球形飞行器的制造方法
【专利摘要】一种球形飞行器，属于无人机飞行装置领域，本实用新型的目的是提供一种将旋翼式飞行原理与固定翼飞行原理相结合的球形飞行器。本实用新型是由外框、十字机身、电机、伺服电机、舵面组成。本实用新型主要有以下优点：可以实现在地面翻滚，在恶劣的环境不损伤主要的动力部件；相比于多旋翼结构具有造价低廉，硬件简单和易于操作；其姿态控制由四个伺服电机控制的舵面完成，更加灵活；其消除螺旋桨反扭力靠下四个舵面，与直升机机型相比结构更简单。
【专利说明】球形飞行器
【技术领域】
[0001]本实用新型属于无人机飞行装置领域。
【背景技术】
[0002]目前，国内无人机近几年来发展比较快。而除军事用途外，由于无人机成本相对较低、无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好、使用方便等的优势，使得无人机在航空拍照、地质测量、高压输电线路巡视、油田管路检查、高速公路管理、森林防火巡查、毒气勘察、缉毒和应急救援、救护等民用领域应用前景极为广阔。旋翼式无人机分为单旋翼和多旋翼结构。单旋翼主要指直升机类的机型，其飞行姿态调整主要靠倾斜盘。多轴飞行器的姿态主要是靠调节不同电机的速度使重心偏移改变飞行姿态。但是，对于直升机类机构，其螺旋桨外露易损坏，消除螺旋桨反扭力结构较为复杂，在恶劣环境下不利于飞行和着陆；对于多轴飞行其控制较为简单，但是成本较高。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的是提供一种将旋翼式飞行原理与固定翼飞行原理相结合的球形飞行器。
[0004]本实用新型是由外框、十字机身、电机、伺服电机、舵面组成；
[0005]外框:是由一号球形外框、二号球形外框、三号球形外框、球形横向加固件组成,在一号球形外框、二号球形外框、三号球形外框、球形横向加固件上有互相对应的阳插槽和阴插槽，一号球形外框和二号球形外框纵向通过互相对应的阳插槽和阴插槽连接，在一号球形外框和二号球形外框纵向之间通过条形加固件安装有三号球形外框，球形横向加固件横向通过互相对应的阳插槽和阴插槽与一号球形外框、二号球形外框、三号球形外框连接；
[0006]十字机身:是由十字机身上插片和十字机身下插片组成，十字机身上插片和十字机身下插片通过十字机身上插片上的下插槽和十字机身下插片上的上插槽插接，在十字机身上插片和十字机身下插片上端均有伺服电机槽；
[0007]—号球形外框和二号球形外框上均有向内部延伸的支板，电机安装在支板上，电机上端的电机轴上安装有螺旋桨，电机置于十字机身上端；十字机身上端的伺服电机槽内安装有上伺服电机，上舵面安装在上伺服电机上，十字机身下端安装有下伺服电机，下舵面安装在下伺服电机上。
[0008]本实用新型在三号球形外框上安装有支撑架，支撑架开有下舵面通过槽。
[0009]本发明主要有以下优点:
[0010](I)可以实现在地面翻滚，在恶劣的环境不损伤主要的动力部件；
[0011](2)相比于多旋翼结构具有造价低廉，硬件简单和易于操作；
[0012](3)其姿态控制由四个伺服电机控制的舵面完成，更加灵活；
[0013](4)其消除螺旋桨反扭力靠下四个舵面，与直升机机型相比结构更简单。
[0014]这种飞行器设计的目的在于，降低成本，拓展飞行器飞行和着陆的环境，对新型气动飞行器的开发原理和反扭力消除方式起到一定的启发式作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型结构示意图；
[0016]图2是本实用新型图1A-A向视图；
[0017]图3是本实用新型一号球形外框示意图；
[0018]图4是本实用新型二号球形外框示意图；
[0019]图5是本实用新型三号球形外框示意图；
[0020]图6是本实用新型球形横向加固件示意图；
[0021]图7是本实用新型十字形机身上插片示意图；
[0022]图8是本实用新型十字形机身下插片示意图。
【具体实施方式】
[0023]本实用新型是由外框、十字机身、电机13、伺服电机、舵面组成；
[0024]外框:是由一号球形外框1、二号球形外框14、三号球形外框3、球形横向加固件5组成，在一号球形外框1、二号球形外框14、三号球形外框3、球形横向加固件5上有互相对应的阳插槽16和阴插槽15，一号球形外框I和二号球形外框14纵向通过互相对应的阳插槽16和阴插槽15连接，在一号球形外框I和二号球形外框14纵向之间通过条形加固件2安装有三号球形外框3,球形横向加固件5横向通过互相对应的阳插槽16和阴插槽15与一号球形外框1、二号球形外框14、三号球形外框3连接；
