一种无人机防倾斜的方法与流程

[0001]
本发明涉及无人机技术领域，特别涉及一种防止无人机倾斜的方法。


背景技术：

[0002]
农用无人机通过地面遥控或导航飞控，来实现喷洒作业，但是在遇到外界气流干扰，无人机变向、加速、减速等过程中，机身会发生倾斜，导致打药箱内农业发生晃动，影响无人机飞行的稳定性，严重时有坠机风险。
[0003]
常规无人机变向、加速、减速等过程，利用不同旋翼产生的速度差，使机身主动倾斜，进而使旋翼产生的升力与竖直方向形成一定夹角，使升力存在水平方向上的分力，利用水平方向分力实现变向、加速、减速等过程，因此不可避免的会引起打药箱内液体发生晃动，虽然液体晃动幅度较小，但是还会影响无人机飞行的稳定性，遇到外界气流干扰时，机身发生非主动倾斜，会引起机身剧烈晃动，需要操作员较高的操作技术才能控制好无人机飞行的稳定性，为了提升无人机的稳定性，现有技术通过对打药箱进行改进，通过防止药液的晃动避免药液对机身稳定性的影响，无法直接解决无人机变向、加速、减速等过程、外界气流干扰引起的机身倾斜，现有技术cn201910583776 公开一种矢量倾转的共轴双旋翼无人机的动力结构上而下由上旋翼桨叶锁死机构、上旋翼桨叶、上电机、上电机座垫片、电机支架、下电机座垫片、下电机、下旋翼桨叶、下旋翼桨叶锁死机构组成，通过两个无刷直流电机对称安装在无人机左右的上下两侧，并反向旋转，实现双旋翼机构，大大简化了传统复杂的机械共轴双旋翼机构，虽然对提升无人机机身稳定性有一定效果，但是依旧无法直接解决无人机变向、加速、减速等过程、外界气流干扰引起的机身倾斜问题，严重的甚至导致无人机转向甚至坠机，因此为了提升无人机稳定性，需要对现有技术进一步改进。


技术实现要素：

[0004]
为了解决上述问题，本发明提供了一种技术方案：一种无人机防倾斜的方法，所述无人机包括机身、四个支腿、四个横轴，支腿和横轴分别固定在机身上下边缘上，且四个支腿和四个横轴呈相间米字形分布；机身内设置有控制装置、打药箱，且机身下侧设置有用于喷洒农药的喷嘴，喷嘴与打药箱连通；横轴远离机身的一端固定有电机，电机与控制装置信号连接，轴线位于同一直线上的两个横轴上的电机的转轴中轴线形成倒八形的夹角，横轴内部设置有限速装置，电机转轴的下端部位穿过横轴内的限速装置，电机转轴上下两端分别设有上旋翼和下旋翼，且电机转轴下端通过联轴器与下旋翼的转轴连接，电机的转轴上端通过万向接头与上旋翼的转轴连接，上旋翼的转轴上转动套接有套筒，套筒侧面铰接有伸缩杆，且伸缩杆另一端与横轴铰接，伸缩杆与控制装置信号连接。
[0005]
限速装置包括限速盘、配重块、摩擦片和弹簧，限位盘固定在横轴内的电机转轴上，配重块一端设有通孔，且限速盘位于配重块一端的通孔内，配重块通孔孔径大于限速盘直径，配重块通孔内侧设置有摩擦片，配重块在横轴内的空腔内滑动，且配重块靠近机身的一侧通过弹簧与横轴空腔靠近机身的一端连接，且配重块另一端与横轴空腔远离机身一端
接触。
[0006]
无人机飞行过程，在向左或向右飞行的过程中，前、后电机8不需要调整，因此向左飞行过程中，仅对左、右电机8进行分析，左、右电机8带动上旋翼7和下旋翼9转动产生的合力分别为f1、f2，左、右上旋翼7产生的作用力为f1、f3，左、右下旋翼7产生的作用力为f2、f4，a为f2与水平面的夹角0<a<90度，b为f1与水平面的夹角90<b<180度，e为f1与水平面的夹角，0<e<180度，c为f4与水平面之间的夹脚，且90<c<180度，d为f2与水平面的夹脚，0<d<180 度，f1、f2、f3、f4、f1、f2水平分量均以向右为正方向。
[0007]
