具有可变飞行特性的多旋翼直升机的利记博彩app
【专利摘要】提供一种飞行器(40a)，该飞行器包括多个臂(41、42、43、44)，其中，选定的臂或者能够调整其长度，使臂节段可操作成在二维或三维中绕铰接接头运动，或者能够使得一个臂可操作成调整一个臂与另一臂之间的角度，或者能够实现前述内容的任意组合。推力发生器可重定位地安装在所述选定臂上，控制系统使得能够在飞行中和在地面上保持对飞行器的方向控制的同时：自动、机载或远程控制推力发生器；对臂上的推力发生器进行重定位；调整选定臂的长度；使选定臂绕铰接接头运动以及调整两个或更多臂之间的角度。飞行器具有超过现有设计的操作能力并有助于人工和无人的货运和客运。
【专利说明】
具有可变飞行特性的多旋翼直升机
技术领域
[0001] 本公开涉及可动态重新配置的飞行器，更具体地，本公开涉及具有可在飞行中或 位于地面上时相对于彼此重定位的多个推力发生器的飞行器，以及在推力发生器的重定位 期间保持飞行中稳定性的相关控制系统。
【背景技术】
[0002] 使用多个推力发生器的一种飞行器形式是多旋翼直升机。这类飞行器使用定向成 具有向下推力的多个转子。通常，这些转子安装至固定框架，固定框架通常为从中央毂向外 延伸的多个臂。因为这些飞行器具有固有的动态不稳定性，所以使用精密的控制系统来改 变由每个转子生成的推力的值，以使得上升、下降、悬停和方向控制能够受控。
[0003] 参照图1，图中示出了多旋翼直升机20，多旋翼直升机20具有4个转子22，4个转子 22安装在通常以对称方式从中央毂26延伸的各个臂24上。每个臂24均在终端28处保持相应 转子22。多旋翼直升机可具有任意数量的臂，但是最普遍类型的多旋翼直升机是4旋翼直升 机，如图1所示，4旋翼直升机具有4个臂24。普通的变型是具有三个臂的三旋翼直升机、具有 6个臂的6旋翼直升机以及如图2所示具有8个臂32的8旋翼直升机。
[0004] 根据控制器电子器件如何限定运动方向，4旋翼直升机可包括两种类型："加"（ + ) 型，其中向前运动的方向沿着多个臂中的一个，如图1中的标志？:所示；以及"X"型，其中向 前运动的方向沿着两个相邻臂的中间，如图1中的内所表示。
[0005] 飞行控制由联接至控制系统的机载接收器来保持，该控制系统对来自小型机载 MEM陀螺仪、加速计(与智能电话中存在的加速计相同）的数据与在机载接收器处接收的、来 自远程发射机的信号进行组合。
[0006] 通常，转子在与位于其两侧的两个转子的方向相反的方向上旋转（即，在4旋翼直 升机中，位于框架的相对角落上的转子在相同方向上旋转）。多旋翼直升机通过使位于飞行 器一侧的转子加速同时使相对的其他转子减速来控制翻滚和俯仰。如果用户想要飞行器左 翻滚，则用户要输入会使位于框架右侧的转子加速且使位于左侧的转子减速的信号。类似 地，如果用户试图使飞行器向前运动，则用户要使后部转子加速且使前部转子减速。
[0007] 飞行器通过使逆时针（或顺时针)旋转的一组转子加速而使顺时针（或逆时针）旋 转的另一组转子减速来顺时针或逆时针转动(如从顶部观察为"偏航"）。通过以下来实现水 平运动：暂时地使一些转子加速或减速以使飞行器翻滚成要求的行进方向；以及增加所有 转子的总推力，因而总推力矢量使飞行器在目标方向上运动。高度通过同时使所有转子加 速或减速来控制。
[0008] 当前设计的一个缺陷是，很难或者几乎不可能适应发动机停车的情况，或者很难 或者几乎不可能适应飞行器携带的载荷量的改变或载荷位置的移动。另外，当飞行器在窄 小空域中飞行时，不管有意或无意，转子与诸如树、建筑和基于地面的其他构造物发生撞击 的风险较高。因而，需要这样的多旋翼直升机设计，其有利于响应于转动惯量、重心和质心 的变化，诸如容易响应于发动机故障或者负载变化的情况，而实现连续稳定的飞行。还需要 这样的飞行器，其可在飞行中自重新配置，从而适应具有地面基特征的空隙。
【发明内容】
[0009] 提供一种飞行器，该飞行器包括多个臂，其中，选定的臂或者能够调整其长度，使 臂节段可操作成在二维或三维中绕铰接接头运动，或者能够使得一个臂可操作成调整一个 臂与另一臂之间的角度，或者能够实现前述内容的任意组合。另外，推力发生器可重定位地 安装在选定臂上，控制系统在飞行中或在地面上保持对飞行器的方向控制，同时使得能够 进行以下中的一个或多个：自动机载远程控制推力发生器的操作以及臂上的推力发生器的 重定位、调整选定臂的长度、选定臂绕铰接接头的运动、以及调整两个或更多臂之间的角 度。该飞行器具有超过现有设计的操作能力，并且有助于人工的和无人的货运和客运。
[0010] 根据本公开的一方面，提供一种飞行器，该飞行器包括具有多个臂的框架，每个臂 都具有纵轴线，多个臂中的第一臂可操作成沿纵轴线调整第一臂的长度，以及多个臂中的 第一臂或第二臂可操作成绕铰接接头运动，以及多个臂中的至少一个臂可操作成调整多个 臂中至少一个臂与至少一个其他臂之间的角度。飞行器还包括多个推力发生器和控制系 统，其中，控制系统联接至多个臂中的第一臂或第二臂和至少一个臂，并且联接至多个推力 发生器，并且可操作成在飞行中和在地面上控制多个推力发生器的操作，控制调整第一臂 的长度，同时在飞行中和在地面上保持对飞行器的方向控制；控制系统还可操作成在飞行 中和在地面上控制多个臂中的第一臂或第二臂绕铰接接头的运动，同时在飞行中和在地面 上保持飞行器的稳定性，以及可操作成在飞行中和在地面上控制调整至少一个臂与至少一 个其他臂之间的角度，同时在飞行中和在地面上对保持飞行器的方向控制。
