[发明专利]具有最少旋翼/螺旋桨的多旋翼飞行器的单臂故障冗余

说明书

公开了一种具有最少的旋翼/螺旋桨并且具有单臂故障冗余的多旋翼飞行器。AV包括至少五个臂，其中至少一个臂具有一对同轴的反向旋转的旋翼/螺旋桨。为了在正常条件下维持偏航稳定性，旋翼/螺旋桨中的一半在一个方向上旋转，并且另一半则在相反方向上旋转。在与一对反向旋转的旋翼/螺旋桨相邻的任何一个旋翼/螺旋桨发生故障的情况下，将关闭反向旋转的旋翼/螺旋桨中的旋转方向与发生故障的旋翼/螺旋桨的旋转方向相反的一个螺旋桨/旋翼。在属于反向旋转的旋翼/螺旋桨的旋翼/螺旋桨发生故障的情况下，将关闭该对旋翼/螺旋桨中的另一个旋翼/螺旋桨。如果不与反向旋转的旋翼/螺旋桨相邻的任何旋翼/螺旋桨发生故障，则调整其他旋翼/螺旋桨的RPM，以维持稳定性并且驾驶飞机。

技术领域

本公开涉及飞行器领域。更具体地，本公开涉及一种具有最少旋翼/螺旋桨的多旋翼飞行器，即使其旋翼/螺旋桨和/或相关联的部件之一因任何原因发生故障，该多旋翼飞行器也能够保持稳定的飞行。

背景技术

背景描述包括可以用于理解本发明的信息。这并非承认本文提供的任何信息是现有技术或者与当前要求保护的发明有关，或者明确或者隐含引用的任何出版物为现有技术。

无人飞行器(UAV)是一种可以携带照相机、传感器、通信设备或者其他有效载荷的遥控或者自动驾驶的飞行器，能够进行受控的、持续的水平飞行，并且通常由发动机提供动力。自动驾驶的UAV可以根据预先编制的飞行计划自主飞行。

无人飞行器正越来越多地用于载人飞行器不合适或者不可行的各种应用场合。这些应用可能包括军事行动，诸如监视、侦察、目标获取、数据获取、通信中继、诱饵、骚扰或者补给飞行。无人飞行器还用于越来越多的人类观察员将面临危险的民用任务，诸如消防、自然灾害侦察、警方对民事骚乱或者犯罪现场的观察、以及科学研究。后者的一个示例是对于天气形成或者对于火山的观察。随着小型化技术的进步，现在有可能制造非常小的无人飞行器(有时称为微型飞行器或者MAV)。

UAV基本上以两种形式设计：像飞机一样操作的固定翼飞行器，以及具有多个旋翼以提供不同方向的升力和运动的多旋翼直升机，该多旋翼直升机可以垂直起飞并且像直升机一样悬停。后者的设计在业余爱好者以及商业用户中迅速普及，有时也被称为“无人机(drone)”。

多旋翼UAV设置有多个由相应电动机驱动的旋翼，该多个旋翼可以以不同的方式被控制以便在高度、方向和速度方面操纵无人飞行器。

多旋翼UAV通常具有多个对称分布的旋翼。四旋翼飞行器(四臂多旋翼UAV，每个臂具有一个旋翼)的优点是比三旋翼飞行器(三臂多旋翼UAV，每个臂具有一个旋翼)机械方面更简单，具有更大的提升能力和稳定性。但是，如果其中一个旋翼发生故障，它们将无法重新配置，并且由于它们固有地依赖于升力的对称性，将会完全不稳定。因此，至少需要五个臂来维持稳定性，以防一个臂发生故障(称为单臂冗余)。由于致动器的数量更多，六旋翼和八旋翼具有更高的可靠性，然而，出于成本和尺寸的考虑，希望将臂的数量减少到最小可能的配置。

图1示出了提供单臂冗余的具有最少臂的常规多旋翼无人飞行器(UAV)100的示例性表示。如先前所述，在飞行器中的单臂冗余需要至少五个臂，诸如在图1中所示的UAV 100中具有五个臂，每个臂都配备有旋翼组件，如A1、A2、A3、A4和A5所示。每个旋翼组件具有一对同轴螺旋桨，如图所示，P1-1和P1-2用于旋翼组件A1，P2-1和P2-2用于旋翼组件A2，P3-1和P3-2用于旋翼组件A3，P4-1和P4-2旋翼组件A4，P5-1和P5-2用于旋翼组件A5。

如果由于安装在任何臂上的旋翼组件的一个螺旋桨因任何原因发生故障，则UAV100的自动驾驶仪将关闭与该旋翼组件相对应的电动机，以便于有效地停止该旋翼上其他同轴放置的螺旋桨，从而有效禁用UAV的该臂并且起到平衡偏航部件的作用。其余的可操作的臂能够为UAV提供操作稳定性，因为其重心(CG)位于其余的可操作的臂形成的多边形内。

然而，用于单臂冗余的常规配置需要至少十个螺旋桨，因此不能为单臂冗余提供最经济的解决方案。