[发明专利]提高机动性的飞行器和实现此目的的方法

说明书

提供了提高偏航机动性的多桨叶类型的飞行器以及实现此目的的方法，该飞行器能够修改其旋翼桨叶的桨距角(α)，其中飞行器旋翼中的至少两对旋翼的运动轴线相对于飞行器偏航平面以对称的构造倾斜，使得每对旋翼沿着飞行器的纵向轴线平面向同一水平上的不同点会聚，同时在每对旋翼的旋转平面之间产生小于180°且大于140°的角(γ)。

发明领域

作为本专利申请主题的本发明总体上涉及用于操纵多桨叶飞行器(multi-bladeaerial vehicle)(多旋翼机(multirotor)或多轴飞行器(multicopter))的设备和方法，特别是涉及用于操纵具有多个旋翼桨叶的相对小的无人驾驶飞机系统(UAS)或无人驾驶飞行器(UAV)的设备和方法。

发明背景

本发明的背景描述和下面将提供的本发明涉及多旋翼无人机，但是鉴于下面参考附图提供的描述，本领域技术人员应理解，本发明适用于任何有人驾驶或无人驾驶的多旋翼飞行器。

众所周知，无人机是通过旋翼桨叶旋转来产生升力的无人驾驶飞行器。这些多旋翼飞行器(即装配有多个旋翼的无人机)中最常见的多旋翼飞行器每个具有多个旋翼桨叶，由于其装配有由四个固定旋翼组成的系统，故被称为“四轴飞行器(quadcopters)”。

在这些无人机中，每个旋翼的运动轴线垂直于飞行方向(尽管很多时候为了提高其稳定性，每个旋翼的运动轴线可能都会向无人机的中心稍微倾斜)。旋翼桨叶本身具有固定的桨距角(pitch angle)，即桨叶相对于旋翼的旋转或气流具有固定的迎角(AOA)。类似于我们从直升机或先进的涡轮螺旋桨推进式飞机中了解到的，已知的四轴飞行器无人机的旋翼桨叶能够在飞行中对每个桨叶的桨距角进行空气动力学修改(即，在飞行中，桨叶的空气动力面与相对风向之间的角度可以在每个桨叶中在方向上单独进行动态修改)。

参考图1和图1a。图1是现有技术的四轴飞行器无人机10的示意性透视图。也就是说，这是一架具有四个旋翼(15、20、25和30)阵列的无人机，其中每一个旋翼都具有垂直于X-Z平面的运动轴线(35)，其中旋翼具有多个桨叶(在所示出的例子中是每个旋翼具有两个桨叶)，每一个旋翼还使得能够修改它们的桨距角(α)。图1a描绘了无人机10的示意性前视图和侧视图(参见初始轴线)以及无人机‘10的示意性前视图和侧视图(以虚线示出)，无人机‘10也是现有技术的无人机。在无人机‘10中，与无人机10不同的是，其每个旋翼的运动轴线(‘35)在其定向上不像在无人机10中那样垂直于飞行平面(X-Z)，而是全都朝着一个点朝向无人机的中心稍微倾斜(以提高无人机‘10的稳定性)，同时产生两个会聚角(参见图1a，β为在前视图中投影的第一角度，并且为在侧视图中投影的第二角度)。

在无人机中，诸如四轴飞行器10和‘10中，高度的上升是通过同时加速全部四个旋翼来实现的，而通过减慢所有旋翼的旋转使高度下降。飞行运动(俯仰、滚转和偏航运动)的控制通常通过修改不同旋翼桨叶的相对速度来实现。

在四旋翼阵列无人机中，如在四轴飞行器10和‘10中，两个旋翼彼此斜对角定位，在一个方向上旋转，而另外两个在相反方向上旋转(见图中箭头的方向)。也就是说，两个旋翼顺时针旋转，两个逆时针旋转(使得重置反作用扭矩)，这可导致无人机旋转(偏航)，并且不需要投入能量来阻止其偏航。在这种构造中，很容易控制滚转或俯仰平面。增大在一侧的两个旋翼的速度并减慢在另一侧的另两个旋翼的速度将导致滚转或俯仰(取决于旋翼对的性质)。换句话说，在同一侧上的两个旋翼的速度将会被增加，以产生滚转运动。为了产生俯仰运动，两个前旋翼的速度将会被增加以提升无人机的机头，或者两个后旋翼的速度将会被增加以降低无人机的机头。

换句话说，无人机的运动仅由无人机桨叶的旋转速度的差异来控制。同时，在所示出的例子中，由于此例子涉及四轴飞行器无人机，如上所述，其能够修改旋翼桨叶的桨距角(α)，角度修改还能够用于在所有飞行平面中操纵无人机。