[0011] 根据本公开的另一方面，提供一种飞行器，该飞行器包括框架、多个推力发生器和 控制系统，其中，框架具有多个臂，多个臂中的至少一个可操作成沿纵轴线调整臂的长度以 适应推力或负载的不对称移动；多个推力发生器中的至少一个安装在多个臂中的相应臂 上;控制系统联接至多个臂中的至少一个臂，并且联接至多个推力发生器，并且可操作成在 飞行中和在地面上控制多个推力发生器的操作，并且控制调整多个臂中的至少一个的长 度，同时在飞行中或在地面上或者在飞行中和在地面上保持对飞行器的方向控制。
[0012] 根据本公开的又一方面，提供一种飞行器，该飞行器包括框架、多个推力发生器和 控制系统，其中，框架具有多个臂，每个臂都具有纵轴线，并且至少一个臂可操作成绕铰接 接头运动；多个推力发生器中的至少一个推力发生器安装在多个臂中的相应臂上;控制系 统联接到至少一个臂和多个推力发生器，并且可操作成在飞行中和在地面上控制至少一个 臂绕铰接接头的运动，同时在飞行中和在地面上保持飞行器的稳定性和可控性。
[0013] 根据本公开的又一方面，提供一种飞行器，该飞行器包括框架、多个推力发生器和 控制系统，其中，框架具有多个臂，每个臂都具有纵轴线，多个臂中的至少一个臂可操作成 调整多个臂中的至少一个臂与至少一个其他臂之间的角度;多个推力发生器中的至少一个 推力发生器安装在多个臂中的相应臂上;控制系统联接至多个臂中的至少一个臂和多个推 力发生器，并且可操作成在飞行中和在地面上控制多个推力发生器的操作并且控制调整至 少一个臂和至少一个其他臂之间的角度、，同时在飞行中和在地面上保持对飞行器的方向 控制。
[0014] 根据本公开的又一方面，提供一种飞行器，该飞行器包括框架、多个推力发生器和 控制系统，其中，框架具有多个臂，每个臂都具有纵轴线，多个臂中的第一臂可操作成沿纵 轴线调整第一臂的长度，并且多个臂中的第一臂或第二臂可操作成绕铰接接头运动，多个 臂中的至少一个臂可操作成调整多个臂中的至少一个臂与至少一个其他臂之间的角度;多 个推力发生器中的至少一个推力发生器安装在多个臂中的相应臂上;控制系统联接至多个 臂中的第一臂或第二臂和至少一个臂，并且联接至多个推力发生器，并且可操作成在飞行 中和在地面上控制多个推力发生器的操作和控制调整第一臂的长度，同时在飞行中和在地 面上保持对飞行器的方向控制，控制系统还可操作成在飞行中和在地面上控制多个臂中的 第一臂或第二臂绕铰接接头的运动，同时在飞行中和在地面上保持飞行器的稳定性，并且 控制系统可操作成在飞行中和在地面上控制调整至少一个臂与至少一个其他臂之间的角 度，同时在飞行中和在地面上保持对飞行器的方向控制。
【附图说明】
[0015] 当结合附图时，通过以下详细说明会更容易同时更好地理解本公开的前述内容及 其他特征和有益效果，在附图中：
[0016] 图1示出了公知的多旋翼直升机；
[0017] 图2示出了公知的8旋翼直升机；
[0018] 图3是公知的4旋翼直升机的轴测图，示出了4旋翼直升机的翻滚运动、俯仰运动和 偏航运动以及翻滚轴、俯仰轴和偏航轴；
[0019] 图4A示出了臂收缩的4旋翼直升机，而图4B示出了根据本公开伸展的臂；
[0020]图5A和图5B分别是图4A和图4B的4旋翼直升机的臂的放大仰视图，示出了根据本 公开形成的伸缩式伸展设计；
[0021] 图6是根据本公开配置成改变4旋翼直升机臂的有效长度的螺旋机构的平面仰视 图；
[0022] 图7A和图7B是根据本公开的4旋翼直升机的轴测图，示出了用于将转子安装至臂 上的多个位置；
[0023]图8A和图8B是根据本公开的4旋翼直升机的臂的轴测图，示出了转子安装至多旋 翼直升机臂上的可滑动安装；
[0024]图9A、图9B和图9C是具有三种不同配置的"加"（ + )型4旋翼直升机的平面俯视图， 在三种不同配置中，臂的伸展与收缩分离，三种不同配置为:所有臂的长度相等（图9A)、侧 臂伸展（图9B)以及前臂和后臂伸展（图9C);
[0025]图IOA至图IOC是X型4旋翼直升机的平面俯视图，其中，臂处于正常位置（图10A)、 前臂和后臂处于窄位置(图10B)以及前臂和后臂处于宽位置(图10C);
[0026] 图11是X型4旋翼直升机的简化图，示出了4个转子、4个臂和位于中央的盘状件；
[0027] 图12A和图12B分别是臂处于正常位置、之后两侧臂在相同前向方向上处于窄位置 的加(+ )型4旋翼直升机的平面俯视图；
[0028] 图13A和图13B分别是臂处于正常位置以及臂处于窄位置的6旋翼直升机的视图； [0029]图14示出了根据本公开形成的控制系统；
[0030] 图15A至图15C示出根据本公开形成的铰接臂的多种配置；以及
[0031] 图16示出了根据本公开形成的没有中央毂且具有铰接臂节段的多旋翼直升机。
【具体实施方式】
[0032] 在以下说明书中，对某些具体细节进行阐述，以便充分地理解各个公开的实施例。 然而，相关领域技术人员应理解的是，可在欠缺这些具体细节中的一个或多个的情况下来 实现实施例，或者可利用其他方法、组件、材料等来实现实施例。在其他情况中，未示出或描 述与转子、推力发生器、远程控制的发射机和接收器、起落装置、以及用于多旋翼直升机和 一般用于飞行器和飞机的框架结构有关的公知结构或组件或者结构和组件，以避免不必要 地使实施例的描述不清楚。
