專利名稱：尾舵操控式旋翼飛行機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體地說，是一種尾舵操控式旋翼飛行機(jī)器人。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的旋翼飛行機(jī)器人大多采用直升機(jī)結(jié)構(gòu)，這對(duì)其自身尺寸的微型化帶來了十分不利的影響。有人直升機(jī)的旋翼操縱機(jī)構(gòu)非常復(fù)雜，尤其是它的核心部件——自動(dòng)傾斜器的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。對(duì)于一般無人直升機(jī)來說，由于載重量有限，結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，在旋翼的操縱機(jī)構(gòu)上做了一定的簡(jiǎn)化。微小型飛行機(jī)器人的載重量很小，甚至需要以克來衡量，僅對(duì)它進(jìn)行進(jìn)一步的簡(jiǎn)化和對(duì)旋翼操縱機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)單縮小還是很難完全達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。由于在設(shè)計(jì)微小型旋翼飛行機(jī)器人的操縱機(jī)構(gòu)時(shí)，由微型高速軸承、減速機(jī)構(gòu)等部件組成的傳動(dòng)與旋翼操縱機(jī)構(gòu)的復(fù)雜部件在尺寸很小時(shí)將大大增加加工難度，導(dǎo)致加工成本大幅度增高，而且極有可能出現(xiàn)某些部位強(qiáng)度不夠等問題。尤其是對(duì)以懸停和超低速運(yùn)動(dòng)(以下簡(jiǎn)稱超低速)為主要工況的作業(yè)要求來說，現(xiàn)有成熟技術(shù)所暴露的不足則更加明顯，這主要體現(xiàn)為在這種狀態(tài)下用于飛行控制的自動(dòng)傾斜器的功能/機(jī)構(gòu)復(fù)雜度比值大大降低。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，清華大學(xué)呂俊剛等(清華大學(xué)學(xué)報(bào)2002年第42卷第11期，第1484頁(yè)至1487頁(yè)，文章的名稱“微型無人直升機(jī)旋翼操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析”)提出利用慣性力作用和材料彈性性能的微型無人直升機(jī)旋翼操縱機(jī)構(gòu)，它通過電機(jī)的瞬間加速，利用旋翼槳葉的慣性力，使彈性連桿變形來達(dá)到控制旋翼從而取代自動(dòng)傾斜器的目的。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，附加重量輕，解決了由于采用自動(dòng)傾斜器所帶來的不足，但是，存在著實(shí)際控制效果依賴于電機(jī)特性的不足，每臺(tái)電機(jī)的機(jī)械常數(shù)和電氣常數(shù)并不相同，產(chǎn)生的滯后效應(yīng)具有不一致性，基于該方法的飛行控制存在著不確定因素。同時(shí)，該方法所采用的彈性體結(jié)構(gòu)也加劇了這種不確定性。此外，現(xiàn)有的四旋翼均布式兩兩反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的飛行機(jī)器人雖然也擺脫了自動(dòng)傾斜器，但是其存在著尺寸小型化困難以及能耗大等不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種尾舵操控式旋翼飛行機(jī)器人，使其通過尾舵操控而不需要自動(dòng)傾斜器，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，降低了成本，而且特別適用于特殊用途的微型機(jī)器人設(shè)計(jì)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明包括機(jī)體、旋翼、旋翼驅(qū)控器、三個(gè)尾舵、尾舵控制器、三個(gè)尾舵驅(qū)動(dòng)器、姿態(tài)傳感器、動(dòng)力源。連接方式為旋翼驅(qū)控器直接固定在機(jī)體上，采用直流電機(jī)的PWM方式控制，其輸出端與旋翼固聯(lián)。尾舵控制器和三個(gè)尾舵驅(qū)動(dòng)器設(shè)置在機(jī)體的下方，尾舵控制器根據(jù)姿態(tài)傳感器的信息和操作人員的命令自動(dòng)生成尾舵驅(qū)動(dòng)指令，在三個(gè)尾舵驅(qū)動(dòng)器的輸出端分別設(shè)置一個(gè)尾舵，三個(gè)尾舵間夾角為120度，均勻分布在機(jī)體的下部。姿態(tài)傳感器設(shè)在機(jī)體中心位置，動(dòng)力源設(shè)在機(jī)體的兩側(cè)。
本發(fā)明具有能分別獨(dú)立控制角度的三個(gè)尾舵和一個(gè)轉(zhuǎn)速可調(diào)的旋轉(zhuǎn)翼，使用三個(gè)微型舵機(jī)驅(qū)動(dòng)舵面，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減輕了整體重量；運(yùn)動(dòng)無耦合，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制并且提高了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)，避免了傳統(tǒng)直升飛機(jī)總變距和周期變距的復(fù)雜飛行控制系統(tǒng)，大大降低了制作成本和微型化難度，并可有效降低飛行噪聲、延長(zhǎng)旋翼槳葉的使用壽命；尾舵旋轉(zhuǎn)軸有兩種不同的方式與機(jī)體連接，可根據(jù)使用的情況要求靈活配置；此外，本設(shè)計(jì)拆卸容易，組裝方便，適合于個(gè)人攜帶。
