PL232732B1 - Pojazd latający z kilkoma zespołami napędowymi i sposób sterowania jego lotem - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotowy wynalazek dotyczy pojazdu latającego obejmującego korpus oraz co najmniej cztery zespoły napędowe połączone z korpusem ramionami, których wektory ciągu w czasie nieruchomego zawisu pojazdu są skierowane zasadniczo pionowo w górę. Zespołami napędowymi mogą być wirniki śmigłowe o stałym kącie natarcia, wirniki śmigłowe o zmiennym kącie natarcia lub silniki odrzutowe. Zakres zastosowań omawianego pojazdu jest zbliżony do zakresu zastosowań śmigłowca z jednym wirnikiem zapewniającym siłę nośną i drugim wspomagającym sterowność. Pierwszoplanowym zastosowaniem opisywanego pojazdu jest bezzałogowy transport. Przenoszone mogą być dowolne ładunki, przy czym do ich wielkości i ciężaru musi być dostosowana wielkość samego pojazdu. Pojazd może także znaleźć zastosowanie w monitorowaniu obiektów i instalacji, monitorowaniu przestrzeni, zarówno w celach cywilnych (obserwacja zdarzeń interesujących dla mediów), jak i policyjnych (obserwacja demonstracji, granic państwowych) i wojskowych (obserwacja ruchów wrogich wojsk). Przedmiotowy wynalazek dotyczy także sposobu sterowania lotem takiego pojazdu.

Chiński wzór użytkowy CN204642150 (U) ujawnia wielowirnikowy pojazd z osiowo na zewnątrz skierowanymi ramionami wirników umieszczonymi na nadwoziu, przy czym ramiona są rozmieszczone symetrycznie względem pionowej płaszczyzny przechodzącej przez oś nadwozia pojazdu. Na zakończeniach ramion wirników znajdują się osie wirników. Rozwiązanie to przewiduje możliwość sterowania kwadrokopterem poprzez niezależne manipulowanie kątem nachylenia wirników związane z koniecznością stosowania dodatkowych silników oraz zwiększonym stopniem komplikacji konstrukcji pojazdu.

Chiński wzór użytkowy CN204279941 (U) ujawnia konstrukcję wielowirnikowego pojazdu płatowego z mechanizmem sterującym, przy czym łopaty wirników są połączone z silnikami za pośrednictwem przekładni z wirującymi wałkami. Wirujące osie wirników są usytuowane pod kątami w stosunku do prostopadłej do korpusu pojazdu tak, że siła napędowa generowana przez łopaty wirników może jednocześnie napędzać pojazd w sposób ułatwiający sterowanie jego obrotem wokół osi pionowej. Jednakże, rozwiązanie to poważnie utrudnia sterowanie przyspieszeniem pojazdu w niektórych kierunkach, w których natychmiastowa reakcja na sterowanie jest odwrotna do reakcji opóźnionej. Z amerykańskiego opisu patentowego US1828303 (A) znane jest śmigło o zmiennym skoku, w którym zespół regulacji skoku śmigła obejmujący silnik elektryczny ze szczotkami zbierającymi obracany wraz ze śmigłem jest przystosowany do regulacji ruchu w kierunku zasadniczo równoległym do osi walu napędowego śmigła.

Znane ze stanu techniki konstrukcje pojazdów o wielu zespołach napędowych wymagają stosowania skomplikowanych urządzeń zmieniających geometrię pojazdu, np. obracających ram ionami zespołów napędowych, aby umożliwić sterowanie obrotem pojazdu wokół osi pionowej.

Znane sposoby sterowania obrotem kwadrokoptera wokół osi pionowej wykorzystują przekręcenie, w konstrukcji pojazdu, zespołów napędowych wokół osi ich ramion. Sterowanie awiacją tak skonstruowanych pojazdów utrudnia efekt występujący przy rozpędzaniu pojazdu w zadanym kierunku poprzez pochylanie go w jedną stronę pod wpływem zwiększania się siły ciągu w usytuowanej po przeciwnej stronie parze wirników, które obracają się w kierunkach do siebie przeciwnych. Otóż będzie w tym samym momencie powodowało odciąganie pojazdu w stronę przeciwną do zadanej z przyspieszeniem negatywnie oddziaływującym/hamującym przemieszczanie się pojazdu w kierunku pożądanym.

Przedmiotowy wynalazek dotyczy pojazdów latających dzięki wielu zespołom napędowym, których wektory ciągu są w przybliżeniu równoległe. W przypadku, gdy zespołami tymi są silniki odrzutowe, wynalazek rozwiązuje problem obrotu pojazdu wokół osi w przybliżeniu równoległej do wektorów ich ciągu. W przypadku, gdy zespołami napędowymi są wirniki śmigłowe, wynalazek wspomaga sterowanie obrotu pojazdu wokół ww. osi.

