一種可變傾槳多自由度敏捷飛行旋翼無人機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】本發(fā)明設(shè)計(jì)一種可變傾槳多自由度敏捷飛行旋翼無人機(jī)，它提供了一種敏捷性強(qiáng)、機(jī)動性強(qiáng)、能夠?qū)崿F(xiàn)任意軌跡追蹤的無人機(jī)，屬于飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
無人機(jī)是一種體型較小、無人駕駛，能夠在空中實(shí)現(xiàn)自主飛行并執(zhí)行一定任務(wù)的飛行器。無人機(jī)與普通飛機(jī)相比，其結(jié)構(gòu)簡單成本低，便于制造和維護(hù)；由于無人駕駛，所以其有效載荷更大，能夠安裝更多的設(shè)備或武器，完成任務(wù)的效率和可靠性更高；而且即使出現(xiàn)意外險情也不會危及到飛行員的生命安全，因此廣泛應(yīng)用于各種高風(fēng)險的任務(wù)中。按照結(jié)構(gòu)的不同，無人機(jī)可以分為固定翼無人機(jī)和旋翼無人機(jī)兩種，將這兩種類型的無人機(jī)進(jìn)行比較，旋翼機(jī)有十分突出的優(yōu)點(diǎn)：體積小、質(zhì)量小、操縱簡單、起降空間小不需要滑跑或彈射、懸停在空中制起來非常靈活等等。垂直起降的無人機(jī)對于研究者、愛好者和軍事上都非常流行。四旋翼直升機(jī)是旋翼機(jī)的一種，它是由電機(jī)驅(qū)動旋翼轉(zhuǎn)動的、能夠垂直起降的飛行器。與常規(guī)旋翼式直升機(jī)相比，其結(jié)構(gòu)更為緊湊，能夠產(chǎn)生更大的升力，并且4只旋翼可相互抵消反扭力矩，而不需要專門的反扭矩槳。四旋翼的適應(yīng)性越好，它們能解決的復(fù)雜任務(wù)越多。在小型無人機(jī)領(lǐng)域，四旋翼飛行器是最普通最穩(wěn)定的一種類型，但是由于普通四旋翼仍然是欠驅(qū)動強(qiáng)耦合系統(tǒng)并且其動力學(xué)設(shè)計(jì)簡單且未能被完全開發(fā)，以至于無法完成一些復(fù)雜動作以及一些高難度任務(wù)，需要在飛行時要調(diào)整位置時必須要調(diào)整姿態(tài)，例如必須側(cè)傾機(jī)身才能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退或轉(zhuǎn)向動作，因而降低了其可操縱性和靈敏性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種機(jī)動性強(qiáng)、能夠?qū)崿F(xiàn)任意軌跡追蹤的一種可變傾槳多自由度敏捷飛行旋翼無人機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種可變傾槳多自由度敏捷飛行旋翼無人機(jī)，包括機(jī)身、四個旋翼?xiàng)U、四組傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)、電池以及飛行控制器，它們之間的相互關(guān)系如下：機(jī)身位于飛行器的中央，機(jī)身周圍有四個均勻分布的凹槽，四個旋翼?xiàng)U分別插入凹槽內(nèi)并用銅柱固定連接，四組傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)分別安裝在四個旋翼?xiàng)U上，飛行控制器固定在機(jī)身正上方，電池固定在機(jī)身正下方。所述機(jī)身分別由上載物平臺、銅柱、下載物平臺、腳架及起落架底座構(gòu)成。它們之間的相互關(guān)系如下：上載物平臺與下載物平臺通過銅柱連接起來，下載物平臺下側(cè)與腳架上側(cè)連接，起落架底座安裝在腳架下側(cè)。所述上載物平臺與下載物平在為相同的八邊形平板，平板上打了不同的孔用于減輕重量，上載物平臺與下載物平臺通過銅柱連接構(gòu)成載物平臺，用于承載物體。所述腳架為四軸X8型腳架，用于連接載物平臺與起落架底座。所述起落架底座為兩根碳纖長管，將其插入起落架連桿下方凹槽，同時可在起落架底座兩點(diǎn)固定環(huán)形膠皮用于降落減震。所述旋翼?xiàng)U為空心碳纖維圓桿，用于連接機(jī)身與傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)。所述每組傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)由一個直流無刷電機(jī)、一個螺旋槳、第一舵機(jī)系統(tǒng)、第二舵機(jī)系統(tǒng)及一個舵機(jī)連桿構(gòu)成。