[发明专利]基于“类-萨鲁斯”连杆的可变构型四旋翼无人飞行器结构设计方法

说明书

一种基于“类‑萨鲁斯”连杆的可变构型的四旋翼无人飞行器结构设计方法，该方法是：设计一种“类‑萨鲁斯”连杆，用于组建可变构型的“类‑富勒德(类Fulleroid)”六面体机构；基于“类‑萨鲁斯”连杆机构，以六面体作为虚拟基底，将“类‑萨鲁斯”连杆机构合理地安置在六面体虚拟基底内，建立“类‑富勒德”可变构型的“球状‑六面体”机构；设计一种可展开的四旋翼翼臂结构并将其与“类‑富勒德”可变构型的“球状‑六面体”机构结合，实现可变构型四旋翼飞行器的初始设计，经增加直线电机驱动的结构优化后，最终完成可变构型的四旋翼飞行器全部结构功能设计。发明的变构型的结构特点增强了装载能力，扩展了装载方式，可以满足不同任务工况下的使用需求。

技术领域

本发明涉及四旋翼飞行器结构设计领域，尤其涉及一种可变构型的四旋翼飞行器结构设计与验证方法。

背景技术

四旋翼飞行器作为多旋翼飞行器的一种，近年来得到了较快的发展。四旋翼飞行器属于非共轴蝶形飞行器，在平面上成“十”字对称结构并均匀分布四个旋翼翼臂，通过调节四个旋翼翼臂上固定的旋翼旋转所产生的升力来控制6个自由度方向上的动作，即垂直起降(竖直Z方向)，前后左右移动(水平X或Y方向)，滚转运动(绕X轴转动)，俯仰运动(绕Y轴转动)以及偏航运动(绕Z轴转动)。与常规的单旋翼飞行器相比，通过调节四个旋翼两两不同的旋转方向，即可相互各个旋翼所产生的反扭力矩，因此其并不需要单独设置反扭矩螺旋桨，使得四旋翼飞行器结构更为紧凑，具有更好的飞行性能。

四旋翼无人飞行器作为当今最具有市场应用潜力的无人飞行器，在军用警用领域内，能很好地胜任低空侦查、边防巡逻、电子干扰、情报监视和嫌疑人侦查等任务；在民用领域内，能够完成高空航拍、管道探测、灾害监测、交通管制和物流运输等任务。因此，成为许多国家的研究热点。

在上述应用领域内，四旋翼无人飞行器并非作为一个单独的个体出现，而是作为一个通用的平台，实现功能单元化，即可以按照任务需求，装配相应的传感器等设备。这就对四旋翼无人飞行器的结构设计提出了新的要求。随着飞行器智能化的提高，控制算法的愈发成熟，以智能物流为例，四旋翼无人飞行器作为运输平台，不仅要能够实现大载荷起降飞行，通过路径轨迹巡线飞行，还要通过各种专业的传感器实现智能投递，如采用全天候图像传感器与人眼虹膜识别传感器，自主识别并确认货物收件人信息。为了实现这些功能，需要将各类传感器合理地安置在四旋翼无人飞行器的平台上。

因此，设计一种可变构型的四旋翼无人飞行器的结构对无人机的研发与市场应用均具有十分重要的意义。

近年来，对于可变结构的无人飞行器研究，大都采用传统固定翼飞机的机身设计，在两个主机翼的末端安装两个角度可以倾斜调整的旋翼。在飞机垂直起降时，旋翼面朝上提供升力，而在飞行器在空中改平后，旋翼面朝前倾斜直至垂直于机身，提供水平方向的推力。这种可变构型方式存在一定的缺陷，如：只有两个旋翼导致垂直起降时稳定性不佳；由悬停模式与平飞模式进行相互转换时，需要保证平稳的姿态控制，例如在由悬停向平飞过渡时，机翼倾斜角由垂直位置向前倾斜至失速点附近，机翼由提供水平阻力转变为提供足够升力，系统受力情况会有急剧变化。因此，在传统四旋翼无人飞行器的设计基础上实现可变构型，才能最大化发掘出无人飞行器的应用潜力。

基于上述缺陷，本发明作者经过长时间的研究和实践获得了本创作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于“类-萨鲁斯(类Sarrus)”连杆的可变构型四旋翼无人飞行器结构设计方法，用以克服上述技术缺陷。

基于“类-萨鲁斯”连杆的可变构型四旋翼无人飞行器是由一种“类-富勒德(类Fulleroid)”可变构型“球状-六面体”机构以及一个可以与其实现联动展开-闭合的四旋翼翼臂结构组成。

一种基于“类-萨鲁斯”连杆的可变构型四旋翼无人飞行器结构设计方法，包括以下步骤：