[0025]十字机身:是由十字机身上插片9和十字机身下插片8组成，十字机身上插片9和十字机身下插片8通过十字机身上插片9上的下插槽91和十字机身下插片8上的上插槽81插接，在十字机身上插片9和十字机身下插片8上端均有伺服电机槽17 ；
[0026]—号球形外框I和二号球形外框14上均有向内部延伸的支板11,电机13安装在支板11上，电机13上端的电机轴上安装有螺旋桨12，电机13置于十字机身上端；十字机身上端的伺服电机槽17内安装有上伺服电机10，上舵面4安装在上伺服电机10上，十字机身下端安装有下伺服电机7，下舵面6安装在下伺服电机7上。
[0027]本实用新型在三号球形外框3上安装有支撑架31，支撑架31开有下舵面通过槽32。
[0028]本实用新型的外形改进:采用球形的外框。其作用之一保护了飞行器的动力装置，防止了螺旋桨、电机和舵面的损坏；第二则保护了人身的安全，防止操作者被飞行器划伤；第三能够实现在非平稳的地形上着陆；第四能够实现在平地上滚动；
[0029]本实用新型的飞行姿态原理创新:利用了螺旋桨产生的下洗气流，与舵面相结合使飞行器重心偏移改变姿态；
[0030]本实用新型的飞行器反扭力消除改进:利用下舵面与下洗气流相结合，实用微控制器和三轴加速度三轴角速度传感器控制伺服电机的偏转角度，消除反扭力；
[0031]本实用新型的遥控器手动控制与微控制器的协同控制改进。遥控器控制螺旋桨速度，而其伺服电机采用微控制器与传感器结合自动控制。
[0032]本实用新型主要由机械部分和电子控制部分两部分组成，电子控制部分采用现有电器元件即可。下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，在此本实用新型的示意性实施例以及说明用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。
[0033]如图1所示，本发明所述的球形飞行器包括:球形外框部件(一号球形外框、二号球形外框和三号球形外框)、球形横向加固件、条形加固件、十字形机身上插片、十字形机身下插片、上舵面、下舵面、电机托架、电机托架左右固件、电机托架前后固件、电机、螺旋桨、伺服电机、微控制器、遥控器接收机、电机驱动、电池、遥控器、三轴角加速度传感器、三轴线性加速度传感器、转接头。
[0034]所述球形外框部件、球形横向加固件、条形加固件、十字形机身、十字形机身、上舵面、下舵面、电机托架、电机托架左右固件、电机托架前后固件所选用材料为聚苯乙烯发泡材质，可选用碳纤维；所述电机为直流无刷调速电机；所述螺旋桨为10*4.5L正桨；所述伺服电机为供电电压4.8V?6.0V，扭矩1.6/2.0Kgf.cm，响应度为0.12/0.1s/60的数字伺服电机，其三根导线分别为电源、地和控制信号；所述电池为11.lV、850mAh容量可选动力电池。
[0035]所述球形外框部件有连接凹槽(阳插槽或者阴插槽)，用于各个球形外框部件、球形横向加固件和条形加固件分别相互嵌入。其中以两个横杆为分界，过圆心连线与横杆为90度的上下两个凹槽与球形外框部件的对应上下两个凹槽嵌入,这时,一号球形外框与二号球形外框交角为90度；球形横向加固件的凹槽与过圆心连线与横杆平行的球形外框部件、球形外框部件的两个凹槽分别相互嵌入，此时球形横向加固件与一号球形外框、二号球形外框交角为90度；然后，将三号球形外框部件的凹槽与球形横向加固件的剩余凹槽插入，组成一个外球形外框，从上往下看为夹角分别为60度交角的弧形相连关系，每个弧形由球形横向加固件相互加固；然后剩余的凹槽与相邻的最近的两个凹槽分别用条形加固件相连接加固，至此完成一个球形外框的组成，其连接不牢固处使用胶粘住。螺旋桨固定在电机上。将伺服电机固定在十字机身上面较窄处，其电机旋转处朝外，电机机身刚好夹在较窄处，伺服电机两两相对，连线互相成90度角。一号和二号球形外框部件支架成十字固定在电机左右，三号球形外框部件的伸长部分与十字成45度角固定在十字形机架上。将另外的伺服电机分别固定在三号球形外框部件的延长部分下面，正好位于一号球形外框部件和二号球形外框部件的横杆交角的角对角线上。至此，伺服电机分别位于一号球形外框部件的两个横杆、二号球形外框部件的两个横杆、三号球形外框部件的四个横杆下，其安装距离可以保证安装完上舵面、下舵面后，舵面可以牢固且自由转动为安装准则。将上舵面较窄一端固定在上面伺服电机转动端，上舵面为直线的一侧与一号球形外框部件和二号球形外框部件的横杆平行；将下舵面较宽一端固定在下面伺服电机转动端，下舵面为斜线的一侧与三号球形外框部件的横杆平行。