CN108839792A - 一种多旋翼无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多旋翼无人机，属于无人机技术领域，包括模块化机身及设置在模块化机身上的第一动力系统、第二动力系统、第一飞行控制系统和第二飞行控制系统；模块化机身包括多层中心板及用于连接多层中心板的多个连接件；第一动力系统包括在机身中心的两个旋翼；第二动力系统包括在机身两侧对称分布的四个旋翼；第一飞行控制系统包括安装在中心板中心位置的中央处理模块；第二飞行控制系统包括安装在中心板边缘的外围传感器模块。本发明提高了多旋翼无人机的稳定性、有效载荷和续航，模块的机身方便扩展搭载装备，扩大了空中机器人的应用范围，还具有稳定可靠、安全灵活、操作方便等优点。

Description

一种多旋翼无人机

技术领域

本发明涉及一种无人机，特别是涉及一种多旋翼无人机，属于无人机技术领域。

背景技术

近些年来，一些自主机器人已经开发，包括地面和空中飞行器，然而，地面自主机器人由于地形的复杂性和障碍物的存在，机器人具有局限性，空中机器人的出现很好突破了这些局限性，在一般的分类中，空中机器人又分为固定翼、单转翼、多旋翼和扑翼四类机器人，其中，多旋翼和固定翼机器人比其他机器人拥有更多的操作应用，因为简单的机械结构和转向原理，“四旋翼”是一个理想的机器人系统平台，特别适合于开发和测试新的控制策略，四旋翼是一种空中机器人，它利用四个固定的螺距螺旋桨推进车辆，因为机器人的运动是通过改变螺旋桨的速度来控制的，因此，这种类型的配置将会很方便控制。

目前，国内多旋翼无人机存在着有效载荷和稳定性的局限，将旋翼的面积增大则可以使多旋翼无人机变的更加稳定和高效，因此，很多多旋翼无人机往往设计更多的旋翼来改进无人机的稳定性，然而，这样的多旋翼增加了一些复杂性，并导致许多局限性，降低了可操作性。

发明内容

本发明的主要目的是为了提供一种多旋翼无人机，能够有效提高多旋翼无人机的有效载荷，增加无人机对外界的抗干扰能力。

本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：

一种多旋翼无人机，包括模块化机身及设置在所述模块化机身上的第一动力系统、第二动力系统、第一飞行控制系统和第二飞行控制系统；所述模块化机身包括多层中心板及用于连接多层中心板的多个连接件；所述第一动力系统包括在机身中心的两个旋翼；所述第二动力系统包括在机身两侧对称分布的四个旋翼；所述第一飞行控制系统包括安装在中心板中心位置的中央处理模块；所述第二飞行控制系统包括安装在中心板边缘的外围传感器模块。

优选的，所述多层中心板均采用碳纤维材质，所述连接件为铝合金螺柱和不锈钢螺丝，所述螺柱采用铝合金材质，所述螺丝采用不锈钢材质。

优选的，所述模块化机身通过螺柱连接的方式拓展更多的中心板，用于搭载更多设备，该设备包括加装起落架。

优选的，所述模块化机身包括自上而下依次设置的第一层中心板、第二层中心板、第三层中心板和第四层中心板；第一层中心板与第二层中心板之间、第三层中心板与第四层中心板之间均通过螺柱连接，第二层中心板与第三层中心板之间通过螺丝连接。

优选的，所述第一层中心板与第二层中心板之间的距离、第二层中心板与第三层中心板之间的距离、第三层中心板与第四层中心板之间的距离的比为2:1:2。

优选的，所述中央处理模块为STMF型的嵌入式模块。

优选的，所述外围传感器模块包括高度计、磁力计、高度计、双模GPS模块、加速度计和陀螺仪。

优选的，所述第二动力系统包括模块化机身外围的四个外围无刷电机，四个外围无刷电机均匀分布在模块化机身的外围，四个外围无刷电机上均设有外围无刷电机桨叶。

优选的，所述第一动力系统包括模块化机身中心的两个盘式共轴无刷电机，两个盘式共轴无刷电机为共轴结构，两个盘式共轴无刷电机上均设有盘式共轴无刷电机桨叶，外围无刷电机桨叶与盘式共轴无刷电机桨叶的长度比例为1:1.5，宽度比例均为1:1.5。