Pojazd latający obejmujący korpus oraz co najmniej cztery zespoły napędowe połączone z korpusem ramionami, których wektory ciągu są zasadniczo prostopadłe do płaszczyzny poziomej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w konstrukcji pojazdu co najmniej dwa jego zespoły napędowe są pochylone na prawo, tzn. w czasie nieruchomego zawisu rzuty ich wektorów ciągu na płaszczyznę poziomą są skierowane na prawo, patrząc od góry od korpusu wzdłuż rzutu odpowiedniego ramienia zespołu napędowego na płaszczyznę, ponadto co najmniej dwa jego zespoły napędowe są pochylone na lewo, tzn. w czasie nieruchomego zawisu rzuty ich wektorów ciągu na płaszczyznę poziomą są skierowane na lewo, patrząc od góry od korpusu wzdłuż rzutu odpowiedniego ramienia zespołu napę dowego na płaszczyznę poziomą, przy czym suma rzutów na płaszczyznę poziomą wektorów ciągu zespołów napędowych pochylonych na prawo w czasie nieruchomego zawisu jest równa zeru, a także suma rzutów na płaszczyznę poziomą wektorów ciągu zespołów napędowych pochylonych na lewo jest w czasie nieruchomego zawisu równa zeru, ponadto dla każdego kierunku na płaszczyźnie poziomej układ wektorów ciągu powodujący pochylanie się pojazdu w tym kierunku, generuje bezpośrednio przyspieszenie pojazdu, którego wektor jest zerowy lub będący pod kątem ostrym do tego kierunku, przy czym jest to osiągnięte przez dostateczne pochylenie zespołów napędowych w konstrukcji pojazdu w stronę jego środka, poza ich pochyleniem w prawo/lewo.

Korzystnie, zespołami napędowymi są silniki odrzutowe.

Korzystnie, zespołami napędowymi są wirniki śmigłowe i w takim przypadku zespoły pochylone na prawo obracają się w stronę przeciwną do ruchu wskazówek zegara, zaś zespoły pochylone na lewo obracają się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara.

Pojazd może posiadać dowolną liczbę zespołów napędowych nie mniejszą niż cztery, korzystnie sześć lub dziewięć, w zależności od potrzeb eksploatacyjnych i przeznaczenia pojazdu.

Korzystnie, korpus obejmuje źródło zasilania silnika/silników, co najmniej jeden czujnik inercyjny i co najmniej jeden sterownik. W przypadku, gdy zespołami napędowymi są wirniki ze śmigłami o stałym kącie natarcia, każdy z nich może być wyposażony w silnik elektryczny, przy czym korzystnie źródło zasilania tego silnika stanowi co najmniej jeden akumulator lub co najmniej jedna bateria słoneczna. W przypadku, gdy zespołami napędowymi są wirniki ze śmigłami o zmiennym kącie natarcia, wtedy, korzystnie, wirniki połączone są z silnikiem w korpusie za pomocą sztywnego sprzęgu.

Korzystnie, sterownik w korpusie obejmuje cztery regulatory, przy czym, korzystnie, są to regulatory PID.

Sposób sterowania lotem pojazdu latającego dotyczy pojazdu według wynalazku obejmującego korpus oraz co najmniej cztery, połączone z korpusem ramionami, zespoły napędowe, których wektory ciągu są w czasie nieruchomego zawisu pojazdu zasadniczo pionowe. Co najmniej dwa jego zespoły napędowe są pochylone na prawo, tzn. w czasie nieruchomego zawisu rzuty ich wektorów ciągu na płaszczyznę poziomą są skierowane na prawo patrząc od góry od korpusu wzdłuż rzutu odpowiedniego ramienia zespołu napędowego na płaszczyznę poziomą, i co najmniej dwa jego zespoły napędowe są pochylone na lewo, tzn. w czasie nieruchomego zawisu rzuty ich wektorów ciągu na płaszczyznę poziomą są skierowane na lewo patrząc od góry od korpusu wzdłuż rzutu odpowiedniego ramienia zespołu napędowego na płaszczyznę poziomą. Zarówno suma rzutów na płaszczyznę poziomą wektorów ciągu zespołów napędowych pochylonych na prawo w czasie nieruchomego zawisu jak i suma rzutów na płaszczyznę poziomą wektorów ciągu zespołów napędowych pochylonych na lewo w czasie nieruchomego zwisu są równe zeru. Zespoły napędowe poza tym, że są pochylone na prawo i lewo, są dostatecznie nachylone w stronę środka masy pojazdu, że dla każdego kierunku na płaszczyźnie poziomej układ wektorów ciągu powodujący pochylanie się pojazdu w tym kierunku, generuje bezpośrednio przyspieszenie pojazdu, którego wektor jest zerowy lub będący pod kątem ostrym do tego kierunku. Sposób sterowania lotem pojazdu według wynalazku charakteryzuje się tym, że dla osiągnięcia celu sterowania na bieżąco wyznacza się siłę ciągu zespołów napędowych.

Dla spowodowania obrotu pojazdu w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara w widoku z góry zwiększa się siłę ciągu zespołów napędowych pochylonych na prawo i jednocześnie zmniejsza się siłę ciągu zespołów napędowych pochylonych na lewo.