[0033] 除非上下文中另外有要求，否则在说明书和随后的权利要求全文中，以开放式包 括的含义来解释词语"包括（comprises)"及其诸如"包括（compri ses )"和"包括 (comprising)"的变型，即，解释为"包括但不限于"。前述内容同样适用于词语"包括 (including)" 和"具有(having)"。
[0034] 在该说明书全文中，引用"一个实施例"或"实施例"表示：结合该实施例所描述的 具体特征、结构或特性包括于至少一个实施例中。因而，在说明书全文各处中出现的短语 "在一个实施例中"或者"在实施例中"不一定全部指相同的实施例。另外，在一个或多个实 施例中，具体特征、结构或特性可以以任何合适的方式进行组合。
[0035] 本公开原则上旨在大体适用于具有任意数量的臂的任何多旋翼直升机。然而，本 文中所描述和示出的代表性实施方式会指具有4个臂的多旋翼直升机，也称为4旋翼直升 机。还应理解的是，当前公开的实施例旨在与用于飞行器的所有形式的公知推力发生器一 起使用，包括但不限于，螺旋桨和旋翼以及与各种形式的喷气式发动机以及其他吸气式发 动机，诸如活塞、燃气发生器、涡轮喷气式发动机、涡轮风机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴、 以及冲压式喷气发动机。在以下具体说明中，使用术语"转子"来表示用于代表性实施例的 推力发生器的优选形式。转子被限定为联接至马达或发动机的螺旋桨。在4旋翼直升机的典 型情况中，马达是通常由诸如电池的外部电力源供能的电动马达。然而，还可以使用太阳 能、传输电磁能、环境电磁能、汽油或硝基燃料以及其他形式的获取或产生的电力来作为动 力源，这些动力源都是本领域公知的。
[0036] 4旋翼直升机的敏捷性(迅速改变其运动状态的能力)或者与敏捷性相对的稳定性 (保持当前运动状态的能力）取决于转子相对于飞行器重心的位置、飞行器对于三个正交轴 的转动惯量(旋转质量），其中，三个正交轴为（1)翻滚轴、（2)俯仰轴以及(3)偏航轴，这三个 正交轴连同限定的运动方向全部在图3中示出。在本公开中，通过伸展和收缩臂和所附加的 推力发生器以及通过使4旋翼直升机的臂在水平面中运动来改变敏捷和稳定特性。
[0037]下面更具体地参照本发明，在图4A和图4B中示出了4旋翼直升机40的两个配置，其 中，4旋翼直升机40具有从中央毂44延伸的4个臂42,呈转子46形式的推力发生器安装在从 每个臂42的近端部分50延伸的远端部分48上。在图4A中示出臂42处于收缩配置，在收缩配 置中，远端部分48收缩在近端50内。在图4B中示出臂42处于伸展配置，在该伸展配置中，远 端部分48从近端50延伸出来。在图4B的伸展配置中，转动惯量(I)比图4A的收缩配置中的转 动惯量更大。因而，在图4A的收缩配置中，飞行器40的敏捷性更高，但是可能稍微不那么稳 定，而在图4B所示的伸展配置中，飞行器40在飞行期间的稳定性更高。
[0038]更具体地，假设绕翻滚轴的转动惯量(旋转质量）是IRA，绕俯仰轴的转动惯量是 Ipa，以及绕偏航轴的转动惯量是Iya。这三个分量Ira、Ipa和Iya在图4A所不的配置中的值与其 在图4B所示的配置中的值不同。
[0039]下面参照图11并使用4旋翼直升机40的简单模式，在该简单模式中，中央毂44是半 径为R且质量为Mdlsc的盘状件，4个相同的臂42(从中央毂44伸出）中的每个的长度均为L且 质量均为M arm，而4个相同转子46中的每个的质量均为Mrcitcir。假设臂中的质量均匀分布。臂的 长度可延伸。
[0040] 绕翻滚轴的转动惯量为：
[0041] IRA = MdiSC R2/4+2Marm(L)2/3+2Mr〇t〇r(L)2
[0042] 绕俯仰轴的转动惯量为：
[0043] Ipa=Mdisc R2/4+2Marm(L)2/3+2Mr〇t〇r(L) 2
[0044] 绕偏航轴的转动惯量为：
[0045] IYA = Mdisc R2/2+4Marm(L)2/3+4Mr〇t〇r(L)2
[0046] 下面，在该简化模型中，如果将臂展开以使长度L变成mL(其中，m是乘积因子)而不 对质量进行任何改变，则I的这三个分量更改为：
[0047] Ira=Mdisc R2/4+2Marm(mL)2/3+2Mr〇t〇r(mL) 2
[0048] Ipa=Mdisc R2/4+2Marm(mL)2/3+2Mr〇t〇r(mL) 2
[0049] IYA=Mdisc R2/2+4Marm(mL)2/3+4Mr〇t〇r(mL)2
[0050] 这就示出长度的变化如何影响转动惯量I的所有分量。
[0051 ] 考虑具有一些实际值L = 20厘米、MdisC = 400克、Marm= 100克、Mrcitcir= 100克的中型 尺寸的4旋翼直升机。使用上面三个方程，该组值得出：
[0052] Ira= IpA=97867gm. cm2，以及Iya= 195734gm. cm2
[0053] 下面，如果考虑臂长度展开25% (m= 1.25)，则新的值为：