无人机的飞行姿态通过控制伸缩杆6的伸缩和电机8的转速实现，为了保持机身1始终处于水平，避免晃动，伸缩杆6和电机8需要协同控制，且控制的基本原则为，伸缩杆6伸缩引起f1方向发生变化时，同时增大电机8，使f1和f2的合力f1竖直方向的分力保持不变；向左飞行，具体为：根据力的合成原理平行四边形定则可知，该装置左电机8带动上旋翼7和下旋翼9转动产生合力f1竖直方向分力 f1sine＝f2sina+f1sinb，该装置右电机8带动上旋翼7和下旋翼9转动产生合力f2sind＝f3+f1sinc，在向左飞行的过程中，为了使该装置在飞行过程中总的力矩为零而保持水平，伸长左横轴5上的伸缩杆引起 f1与水平面的夹角b变大时，需要通过增大左电机8的转速，使f1、 f2变大，使左电机8带动上旋翼7和下旋翼9转动产生合力f1竖直方向分力确保f1sine＝f2sind，此时f1和f2水平方向分力为 f1cose+f2cosd，且f1cose+f2cosd＝f1cosb+f2cosa+f4cosc，此时由于 f1sine＝f2sind，180-e>d,故f1cose<f2cose,即f1和f2水平方向分力 f1cose+f2cosd方向为向左，实现该装置向左飞行。
[0008]
无人机向左移动过程时受到外力影响向右倾斜的情况下，在重力的作用下，左横轴5内的配重块12在左横轴5的空腔内滑动，压缩弹簧14，使配重块12上的摩擦片13与限速盘10接触，通过摩擦片 13和限速盘10之间的摩擦阻力，使左横轴5上的电机8转速降低， f1减小，f2大小不变，即f1和f2减小，f3和f4大小不变，因此f1 垂直于机身1上平面的分力小于和f2垂直于机身1上平面的分力，由于此时f1和f3垂直于机身1的上平面，因此，f1垂直于机身1 上平面的分力和f2垂直于机身1上平面的分力分别是f2和f4垂直于机身1方向的分力，使机身1存在逆时针方向的力矩，带动机身1 逆时针转动，直到机身1克服外力恢复平衡，左横轴5内的配重块 12在弹簧14弹力的作用下，恢复到原位，直到配重块12与横轴5 空腔远离机身1一端接触，摩擦片13与限速盘10分离，左横轴5上的电机8转速恢复，重新达到f1和f2合力方向竖直向上，机身1 保持水平。
[0009]
作为优选：所述支腿下端设置有圆形的支脚，方便停留在地面上。
[0010]
作为优选：所述套筒上下两侧的上旋翼的转轴上设置有限位凸起结构，防止套筒在上旋翼的转轴上滑动。
[0011]
作为优选：所述限速盘侧面设置有防滑纹路。
[0012]
作为优选：所述摩擦片采用石棉加黏结剂和填料模压而成。
[0013]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明升空的过程，通过四个电机等速转动，使四个横轴上的产生大小相等，且合力竖直向上的升力，保证该装置产生总的合力f克服该装置的重力，实现平稳升空；该装置进行巡航、加速过程，通过同时调整伸缩杆伸缩程度和电机转速，使该装置轴线重合的两个横轴竖直向上的分力相等，进而实现装置两侧受力达到相等，避免机身发生倾斜；外力引起机身倾斜时，影响发生倾斜时，横轴内的配重块
在横轴的空腔内滑动，压缩弹簧，使配重块上的摩擦片与限速盘接触，通过摩擦片和限速盘之间的摩擦阻力，左横轴上的电机转速降低，使机身上存在与倾斜角度相反的力矩，带动机身向机身倾斜的反方向转动，使机身克服外力恢复平衡，即通过限制对应电机的转速，使机身克服外力自动调整到平衡状态；另外为了避免机身前进过程，受到外力机身倾斜，使该装置以常规无人机飞行方式向后飞行时，通过倾斜的下旋翼的设置，使机身向后倾斜时依旧存在向前的分力，确保该装置平稳飞行，另外下旋翼的设置增加了旋翼数量，使旋翼产生的升力更大，提升了载荷。
附图说明
[0014]
图1为常规无人家正视结构图；
[0015]
图2为本发明俯视图；
[0016]
图3为本发明机身水平时结构图；
[0017]
图4为本发明升空时图3中a部位结构图；