优选的，所述模块化机身中心的两个盘式共轴无刷电机为完全相同的无刷电机，且两个盘式共轴无刷电机在相反的方向以恒定的相同速度旋转，且在飞行过程中转速不变。

本发明的有益技术效果：按照本发明的多旋翼无人机，本发明提供的多旋翼无人机，在四旋翼无人机中心加了两个额外的同轴转子，以相同的速度向相反方向旋转，运动控制由4个外围转子进行，就像传统的四旋翼，额外的同轴螺旋桨增加了转子面积，并相应地提高了稳定性，另一方面，每个同轴推进器产生的推力是相同的，这样机器人便可以携带更重的载荷；本发明的多旋翼无人机在四旋翼集成了自动控制器、通信系统、传感器及数据处理单元等航空电子设备，并能够在无人干扰的情况下完成自主飞行任务的无人驾驶，可根据机载设备对自身飞行状况及周边环境进行量化评估，从而制定合理的应对措施与飞行策略，另外，在自身机械机构出现故障时，可用于战场勘察、禁飞巡逻、电子对抗、情报获取等任务，还可用于环境监测、电力检测、高压巡线、森林防火、农林喷雾等作业。

附图说明

图1为按照本发明的多旋翼无人机的一优选实施例的整体结构示意图；

图2为按照本发明的多旋翼无人机的一优选实施例的整体结构侧视图；

图3为按照本发明的多旋翼无人机的一优选实施例的整体结构俯视图；

图4为按照本发明的多旋翼无人机的一优选实施例的模块化机架结构示意图；

图5为按照本发明的多旋翼无人机的一优选实施例的运动方式示意图；

图6为按照本发明的多旋翼无人机的一优选实施例的飞行控制系统的结构框图。

图中：1-第一飞行控制系统，2-第一动力系统，3-第二动力系统，4-第二飞行控制系统，5-模块化机身，7-盘式共轴无刷电机桨叶，8-外围无刷电机桨叶，9-外围无刷电机，10-中央处理模块，11-外围传感器模块，13-盘式共轴无刷电机，20-第一层中心板，21-第二层中心板，22-第三层中心板，23-第四层中心板，24-螺柱，25-螺丝，26-高度计，27-双模GPS模块，28-惯性测量单元，29-嵌入式模块，30-磁力计，31-I/O端口。

具体实施方式

为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1-6所示，本实施例提供的一种多旋翼无人机，包括模块化机身5及设置在模块化机身5上的第一动力系统2、第二动力系统3、第一飞行控制系统1和第二飞行控制系统4；模块化机身5包括多层中心板及用于连接多层中心板的多个连接件；第一动力系统2包括在机身中心的两个旋翼；第二动力系统3包括在机身两侧对称分布的四个旋翼；第一飞行控制系统1包括安装在中心板中心位置的中央处理模块10；第二飞行控制系统4包括安装在中心板边缘的外围传感器模块11。

在本实施例中，如图2和图3所示，多层中心板均采用碳纤维材质，连接件为铝合金螺柱24和不锈钢螺丝25，螺柱24采用铝合金材质，螺丝25采用不锈钢材质，模块化机身5通过螺柱24连接的方式拓展更多的中心板，用于搭载更多设备，该设备包括加装起落架。

在本实施例中，如图2和图3所示，模块化机身5包括自上而下依次设置的第一层中心板20、第二层中心板21、第三层中心板22和第四层中心板23；第一层中心板20与第二层中心板21之间、第三层中心板22与第四层中心板23之间均通过螺柱24连接，第二层中心板21与第三层中心板22之间通过螺丝25连接，第一层中心板20与第二层中心板21之间的距离、第二层中心板21与第三层中心板22之间的距离、第三层中心板22与第四层中心板23之间的距离的比为2:1:2。

在本实施例中，中央处理模块10为STM32F427型的嵌入式模块29。

在本实施例中，如图6所示，外围传感器模块11包括高度计26、磁力计30、高度计26、双模GPS模块27、加速度计和陀螺仪。

在本实施例中，如图1、图2和图3所示，第二动力系统3包括模块化机身5外围的四个外围无刷电机9，四个外围无刷电机9均匀分布在模块化机身5的外围，四个外围无刷电机9上均设有外围无刷电机桨叶8，第一动力系统2包括模块化机身5中心的两个盘式共轴无刷电机13，两个盘式共轴无刷电机13为共轴结构，两个盘式共轴无刷电机13上均设有盘式共轴无刷电机桨叶7，外围无刷电机桨叶8与盘式共轴无刷电机桨叶7的长度比例为1:1.5，宽度比例均为1:1.5，模块化机身5中心的两个盘式共轴无刷电机13为完全相同的无刷电机，且两个盘式共轴无刷电机13在相反的方向以恒定的相同速度旋转，且在飞行过程中转速不变。