[0054] Ira= Ipa= 141367gm. cm2，以及lYA=282734gm. cm2
[0055] 这示出，臂长的增加使得敏捷性降低、稳定性增加，并且使得翻滚运动、俯仰运动 和偏航运动的敏捷性降低。
[0056] 应理解的是，可使用各种设计来增加或减小臂的有效长度，包括上面参考的伸缩 以及使用丝杠、剪裁机构等。
[0057]更具体地，依然参照图4A和图4B，可在4旋翼直升机40位于地面上时进行臂42的伸 展和收缩。也可以设想到使得，可在4旋翼直升机40飞行时远程地执行或者以自动方式执行 伸展和收缩。
[0058]有诸多种可能方式在飞行期间或者在地面上时远程改变臂42的长度。例如，如图 5A和图5B所示，臂42可由一组伸缩部分48、50组成。远端部分48可构造成可滑动地接纳于近 端部分50内，并且滑入和滑出来改变臂42的有效长度。图5A示出臂42处于收缩配置，图5B示 出臂42处于伸展配置。远端部分48可手动地或者可机械地运动至近端部分50之中或运动至 近端部分50之外（或者沿着近端部分50运动）。当位于地面上时，可分别手动调整臂42的长 度。可使用螺栓、螺钉、止动器及其他公知紧固件来将远端部分48相对于近端部分50保持在 选定位置中。可滑动的进出运动能够以多种方式来实现，例如，使用丝杠机构、齿轮齿条装 置、弹簧机构(压弹簧或拉弹簧）、气动装置、液压装置、电磁装置以及其他公知装置来实现。 优选地，该运动由联接至改变臂长度的机构的控制系统来控制。
[0059] 该机械运动的控制优选使用射频控制信号远程进行，这将在下面更详细地进行描 述。另外，机载控制系统会补偿根据需要改变的重量力矩，这也将在下面更详细地描述。应 理解的是，还可以使用其他形式的通信，包括但不限于，蓝牙和Wi-Fi。运动还可通过联接至 传感器的处理器或者利用预编程的指令来自动进行，其中处理器响应于来自传感器的感测 信号。
[0060] 参照图6,图中示出了同时收缩和伸展所有臂42的另一机构。该机构使用卡盘螺旋 机构(chuck-spiral mechanism)60,在该卡盘螺旋机构60中，螺旋槽轮62会响应于轮的顺 时针/逆时针转动而使臂42收缩和伸展。由于卡盘螺旋机构是本领域公知的，所以不会对其 进行非常详细地描述。
[0061 ]下面参照图7A和图7B，图中示出改变4旋翼直升机70的敏捷性和稳定性的另一方 法。在这里，4旋翼直升机70具有从毂74延伸的臂72(为简洁起见仅示出一个臂）。转子76以 能够改变转子76在臂72上的位置的方式安装在臂72上。如果转子76安装成更靠近4旋翼直 升机70的中央毂74(图7A)，则其敏捷性将低于转子76安装成沿臂72的长度远离（图7B)时的 敏捷性。
[0062] 如图7A所示，转子76可利用合适且公知的紧固装置沿臂72安装在若干预先限定的 固定位置中。这需要在转子76位于地面上时手动对转子76进行重定位。可替代地，如图8A和 图8B所示，转子76或者可设置于能沿臂72滑动的可移动安装部78上。如上面关于图7A和图 7B所讨论的那样，转子76可沿着臂固定在任何位置。同样，可在地面上改变转子位置，或者 可在飞行期间远程地改变转子的位置。推力发生器或可移动安装部78的运动可以以多种方 式来实现，例如，使用丝杠机构、齿轮齿条装置、弹簧装置(压弹簧或拉弹簧）、气动装置、液 压装置、电磁装置以及其他公知装置来实现，所有这些装置均优选地由控制系统来控制。下 面更详细地描述在飞行期间保持稳定性同时改变转子在臂上的位置的控制系统。
[0063] 下面参照图9A至图9C，当4旋翼直升机的4个臂的伸展可分离时，可实现对飞行性 能的更多控制。例如，在这里对于如图9A所示的加(+ )型4旋翼直升机40a，臂41、42、43和44 位于距离毂45的长度处。因而，转子46设置为距毂45距离相等，并且彼此相距距离相等。在 图9B中，两个侧臂42、44伸展且前臂41和后臂43保持收缩，以使相应转子不再空间等距。因 此，如果运动方向是向前(F)，则对于翻滚操作的稳定性（相对于侧向运动的稳定性)会增 加，而对于翻滚操作的敏捷性会降低。另一方面，如图9C所示，如果仅前臂41和后臂43伸展 而右臂42和左臂44保持收缩，则旋翼直升机40a对于俯仰操作4的稳定性(相对于前向和后 向运动的稳定性)会更高，而对于俯仰操作4的敏捷性会更低。
[0064] 同样地，代替改变臂的长度，可改变转子在臂上的位置来实现相同的效果。用户可 通过移动转子在侧臂上的位置来改变翻滚操作的稳定性和敏捷性。用户可通过移动转子在 前臂和后臂上的位置来改变俯仰操作的稳定性和敏捷性。
[0065] 本公开的该实施例具有诸多有益效果，由于存在要求改变敏捷性或稳定性的情 况，所以首要的有益效果是改变4旋翼直升机的敏捷性和稳定性的能力。要求稳定性更好的 情况的示例有：（1)学习如何飞行4旋翼直升机的初学者；（2)航空摄影或摄像；（3)穿过拥挤 空间的驾驶，例如具有树和其他高结构的区域。要求敏捷性更好的情况的示例有：（1)特技 飞行；（2)具有迅速运动的趣味飞行；（3)在变风下进行更好的控制；（4)迅速转向（偏航）。
[0066] 除上述有益效果之外，该实施例通过能够伸展和收缩臂以及移动转子在臂上的位 置的能力，还会允许用户：（1)使4旋翼直升机更加紧凑以便携带；（2)如果4旋翼直升机在飞 行期间被树枝或电缆泮住可以更好地远程释放4旋翼直升机；以及(3)对于广角摄影和摄 像，能够使4旋翼直升机的部件移动至视野之外。