Dla spowodowania obrotu pojazdu w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara w widoku z góry zwiększa się siłę ciągu zespołów napędowych pochylonych na lewo i jednocześnie zmniejsza się siłę ciągu zespołów napędowych pochylonych na prawo.

Korzystnie, dla spowodowania nachylenia i przemieszczenia pojazdu w danym kierunku zmniejsza się siłę ciągu zespołów napędowych po stronie pojazdu wskazywanej przez ten kierunek przy jednoczesnym zwiększeniu siły ciągu zespołów napędowych po stronie przeciwnej. Ze względu na pochylenie zespołów napędowych, taka zmiana ich siły ciągu spowoduje natychmiast przyspieszanie pojazdu w pewnym kierunku (lub zerowe). Efektywne sterowanie pojazdem wymaga, aby kierunek ten był zerowy lub pozostawał pod kątem ostrym do kierunku pochylania się. Aby tak było, zespoły napędowe muszą być, w konstrukcji pojazdu, dostatecznie pochylone w stronę jego środka poza tym, że są pochylone na prawo i lewo.

Korzystnie, w przypadku gdy zespołami napędowymi są wirniki śmigłowe o zmiennym kącie natarcia, dla zwiększenia siły ciągu danego wirnika zwiększa się kąt natarcia jego łopat.

Wynalazek zostanie bliżej omówiony na podstawie opisu przykładów jego wykonania, w odniesieniu do załączonego rysunku, na którym:

Fig. 1 ilustruje schematycznie konstrukcję pojazdu z czterema wirnikami śmigłowymi według przedmiotowego wynalazku,

Fig. 2 ilustruje schematycznie zasadę działania czterowirnikowego multikoptera z wirnikami o zmiennym kącie natarcia łopat według przedmiotowego wynalazku,

Fig. 3 przedstawia czterowirnikowy multikopter, nie spełniający części założeń przedmiotowego wynalazku, a mianowicie pochylanie się tego pojazdu w danym kierunku powoduje bezpośrednio jego rozpędzanie się w kierunku przeciwnym,

Fig. 4 ilustruje schematycznie zasadę działania sześciowirnikowego multikoptera według przedmiotowego wynalazku,

Fig. 5 ilustruje schematycznie zmiany kąta natarcia łopat multikoptera według przedmiotowego wynalazku,

Fig. 6 ilustruje schematycznie ogólną konstrukcję korpusu multikoptera według przedmiotowego wynalazku, a

Fig. 7 ilustruje konstrukcję dziewięciowirnikowego multikoptera według przedmiotowego wynalazku.

Jak przedstawiono na Fig. 1, konstrukcja czterowirnikowego multikoptera (kwadrokoptera) według przedmiotowego wynalazku, obejmuje korpus 1 oraz co najmniej cztery zespoły napędowe 2A, 2B, 2C i 2D (w przypadku mulitkoptera są to wirniki), oznaczone schematycznie poprzez obrysy zakończeń ich łopatek, połączone z korpusem 1 ramionami 3A, 3B, 3C i 3D, których środki oznaczono 4A, 4B, 4C i 4D. Płaszczyzną bazową dla tego układu jest płaszczyzna pozioma 5, która jest pozioma w czasie nieruchomego zawisu pojazdu. Strzałki 8A, 8B, 8C, 8D (patrz Fig. 2) reprezentują rzuty wektorów ciągu zespołów napędowych 2A, 2B, 2C i 2D na płaszczyznę poziomą 5. Zespoły napędowe 2A i 2C są pochylone na prawo, zaś zespoły napędowe 2B i 2D są pochylone na lewo. Rzuty 8A, 8C wektorów siły ciągu zespołów napędowych 2A i 2C stanowią swoje przeciwieństwo, zatem ich suma jest zerowa. Podobnie, rzuty 8B i 8D wektorów ciągu zespołów napędowych 2B i 2D stanowią swoje przeciwieństwo, zatem ich suma jest zerowa. Ponadto, dla każdego kierunku na płaszczyźnie poziomej 5 układ wektorów ciągu powodujący pochylanie się pojazdu w tym kierunku, generuje bezpośrednio przyspieszenie pojazdu, którego wektor jest zerowy lub będący pod kątem ostrym do tego kierunku, przy czym jest to osiągnięte przez zaprojektowanie ustalonego pochylenia zespołów napędowych 2A, 2B, 2C, 2D w konstrukcji pojazdu w stronę jego środka, poza ich pochyleniem w prawo/lewo.

Zespoły napędowe 2A, 2B, 2C i 2D posiadają serwomechanizmy (niepokazane na rysunku) zmieniające kąt natarcia a łopat 9 (patrz Fig. 5). Jak przedstawiono na Fig.5, która ilustruje schematycznie przekrój łopaty i zmiany kąta natarcia a łopat 9 multikoptera według przedmiotowego wynalazku, łopatka 9 jest obracana wokół osi 10, a kąt natarcia a jest mierzony pomiędzy linią cięciwy 9A łopatki 9, a kierunkiem opływu powietrza 11. Wypadkowa łopatkowego wektora ciągu 12 jest prostopadła do cięciwy 9A łopatki 9.

