垂直起降飞行器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及垂直起降（VTOL)飞行器。
【背景技术】
[0002] 垂直起降飞行器通常依靠产生向上力（升力）以对抗重力的推进系统（例如，一 个或多个螺旋桨）而飞行。这种飞行器能够缓慢飞行（悬停飞行），垂直起飞或垂直降落， 并且通常具有控制系统以控制它们的方位或方向，从而保持在稳定方位中或侧向移动。当 该飞行器未沿稳定方位中，例如其推进系统形成一个并不主要指向向上的力，该飞行器可 迅速地失去升力，或朝推进系统产生一个力的方向获得速度。
[0003] 使用推进系统和控制系统停留在高空的垂直起降飞行器存在于几个现有技术中 已知的结构中。包括推进系统和控制系统的这种垂直起降飞行器的示例在图1(a)到图 1(d)中显示（存在更多类型，但未显示在附图中）。该推进系统通常包括一个或多个螺旋 桨101，并提供使飞行器保持在空中的升力。该控制系统能够采用各种形式，并且通常包括 一些控制电子装置102以及可能地额外致动器，该可能的额外致动器不用于产生升力，相 反产生在滚转110、俯仰111或偏航112轴周围的力或扭矩，以控制滚转113、俯仰114和偏 航115运动，或换句话说，控制飞行器的方位以及因此升力的方向。这种飞行器通过保持在 其中推进系统产生一个主要向上的力的方位中而停留在空中（通常通过时螺旋桨在大致 水平面中旋转），并且它们通过稍微倾斜侧向移动。
[0004] 图1(a)示出了一个多转子系统，具体描述了四旋翼飞行器。这种飞行器使用一种 包括几个产生升力的水平螺旋桨101的推进系统。控制系统确定每个单独螺旋桨的速度以 使飞行器在稳定方位中稳定或使其倾斜，使得它侧向移动。相对螺旋桨的差动致动产生绕 俯仰和滚转轴的扭矩。在相反方向中旋转的螺旋桨的差动致动产生了绕偏航轴的扭矩。
[0005] 图I (b)示出一种常规直升机的推进系统。该飞行器使用主水平螺旋桨101作为 推进系统来产生升力。控制系统通过旋转斜盘104控制飞行器的俯仰和滚转运动，或使其 倾斜以侧向移动，该旋转斜盘致动该主螺旋桨叶片并稳定该飞行器的俯仰和滚转。一垂直 尾翼螺旋桨103用于控制偏航角。
[0006] 图1(c)示出了一个带有吊杆的同轴设计。这种飞行器使用两个沿相反方向旋转 的水平螺旋桨101作为推进系统。控制系统包括一个使俯仰角和滚转角保持稳定的吊杆 105。吊杆是一个带有相对较高旋转惯量的刚性杆，其与顶部螺旋桨一起旋转并由于惯性而 保持水平。它与上螺旋桨叶片的俯仰机械地链接，使得当飞行器的方位扰乱时，螺旋桨产生 一个使该飞行器返回稳定方位的力矩。这两个螺旋桨的差动致动允许偏航角的控制。下螺 旋桨可配备有旋转斜盘以控制俯仰和滚转运动，以及从而控制侧向移动该飞行器。
[0007] 图1(d)示出了一个带有控制表面的同轴设计。该飞行器使用两个沿相反方向旋 转的水平螺旋桨101作为推进系统。控制系统使用一对控制表面108以控制俯仰运动以及 另一对控制表面106以控制滚转运动。控制表面由两个致动器107致动，并通过使由该推 进系统产生的气流偏转而产生升力。这两个螺旋桨的差动致动使偏航角可控制。
[0008] 设计为靠近障碍物飞行的飞行器，例如在EP2517767A2, J. Dees和G. Yan的"自我 扶正的框架和航空飞行器"中公开的，通常配备有通常围绕该推进系统和控制系统的保护 结构。这些保护结构防止外部物体破坏敏感部件，例如旋转的螺旋桨或控制表面，或当飞行 器碰撞到障碍物或落地时吸收碰撞能量。它们通常被形成，使得开口允许气流通过该结构， 而不太多影响由该推进系统产生的升力。能够设计该保护结构的形状，使得当其位于平地 时，该飞行器将被动地直立到垂直起飞方向。
[0009] 几种现有的垂直起降飞行器与移动部件一起使用保护结构，以改进与环境的彼此 作用。如 M. Itasse、J. -M. Moschetta、Y. Ameho 和 R. Carr 在 2011 年 12 月，《微型飞行器国 际期刊》第3卷第4期第229-246页的"混合动力飞行器的平衡过渡研究"中所描述的，双 电机垂直起降配备有两个都防止转子接触的被动旋转的轮子，并且当飞行时能够用于在地 上或甚至沿壁滚转。然而，该轮子仅能保护该飞行器的内框架免于接触平面障碍物，以及该 飞行器仅能够朝单个方向滚转。