[0067]应理解的是，4旋翼直升机中的前述实施例可在飞行期间或在飞行之间远程地执 行，并且能够应用于所有多旋翼直升机配置，其中，该4旋翼直升机中的前述实施例，具有可 调节的长度目标或者可调节的转子位置，从而允许改变其稳定性/敏捷性。另外，这些实施 例可以组合或者单独使用。
[0068] 在本公开的另一实施例中，可通过将臂安装至中央毂以使臂能够相对于毂枢转运 动来改变臂相对于彼此的角度。参照图IOA至图10C，示出4旋翼直升机100的三个配置，具有 从中央毂110延伸的4个臂102、104、106、108，以及安装在每个臂102、104、106、108的远端部 分上的转子112。如图IOA至图IOB所示，前向运动示为F，其中，位于俯仰轴前方的两个臂102 和104分别是左前臂和右前臂，而位于俯仰轴后方的两个臂106、108分别为左后臂和右后 臂。在图IOA中，臂102、104、106、108处于正常位置或正常配置中。在图IOB中，示出了改变后 的位置，其中，前臂102、106朝向彼此且靠近翻滚轴运动，类似地，后臂106、108朝向彼此且 靠近翻滚轴运动。在图IOC中，进行相反的运动，在该改变后的位置中，左前臂102和左后臂 106朝向彼此运动，从而靠近俯仰轴;类似地，右前臂104和右后臂108朝向彼此运动，从而靠 近翻滚轴。该运动可以以多种方式来实现，例如，使用丝杠机构、齿轮齿条装置、弹簧机构 (压弹簧或拉弹簧）、气动装置、液压装置、电磁装置以及其他公知的装置来实现。优选地，该 运动由联接至用于使臂运动的机构的控制器来控制。
[0069] 假设转动惯量为1(旋转质量），绕翻滚轴的转动惯量为IRA，绕俯仰轴的转动惯量为 Ipa，以及绕偏航轴的转动惯量为Iyai3Ira和Ipa在图IOB和图IOC所示的配置中的值与其在图 IOA的配置中的值不同。因而，图IOB和图IOC所示的配置的飞行性能与图IOA的配置的飞行 性能不同。对于图IOB的配置，俯仰敏捷性小于图IOA的配置而翻滚敏捷性大于图IOA的配 置。对于图IOC中的配置，俯仰敏捷性大于图IOA中的配置而翻滚敏捷性小于图IOA中的配 置。偏航敏捷性不受这些配置变化的影响，因而对于三种配置而言是相同的。
[0070] 下面参照图11且使用4旋翼直升机40的简单模式，在该简单模式中，中央毂44是半 径为R、质量为Mdisc的盘状件，4个相同的臂42(从中央毂44延伸）中的每个的长度均为L且质 量均为Marm，而4个相同转子46中的每个的质量均为Mrotor。假设臂中的质量均勾分布。臂可利 用与偏航轴重合的旋转轴在二维平面中旋转运动。在该简单模式中，配置关于翻滚轴对称， 臂与翻滚轴形成角度Φ。
[0071 ]绕翻滚轴的转动惯量为：
[0072] Ira=Mc1Isc R2/4+4 Marm (L sin φ)2/3+4 Mrotor (L sin φ)2
[0073] 绕俯仰轴的转动惯量为：
[0074] IpA=MdlSG R2/4+4 Maim (L cos φ)2/3+4 Mrolor (L cos φ)2
[0075] 返回参照图 IOA 至图 10C，考虑 Mdisc = 400gram、Marm= 100gram 以及Mrotor= lOOgram、 R = 6cm、且L = 20cm的现实情况，得出：
[0076] 1^=3600+213333 (sin (p)2
[0077] 1pa=3600+2 13333 (cos φ)2
[0078] 对于φ=45度(正常的4旋翼直升机配置，图4A)，得出：
[0079] Ira= 110266gm · cm2
[0080] Ipa= 110266gm · cm2
[0081 ] 对于φ=30度(窄配置，图4B)，得出：
[0082] lRA=56933gm · cm2
[0083] Ipa= 163600gm · cm2
[0084] 这示出，通过将φ从45度改变成30度，得出IRA降低~48%，Ipa增加~48%。换言之， 将Φ从45度改变成30度使得翻滚敏捷性增加（降低翻滚稳定性)而俯仰敏捷性降低(增加俯 仰稳定性）。
[0085] 类似地，对于φ=60度(宽配置，图4C)，得出：
[0086] Ira= 163600gm. cm2
[0087] IpA=56933gm. cm2
[0088] 这示出，通过将9从45度改变成60度，得到IRA增加~48%，Ipa减小~48%。换言之， 将Φ从45度改变成60度使得翻滚敏捷性降低(增加翻滚稳定性)而俯仰敏捷性增加（降低俯 仰稳定性）。
[0089] 在该机构的更多细节中，依然参照图IOA至图IOC的实施例，可在4旋翼直升机位于 地面上时改变臂的配置。还可设想为使得，可在4旋翼直升机飞行时远程地或以自动方式来 改变配置。
[0090] 臂可彼此独立并且配置成响应于伺服马达的致动而旋转。有诸多种可能方式来改 变臂的角度，包括但不限于：（1)附接至各个臂且可远程控制的伺服马达；（2)置于两个前臂 102、104之间的一个马达，该马达将以其他方式进行弹簧加压的两个前臂102、104拉在一 起，对于后臂106、108将具有相同的另一马达；（3)可在地面上调整的手摇式变型（hand cranked version);以及(4)用于手动使臂运动至预定位置的球缩进(ball-and-indent)式 或球止动(bal l-and-detent)式机械装置。