Multikopter może posiadać dowolną liczbę zespołów napędowych, korzystnie sześć zespołów napędowych 2A, 2B, 2C, 2D, 2F, 2G, co ilustruje Fig. 4, lub dziewięć zespołów napędowych 2A, 2B, 2C, 2D, 2F, 2G, 2H, 2J, 2K, co ilustruje Fig. 7.

Jak przedstawiono na Fig. 6, która ilustruje schematycznie ogólną konstrukcję korpusu 1 multi-koptera według przedmiotowego wynalazku, korpus 1 obejmuje silnik 13, źródło 14 zasilania silnika, co najmniej jeden czujnik inercyjny 15 i co najmniej jeden sterownik 16. Silnik 13 może być obecny poza korpusem, jeśli każdy zespół napędowy ma osobny silnik.

Zespoły napędowe 2A, 2B, 2C, 2D mogą być połączone z silnikiem 13 za pomocą sztywnego sprzęgu (nie pokazano). Silnik 13 może być elektryczny zaś źródłem jego zasilania 14 może być akumulator. Silnik 13 może także stanowić silnik spalinowy, a źródło zasilania silnika 14 może stanowić bak paliwa.

Jak przedstawiono na Fig. 2, która ilustruje schematycznie zasadę działania czterowirnikowego multikoptera (kwadrokoptera) według przedmiotowego wynalazku, sposób sterowania lotem pojazdu latającego obejmującego korpus 1 oraz co najmniej cztery, połączone z korpusem 1 ramionami 3A, 3B, 3C i 3D, zespoły napędowe 2A, 2B, 2C i 2D, których wektory ciągu są w czasie nieruchomego zawisu pojazdu zasadniczo pionowe, jednak dwa jego zespoły napędowe 2A, 2C są pochylone na prawo, tzn. w czasie nieruchomego zawisu rzuty 8A, 8C ich wektorów ciągu na płaszczyznę poziomą 5 są skierowane się na prawo patrząc od góry od korpusu 1 wzdłuż rzutu odpowiedniego ramienia 3A, 3C zespołu napędowego 2A, 2C na płaszczyznę poziomą 5, ponadto dwa jego zespoły napędowe 2B, 2D są pochylone na lewo, tzn. w czasie nieruchomego zawisu rzuty 8B, 8D ich wektorów ciągu na płaszczyznę poziomą 5 są skierowane na lewo patrząc od góry od korpusu 1 wzdłuż rzutu odpowiedniego ramienia 3B, 3D zespołu napędowego 2B, 2D na płaszczyznę poziomą 5, przy czym suma rzutów 8A, 8C na płaszczyznę poziomą 5 wektorów ciągu zespołów napędowych 2A, 2C pochylonych na prawo w czasie nieruchomego zawisu jest równa zeru, a także suma rzutów 8B, 8D na płaszczyznę poziomą 5 wektorów ciągu zespołów napędowych 2B, 2D pochylonych na lewo jest w czasie nieruchomego zwisu równa zeru, ponadto dla każdego kierunku na płaszczyźnie poziomej 5 układ wektorów ciągu powodujący pochylanie się pojazdu w tym kierunku, generuje bezpośrednio przyspieszenie pojazdu, którego wektor jest zerowy lub będący pod kątem ostrym do tego kierunku, co osiąga się gdy odpowiednio pochyla się zespoły napędowe 2A, 2B, 2C, 2D w konstrukcji pojazdu w stronę jego środka, poza ich pochyleniem w prawo/lewo, polega ogólnie na tym, że dla osiągnięcia celu sterowania wyznacza się na bieżąco siły ciągu zespołów napędowych.

Dla spowodowania obrotu multikoptera w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara w widoku z góry na płaszczyznę 5 zwiększa się siłę ciągu wirników pochylonych na prawo i zmniejsza się siłę ciągu wirników pochylonych na lewo.

Dla spowodowania obrotu multikoptera w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara w widoku z góry na płaszczyznę 5 zwiększa się siłę ciągu zespołów napędowych pochylonych na lewo i zmniejsza się siłę ciągu zespołów napędowych pochylonych na prawo.

Pojazdy na Fig. 2 jest zorientowany względem głównych kierunków geograficznych oznaczonych odnośnikami literowymi jak na mapach: N (północ), E (wschód), S (południe) i W (zachód). Aby spowodować jego pochylenia oraz przemieszczenie w kierunku N, należy zwiększyć siłę ciągów zespołów napędowych 2A i 2D oraz zmniejszyć siłę ciągu zespołów napędowych 2B i 2C. Jak widać z Fig. 2, taka zmiana siły ciągów wywoła bezpośrednio przyspieszenie pojazdu w kierunku N, tym samym co kierunek pochylania się.

Aby spowodować pochylenie oraz przemieszczenie się pojazdu w kierunku E, należy zwiększyć siłę ciągów wirników 2A i 2B oraz zmniejszyć siłę ciągu wirników 2C i 2D. Jak widać z Fig. 2, taka zmiana siły ciągów wywoła bezpośrednio przyspieszenie pojazdu w kierunku E, tym samym co kierunek pochylania się.

