专利名称：尾舵操控式旋翼飞行机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机器人技术领域的装置，具体地说，是一种尾舵操控式旋翼飞行机器人。
背景技术：
现有的旋翼飞行机器人大多采用直升机结构，这对其自身尺寸的微型化带来了十分不利的影响。有人直升机的旋翼操纵机构非常复杂，尤其是它的核心部件——自动倾斜器的结构更为复杂。对于一般无人直升机来说，由于载重量有限，结构相对比较简单，在旋翼的操纵机构上做了一定的简化。微小型飞行机器人的载重量很小，甚至需要以克来衡量，仅对它进行进一步的简化和对旋翼操纵机构的简单缩小还是很难完全达到设计目标。由于在设计微小型旋翼飞行机器人的操纵机构时，由微型高速轴承、减速机构等部件组成的传动与旋翼操纵机构的复杂部件在尺寸很小时将大大增加加工难度，导致加工成本大幅度增高，而且极有可能出现某些部位强度不够等问题。尤其是对以悬停和超低速运动(以下简称超低速)为主要工况的作业要求来说，现有成熟技术所暴露的不足则更加明显，这主要体现为在这种状态下用于飞行控制的自动倾斜器的功能/机构复杂度比值大大降低。
经对现有技术的文献检索发现，清华大学吕俊刚等(清华大学学报2002年第42卷第11期，第1484页至1487页，文章的名称“微型无人直升机旋翼操纵机构设计及分析”)提出利用惯性力作用和材料弹性性能的微型无人直升机旋翼操纵机构，它通过电机的瞬间加速，利用旋翼桨叶的惯性力，使弹性连杆变形来达到控制旋翼从而取代自动倾斜器的目的。该方法结构简单，附加重量轻，解决了由于采用自动倾斜器所带来的不足，但是，存在着实际控制效果依赖于电机特性的不足，每台电机的机械常数和电气常数并不相同，产生的滞后效应具有不一致性，基于该方法的飞行控制存在着不确定因素。同时，该方法所采用的弹性体结构也加剧了这种不确定性。此外，现有的四旋翼均布式两两反转结构的飞行机器人虽然也摆脱了自动倾斜器，但是其存在着尺寸小型化困难以及能耗大等不足。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种尾舵操控式旋翼飞行机器人，使其通过尾舵操控而不需要自动倾斜器，且结构简单，重量轻，降低了成本，而且特别适用于特殊用途的微型机器人设计。
本发明是通过以下技术方案实现的。本发明包括机体、旋翼、旋翼驱控器、三个尾舵、尾舵控制器、三个尾舵驱动器、姿态传感器、动力源。连接方式为旋翼驱控器直接固定在机体上，采用直流电机的PWM方式控制，其输出端与旋翼固联。尾舵控制器和三个尾舵驱动器设置在机体的下方，尾舵控制器根据姿态传感器的信息和操作人员的命令自动生成尾舵驱动指令，在三个尾舵驱动器的输出端分别设置一个尾舵，三个尾舵间夹角为120度，均匀分布在机体的下部。姿态传感器设在机体中心位置，动力源设在机体的两侧。
本发明具有能分别独立控制角度的三个尾舵和一个转速可调的旋转翼，使用三个微型舵机驱动舵面，结构简单，减轻了整体重量；运动无耦合，便于实现自动控制并且提高了系统的可靠性，同时，避免了传统直升飞机总变距和周期变距的复杂飞行控制系统，大大降低了制作成本和微型化难度，并可有效降低飞行噪声、延长旋翼桨叶的使用寿命；尾舵旋转轴有两种不同的方式与机体连接，可根据使用的情况要求灵活配置；此外，本设计拆卸容易，组装方便，适合于个人携带。
本发明自动化程度高，结构简单，附加重量轻，尾舵在作业时可以充分利用旋转翼转动时所产生的下洗气流，在实现取代自动倾斜器的同时，还可以实现单旋翼无尾桨的新型飞行模式，三个尾舵的独立控制使得运动灵活，本发明尤其适合于狭窄空间和悬停工况的飞行作业，可从根本上改善现有飞行机器人的设计模式。
图1为本发明一种实施例的结构正视2为图1所示结构的俯视3为本发明另一种实施例的结构正视4为图3所示结构的俯视图
具体实施例方式
如图1、2所示，本发明包括机体1、旋翼2、旋翼驱控器3、尾舵4、尾舵5、尾舵6、尾舵控制器7、尾舵驱动器8、尾舵驱动器9、尾舵驱动器10、姿态传感器11、动力源12。连接关系为旋翼驱控器3直接固定在机体1上，采用直流电机的PWM方式控制，其输出端与旋翼2固联。尾舵控制器7和尾舵驱动器8、尾舵驱动器9、尾舵驱动器10设置在机体1的下方，尾舵控制器7根据姿态传感器11的信息和操作人员的命令自动生成尾舵驱动指令，在尾舵驱动器8的输出端设置尾舵4，尾舵驱动器9的输出端设置尾舵5，尾舵驱动器10的输出端设置尾舵6，尾舵4、尾舵5、尾舵6间夹角为120度，尾舵4、尾舵5和尾舵6可分别绕其各自旋转轴实现270°的转动，均匀分布在机体1的下部。姿态传感器11设在机体1中心位置，动力源12设在机体1的两侧。
