具有聯接推進支承件的無人機的制作方法
本發明涉及諸如無人機之類的機動飛行器，特別是四旋翼直升機類型的旋翼無人機。
背景技術：
法國parrotsa的ar.drone2.0或bebopdrone是四旋翼直升機類型的旋翼無人機。它們配備有一系列傳感器(加速度計、3軸陀螺儀、高度計)且可包括至少一個前置攝像機，其獲得無人機所朝向的場景的圖像。這些無人機設置有各自由馬達驅動的多個旋翼，該馬達可被單獨控制以控制無人機的姿態和速度。這種類型的旋翼無人機也在ep2937123中描述。
這些四旋翼直升機配備有四個推進單元，每個推進單元設置有螺旋槳。兩個推進單元上的螺旋槳沿順時針方向旋轉，而另兩個推進單元上的螺旋槳沿逆時針方向旋轉。配備有沿同一旋轉方向旋轉的螺旋槳的推進單元位于同一對角線上。
由于螺旋槳的升力，每個螺旋槳在無人機上施加向上的牽引力以及沿與所述螺旋槳旋轉方向的相反方向的扭矩。在靜止飛行中、即當看上去無人機保持高度和姿態不動時，四個螺旋槳同速旋轉而四個升力結合并抵補無人機的重量。在螺旋槳的扭矩方面，由于螺旋槳的相反旋轉方向，它們彼此抵消。
wo2010/061099a2、ep2364757a1以及ep2450862a1(parrot)描述了通過具有觸屏和集成加速度計的移動電話或平板、例如iphone或ipad(注冊商標)來駕駛無人機的原理。
控制設備產生四個命令，也就是滾轉，即繞其縱軸線的轉動；俯仰，即繞其橫軸線的轉動；航向，也稱為偏航，即無人機朝向的方向；以及豎直加速。
已經注意到，特別是在例如由于風的擾動期間，將無人機轉至偏航或保持偏航導致推進單元的急劇加速。在諸如這樣的情況下，推進單元的能力達到它們的極限且無人機因而偏離偏航并非不常見。
事實上，當偏航命令傳送到無人機時，具有沿一個方向旋轉的螺旋槳的推進單元旋轉得較快，即推進單元加速，而另兩個推進單元旋轉得較慢。
以此方式，升力的總和抵補無人機的重量，但扭矩的總和不再是零，因而，無人機轉至偏航。將無人機向右或向左轉至偏航取決于需要加速它們旋轉的兩個對角推進單元。
關于命令的效力，注意到的是，在所描述的四旋翼直升無人機中，轉至偏航的命令沒有滾轉以及俯仰命令效力高。
命令的效力可通過測量對于螺旋槳的設定旋轉速度在無人機上產生的角加速度來計算。因而，效力表達為弧度每平方秒每轉每分(rad/s2/rpm)。
例如，在同一無人機上測得的命令的效力表明滾轉命令的效力為0.10rad/s2/rpm，而俯仰命令的效力為0.06rad/s2/rpm，然而，偏航命令的效力為0.0035rad/s2/rpm。因而，已經觀察到偏航命令與其它命令的效率之間有20倍。
無人機上偏航命令的效力的缺乏是由于扭矩差和螺旋槳的高阻力系數。
因而，比在俯仰軸線上的同樣移動，將無人機移動到偏航需要推進單元上特別是在旋轉速度方面20倍更大的功率，這意味著當將無人機移動到偏航時，推進單元通常在它們的最大值。
允許偏航命令的效力提高的一個已知方案涉及對無人機機架的結構改型，特別是通過在相對于無人機主飛行方向的無人機的后部使用被稱為“vtail”的形狀。機架被改型成相對于無人機主飛行方向定位在后部的兩個螺旋槳不水平定位，而是各自相對于水平成10至30°角，且在它們端部支承推進單元的連接臂呈v形。
由于支承推進單元的臂的這個v形，螺旋槳的推力不再是豎直的。由于定位在無人機后部的螺旋槳產生傾斜氣流，轉至偏航的命令被改進。
對于給定的四旋翼直升無人機，在普通飛行條件下，即在8000轉每分時，螺旋槳的阻力產生的推力和扭矩分別為1.33n和13.3mn·m。