将螺旋桨安装在电机上。将电机的三相连线与电机驱动相连接，同时，电机驱动较粗的电源线通过接头与电池的阴极和阳极相连接，同时电机驱动的5V电源线和地线与微控制器的电源和地相连，电机驱动的电机控制信号线与遥控器接收机的输出信号引脚相连。遥控器接收机的电源和地与微控制器的电源正负极分别通过导线连接。转接头将与上舵面相连的伺服电机中的连线为与球形外框部件横杆平行的两个伺服电机连接到转接头，电源线接2.54mm插针的一号插针，信号线接二号插针，地线接三号插针，将转接头接微控制器的对应设定引脚，将转接头接遥控器接收机的输出信号引脚相连。将与上舵面相连的伺服电机中的连线为与三号球形外框部件横杆平行的伺服电机按上述相同方式连接。将与下舵面相连的伺服电机的电源线、地线和信号线与微控制器的对应设定引脚相连。将三轴角加速度传感器、三轴线性加速度传感器与微控制器相连。将十字形机身下部与球形外框底部用胶水固定。其余部件放置在十字形机体上，其安放准则是使机体重心尽量位于十字形机体的中心部位，可以适当加入配重调节重心，使其位置接近于中心位置。
[0036]当所述球形飞行器开始飞行时，首先通过所述遥控器发出控制指令控制飞行器起飞，控制指令送达遥控器接收机，遥控器接收机再通过信号线将指令传达给电机驱动，由所述电机驱动输出转速控制信号给所述电机，所述电机带动螺旋桨运转起来。在所述球形飞行器起飞过程中，需要向上升起，电机进行手动控制加速，当达到所需飞行高度后，所述螺旋桨转速下降，通过控制达到高度保持知道悬停，下降高度和降落则反之；在此过程中，螺旋桨转动使机体产生反扭力，四个下舵面根据三轴角加速度传感器和三轴线性加速度传感器给微控制器的角加速度和加速度数值信息通过计算出飞行器的翻滚角、俯仰角和航向角三个姿态角度值。然后微控制器根据事先设定好的PID算法，自行输出控制八个伺服电机的控制信号，伺服电机转动带动四个下舵面和四个上舵面，四个下舵面使飞行器消除螺旋桨转动时机体产生反扭力，四个上舵面使机体保持平衡姿态。如果飞行器需要完成向前，向后，向左，向右等航线飞行动作，可手动控制遥控器，遥控器接收机再通过信号线将指令传达给与飞行器四个上舵面相连的四个伺服电机，使四个伺服电机转动相对应的角度，这里属于多路混控，实现航线飞行。
[0037]对于上述技术方案的改进，包括在十字形机体上装配小型摄像机，GPS导航系统或对其机械部件材料进行更换:轻质航空金属等将为飞行器提供更优的航行性能。
【权利要求】
1.一种球形飞行器，其特征在于:是由外框、十字机身、电机(13)、伺服电机、舵面组成； 外框:是由一号球形外框(I)、二号球形外框(14)、三号球形外框(3)、球形横向加固件(5)组成,在一号球形外框(I)、二号球形外框(14)、三号球形外框(3)、球形横向加固件(5)上有互相对应的阳插槽(16)和阴插槽(15), —号球形外框(I)和二号球形外框(14)纵向通过互相对应的阳插槽(16)和阴插槽(15)连接，在一号球形外框(I)和二号球形外框(14)纵向之间通过条形加固件(2 )安装有三号球形外框(3 ),球形横向加固件(5 )横向通过互相对应的阳插槽(16)和阴插槽(15)与一号球形外框(I)、二号球形外框(14)、三号球形外框(3)连接； 十字机身:是由十字机身上插片(9)和十字机身下插片(8)组成，十字机身上插片(9)和十字机身下插片(8)通过十字机身上插片(9)上的下插槽(91)和十字机身下插片(8)上的上插槽(81)插接，在十字机身上插片(9)和十字机身下插片(8)上端均有伺服电机槽(17)； 一号球形外框(I)和二号球形外框(14)上均有向内部延伸的支板(11),电机(13)安装在支板(11)上，电机(13)上端的电机轴上安装有螺旋桨(12)，电机(13)置于十字机身上端；十字机身上端的伺服电机槽(17)内安装有上伺服电机(10)，上舵面(4)安装在上伺服电机(10 )上，十字机身下端安装有下伺服电机(7 )，下舵面(6 )安装在下伺服电机(7 )上。
2.根据权利要求1所述的球形飞行器，其特征在于:在三号球形外框(3)上安装有支撑架(31)，支撑架(31)开有下舵面通过槽(32)。
【文档编号】B64D27/24GK203567933SQ201320642644
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年10月18日 优先权日:2013年10月18日
【发明者】周求湛, 车遥, 陈永志, 王宁, 马彦 申请人:吉林大学