[0018]
图5为本发明升起时受力图；
[0019]
图6为本发明机身倾斜时结构图；
[0020]
图7为本发明机身倾斜时结构图；
[0021]
图8为本发明机身前进时结构图；
[0022]
图9为本发明机身前进时受力图。
[0023]
图中标号：1机身；2喷嘴；3支腿；4支脚；5横轴；6伸缩杆； 7上旋翼；8电机；9下旋翼；10限速盘；11套筒；12配重块；13 摩擦片；14弹簧。
具体实施方式
[0024]
请参阅图1-9，本发明提供一种技术方案：一种防倾斜农用无人机，包括机身1、四个支腿3、四个横轴5，支腿3和横轴5分别固定在机身1上下边缘上，且四个支腿3和四个横轴5呈相间米字形分布，支腿3下端设置有圆形的支脚4，方便停留在地面上；机身1内设置有控制装置、打药箱，且机身1下侧设置有用于喷洒农药的喷嘴 2，喷嘴2与打药箱连通；横轴5远离机身1的一端固定有电机8，电机8与控制装置信号连接，轴线位于同一直线上的两个横轴5上的电机8的转轴中轴线形成倒八形的夹角，横轴5内部设置有限速装置，电机8转轴的下端部位穿过横轴5内的限速装置，电机8转轴上下两端分别设有上旋翼7和下旋翼9，且电机5转轴下端通过联轴器与下旋翼9的转轴连接，电机8的转轴上端通过万向接头与上旋翼7的转轴连接，上旋翼7的转轴上转动套接有套筒11，且套筒11上下两侧的上旋翼7的转轴上设置有限位凸起结构，防止套筒11在上旋翼7 的转轴上滑动，套筒11侧面铰接有伸缩杆6，且伸缩杆6另一端与横轴5铰接，伸缩杆6与控制装置信号连接。
[0025]
限速装置包括限速盘10、配重块12、摩擦片13和弹簧14，限位盘10固定在横轴5内的电机8转轴上，限速盘10侧面设置有防滑纹路，配重块12一端设有通孔，且限速盘10位于配重块12一端的通孔内，配重块12通孔孔径大于限速盘10直径，配重块12通孔内侧设置有摩擦片13，摩擦片13采用石棉加黏结剂和填料模压而成，配重块12在横轴5内的空腔内滑动，且配重块12靠近机身1的一侧通过弹簧14与横轴5空腔靠近机身1的一端连接，且配重块12另一端与横轴空腔5远离机身1一端接触。
[0026]
将农药盛放到机身1的打药箱之后，利用喷嘴2将农药喷洒出来，给农作物打药，常规无人机在飞行的过程中，如图1所示，通过调整机身1相对的两侧上旋翼7速度差，使机身1在飞行过程中，产生向前进方向倾斜的力矩，进而使上旋翼7产生的作用力与竖直方向存在夹角，无人机产生的合力存在水平方向的分力，实现巡航和水平加速，因此无人机在进行飞行的过程中，机身1向前进方向倾斜不可比避免，随着飞行方向的转变，机身1倾斜的方向不断发生改变，导致机身1 晃动，稳定性被破坏，而本装置在飞行的过程中，通过伸缩杆6伸缩调整上旋翼7与机身1的夹角，通过调整任意一个上旋翼7作用力大小和角度，使机身1保持水平即形成水平前进的分力，即该装置在飞行过程中不需要产生力矩使机身倾斜，即可保持产生水平方向分力实现前进。
[0027]
该装置飞行过程中，具体受力分析以图2所示方位向左飞行为例，在向左或向右飞行的过程中，前、后电机8不需要调整，因此向左飞行过程中，仅对左、右电机8进行分析，左、右电机8带动上旋翼7 和下旋翼9转动产生的合力分别为f1、f2，左、右上旋翼7产生的作用力为f1、f3，左、右下旋翼7产生的作用力为f2、f4，a为f2与水平面的夹角0<a<90度，b为f1与水平面的夹角90<b<180度，e为 f1与水平面的夹角，0<e<180度，c为f4与水平面之间的夹脚，且 90<c<180度，d为f2与水平面的夹脚，0<d<180度，f1、f2、f3、f4、 f1、f2水平分量均以向右为正方向。
[0028]
该装置飞行过程，当机身1的四个电机8产生竖直向上的分力相等时，作用在机身上的力矩为0，此时，机身没有力矩，机身1没有倾斜的趋势，而实现避免晃动保持水平，为了确保机身1保持水平机身受力状态如下：