通過相對于無人機的豎直軸線傾斜角度α的軸線以及連接臂的長度l，當轉至偏航時對于推力p產生的扭矩為：
扭矩＝p×l×sin(α)
如果角度α為10°且連接臂的長度為15cm，則當轉至偏航時產生的扭矩為34mn·m。因而，由于無人機兩個后連接臂的10°角的產生，當轉至偏航時由螺旋槳的推力產生的扭矩比由處于水平位置的相同螺旋槳產生的扭矩大幾乎2.5倍。因而，控制轉至偏航的能力被改進。
然而，該方案具有缺點。這是由于當無人機處于靜止飛行時，傾斜的螺旋槳的一些推力不能抵消無人機的重量。事實上，這種類型的無人機上的螺旋槳的四個升力的總和小于當螺旋槳處于水平平面時螺旋槳的四個升力的總和，因而，為了抵補所述無人機的重量，其推進單元必須以更高的旋轉頻率旋轉，且因而，無人機的續航時間減少。
本發明的目的在于通過提供一種無人機來克服該缺點，該無人機使得提高在轉至偏航命令期間控制所述無人機的能力而不損失續航時間成為可能。
技術實現要素：
為此目的，本發明提供了一種旋翼無人機，該旋翼無人機包括無人機本體，無人機本體包括控制無人機飛行的電路板、在其端部各自包括推進單元的四個連接臂、各自具有沿順時針方向旋轉的螺旋槳的兩個推進單元以及各自具有沿逆時針方向旋轉的螺旋槳的兩個推進單元，具有沿相同方向旋轉的螺旋槳的推進單元布置在同一對角線上。
該無人機的特征在于，無人機還包括，推進支承件包括連接臂和中樞件，兩對對稱連接臂各自在中樞件的各一側延伸，中樞件能夠聯接至無人機本體，且推進支承件具有在水平平面內延伸的至少一個扭轉彎曲方向。
根據各種附加的特征：
-中樞件包括切口；
-中樞件具有細長形狀，該形狀在每端部具有一對臂，且扭轉彎曲方向是中樞件的縱軸線；
-推進支承件包括可變形的聯接裝置，所述可變形的連接裝置能夠附連至無人機本體；
-推進單元的螺旋槳處于基本水平的平面內；
-扭轉彎曲方向是無人機的主飛行方向；
-推進支承件至少部分由可彈性變形的材料制成；
-根據在一對角線上的螺旋槳與在另一對角線的螺旋槳之間的受控推力差別的最大預定值，推進支承件能夠扭轉變形3°至10°之間的角度；
-使中樞件在彎曲方向上扭轉的能力大于使臂在彎曲方向上扭轉的能力。
附圖說明
現在將參考附圖描述本發明的實施例，附圖中：
圖1為總體圖，示出了無人機和用于駕駛所述無人機的相關控制設備；
圖2為根據本發明的無人機的細節圖；
圖3為根據本發明的無人機的推進支承件的細節圖；
圖4示出了根據本發明在轉至偏航的命令期間推進支承件的扭轉彎曲；
圖5示出了處于靜止飛行的無人機的結構；以及
圖6示出根據本發明在轉至偏航的命令期間無人機的結構。
具體實施方式
現在將描述本發明的實施例。
在圖1中，附圖標記10總地標示無人機。根據圖1中所示的示例，這是四旋翼直升機類型的無人機，諸如是法國巴黎parrotsa的bebopdrone型。
四旋翼直升無人機包括四個共面螺旋槳12，其推進單元由集成的導航和姿態控制系統分開控制。
為此，四旋翼直升無人機配備有四個推進單元，每個推進單元設置有螺旋槳12。兩個推進單元上的螺旋槳沿順時針方向旋轉，而另兩個推進單元上的螺旋槳沿逆時針方向旋轉。配備有沿同一旋轉方向旋轉的螺旋槳的推進單元位于同一對角線上。
無人機10還包括前置相機14，用于捕獲無人機所朝向的場景的圖像。無人機還包括朝向下方的豎直視圖相機(未示出)，豎直視圖相機可捕獲無人機在其上方飛行的地形的連續圖像，并特別地用于分析無人機相對于地面的速度。
根據實施例，無人機還配備有慣性傳感器(加速度計和陀螺儀)，用于以特定的精度來測量無人機的角速度和姿態角，即描述無人機相對于地面上固定參考點的水平面的傾斜度的歐拉角(俯仰角