[0091] 改变4旋翼直升机配置的这种技术也可进行变型。例如，臂可以绕与偏航轴平行 (而不重合）的轴线旋转。另外，配置无须完全对称，并且各个臂与翻滚轴的角度φ可以不 同。图12Α至图12Β示出了使用加(+ )型4旋翼直升机120的另一可能变型，其中，加(+ )型4旋 翼直升机120具有从中央毂130延伸的前臂122、后臂124、左侧臂126和右侧臂128。如图所 示，利用F表示前向运动。对于图12Α所示的标准4旋翼直升机配置，两个侧臂126、128向前运 动至图12Β中的新配置，从而增加翻滚敏捷性，同时使重心向前运动。如果初始重心稍微偏 离中心且需要校正，则该技术可能有利。
[0092]接下来参照图13Α和图13Β，与之前描述的原理和技术相同的原理和技术也可用于 其他类型的多旋翼直升机。在这里示出处于两种配置中的6旋翼直升机140,其中，6旋翼直 升机140具有从中央毂154延伸的6个臂142、144、146、148、150、152，并且在每个臂142、144、 146、148、150、152的远端部分处具有转子156。图13六中为正常配置，其中相邻臂之间的角度 相等(方向和运动沿前臂142);以及图13Β中为改变后的配置，其中两个成角度的前臂152和 144运动靠近前臂142,以及对应成角度的后臂150和146运动靠近后臂148。这使得Ipa(绕俯 仰轴的转动惯量)的值变高，而Ira(绕翻滚轴的转动惯量)的值变低。
[0093]当前公开的实施例相对于多旋翼直升机的常规设计具有显著有益效果。首要的有 益效果是改变俯仰方向和翻滚方向上的敏捷性和稳定性的能力。
[0094]期望整体稳定性更好的情况以及可使用正常配置（图10A)的情况的示例有：（1)学 习如何飞行4旋翼直升机的初学者；（2)空中视频或摄影；以及(3)在推力或负载下不对称地 移动。
[0095] 可使用窄配置(图10B)的情况的示例有：（1)穿过拥挤空间（例如，具有树和其他高 结构的区域)航行，因为该配置的宽度窄小；（2)要求更大的俯仰敏捷性(侧向敏捷性）的情 况(例如，特技侧向翻转）。
[0096] 可使用宽配置（图10C)的情况的示例有：（1)要求更大的翻滚敏捷性（前/后敏捷 性)的情况(例如，特技头部翻转）；（2)在改变的头风或尾风下进行更好地控制。
[0097] 其次，使用机械或机电的技术和工具非常容易实现本公开。
[0098] 除了以上主要有益效果之外，本发明还能够使臂侧向运动，从而还会允许用户： (1) 使4旋翼直升机更紧凑，以在窄小空间中运载或装配；（2)如果4旋翼直升机在飞行期间 被树枝或电缆泮住，则更好地释放4旋翼直升机；（3)通过适当地使臂移开而使安装的相机 具有更大的视野；以及(4)能够通过不同地调整各个臂的角度而使重心沿任意方向往复运 动，该特征当安装在4旋翼直升机上的负载稍微偏离中心或者在飞行期间移动时可能非常 有益。
[0099]图14示出了用于上述实施例的控制系统200。控制系统200包括远程发射机202以 及具有机载接收器206和飞行控制板(FCB，FlightControl Board)208的多旋翼直升机204 [0100]上述4旋翼直升机设计可使用前述远程控制（R/C)发射机200、接收器206和FCB 208来飞行。发射机200由地面上的用户操作。接收器206和FCB 208位于飞行器上，通常靠近 中央毂210或者位于中央毂210中。这些是易于获得的组件，因而不会在本文中非常具体地 进行描述。
[0101]在使用中，操作者使用发射机200发送出4个基本命令：（1)俯仰，向前/向后运动； (2) 翻滚，侧向运动；（3)偏航，顺时针或逆时针转动机体；以及(4)油门，向上/向下运动。在 这里，通过4个无线信道来发送这4个命令。通常，操作者使用操纵杆来如所示的那样进行输 入。
[0102]接收器206通过无线传输接收这些命令，并且将这些命令直接发送至FCB 208上的 输入部。FCB 208加载有飞行控制软件，该飞行控制软件处理输入信号(俯仰、翻滚、偏航和 油门），并相应地分别向4个(或对于6旋翼直升机为6个，或者对于8旋翼直升机为8个)转子 发送控制信号。下面是框图：
[0104] 例如，如果发送俯仰命令以向前运动，则FCB 208使转子3和4旋转加快，并且使转 子1和2旋转减慢。净效果是飞行器将前倾并沿该方向运动。
[0105] 类似地，如果发送偏航命令，则FCB 208使转子1和3旋转减慢，并且使转子2和4旋 转加快。净效果是使飞行器顺时针转动。
[0106] 这类FCB被视为用于多旋翼直升机和无人机的标准配件。由很多公司制造这种类 型的FCB。这类FCB中的一些仅包括基础的传感器组件，例如陀螺仪，而其他FCB则还包括3轴 加速计等，例如气压计、磁力仪。更先进的FCB具有用于连接GPS和类似定位装置的选项。一 些FCB还提供自定义飞行控制软件的选项。