Aby spowodować pochylenie oraz przemieszczenie się pojazdu w kierunku NE, należy połączyć pochylanie w kierunku N oraz E. W tym celu zwiększa się siłę ciągu wirnika 2A i zmniejsza się siłę ciągu wirnika 2C. Jak widać z Fig. 2, taka zmiana siły ciągów wywoła bezpośrednio przyspieszenie pojazdu w pewnym kierunku pomiędzy N a NE pozostającym pod kątem ostrym do kierunku NE pochylania się.

Jednoczesne nachylenie/przemieszczenie pojazdu w innych kierunkach i obrót wokół osi pionowej uzyskuje się przez zmianę siły ciągu zespołów napędowych stanowiącą ważoną sumę wyżej opisanych operacji lub symetrycznych. Takie same zasady sterowania pojazdem obowiązują w przypadku pojazdów o większej liczbie zespołów napędowych, w szczególności sześciu i dziewięciu, jak szczegółowo opisano w dalszej części. W celu uwypuklenia korzyści uzyskiwanych dzięki proponowanej powyżej konstrukcji i sposobowi sterowania lotem pojazdu latającego o czterech zespołach napędowych według wynalazku na Fig. 3 pokazano pojazd o konstrukcji różniącej się od pokazanej na Fig. 2. Dla spowodowania nachylenia i przemieszczenia pojazdu w kierunku E, zwiększa się siłę ciągu zespołów napędowych 2A i 2B, położonych w widoku z góry od strony przeciwległej do danego kierunku, w tym przypadku od strony W, w stosunku do siły ciągu zespołów napędowych 2C i 2D. Ze względu na to, że zespoły napędowe 2A, 2B, 2C i 2D są niedostatecznie nachylone w stronę środka pojazdu, to taka zmiana siły ich ciągu spowoduje wzmocnienie siły ciągu zespołów odciągających pojazd w kierunku W i zmniejszenie siły ciągu zespołów odciągających pojazd w kierunku E. Tym samym, pojazd będzie natychmiast poddany przyspieszeniu w kierunku W, przeciwnym do kierunku pochylania się E. Proponowany w wynalazku sposób uniknięcia takiej rozbieżności, polegający na dostatecznym nachyleniu zespołów napędowych w stronę środka pojazdu, istotnie ułatwia zadanie sterowania pojazdem.

Jak przedstawiono na Fig. 4, która ilustruje schematycznie zasadę działania sześciowirnikowe-go multikoptera (heksakoptera) według przedmiotowego wynalazku, sposób sterowania lotem multikoptera obejmującego korpus 1 oraz co najmniej sześć wirników 2A, 2B, 2C, 2D, 2F, 2G połączonych z korpusem 1 ramionami, przy czym wirniki 2A, 2C, 2F są w widoku z góry pochylone na prawo i obra cane przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, zaś wirniki 2B, 2D, 2G są pochylone na lewo i obracane zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

Sposób sterowania lotem heksakoptera pokazanego na Fig. 4, według wynalazku polega ogólnie na tym, że dla osiągnięcia celu sterowania na bieżąco wyznacza się siłę ciągu wirników 2A, 2B, 2C, 2D, 2F, 2G, przy czym dla spowodowania obrotu multikoptera w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, w widoku z góry, zwiększa się siłę ciągu wirników pochylonych na prawo i/lub zmniejsza się siłę ciągu wirników pochylonego na lewo.

Dla spowodowania obrotu multikoptera w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, w widoku z góry, zwiększa się siłę ciągu wirników pochylonych na lewo i/lub zmniejsza się siłę ciągu wirników pochylonych na prawo.

Dla spowodowania nachylenia i przemieszczenia multikoptera w kierunku N zwiększa się proporcjonalnie siłę ciągu wirników 2F i 2G oraz zmniejsza proporcjonalnie siłę ciągu wirników 2B i 2C. Dla spowodowania spowodowania nachylenia i przemieszczenia multikoptera w kierunku E zwiększa się proporcjonalnie siłę ciągu wirników 2G, 2A i 2B oraz zmniejsza proporcjonalnie siłę ciągu wirników 2C, 2D i 2F. Jak widać z Fig. 4, opisane w tym akapicie zmiany siły ciągu będą kompensować się w ten sposób, że spowodują bezpośrednio zerowe przyspieszenie pojazdu.

Jednoczesne nachylenie/przemieszczenie pojazdu w innych kierunkach i obrót wokół osi pionowej uzyskuje się przez zmianę siły ciągu zespołów napędowych stanowiącą ważoną sumę wyżej opisanych operacji lub symetrycznych.