[0029]
一、竖直方向上该装置受力状态：当该装置空中悬停、竖直向上飞行时，四个上旋翼7的转轴均处于竖直状态时，四个电机8以相通的转速转动，使上旋翼7、下旋翼9转动产生作用力的合力f竖直向上，当f等于装置重力时，该装置在空中悬停，当f大于装置重力时，该装置竖直向上飞行，当f小于装置重力时，该装置竖直向下飞行；同理，当该装置进行水平巡航或者加速的过程中，该装置通过调整伸缩杆6引起f1与水平面的夹角b变化，改变f1的角度时，f在竖直方向分力等于重力时，该装置沿着水平方向合力方向水平移动，f在竖直方向分力大于重力时，该装置向斜上方移动，f在竖直方向分力小于重力时，该装置向斜下方移动。
[0030]
二、水平方向上该装置受力状态如下；右、前、后侧电机8和伸缩杆5的均保持原本状态，最终f3向后的分力和f4向前的分力相互抵消，如图8所示，左横轴5上的伸缩杆6伸长引起f1与水平面的夹角b变大，调整f1的方向，同时对左电机8的转速进行调整，改变上旋翼7和下旋翼9的旋转转速，调整f1、f2的大小，通过调整 f1的方向和大小，以及f2的大小，使f1与f2合力f1竖直向上的分力与f3、f4合力f2竖直向上的分力相等。
[0031]
因此该装置的飞行姿态通过控制伸缩杆6的伸缩和电机8的转速实现，且为了保持机身1始终处于水平，避免晃动，伸缩杆6和电机 8需要协同控制，且控制的基本原则为，伸缩杆6伸缩引起f1方向发生变化时，同时增大电机8，使f1和f2的合力f1竖直方向的分力保持不变，以向左飞行为例，具体为：根据力的合成原理平行四边形定则可知，该装置左电机8带动上旋翼7和下旋翼9转动产生合力f1 竖直方向分力f1sine＝f2sina+f1sinb，该装置右电机8带动上旋翼7和下旋翼9转动产生合力f2sind＝f3+f1sinc，在向左飞行的过程中，为了使该装置在飞行过程中总的力矩为零而保持水平，伸长左横轴5上的伸缩杆引起f1与水
平面的夹角b变大时，需要通过增大左电机8 的转速，使f1、f2变大，使左电机8带动上旋翼7和下旋翼9转动产生合力f1竖直方向分力确保f1sine＝f2sind，此时f1和f2水平方向分力为f1cose+f2cosd，且f1cose+f2cosd＝f1cosb+f2cosa+f4cosc，此时由于f1sine＝f2sind，180-e>d,故f1cose<f2cose,即f1和f2水平方向分力f1cose+f2cosd方向为向左，实现该装置向左飞行。
[0032]
该装置向左移动过程中，受到外力影响向右倾斜时，如图6所示，在重力的作用下，左横轴5内的配重块12在左横轴5的空腔内滑动，压缩弹簧14，使配重块12上的摩擦片13与限速盘10接触，通过摩擦片13和限速盘10之间的摩擦阻力，使左横轴5上的电机8转速降低，f1减小，f2大小不变，即f1和f2减小，f3和f4大小不变，因此f1垂直于机身1上平面的分力小于和f2垂直于机身1上平面的分力，由于此时f1和f3垂直于机身1的上平面，因此，f1垂直于机身1上平面的分力和f2垂直于机身1上平面的分力分别是f2和f4 垂直于机身1方向的分力，使机身1存在逆时针方向的力矩，带动机身1逆时针转动，直到机身1克服外力恢复平衡，左横轴5内的配重块12在弹簧14弹力的作用下，恢复到原位，直到配重块12与横轴 5空腔远离机身1一端接触，摩擦片13与限速盘10分离，左横轴5 上的电机8转速恢复，重新达到f1和f2合力方向竖直向上，机身1 保持水平。
[0033]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

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