[0107] 用于在这里提及的飞行器的优选控制系统是以使用拉格朗日动力学的物理模型 为基础。用于生成这些模型的控制参数会是：马达的推力、每个臂的长度、转子在臂上的位 置以及臂之间的角度。由微处理器、计算机、ASIC或微芯片运行的机载软件在飞行中调整这 些控制参数，从而使飞行器以最佳可能方式来飞行。根据需要，FCB上的传感器(诸如加速 计)或者其他公知感测设备(诸如陀螺仪、高度计、空速指示器等)安装在FCB上或安装在臂 或毂的外部上，以便向FCB上的控制器生成感测信号，然后，如上所述处理该感测信号以生 成控制信号。
[0108] 图15A至图15C分别示出了具有铰接臂152的4旋翼直升机150a、150b、150c的构思。 如图15A所示，臂152可具有任意数量的相同或者不相同的节段154,节段154具有任意形状， 与旋转接头156连接。如图15B所示，一个或多个臂153可具有多个转子158。另外，如图15C所 示，一个或多个臂157还可分支成具有从臂157延伸的节段154或整个铰接臂159。虽然该实 施例中示出中央毂160,但是应理解的是，可省去中央毂160,且接收器和FCB可安装在多个 臂152中的一个臂内或者安装在臂上。
[0109] 图16示出了多旋翼直升机170的又一实施例，其中省去了中央毂。在该设计中，多 旋翼直升机170具有采用铰接接头184联接在一起的多个臂节段172、174、176、178和180。理 想地，铰接接头184通过提供绕单个轴线的旋转而将臂节段172、174、176、178和180保持在 单个平面中。但是，利用使得能够在三个自由度内运动的、诸如球接头的铰接接头也落在本 公开的范围内，其中，臂节段172、174、176、178和180可在三个维度中运动而不是两个。沿着 选定臂节段172、176、178设置多个转子182,并且臂节段180具有两个转子182。接收器和FCB (未示出）可安装或集成至臂节段172、174、176、178和180中的一个或多个中。
[0110] 图16中的实施例提供了一种飞行器，该飞行器可动态地(在空中）或者在位于地面 上时改变其形状，以适应不同的地形或地形特征，以及建筑、桥梁、天线及其他天然或人造 构筑物。该飞行器还能够对推力、负载和诸如风的外部条件的变化做出响应。
[0111] 在人工应用和无人应用(无人机)二者中，前述实施均可具有多种用途，包括但不 限于，科学研究、法律实施和军事部署、货运和客运服务、以及作为用于娱乐和教育的玩具。 虽然没有连同当前实施例示出或描述起落装置、机身、货物集装箱或客舱，但是本领域技术 人员可使用公知设计和市场有售的组件来对所述飞行器设计和添加这些特征。
[0112] 可组合上述各实施方式来提供额外的实施例。实施例的各方面可根据需要而改 变，以应用各专利、申请和公开的构思从而提供又一实施例。因而，应理解的是，本文描述的 实施例可以以多种方式组合或者单独地使用。例如，一种变型可具有能延伸的臂，该臂与可 调节角度的臂组合使用、或者与可移动推力发生器组合使用、或者与可调节角度的臂和可 调节角度的臂这两个特征组合使用、或者与铰接臂一起使用、或者与所有这些特征的组合 使用。这同样良好适用于可调节角度的特征、可移动推力发生器和铰接臂。
[0113] 于2014年1月20日提交的第61/929,249号美国临时专利申请和于2014年7月22日 提交的第62/027，246号美国临时专利申请通过引用整体地并入本文。
[0114]可根据前述具体说明对描述的实施例进行这些改变及其他改变。通常，在以下权 利要求中，不应将使用的术语解释成将权利要求限制于说明书和权利要求中所公开的具体 实施例，而是应当解释成包括所有可能实施例以及与该权利要求所要求的权利等同的整个 范围。因此，权利要求不受限于前述公开。
【主权项】
1. 一种飞行器，包括： 框架，具有多个臂，每个臂都具有纵轴线，所述多个臂中的第一臂能够操作成沿所述纵 轴线调整所述第一臂的长度，所述多个臂中的所述第一臂或第二臂能够操作成绕铰接接头 运动，所述多个臂中的至少一个臂能够操作成调整所述多个臂中的至少一个臂与至少一个 其他臂之间的角度； 多个推力发生器，至少一个推力发生器安装在所述多个臂中的相应臂上；以及 控制系统，联接至所述多个臂中的所述第一臂或所述第二臂、所述至少一个臂和所述 多个推力发生器，并且能够操作成在飞行中和在地面上控制所述多个推力发生器的操作和 控制所述第一臂的长度的调整，同时在飞行中和在地面上保持对所述飞行器的方向控制， 所述控制系统还能够操作成在飞行中和在地面上控制所述多个臂中的所述第一臂或所述 第二臂绕所述铰接接头的运动，同时在飞行中和在地面上保持所述飞行器的稳定性，以及 能够操作成在飞行中和在地面上控制所述至少一个臂与所述至少一个其他臂之间的角度 的调整，同时在飞行中和在地面上保持对所述飞行器的方向控制。2. 如权利要求1所述的飞行器，其中，所述多个臂中的所述第二臂的所述第一臂包括多 个铰接段，所述控制系统联接至所述多个铰接段，并且能够操作成:使得所述铰接段能够在 飞行中和在地面上相对于彼此运动，同时在飞行中和在地面上保持对所述飞行器的方向控 制。3. 如权利要求1所述的飞行器，其中，所述多个推力发生器中的至少一个安装在所述多 个臂中的相应臂上，从而能够沿所述臂的纵轴线重定位和运动;所述控制系统能够操作成 在飞行中控制所述至少一个推力发生器沿所述相应臂的运动，同时保持对所述飞行器的方 向控制。4. 如权利要求3所述的飞行器，其中，所述至少一个推力发生器能够滑动地安装在所述 相应臂上，以沿所述臂的所述纵轴线运动。