Jak przedstawiono na Fig. 7, która ilustruje schematycznie zasadę działania dziewięciowirniko-wego multikoptera według przedmiotowego wynalazku, sposób sterowania lotem multikoptera obejmującego korpus 1 oraz trzy wirniki 2A, 2C i 2F pochylonych na prawo i sześć wirników 2B, 2D, 2G, 2H, 2J, 2K pochylonych na lewo połączonych z korpusem 1 ramionami według wynalazku polega ogólnie na tym, że dla osiągnięcia celu sterowania zmienia się siłę ciągu co najmniej jednego wirnika 2A, 2B, 2C, 2D, 2F, 2G, 2H, 2J, 2K, przy czym dla spowodowania obrotu multikoptera w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, w widoku z góry, zwiększa się siłę ciągu wirników pochylonych na prawo i/lub zmniejsza siłę ciągu wirników pochylonych na lewo, zaś dla spowodowania obrotu multikoptera w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, zwiększa się siłę ciągu wirników pochylonych na lewo i/lub zmniejsza siłę ciągu wirników pochylonych na prawo.

Dla spowodowania nachylenia i przemieszczenia multikoptera w danym kierunku zmniejsza się siłę ciągu wirników po stronie pojazdu wskazywanej przez ten kierunek i zwiększa siłę ciągu wirników znajdujących się po stronie przeciwnej.

Korzystnie, wszystkie wirniki 2A, 2B, 2C, 2D lub 2A, 2B, 2C, 2D, 2F, 2G lub 2A, 2B, 2C, 2D, 2F, 2G, 2H, 2J, 2K obracają się synchronicznie, a zmianę ich ciągu osiąga się przez zmianę kąta natarcia ich łopat. W ogólności, liczba zespołów napędowych pochylonych na prawo i lewo nie musi być taka sama. Kluczowym jest, aby zespoły pochylone w daną stronę były rozmieszczone wokół środka ciężkości pojazdu, w zasadzie tak, aby przy dwukrotnym zwiększeniu siły ich ciągu (w stosunku do siły ciągu, przy której wszystkie wirniki utrzymują pojazd w nieruchomym zawisie) były one w stanie samodzielnie utrzymać pojazd w zawisie, choć taki układ ciągów zespołów napędowych spowodowałby rotację pojazdu wokół osi pionowej w kierunku wskazywanym przez pochylenie tych zespołów.

Sterowanie pojazdem można uzyskać stosując cztery regulatory PID (regulatory proporcjonal-no-całkująco-różniczkujące), utrzymujące następujące zadane wartości wyjściowe w poniżej określonych zadaniach. Przez „poprawkę” rozumie się poniżej liczbę, która ma zostać przemnożona przez bazową (przy nieruchomym zawisie) siłę ciągu danego wirnika i dodana do jego siły ciągu. Podane przykłady dotyczą Fig. 2. Oto zadania poszczególnych regulatorów PID: • wartość przyspieszenia dla rozpędzania/hamowania pojazdu w kierunku pionowym jest zadawana przez sterownik wyższego rzędu (np. ludzkiego operatora), a regulator PID wyznacza odpowiednią poprawkę siły ciągu dla wszystkich zespołów napędowych, • kąt pochylenia/prędkość na ustalonej poziomej osi pojazdu, na przykład W-E, jest zadawana przez sterownik wyższego rzędu (np. ludzkiego operatora), a regulator PID wyznacza odpowiednią poprawkę siły ciągu dla zespołów napędowych po jednej stronie tej osi, na przykład 2A, 2B, i tę samą poprawkę z przeciwnym znakiem dla zespołów napędowych po przeciwnej stronie tej samej osi, na przykład 2C, 2D, • kąt pochylenia/prędkość na prostopadłej osi pojazdu, na przykład N-S, jest zadawana przez sterownik wyższego rzędu (np. ludzkiego operatora), a regulator PID wyznacza odpowiednią poprawkę siły ciągu dla zespołów napędowych po jednej stronie tej osi, na przykład 2A, 2D, i tę samą poprawkę z przeciwnym znakiem dla zespołów napędowych po przeciwnej stronie tej samej osi, na przykład 2B, 2C, • prędkość kątowa obrotu wokół osi pionowej jest zadawana przez sterownik wyższego rzędu (np. ludzkiego operatora), a regulator PID wyznacza odpowiednią poprawkę siły ciągu dla wirników pochylonych w tę samą stronę, na przykład 2A, 2C, i tę samą poprawkę z przeciwnym znakiem dla pozostałych wirników, na przykład wirników 2B, 2D.

Przyjmując poniższe oznaczenia, można wyznaczyć niektóre parametry lotu pojazdu z Fig. 2. Dla uproszczenia zakłada się tutaj, że moment obrotowy wirników wpływa pomijalnie na przyspieszenie kątowe pojazdu w jego obrocie wokół osi pionowej (alternatywnie zakłada się, że zespołami napędowymi są silniki odrzutowe). W takim przypadku pojazd może obracać się wokół osi pionowej jedynie dzięki pochyleniu zespołów napędowych. • φ - kąt nachylenia zespołów napędowych względem pionu (w radianach); • λ- kąt między 3A a 8A (także między 3B a 8B itd.); • r - promień pojazdu określony przez odległość między jego środkiem geometrycznym, a środkiem każdego z zespołów napędowych; • σ - różnica siły ciągu zespołów napędowych pochylonych w różnych kierunkach, np. na Fig. 2 siła ciągu zespołów 2A i 2C jest o σ 100% większa od średniej siły ciągu zespołów napędowych, zaś siła ciągu zespołów 2B i 2D jest o tyleż mniejsza; • m - masa pojazdu; • I = μΓ2 - moment inercji pojazdu; • g = 9.81 - ziemskie przyspieszenie grawitacyjne.