它們之間的相互關(guān)系如下：螺旋槳安裝在直流無刷電機(jī)上，直流無刷電機(jī)固定在第一舵機(jī)系統(tǒng)，第一舵機(jī)系統(tǒng)與旋翼?xiàng)U連接，第二舵機(jī)系統(tǒng)固定在旋翼?xiàng)U上，第一舵機(jī)系統(tǒng)與第二舵機(jī)系統(tǒng)之間通過舵機(jī)連桿連接。所述傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)的作用是用于控制螺旋槳的俯仰和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動。該第一舵機(jī)系統(tǒng)由傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)和第一舵機(jī)架系統(tǒng)構(gòu)成。它們之間的相互關(guān)系如下：傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)安裝在第一舵機(jī)架系統(tǒng)上側(cè)。該傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)由第一伺服舵機(jī)和兩個前輪轉(zhuǎn)向器構(gòu)成。它們之間的相互關(guān)系如下：兩個前輪轉(zhuǎn)向器交叉固定，第一伺服舵機(jī)固定在前輪轉(zhuǎn)向器側(cè)面。該第一舵機(jī)架系統(tǒng)由一片“U”型鋁片和一塊碳纖板構(gòu)成。它們之間的相互關(guān)系如下：碳纖板固定在鋁片上側(cè)。該第二舵機(jī)系統(tǒng)由第二伺服舵機(jī)和第二舵機(jī)架系統(tǒng)構(gòu)成。它們之間的相互關(guān)系如下：第二伺服舵機(jī)固定在第二舵機(jī)架系統(tǒng)下側(cè)，第二舵機(jī)系統(tǒng)固定在旋翼?xiàng)U上。所述飛行控制器為Pixhawk開源飛控板，用于控制直流無刷電機(jī)、第一伺服舵機(jī)以及第二伺服舵機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制旋翼飛行器飛行姿態(tài)。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)及功效在于：該多自由度傾槳四旋翼無人機(jī)在普通任務(wù)下可以當(dāng)作普通四旋翼使用，即通過調(diào)整四個電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)整姿態(tài)進(jìn)而調(diào)整飛行模式，調(diào)整位置。在特殊任務(wù)下，如空間狹小等問題，要求平飛，則切換成另一種模式。這種特殊狀況，通過第一舵機(jī)系統(tǒng)與第二舵機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)螺旋槳俯仰以及滾轉(zhuǎn)方向上的運(yùn)動，通過增加自由度提高控制的敏捷性與機(jī)動性，并使無人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)任意軌跡追蹤，為無人機(jī)執(zhí)行高難度任務(wù)打下基礎(chǔ)?！靖綀D說明】圖1是多自由度傾槳四旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是多自由度傾槳四旋翼無人機(jī)機(jī)身示意圖圖。圖3是多自由度傾槳四旋翼無人機(jī)傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是前輪轉(zhuǎn)向器。圖5是前輪轉(zhuǎn)向器組合示意圖。圖中標(biāo)號說明如下：1、起落架底座2、腳架3、上載物平臺4、銅柱5、下載物平臺6、旋翼?xiàng)U7、第二伺服舵機(jī)8、舵機(jī)連接桿9、“U”型鋁片10、第一伺服舵機(jī)11、前輪轉(zhuǎn)向器12、舵機(jī)架連接板13、直流無刷電機(jī)14、螺旋槳【具體實(shí)施方式】本發(fā)明是一種可變傾槳多自由度敏捷飛行旋翼無人機(jī)，為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。圖1為本發(fā)明實(shí)施中多自由度傾槳四旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。該產(chǎn)品包括機(jī)身、四個旋翼?xiàng)U、四組傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)、電池以及飛行控制器，它們之間的相互關(guān)系如下：機(jī)身位于飛行器的中央，機(jī)身周圍有四個均勻分布的凹槽，四個旋翼?xiàng)U分別插入凹槽內(nèi)并用銅柱固定連接，四組傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)分別安裝在四個旋翼?xiàng)U上，飛行控制器固定在機(jī)身正上方，電池固定在機(jī)身正下方。