本發(fā)明自動(dòng)化程度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，附加重量輕，尾舵在作業(yè)時(shí)可以充分利用旋轉(zhuǎn)翼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的下洗氣流，在實(shí)現(xiàn)取代自動(dòng)傾斜器的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)單旋翼無尾槳的新型飛行模式，三個(gè)尾舵的獨(dú)立控制使得運(yùn)動(dòng)靈活，本發(fā)明尤其適合于狹窄空間和懸停工況的飛行作業(yè)，可從根本上改善現(xiàn)有飛行機(jī)器人的設(shè)計(jì)模式。


圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)正視2為圖1所示結(jié)構(gòu)的俯視3為本發(fā)明另一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)正視4為圖3所示結(jié)構(gòu)的俯視圖
具體實(shí)施例方式
如圖1、2所示，本發(fā)明包括機(jī)體1、旋翼2、旋翼驅(qū)控器3、尾舵4、尾舵5、尾舵6、尾舵控制器7、尾舵驅(qū)動(dòng)器8、尾舵驅(qū)動(dòng)器9、尾舵驅(qū)動(dòng)器10、姿態(tài)傳感器11、動(dòng)力源12。連接關(guān)系為旋翼驅(qū)控器3直接固定在機(jī)體1上，采用直流電機(jī)的PWM方式控制，其輸出端與旋翼2固聯(lián)。尾舵控制器7和尾舵驅(qū)動(dòng)器8、尾舵驅(qū)動(dòng)器9、尾舵驅(qū)動(dòng)器10設(shè)置在機(jī)體1的下方，尾舵控制器7根據(jù)姿態(tài)傳感器11的信息和操作人員的命令自動(dòng)生成尾舵驅(qū)動(dòng)指令，在尾舵驅(qū)動(dòng)器8的輸出端設(shè)置尾舵4，尾舵驅(qū)動(dòng)器9的輸出端設(shè)置尾舵5，尾舵驅(qū)動(dòng)器10的輸出端設(shè)置尾舵6，尾舵4、尾舵5、尾舵6間夾角為120度，尾舵4、尾舵5和尾舵6可分別繞其各自旋轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)270°的轉(zhuǎn)動(dòng)，均勻分布在機(jī)體1的下部。姿態(tài)傳感器11設(shè)在機(jī)體1中心位置，動(dòng)力源12設(shè)在機(jī)體1的兩側(cè)。
尾舵驅(qū)動(dòng)器8、尾舵驅(qū)動(dòng)器9、尾舵驅(qū)動(dòng)器10全部由微型舵機(jī)構(gòu)成。
根據(jù)尾舵4、尾舵5和尾舵6與機(jī)體1相對(duì)位置和其形狀的不同，本發(fā)明可有兩種結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)一尾舵4、尾舵5和尾舵6的旋轉(zhuǎn)軸垂直于機(jī)體1的切平面且與機(jī)體1的基平面平行，見圖1、圖2；結(jié)構(gòu)二尾舵4、尾舵5和尾舵6的旋轉(zhuǎn)軸平行于機(jī)體1的切平面且與機(jī)體1的基平面平行，見圖3、圖4。
結(jié)構(gòu)一的尾舵4、尾舵5和尾舵6的截面均為月牙形，其形狀如圖1標(biāo)號(hào)5所示。結(jié)構(gòu)二的尾舵4、尾舵5和尾舵6的截面均為矩形。
尾舵控制器7根據(jù)姿態(tài)傳感器11所傳回的信號(hào)對(duì)尾舵4、5、6進(jìn)行自動(dòng)控制，保持飛行機(jī)器人在懸停狀態(tài)時(shí)的懸停穩(wěn)定。同時(shí)，尾舵控制器7又可以通過無線通訊同外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)操作人員的遙控指令自動(dòng)調(diào)節(jié)尾舵4、5、6舵面的角度，從而保證機(jī)器人按照遙控指令飛行，以完成各類作業(yè)需求。
工作時(shí)，尾舵4、5、6處于設(shè)置的初始狀態(tài)，先使旋翼2轉(zhuǎn)動(dòng)，逐步增大旋翼2的旋轉(zhuǎn)速度，當(dāng)機(jī)體基本離開地面時(shí)，尾舵控制器7根據(jù)姿態(tài)傳感器11信息生成驅(qū)動(dòng)指令并發(fā)送到尾舵驅(qū)動(dòng)器8、9、10，通過對(duì)旋翼2轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生下洗流的有效控制達(dá)到飛行機(jī)器人的姿態(tài)平衡，繼續(xù)提高旋翼的回轉(zhuǎn)速度，飛行機(jī)器人加速上升，整個(gè)過程中不斷根據(jù)姿態(tài)傳感器11的信號(hào)調(diào)節(jié)尾舵4、5、6的角度，使飛行機(jī)器人始終維持在穩(wěn)定狀態(tài)，并通過尾翼4、5、6的協(xié)調(diào)控制，生成外部指令所要求的運(yùn)動(dòng)軌跡。