Ze względu na większą siłę ciągu zespołów napędowych pochylonych na prawo, aniżeli pochylonych na lewo, na cały pojazd działa moment obracający. Przyspieszenie środków zespołów napędowych w ruchu dookoła środka geometrycznego pojazdu, oznaczone przez a, wyraża się wzorem:

Pojazd w stanie początkowym nieruchomy, po czasie / osiągnie prędkość kątową ω, która wynosi:

i wykona obrót o kąt β równy:

Jeśli następnie układ sił ciągu zespołów napędowych zmieni się na przeciwny w ten sposób, że siła ciągu zespołów 2A i 2C będzie o 5100% mniejsza od średniej siły ciągu, zaś ciąg zespołów 2B i 2D będzie o tyleż większa, pojazd zatrzyma się w czasie t. Dla przykładu, jeśli założyć, że zespoły napędowe są pochylone o φ = 20°, λ = 30°, r = 1 [m], σ = 0.5, μ=0.2, wtedy czas t potrzebny na obrócenie pojazdu w lewo o 180°, i jego zatrzymanie na końcu tego manewru wyniesie:

Konstrukcje pojazdów latających o cechach objętych przedmiotowym wynalazkiem mogą być alternatywnie zaimplementowane w różnych kombinacjach ich wykonania w zależności od wymogów eksploatacyjnych i przeznaczenia, także w zestawieniach poszczególnych modułów nadających się do transportu i samodzielnego docelowego montażu.

Jakkolwiek niektóre konkretne implementacje wykonania pojazdów latających i systemów sterowania nimi zostały przedstawione na dołączonych rysunkach i omówione szczegółowo w powyższym opisie, to należy rozumieć, że opracowania schematycznie przedstawionych konstrukcji i metod

sterowania lotem pojazdów nie ograniczają się do nich, dopuszczając możliwości wprowadzania licznych zmian, modyfikacji wraz z wykorzystaniem stosowania ekwiwalentnych funkcjonalnie zespołów wykonawczych pojazdu bez wykraczania poza zakres istoty wynalazku zdefiniowany w zastrzeżeniach patentowych.

Claims (15)

Zastrzeżenia patentowe

1. Pojazd latający obejmujący korpus oraz co najmniej cztery, połączone z korpusem ramionami, zespoły napędowe, których wektory ciągu są w czasie nieruchomego zawisu pojazdu skierowane zasadniczo pionowo w górę znamienny tym, że w konstrukcji pojazdu: • co najmniej dwa jego zespoły napędowe (2A, 2C) są w sposób ustalony pochylone na prawo, to jest w czasie nieruchomego zawisu rzuty (8A, 8C) ich wektorów ciągu na płaszczyznę poziomą (5) są skierowane na prawo, patrząc od góry od korpusu (1) wzdłuż rzutu odpowiedniego ramienia (3A, 3C) zespołu napędowego (2A, 2C) na płaszczyznę (5), oraz • co najmniej dwa jego zespoły napędowe (2B, 2D) są pochylone na lewo, to jest w czasie nieruchomego zawisu rzuty (8B, 8D) ich wektorów ciągu na płaszczyznę poziomą (5) są skierowane na lewo, patrząc od góry od korpusu (1) wzdłuż rzutu odpowiedniego ramienia (3B, 3D) zespołu napędowego (2B, 2D) na płaszczyznę (5), przy czym • suma rzutów (8A, 8C) na płaszczyznę poziomą (5) wektorów ciągu zespołów napędowych (2A, 2C) pochylonych na prawo w czasie nieruchomego zawisu jest równa zeru, jak i • suma rzutów (8B, 8D) na płaszczyznę poziomą (5) wektorów ciągu zespołów napędowych (2B, 2D) pochylonych na lewo jest w czasie nieruchomego zwisu równa zeru, ponadto • zespoły napędowe (2A, 2B, 2C, 2D) są, poza ich pochyleniem na lewo lub prawo, dostatecznie pochylone w stronę środka masy pojazdu, aby dla każdego kierunku na płaszczyźnie poziomej (5) układ wektorów ciągu zespołów napędowych powodujący pochylanie się pojazdu w tym kierunku, generował bezpośrednio przyspieszenie pojazdu, którego wektor jest zerowy lub będący pod kątem ostrym do tego kierunku pochylania się pojazdu.

2. Pojazd według zastrz. 1, znamienny tym, że jego zespołami napędowymi (2A, 2B, 2C, 2D) są silniki odrzutowe.

3. Pojazd według zastrz. 1, znamienny tym, że jego zespołami napędowymi (2A, 2B, 2C, 2D) są wirniki śmigłowe, przy czym wirniki pochylone na lewo obracają się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, zaś wirniki pochylone na prawo obracają się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

4. Pojazd według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada sześć zespołów napędowych (2A, 2B, 2C, 2D, 2F, 2G).

