺旋桨产生倾斜气流，转至偏航的命令被改进。

对于给定的四旋翼直升无人机，在普通飞行条件下，即在8000转每分时，螺旋桨的阻力产生的推力和扭矩分别为1.33N和13.3mN·m。

通过相对于无人机的竖直轴线倾斜角度α的轴线以及连接臂的长度l，当转至偏航时对于推力P产生的扭矩为：

扭矩＝P×l×sin(α)

如果角度α为10°且连接臂的长度为15cm，则当转至偏航时产生的扭矩为34mN·m。因而，由于无人机两个后连接臂的10°角的产生，当转至偏航时由螺旋桨的推力产生的扭矩比由处于水平位置的相同螺旋桨产生的扭矩大几乎2.5倍。因而，控制转至偏航的能力被改进。