5. -种飞行器，包括： 框架，具有多个臂，所述多个臂中的至少一个能够操作成沿纵轴线调整所述臂的长度； 多个推力发生器，至少一个推力发生器安装在所述多个臂的相应臂上；以及 控制系统，联接至所述多个臂中的至少一个臂和所述多个推力发生器，并且能够操作 成在飞行中和在地面上控制所述多个推力发生器的操作，并且控制所述多个臂中的所述至 少一个臂的长度的调整，同时在飞行中和在地面上保持对所述飞行器的方向控制。6. 如权利要求5所述的飞行器，其中，所述多个臂中的所述至少一个臂包括多个铰接 段，所述控制系统联接至所述多个铰接段，并且能够操作成:使得所述铰接段能够在飞行中 和在地面上相对于彼此运动，同时在飞行中和在地面上保持对所述飞行器的方向控制。7. 如权利要求5所述的飞行器，其中，所述多个推力发生器中的所述至少一个安装在所 述相应臂上，并且能够在所述飞行器的飞行中沿所述臂的纵轴线重定位和运动；所述控制 系统能够操作成在飞行中和在地面上控制所述至少一个推力发生器沿所述相应臂的运动， 同时在飞行中和在地面上保持对所述飞行器的方向控制。8. 如权利要求5所述的飞行器，其中，所述至少一个推力发生器能够重定位地安装在所 述相应臂上。9. 一种飞行器，包括： 框架，具有多个臂，每个臂都具有纵轴线，至少一个臂包括铰接接头，并且能够操作成 绕所述铰接接头运动； 多个推力发生器，至少一个推力发生器安装在所述多个臂的相应臂上；以及 控制系统，联接至所述至少一个臂和所述多个推力发生器，并且能够操作成在飞行中 和在地面上控制所述至少一个臂绕所述铰接接头的运动，同时在飞行中和在地面上保持对 所述飞行器的稳定性和可控性。10. 如权利要求9所述的飞行器，其中，所述多个臂中的所述至少一个臂能够操作成沿 纵轴线调整所述臂的长度，所述控制系统联接至能够操作成调整长度的所述至少一个臂， 所述控制系统能够操作成在飞行中控制对所述至少一个臂的长度的调整，同时保持对所述 飞行器的方向控制。11. 如权利要求9所述的飞行器，其中，所述多个推力发生器中的至少一个安装在所述 相应臂上，从而能够沿所述臂的所述纵轴线重定位和运动;所述控制系统能够操作成在飞 行中控制所述至少一个推力发生器沿所述相应臂的运动，同时保持对所述飞行器的方向控 制。12. 如权利要求9所述的飞行器，其中，所述至少一个推力发生器能够重定位地安装在 所述相应臂上。13. -种飞行器，包括： 框架，具有多个臂，每个臂都具有纵轴线，所述多个臂中的至少一个臂能够操作成调整 所述多个臂中的所述至少一个臂与至少一个其他臂之间的角度； 多个推力发生器，至少一个推力发生器安装在所述多个臂中的相应臂上；以及 控制系统，联接至所述多个臂中的所述至少一个臂且联接至所述多个推力发生器，并 且能够操作成在飞行中和在地面上控制所述多个推力发生器的操作，且控制对所述至少一 个臂与所述至少一个其他臂之间的角度的调整，同时在飞行中和在地面上保持对所述飞行 器的方向控制。14. 如权利要求13所述的飞行器，其中，所述多个臂中的至少一个臂包括多个铰接段， 所述控制系统联接至所述多个铰接段，并且能够操作成使得所述铰接段能够在飞行中相对 于彼此运动，同时保持对所述飞行器的方向控制。15. 如权利要求13所述的飞行器，其中，所述至少一个推力发生器能够重定位地安装在 所述相应臂上，以沿所述臂的所述纵轴线运动。16. 如权利要求13所述的飞行器，其中，每个臂都具有纵轴线，所述多个臂中的第一臂 能够操作成使得所述第一臂的长度能够沿所述纵轴线进行调整。17. -种飞行器，包括： 框架，所述框架上安装有多个臂，每个臂都具有纵轴线； 多个推力发生器，至少一个推力发生器安装在所述多个臂的相应臂上，并且能够操作 成能够沿所述相应臂的所述纵轴线重定位，其中所述推力发生器安装在所述相应臂上；以 及 控制系统，联接至所述多个臂中的至少一个臂和所述多个推力发生器，并且能够操作 成在飞行中和在地面上控制所述多个推力发生器的操作，且控制所述至少一个推力发生器 沿所述至少一个臂的所述纵轴线的重定位，同时在飞行中和在地面上保持对所述飞行器的 方向控制。18. 如权利要求17所述的飞行器，其中，所述多个臂的第一臂能够操作成使得所述第一 臂的长度能够沿所述纵轴线进行调整;所述控制系统能够操作成在飞行中和在地面上控制 对所述第一臂的长度的调整，同时在飞行中和在地面上保持对所述飞行器的方向控制。19. 如权利要求17所述的飞行器，其中，所述多个臂中的至少一个臂包括多个铰接段； 所述控制系统能够操作成使得所述铰接段能够在飞行中和在地面上相对于彼此运动，同时 在飞行中和在地面上保持对所述飞行器的方向控制。20. 如权利要求17所述的飞行器，其中，所述多个臂中的至少一个臂联接至所述框架以 相对于所述框架运动，从而调整所述多个臂中的所述至少一个臂与至少一个其他臂之间的 角度;其中，所述控制系统联接至所述多个臂中的所述至少一个臂，并且联接成在飞行中和 在地面上控制对所述至少一个臂与所述至少一个其他臂之间的角度的调整，同时在飞行中 和在地面上保持对所述飞行器的方向控制。
【文档编号】B64C39/02GK106061838SQ201580007659
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年1月20日
【发明人】苏福罗·达塔
【申请人】罗博杜伯公司