尾舵驱动器8、尾舵驱动器9、尾舵驱动器10全部由微型舵机构成。
根据尾舵4、尾舵5和尾舵6与机体1相对位置和其形状的不同，本发明可有两种结构形式结构一尾舵4、尾舵5和尾舵6的旋转轴垂直于机体1的切平面且与机体1的基平面平行，见图1、图2；结构二尾舵4、尾舵5和尾舵6的旋转轴平行于机体1的切平面且与机体1的基平面平行，见图3、图4。
结构一的尾舵4、尾舵5和尾舵6的截面均为月牙形，其形状如图1标号5所示。结构二的尾舵4、尾舵5和尾舵6的截面均为矩形。
尾舵控制器7根据姿态传感器11所传回的信号对尾舵4、5、6进行自动控制，保持飞行机器人在悬停状态时的悬停稳定。同时，尾舵控制器7又可以通过无线通讯同外界进行数据交换，根据操作人员的遥控指令自动调节尾舵4、5、6舵面的角度，从而保证机器人按照遥控指令飞行，以完成各类作业需求。
工作时，尾舵4、5、6处于设置的初始状态，先使旋翼2转动，逐步增大旋翼2的旋转速度，当机体基本离开地面时，尾舵控制器7根据姿态传感器11信息生成驱动指令并发送到尾舵驱动器8、9、10，通过对旋翼2转动所产生下洗流的有效控制达到飞行机器人的姿态平衡，继续提高旋翼的回转速度，飞行机器人加速上升，整个过程中不断根据姿态传感器11的信号调节尾舵4、5、6的角度，使飞行机器人始终维持在稳定状态，并通过尾翼4、5、6的协调控制，生成外部指令所要求的运动轨迹。
权利要求
1.一种尾舵操控式旋翼飞行机器人，包括机体(1)、旋翼(2)、旋翼驱控器(3)、尾舵(4)、尾舵(5)、尾舵(6)、尾舵控制器(7)、尾舵驱动器(8)、尾舵驱动器(9)、尾舵驱动器(10)、姿态传感器(11)、动力源(12)，其特征在于，旋翼驱控器(3)直接固定在机体(1)上，旋翼(2)与驱控器(3)的输出端固联，尾舵控制器(7)和尾舵驱动器(8)、尾舵驱动器(9)、尾舵驱动器(10)设置在机体(1)的下方，尾舵控制器(7)根据姿态传感器(11)信号和外部命令自动生成尾舵驱动指令，在尾舵驱动器(8)的输出端设置尾舵(4)，尾舵驱动器(9)的输出端设置尾舵(5)，尾舵驱动器(10)的输出端设置尾舵(6)，姿态传感器(11)设置在机体(1)中心位置，动力源(12)设置在机体(1)下部。
2.根据权利要求1所述的尾舵操控式旋翼飞行机器人，其特征是，尾舵(4、5、6)间夹角为120度，均匀分布在机体(1)的下部。
3.根据权利要求1或者2所述的尾舵操控式旋翼飞行机器人，其特征是，尾舵(4、5、6)分别绕其各自旋转轴实现270°的转动。
4.根据权利要求1或者2所述的尾舵操控式旋翼飞行机器人，其特征是，尾舵(4、5、6)的旋转轴垂直于机体(1)的切平面且与机体(1)的基平面平行，此时，尾舵(4、5、6)的截面均为月牙形。
5.根据权利要求1或者2所述的尾舵操控式旋翼飞行机器人，其特征是，尾舵(4、5、6)的旋转轴平行于机体(1)的切平面且与机体(1)的基平面平行，此时，尾舵(4、5、6)的截面均为矩形。
6.根据权利要求1所述的尾舵操控式旋翼飞行机器人，其特征是，尾舵控制器(7)通过无线通讯同操纵人员进行数据交换，并根据操纵人员的飞行控制指令自动调节尾舵(4、5、6)舵面的角度。
7.根据权利要求1所述的尾舵操控式旋翼飞行机器人，其特征是，旋翼(2)为直流电机PWM方式驱动。
8.根据权利要求1所述的尾舵操控式旋翼飞行机器人，其特征是，尾舵驱动器(8、9、10)全部由微型舵机构成。
全文摘要
一种机器人技术领域的尾舵操控式旋翼飞行机器人，包括机体、旋翼、旋翼驱控器、三个尾舵、尾舵控制器、三个尾舵驱动器、姿态传感器、动力源。旋翼驱控器直接固定在机体上，其输出端与旋翼固联。尾舵控制器和三个尾舵驱动器设置在机体的下方，尾舵控制器根据姿态传感器的信息和操作人员的命令自动生成尾舵驱动指令，在三个尾舵驱动器的输出端分别设置一个尾舵，姿态传感器设在机体中心位置，动力源设在机体的两侧。本发明自动化程度高，结构简单，附加重量轻，尾舵在作业时可以充分利用旋转翼转动时所产生的下洗气流，在实现取代自动倾斜器的同时，还可以实现单旋翼无尾桨的新型飞行模式，三个尾舵的独立控制使得运动灵活。
文档编号A63H27/133GK1807184SQ20061002408
公开日2006年7月26日 申请日期2006年2月23日 优先权日2006年2月23日
发明者顿向明 申请人:上海交通大学