在本实施例中，所述模块化机身由从上至下对齐排列的四层碳纤维中心板组成，碳纤维板的厚度为2mm，每两层中心板之间用螺柱链连接，起到结构框架的作用，在第一和第四层板都预留了许多M3螺丝孔位，可以通过螺柱连接的方式加装扩展板，以及加装起落架等设备，为机架的功能的扩展提供了许多可能性。

在本实施例中，所述的动力系统由机身外围的四个旋翼以及在机身中心的两个旋翼组成，机身外围的四个旋翼在机身两侧均匀分布，机身中心的两个旋翼为共轴结构，外围旋翼与中心旋翼的尺寸比例为1:1.5；外围四个旋翼的驱动装置为四个2216 800KV无刷电机，被垂直安装在第三层中心板的四个角上，并穿过第二层中心板，桨叶为10寸碳纤维桨叶；中心的两个旋翼的驱动装置为两个4114 390KV的盘式无刷电机，分别被垂直安装在第二和第三层中心板上，两无刷电机的轴心在同一直线上，且电机头指向相反；中心的两旋翼在飞行前可根据载重的大小来调整起飞时转速的大小，在飞行过程中中心的两旋翼以相同的恒定的速度旋转，抵消了反扭力，并提供了大部分升力。

在本实施例中，所述的机载控制系统包括主控系统与外围传感器单元，其中，所述的主控系统为STM32F427嵌入式模块，所述的外围传感器单元又包括陀螺仪、六轴磁力计、高度计、GPS等，其均被垂直安装在板载控制板上，可用来测量空中机器人的三轴加速度、三轴角速度、俯仰角、滚转角、偏航角、飞行高度信息，GPS与电子罗盘集成模块被安装在六旋翼无人机中心板的支架杆上(防电流、气流等对传感器的干扰)，可测量经纬度信息，这些信息经STM32F427嵌入式模块处理后由I/O端口传送给电调去控制无刷电机。

在本实施例中，如图1-5所示，飞行控制系统被安装在新型多旋翼无人机机架的第一层中心板上，四层中心板相互之间通过螺柱固连，四个外围无刷电机被垂直安装在第三层中心板的四个边角上，而中心的两个无刷电机被分别垂直安装在三和第四中心板上。

在本实施例中，如图6所示，飞行控制系统由STM32发7嵌入式模块、惯性测量单元、高度计、磁力计、双模GPS模块组成，可以用来采集新型多旋翼无人机实时的飞行数据，包括姿态角、三轴加速度、三轴角速度、飞行高度和经纬信息，这些被采样到的信息均由处理速度为500MHz的STM32F427嵌入式模块进行处理后产生指令，指令通过留个IO端口与六个电调进行实时传输，最终去控制此款新型多旋翼无人机的外围四个无刷电机以及中心的两个共轴无刷电机。

在本实施例中，如图4所示，模块化机身主体为第一层中心板、第二层中心板、第三层中心板和第四层中心板，中心板为碳纤维材质，具有密度小、硬度大、质量轻的优点，由解决了金属材料易产生金属疲劳、不耐腐蚀的缺点，每两层中心板之间通过铝合金螺柱和M3的螺丝连接，使四层中心板固连成一个整体。

在本实施例中，如图2和图3所示，动力系统由在机身外围均匀分布的四个旋翼以及在机身中心的两个旋翼组成，外围四个旋翼的驱动装置为四个2216 800KV无刷电机，被垂直安装在第三层中心板的四个角上，并穿过第二层中心板，桨叶为10寸碳纤维桨叶；中心的两个旋翼的驱动装置为两个4114 390KV的盘式无刷电机，分别被垂直安装在第二和第三层中心板上，两无刷电机的轴心在同一直线上，且电机头指向相反；中心的两旋翼在飞行前可根据载重的大小来调整起飞时转速的大小，在飞行过程中中心的两旋翼以相同的恒定的速度旋转，抵消了反扭力，并提供了大部分升力。

在本实施例中，如图5所示，为更具体的展现动力系统运作过程，在此特为飞行的各个过程做出了相应的电机转速变化图，如图5所示，图中箭头所指的方向为电机转动的方向，箭头的粗细变化对应旋翼的转速变化，变粗则转速增加，变细则意味着旋翼的转速降低。