權(quán)利要求
1.一種尾舵操控式旋翼飛行機(jī)器人，包括機(jī)體(1)、旋翼(2)、旋翼驅(qū)控器(3)、尾舵(4)、尾舵(5)、尾舵(6)、尾舵控制器(7)、尾舵驅(qū)動(dòng)器(8)、尾舵驅(qū)動(dòng)器(9)、尾舵驅(qū)動(dòng)器(10)、姿態(tài)傳感器(11)、動(dòng)力源(12)，其特征在于，旋翼驅(qū)控器(3)直接固定在機(jī)體(1)上，旋翼(2)與驅(qū)控器(3)的輸出端固聯(lián)，尾舵控制器(7)和尾舵驅(qū)動(dòng)器(8)、尾舵驅(qū)動(dòng)器(9)、尾舵驅(qū)動(dòng)器(10)設(shè)置在機(jī)體(1)的下方，尾舵控制器(7)根據(jù)姿態(tài)傳感器(11)信號(hào)和外部命令自動(dòng)生成尾舵驅(qū)動(dòng)指令，在尾舵驅(qū)動(dòng)器(8)的輸出端設(shè)置尾舵(4)，尾舵驅(qū)動(dòng)器(9)的輸出端設(shè)置尾舵(5)，尾舵驅(qū)動(dòng)器(10)的輸出端設(shè)置尾舵(6)，姿態(tài)傳感器(11)設(shè)置在機(jī)體(1)中心位置，動(dòng)力源(12)設(shè)置在機(jī)體(1)下部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的尾舵操控式旋翼飛行機(jī)器人，其特征是，尾舵(4、5、6)間夾角為120度，均勻分布在機(jī)體(1)的下部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的尾舵操控式旋翼飛行機(jī)器人，其特征是，尾舵(4、5、6)分別繞其各自旋轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)270°的轉(zhuǎn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的尾舵操控式旋翼飛行機(jī)器人，其特征是，尾舵(4、5、6)的旋轉(zhuǎn)軸垂直于機(jī)體(1)的切平面且與機(jī)體(1)的基平面平行，此時(shí)，尾舵(4、5、6)的截面均為月牙形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的尾舵操控式旋翼飛行機(jī)器人，其特征是，尾舵(4、5、6)的旋轉(zhuǎn)軸平行于機(jī)體(1)的切平面且與機(jī)體(1)的基平面平行，此時(shí)，尾舵(4、5、6)的截面均為矩形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的尾舵操控式旋翼飛行機(jī)器人，其特征是，尾舵控制器(7)通過無線通訊同操縱人員進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并根據(jù)操縱人員的飛行控制指令自動(dòng)調(diào)節(jié)尾舵(4、5、6)舵面的角度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的尾舵操控式旋翼飛行機(jī)器人，其特征是，旋翼(2)為直流電機(jī)PWM方式驅(qū)動(dòng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的尾舵操控式旋翼飛行機(jī)器人，其特征是，尾舵驅(qū)動(dòng)器(8、9、10)全部由微型舵機(jī)構(gòu)成。
全文摘要
一種機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的尾舵操控式旋翼飛行機(jī)器人，包括機(jī)體、旋翼、旋翼驅(qū)控器、三個(gè)尾舵、尾舵控制器、三個(gè)尾舵驅(qū)動(dòng)器、姿態(tài)傳感器、動(dòng)力源。旋翼驅(qū)控器直接固定在機(jī)體上，其輸出端與旋翼固聯(lián)。尾舵控制器和三個(gè)尾舵驅(qū)動(dòng)器設(shè)置在機(jī)體的下方，尾舵控制器根據(jù)姿態(tài)傳感器的信息和操作人員的命令自動(dòng)生成尾舵驅(qū)動(dòng)指令，在三個(gè)尾舵驅(qū)動(dòng)器的輸出端分別設(shè)置一個(gè)尾舵，姿態(tài)傳感器設(shè)在機(jī)體中心位置，動(dòng)力源設(shè)在機(jī)體的兩側(cè)。本發(fā)明自動(dòng)化程度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，附加重量輕，尾舵在作業(yè)時(shí)可以充分利用旋轉(zhuǎn)翼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的下洗氣流，在實(shí)現(xiàn)取代自動(dòng)傾斜器的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)單旋翼無尾槳的新型飛行模式，三個(gè)尾舵的獨(dú)立控制使得運(yùn)動(dòng)靈活。
文檔編號(hào)A63H27/133GK1807184SQ20061002408
公開日2006年7月26日 申請(qǐng)日期2006年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月23日
發(fā)明者頓向明 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)