5. Pojazd według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada dziewięć zespołów napędowych (2A, 2B, 2C, 2D, 2F, 2G, 2H, 2J, 2K).

6. Pojazd według zastrz. 1, znamienny tym, że korpus (1) obejmuje silnik (13), źródło (14) zasilania silnika, co najmniej jeden czujnik inercyjny (15) i co najmniej jeden sterownik (16).

7. Pojazd według zastrz. 6, znamienny tym, że silnik (13) stanowi co najmniej jeden silnik elektryczny, którego źródłem (14) zasilania silnika jest co najmniej jeden akumulator.

8. Pojazd według zastrz. 6, znamienny tym, że silnik (13) stanowi silnik spalinowy, a źródło (14) zasilania silnika stanowi bak paliwa.

9. Pojazd według zastrz. 6, znamienny tym, że zespoły napędowe (2A, 2B, 2C, 2D) połączone są z silnikiem (13) w korpusie (1) za pomocą sztywnego sprzęgu.

10. Pojazd według zastrz. 6, znamienny tym, że jego sterownik (16) obejmuje cztery regulatory PID.

11. Sposób sterowania lotem pojazdu latającego obejmującego korpus oraz co najmniej cztery, połączone z korpusem ramionami, zespoły napędowe, których wektory ciągu są w czasie nieruchomego zawisu pojazdu zasadniczo pionowe, który to pojazd ma co najmniej dwa zespoły napędowe (2A, 2C) pochylone na prawo, to jest w czasie nieruchomego zawisu rzuty (8A, 8C) ich wektorów ciągu na płaszczyznę poziomą (5) są skierowane na prawo patrząc od góry od korpusu (1) wzdłuż rzutu odpowiedniego ramienia (3A, 3C) zespołu napędowego (2A, 2C) na płaszczyznę poziomą (5), ponadto co najmniej dwa jego zespoły napędowe (2B, 2D) są pochylone na lewo, tzn. w czasie nieruchomego zawisu rzuty (8B, 8D) ich wektorów ciągu na płaszczyznę poziomą (5) są skierowane na lewo patrząc od góry od korpusu (1) wzdłuż rzutu odpowiedniego ramienia (3B, 3D) zespołu napędowego (2B, 2D) na płaszczyznę poziomą (5), przy czym suma rzutów (8A, 8C) na płaszczyznę poziomą (5) wektorów ciągu zespołów napędowych (2A, 2C) pochylonych na prawo w czasie nieruchomego zawisu jest równa zeru, a także suma rzutów (8B, 8D) na płaszczyznę poziomą (5) wektorów ciągu zespołów napędowych (2B, 2D) pochylonych na lewo jest w czasie nieruchomego zwisu równa zeru, ponadto zespoły napędowe poza tym, że są pochylone na prawo i na lewo są dostatecznie pochylone w stronę środka masy pojazdu, że dla każdego kierunku na płaszczyźnie poziomej (5) układ wektorów ciągu powodujący pochylanie się pojazdu w tym kierunku, generuje bezpośrednio przyspieszenie pojazdu, którego wektor jest zerowy lub będący pod kątem ostrym do tego kierunku, znamienny tym, że dla osiągnięcia celu sterowania na bieżąco wyznacza się siły ciągu zespołów napędowych.

12. Sposób sterowania lotem pojazdu według zastrz. 11, znamienny tym, że dla spowodowania obrotu pojazdu w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara w widoku z góry na płaszczyznę (5) zwiększana jest siła ciągu zespołów napędowych (2A, 2C) pochylonych na prawo i/lub zmniejszana jest siła ciągu zespołów napędowych (2B, 2D) pochylonych na lewo.

13. Sposób sterowania lotem pojazdu według zastrz. 11, znamienny tym, że dla spowodowania obrotu pojazdu w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara w widoku z góry na płaszczyznę (5) zwiększana jest siła ciągu zespołów napędowych (2B, 2D) pochylonych na lewo i/lub zmniejszana jest siła ciągu zespołów napędowych (2A, 2C) pochylonych na prawo.

14. Sposób sterowania lotem pojazdu według zastrz. 11, znamienny tym, że dla spowodowania nachylenia i przemieszczenia pojazdu w danym kierunku zwiększana jest siła ciągu zespołów napędowych położonych, w widoku z góry, od strony przeciwległej do danego kierunku i/lub zmniejszana jest siła ciągu zespołów napędowych po stronie wskazywanej przez ten kierunek.

15. Sposób sterowania lotem pojazdu według zastrz. 11, znamienny tym, że w przypadku gdy zespołami napędowymi (2A, 2B, 2C, 2D) są wirniki śmigłowe o zmiennym kącie natarcia (a), dla zwiększenia ciągu danego wirnika zwiększa się kąt natarcia jego łopat (9).