综上所述，在本实施例中，按照本实施例的多旋翼无人机，本实施例提供的多旋翼无人机，在四旋翼无人机中心加了两个额外的同轴转子，以相同的速度向相反方向旋转，运动控制由4个外围转子进行，就像传统的四旋翼，额外的同轴螺旋桨增加了转子面积，并相应地提高了稳定性，另一方面，每个同轴推进器产生的推力是相同的，这样机器人便可以携带更重的载荷。

在本实施例中，本实施例的多旋翼无人机在四旋翼集成了自动控制器、通信系统、传感器及数据处理单元等航空电子设备，并能够在无人干扰的情况下完成自主飞行任务的无人驾驶，可根据机载设备对自身飞行状况及周边环境进行量化评估，从而制定合理的应对措施与飞行策略，另外，在自身机械机构出现故障时，可用于战场勘察、禁飞巡逻、电子对抗、情报获取等任务，还可用于环境监测、电力检测、高压巡线、森林防火、农林喷雾等作业。

以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多旋翼无人机，包括模块化机身(5)及设置在所述模块化机身(5)上的第一动力系统(2)、第二动力系统(3)、第一飞行控制系统(1)和第二飞行控制系统(4)；其特征在于，所述模块化机身(5)包括多层中心板及用于连接多层中心板的多个连接件；所述第一动力系统(2)包括在机身中心的两个旋翼；所述第二动力系统(3)包括在机身两侧对称分布的四个旋翼；所述第一飞行控制系统(1)包括安装在中心板中心位置的中央处理模块(10)；所述第二飞行控制系统(4)包括安装在中心板边缘的外围传感器模块(11)。

2.如权利要求1所述的一种多旋翼无人机，其特征在于，所述多层中心板均采用碳纤维材质，所述连接件为铝合金螺柱(24)和不锈钢螺丝(25)，所述螺柱(24)采用铝合金材质，所述螺丝(25)采用不锈钢材质。

3.如权利要求2所述的一种多旋翼无人机，其特征在于，所述模块化机身(5)通过螺柱(24)连接的方式拓展更多的中心板，用于搭载更多设备，该设备包括加装起落架。

4.如权利要求2所述的一种多旋翼无人机，其特征在于，所述模块化机身(5)包括自上而下依次设置的第一层中心板(20)、第二层中心板(21)、第三层中心板(22)和第四层中心板(23)；第一层中心板(20)与第二层中心板(21)之间、第三层中心板(22)与第四层中心板(23)之间均通过螺柱(24)连接，第二层中心板(21)与第三层中心板(22)之间通过螺丝(25)连接。

5.如权利要求4所述的一种多旋翼无人机，其特征在于，所述第一层中心板(20)与第二层中心板(21)之间的距离、第二层中心板(21)与第三层中心板(22)之间的距离、第三层中心板(22)与第四层中心板(23)之间的距离的比为2:1:2。

6.如权利要求1所述的一种多旋翼无人机，其特征在于，所述中央处理模块(10)为STM32F427型的嵌入式模块(29)。

7.如权利要求1所述的一种多旋翼无人机，其特征在于，所述外围传感器模块(11)包括高度计(26)、磁力计(30)、高度计(26)、双模GPS模块(27)、加速度计和陀螺仪。

8.如权利要求1所述的一种多旋翼无人机，其特征在于，所述第二动力系统(3)包括模块化机身(5)外围的四个外围无刷电机(9)，四个外围无刷电机(9)均匀分布在模块化机身(5)的外围，四个外围无刷电机(9)上均设有外围无刷电机桨叶(8)。

9.如权利要求8所述的一种多旋翼无人机，其特征在于，所述第一动力系统(2)包括模块化机身(5)中心的两个盘式共轴无刷电机(13)，两个盘式共轴无刷电机(13)为共轴结构，两个盘式共轴无刷电机(13)上均设有盘式共轴无刷电机桨叶(7)，外围无刷电机桨叶(8)与盘式共轴无刷电机桨叶(7)的长度比例为1:1.5，宽度比例均为1:1.5。

10.如权利要求9所述的一种多旋翼无人机，其特征在于，所述模块化机身(5)中心的两个盘式共轴无刷电机(13)为完全相同的无刷电机，且两个盘式共轴无刷电机(13)在相反的方向以恒定的相同速度旋转，且在飞行过程中转速不变。