布置在無人機下方的超聲距離指示器也提供相對于地面的高度測量。
無人機10由遠程控制設備16控制，遠程控制設備16諸如是具有觸摸屏和集成加速度計的移動電話或平板，例如iphone(注冊商標)或類似的類型，或者ipad(注冊商標)或類似的類型。該設備為標準設備，除了已經下載的用以控制無人機10飛行的定制軟件應用之外，對該設備沒有改動。根據該實施例，用戶通過控制設備16實時地控制無人機10的運動。
遠程控制設備16為設置有觸摸屏18的設備，觸摸屏18顯示由無人機10的機載相機14捕獲的場景的圖像，該圖像疊加了數個符號以允許用戶通過他們的手指20簡單接觸觸摸屏18上顯示的符號而激活命令。
控制設備16利用wifi局域網類型(ieee802.11)或藍牙(注冊商標)的無線連接通過雙向數據交換與無人機10通信，即從無人機10至控制設備16，特別地用于傳送由相機捕獲的圖像，以及從控制設備16到無人機10，用于發送駕駛命令。
無人機10的駕駛涉及通過以下方式使其運動：
a)繞俯仰軸線22轉動，使無人機向前或向后運動；和/或
b)繞滾轉軸線24轉動，使無人機向右或向左運動；和/或
c)繞偏航軸線26轉動，使無人機的主軸線，即前置相機的指向和無人機的運動方向向右或向左樞轉；和/或
d)通過改變功率程度來向下28或向上30平移，從而分別減少或增加無人機的高度。
通過使螺旋槳沿同一方向旋轉的一對推進單元旋轉得稍微快一些，并使另一對推進單元旋轉得稍微慢一些，從而執行轉至偏航的命令。
為了提高轉至偏航的命令的效力，無人機的結構如下面參考圖2和3描述的那樣被修改。
圖2示出了無人機10，無人機10包括無人機本體30和推進支承件32。
推進支承件32包括中樞件34，中樞件34與從中樞件34延伸的四個連接臂36剛性連接。每個連接臂在其遠端配備有推進單元38，推進單元38包括旋轉螺旋槳12的馬達。兩個推進單元各自具有沿順時針方向旋轉的螺旋槳，且另兩個推進單元各自具有沿逆時針方向旋轉的螺旋槳，具有沿同一方向旋轉的螺旋槳的推進單元位于同一對角線上。
在下部區域，推進單元38通過形成腳部的無人機支承件40延伸，通過無人機支承件40，無人機可在它空閑時停放在地面上。
根據另一實施例，無人機支承件40附連至推進支承件32，特別地附連至中樞件34或連接臂36上。
根據本發明，兩對對稱連接臂36各自在中樞件34的各一側延伸。
無人機本體30包括用于接納電路板44的安裝板42，電路板44承載包括慣性導航系統在內無人機的幾乎所有電子部件，并用于接納無線通信裝置。安裝板42為單件元件形式，其由輕金屬材料制成并作為冷卻器，用于消散來自產生大量熱量的某些部件的過量卡路里，這些部件諸如是主處理器、無線電芯片、用于切換馬達開斷的mosfet等。
根據本發明，推進支承件32的中樞件34能夠聯接至無人機本體30。
根據特定的實施例，推進支承件32包括可變形的聯接裝置46，所述可變形的連接裝置46能夠附連至無人機本體30。
可變形的連接裝置46例如為彈性體單元。
如圖1和2中所示，推進單元的螺旋槳處于基本水平的平面內。
圖3為推進支承件32的放大圖，推進支承件32具有中樞件34和在中樞件34的各一側延伸的兩對對稱連接臂36。
根據實施例，中樞件34具有細長形狀，該形狀在每端具有一對臂。根據該實施例，推進支承件32的扭轉彎曲方向為中樞件的縱軸線。
根據另一實施例，中樞件34具有圓或方的形狀，連接臂36圍繞中樞件34分布。