該飛行控制器選用Pixhawk開源飛控板，該飛控板有8個PWM輸出口和6個輔助輸出口，這個6個輔助輸出口可以當(dāng)作正常的PWM輸出口使用。電池可以選用多種型號，這里選用一塊5s電池。所述的機(jī)身如圖2所示，分別由上載物平臺(圖2中標(biāo)號4)、銅柱(圖2中標(biāo)號3)、下載物平臺(圖2中標(biāo)號5)、腳架(圖2中標(biāo)號2)、起落架底座(圖2中標(biāo)號1)構(gòu)成。它們之間的相互關(guān)系如下：上載物平臺與下載物平臺通過銅柱連接起來，下載物平臺下側(cè)與腳架上側(cè)連接，起落架底座安裝在腳架下側(cè)。該上載物平臺與下載物平臺的材料均是碳纖維，為了減輕上、下載物平臺的重量，分別在上、下載物平臺上打出了不同的孔。起落架底座為兩根碳纖長管，將其插入腳架下方凹槽，同時可在起落架底座兩點(diǎn)固定環(huán)形膠皮用于降落減震。所述每組傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)如圖3所示，它由一個直流無刷電機(jī)(圖3中標(biāo)號12)、一個螺旋槳(圖4中標(biāo)號13)、第一舵機(jī)系統(tǒng)、第二舵機(jī)系統(tǒng)、一個舵機(jī)連桿(圖3中標(biāo)號8)構(gòu)成。它們之間的相互關(guān)系如下：螺旋槳安裝在直流無刷電機(jī)上，直流無刷電機(jī)固定在第一舵機(jī)系統(tǒng)，第一舵機(jī)系統(tǒng)與旋翼?xiàng)U連接，第二舵機(jī)系統(tǒng)固定在旋翼?xiàng)U上，第一舵機(jī)系統(tǒng)與第二舵機(jī)系統(tǒng)之間通過舵機(jī)連桿連接。這里直流無刷電機(jī)選用580KV朗宇X4110S電機(jī)，螺旋槳選用APC1447槳。該第一舵機(jī)系統(tǒng)由傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)、第一舵機(jī)架系統(tǒng)構(gòu)成。它們之間的相互關(guān)系如下：傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)安裝在第一舵機(jī)架系統(tǒng)上側(cè)。該傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)由第一伺服舵機(jī)、兩個前輪轉(zhuǎn)向器構(gòu)成。它們之間的相互關(guān)系如下：兩個前輪轉(zhuǎn)向器交叉固定，第一伺服舵機(jī)固定在前輪轉(zhuǎn)向器側(cè)面。前輪轉(zhuǎn)向器如圖4所示，兩個前輪轉(zhuǎn)向器具體安裝如圖5所示，將兩個前輪轉(zhuǎn)向器交叉固定，同時在前輪轉(zhuǎn)向器一側(cè)固定一個舵盤。將第一伺服舵機(jī)與舵盤連接，并且固定在第一伺服舵機(jī)架系統(tǒng)上。該第一舵機(jī)架系統(tǒng)由一片“U”型鋁片(圖中標(biāo)號9)和一塊舵機(jī)架連接板(圖中標(biāo)號12)構(gòu)成。它們之間的相互關(guān)系如下：舵機(jī)架連接板固定在鋁片上側(cè)。舵機(jī)架連接板為一塊碳纖維板，用于連接“U”型鋁片，同時固定舵機(jī)。該第二舵機(jī)系統(tǒng)由第二伺服舵機(jī)、第二舵機(jī)架系統(tǒng)構(gòu)成。它們之間的相互關(guān)系如下：第二伺服舵機(jī)固定在第二舵機(jī)系統(tǒng)下側(cè)，第二舵機(jī)系統(tǒng)固定在旋翼?xiàng)U上。按照上述過程將飛行器安裝完成，將電源接通后，通過增大直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得飛行器可以起飛；在空中時，當(dāng)升力大于重力時，飛行器垂直上升，當(dāng)升力與重力相同時，飛行器可以懸停到空中。通過改變第一伺服舵機(jī)與第二伺服舵機(jī)的轉(zhuǎn)速，使螺旋槳產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)與俯仰運(yùn)動，進(jìn)而使無人機(jī)可以向各個方向飛行。當(dāng)飛行任務(wù)結(jié)束后，恢復(fù)四個螺旋槳方向垂直向上，緩慢減小直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，升力逐漸變小，最終飛行器降落。