[0010] 在A. Kalantari和M. Spenko在2013年《机器人与自动化IEEE国际会议》的"混 合陆地和航空四旋翼的设计和实验验证"中，描述了一种能够被动地绕一个轴旋转并提供 更好保护的保护罩，其允许该垂直起降飞行器在不均匀地面上仅朝单个方向滚转。虽然这 些飞行器证明了在障碍物上滚转的被动旋转保护结构，它们的滚转方向由于单个旋转轴而 被限制到单个方向。同样，除此之外，这些机构不解决减少从与障碍物的碰撞中发生的干扰 的问题。
[0011] 在US2010/0224723A1，J. Apkarian的"飞行器"中描述的一种飞行器，其特征在于 一种保护结构，该保护结构能够绕两个不同轴旋转。然而，该旋转轴总是由电机完全致动和 控制。除此之外，该结构的主动控制旋转通过改变该保护结构的质心位置仅允许该飞行器 在飞行过程中的稳定。该设计不允许当在飞行中与障碍物碰撞时的干扰减少，或不允许在 障碍物上的滚转（如在飞行过程中接触障碍物）。
[0012] Tamanas的美国专利6976899描述了一种"全地形飞行器"，其包括三个连接环，被 附接到最内环的支架，并且被如此构造，使得在该支架保持直立时该飞行器在地上滚转。除 此之外，虽然该全地形飞行器被构造成在各种地表面上行进，该全地形飞行器不被构造并 且不具有作为垂直起降飞行器的应用。
[0013] 当飞行器进入与障碍物的接触时，相对较大的扭矩和力能够干扰该飞行器的方 位。虽然机载控制系统（机械的和/或软件）可能对抗一些干扰量并使该飞行器回到飞行 的稳定方位，这种控制系统往往不能快速地纠正在接触外部物体后发生的很大干扰。这种 接触因此能够引起飞行器方位或轨迹的很大扰动，甚至导致碰撞到地面。大多数飞行器因 此总保持远离障碍物，以防止与障碍物的任何接触。此外，大多数飞行器仅能够从该推进系 统能够形成一个向上力的停靠方位起飞，该向上力限制了它们从不均匀地面、或在其他方 位中降洛后起飞的能力。
【发明内容】
[0014] 本发明描述了一种减少通过与外部物体接触所引起的干扰的系统，所述系统允许 飞行器与障碍物碰撞，同时大部分时间保持在稳定方位中。一种垂直起降（VTOL)飞行器包 括内框架，平衡框架和外框架。所述平衡环系统允许所述外框架独立于所述内框架被动地 旋转，这减少了通过与外部物体接触所引起的干扰，允许在障碍物上滚转并允许从任何方 位起飞。根据本发明的垂直起降允许平台保持与障碍物接触，其在该平台以下、侧向或以 上，并且在与其保持接触同时相对于该障碍物移动，这这本文中描述为在其上滚转。该垂直 起降被构造为一种能够从任何方位起飞的飞行器，即使在不平坦地面上。
[0015] 根据本发明的垂直起降包括推进系统和控制系统，所述推进系统能够产生升力， 所述控制系统能够控制所述内框架的方位，所述平衡环系统将所述内框架连接到所述外框 架和内框架，即带有至少两个旋转轴的所述外框架允许在所述外框架之间的旋转自由，从 而独立于所述内框架旋转。
[0016] 所述旋转轴被构造成用所述平衡环系统使所述外框架从所述内框架机械地脱离， 使得所述外框架能够绕所述内框架被动地旋转。所述内框架包含所述推进系统和使飞行器 保持在空中通过产生向上力并拒绝很小干扰的控制系统，同时所述外框架能够防止外部物 体接触所述内框架并影响其方位。所述外框架在几何形状上被构造成城市巨大撞击并保护 所述垂直起降内框架、推进和控制系统，使得所述垂直起降在撞击后能够重新稳定并继续 行进。公开了所述外框架结构的不同设计，所述设计减少在与障碍物碰撞时发生的力。
[0017] 所述平衡环系统允许所述外框架在所述内框架周围绕两个或以上的旋转轴被动 地旋转。因此被施加到所述外框架的部分或全部扭矩将引起其绕这些轴的旋转，但不会影 响所述内框架，使得所述推进系统保持在悬停飞行的稳定方位。一种根据本发明构造的飞 行器因此能够与障碍物碰撞，而其内框架保持在稳定方位，其防止了当所述推进系统经受 重大方位干扰时发生的所述飞行器的很大不稳定性或坠毁。
[0018] 此外