推進支承件32特別地至少部分由彈性可變形的材料制成，特別地由聚酰胺、例如pa12制成，材料中集成有例如20％量的玻璃纖維。玻璃纖維具有使推進支承件的結構更輕同時增強支承件的結構的優點。
優選地，推進支承件的材料的彈性模量為約3500mpa。
根據本發明，推進支承件32具有在水平面內延伸的至少一個扭轉彎曲方向。當執行轉至偏航的命令時，支承件的該變形是特別有利的，并在提高轉至偏航的命令的效力的同時防止在無人機的續航時間的任何負面影響。
圖4示出了配備有中樞件34且配備有在其遠端各自具有推進單元38的四個連接臂36的推進支承件32在執行轉至偏航的命令時發生的變形，。
推進支承件32的結構的變形具有偏置推進單元38的螺旋槳的推力的效果。特別地，不同推進單元的螺旋槳的推力不再豎直，而處于產生傾斜推力的角度。
所引起的推進單元32的結構的變形沿推進支承件的中心豎直軸線對稱。
為了使推進支承件的結構的變形有助于轉至偏航的命令的效力，推進單元的旋轉方向通過以下方式確定。根據本發明，如圖4中所示，沿順時針方向的旋轉命令產生結構的變形并導致推進單元1和3的旋轉速度的增加以及推進單元2和4的旋轉速度的降低。為了提高轉至偏航的命令的效力，推進單元1和3的螺旋槳需沿逆時針方向旋轉。
否則，結構的變形抵消了由螺旋槳的阻力產生的扭矩，因而，轉至偏航的命令的效力降低。
根據本發明，當結構變形時，推進支承件32的四個推進單元38有助于執行轉至偏航的命令，從而提高了該命令的效力，而沒有減少無人機的續航時間。
同樣為了提高轉至偏航的命令的效力，有利的是使推進支承件、特別是中樞件34更容易扭轉地彎曲。為此，中樞件34可如圖3中所示具有至少一個切口48。
優選地，推進支承件32的扭轉彎曲方向是無人機的主飛行軸。
此外，根據特定的實施例，中樞件在彎曲方向上扭曲的能力大于臂在彎曲方向上扭曲的能力。
如圖3中所示，當中樞件34在中心部分具有大切口48時，通過增強元件50增強中樞件的特別是抗沖擊的結構可能是有利的。
圖5為靜止飛行期間無人機10的推進支承件32的正視圖，特別地，四個連接臂36各自在其遠端具有推進單元38以及在推進單元下方的無人機支承件40。能夠看到，無人機的推進支承件的所有連接臂36處于基本水平的平面內。
圖6示出了當執行轉至無人機偏航的命令時，根據本發明的推進支承件32的變形。
根據本發明且根據實施例，根據在一對角線上的螺旋槳與在另一對角線上的螺旋槳之間的受控推力差異的最大預定值，推進支承件32能夠扭曲變形3°至10°之間的角度。
在圖6中的實施例中，在位于沿無人機的主運動方向的無人機前部的連接臂36與位于無人機后部的連接臂36之間能夠看到約4.7°的角度。
在根據本發明的、具有不同剛性程度的相應的推進支承件的兩個無人機上測量轉至偏航的命令的效力。
根據本發明的第一無人機的轉至偏航的命令的效力表明：當如圖4所示的螺旋槳1和3的旋轉方向為逆時針時，測得的命令的效力為0.004rad/s2/rpm，相對地，如果螺旋槳沿順時針方向安裝，則所測的命令的效力為0.003rad/s2/rpm。
在根據本發明的、具有比第一無人機更小的剛性的推進支承件的第二無人機上執行第二測試。這個測試表明：當如圖4中所示的螺旋槳1和3的旋轉方向為逆時針時，測得的命令的效力為0.005rad/s2/rpm，相對地，如果螺旋槳沿順時針方向安裝，則所測的命令的效力為0.002rad/s2/rpm。
這表明：當推進支承件在水平面內特別是沿無人機的主飛行方向上具有良好的扭轉彎曲程度時，轉至偏航的命令的效力全面提升。
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