CN110329497B - 一种桨面角度可变的多旋翼无人机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种桨面角度可变的多旋翼无人机及其控制方法，包括多旋翼无人机机架、起落架、可倾转旋翼电机平台以及定转速旋翼驱动***；其中，多旋翼无人机机架底部设置有起落架；多旋翼无人机机架上设置还有多个旋翼臂，每个旋翼臂的端部设置有倾转结构；每个可倾转旋翼电机平台上设置有定转速旋翼驱动***，定转速旋翼驱动***上设置有桨距固定的螺旋桨。以舵机控制倾转平台的角度(即桨面角度)来控制电机的姿态和位置。本发明使用定转速的电机或发动机带动螺旋桨，无人机的动力学控制纯粹由桨面角度的调节来完成，所以添加了由舵机和编码器驱动和反馈角度的可倾转旋翼电机平台，以桨面倾转角度代替转速控制无人机。

Description

一种桨面角度可变的多旋翼无人机及其控制方法

技术领域

本发明涉及多旋翼无人机的结构和控制方式，具体涉及一种桨面角度可变的多旋翼无人机及其控制方法。

背景技术

多旋翼无人机由于其结构简单，控制技术成熟，已经广泛的应用于航拍、侦查、农业植保等领域上。

传统的多旋翼无人机是通过调节各个旋翼电机的转速来实现机体姿态和高度控制的。这对旋翼电机的转速控制的响应速度有较高的要求，以此来保证及时对无人机的姿态和高度进行稳定的控制。无人机的姿态控制来产生水平速度，进而控制无人机的位置。若无人机的姿态响应速度慢，则无人机无法保证平衡控制。

而旋翼电机快速响应的要求，是多旋翼无人机向重型化、多样化发展的难点。目前只有少数的电机(如无刷直流电机)才能满足无人机控制的要求，而电机由电池提供能源，这为无人机的发展带来了多种限制：(1)目前电池的能量密度小，多旋翼无人机的大部分重量都在于电池的重量上，限制了无人机的载重效率；(2)而且电池提供的能量只能支持无人机在较短的时间内飞行，限制了无人机的航时；(3)另外，旋翼电机的响应速度，随着螺旋桨的大小增大、惯量增大而减慢，限制了无人机的最大载重。

发明内容

本发明针对传统多旋翼无人机能量密度低、多数电机发动机转速调节响应速度慢等问题，目的在于提出一种桨面角度可变的多旋翼无人机及其控制方法。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种桨面角度可变的多旋翼无人机，包括：多旋翼无人机机架、起落架、可倾转旋翼电机平台以及定转速旋翼驱动***；其中，多旋翼无人机机架底部设置有起落架；多旋翼无人机机架上设置还有多个旋翼臂，每个旋翼臂的端部设置有倾转结构；每个可倾转旋翼电机平台上设置有定转速旋翼驱动***，定转速旋翼驱动***上设置有桨距固定的螺旋桨。

本发明进一步的改进在于，倾转结构包括转轴以及舵机，转轴设置在旋翼臂的端部，舵机设置在每个旋翼臂的底面上。

本发明进一步的改进在于，定转速旋翼驱动***包括电机以及电池，其中，电池与电机相连，电机与桨距固定的螺旋桨相连，桨距固定的螺旋桨设置在电机上。

本发明进一步的改进在于，定转速旋翼驱动***包括电池以及发动机，电池与发动机相连，发动机与桨距固定的螺旋桨相连，桨距固定的螺旋桨设置在电机上。

本发明进一步的改进在于，在多旋翼无人机机架中心位置安装有惯性传感器。

本发明进一步的改进在于，每个转轴上设置有编码器。

一种桨面角度可变的多旋翼无人机的控制方法，根据对无人机的动力学分析，得到六个自由度上的动力学模型：

其中，F为螺旋桨由固定转速电机带动旋转时在其法线方向上所产生的推力，α₁、α₂、α₃、与α₄分别为四个可倾转旋翼电机平台与四旋翼无人机机架平面所夹的四个可调角度，θ为无人机的俯仰角、

无人机的横滚角、γ为无人机的偏航角，m为无人机的总质量，L为无人机头至尾部的长度，T为每个旋翼在其平面上所产生的反转矩，α_i为α₁、α₂、α₃与α₄；γ为偏航角度；

根据上述六个自由度上的动力学模型，通过控制四个旋翼螺旋桨与无人机平面之间的夹角α₁、α₂、α₃与α₄，实现无人机的姿态和位置控制。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：传统的多旋翼无人机使用了桨距固定的螺旋桨，智能通过调节电机的转速来调节无人机各个螺旋桨的推力；而本发明由于在螺旋桨及电机之前设置倾转机构，使得无人机在各个自由度上的推力、反扭矩可以通过倾转的角度来控制，通过调节桨面角度来控制无人机的姿态和高度，克服了由于大的螺旋桨转动惯量大而造成的转速调节困难，以及油动发动机本身转速调节速度慢等调节所限制，而不能使用大螺旋桨控制，以及不能用油动发动机提供无人机动力的问题。

本发明的无人机在进行控制时，根据对无人机的动力学分析，得到六个自由度上的动力学模型：根据上述六个自由度上的动力学模型，通过控制四个旋翼螺旋桨与无人机平面之间的夹角α1、α2、α3与α4，实现无人机的姿态和位置控制。本发明中的无人机可以直接换成油动驱动，大大增加无人机的续航能力。

附图说明

图1为本发明的无人机结构示意图。

图2为倾转结构示意图。

图3为无人机控制原理图(各自由度控制与各旋翼在水平面内控制量的关系)，其中，(a)为垂直运动，(b)为俯仰运动，(c)为滚转运动，(d)为偏航运动，(e)为前后运动，(f)为侧向运动。

图4为倾转角控制原理图，其中，(a)为表示四旋翼无人机的俯仰角θ的示意图，(b)为表示每个螺旋桨与机架平面之间的夹角的α以及螺旋桨推力F的示意图。

图中，1为多旋翼无人机机架，2为起落架，3为定转速旋翼驱动***，4为可倾转旋翼电机平台，5为转轴，6为舵机，7为第一电机，8为第二电机，9为第三电机，10为第四电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参见图1和图2，本发明的无人机主要包括：多旋翼无人机机架1、起落架2、可倾转旋翼电机平台4以及定转速旋翼驱动***3。其中，多旋翼无人机机架1是整个无人机结构的基础，多旋翼无人机机架1底部设置有起落架2；多旋翼无人机机架1上设置还有多个旋翼臂，每个旋翼臂的端部设置有转轴5，可倾转旋翼电机平台4设置在每个旋翼臂的端部的转轴5上，每个旋翼臂的底面上设置有有舵机6，并由舵机6控制角度变化；每个可倾转旋翼电机平台4上设置有定转速旋翼驱动***3，定转速旋翼驱动***3上设置有桨距固定的螺旋桨。

定转速旋翼驱动***3包括电机以及电池，其中，电池与电机相连，电机与桨距固定的螺旋桨相连，桨距固定的螺旋桨设置在电机上。电机输出的转速是固定的。

或者定转速旋翼驱动***3包括电池以及发动机，电池与发动机相连，发动机与桨距固定的螺旋桨相连，桨距固定的螺旋桨设置在电机上。

由电池提供能源，电池或发动机作为动力源，直接提供给螺旋桨固定的转速和扭矩。由能量密度更高的发动机代替电机。由于只要求稳定的固定转速，所以不存在发动机转速控制响应慢不可用于多旋翼无人机控制的问题。

本发明中具体为4个旋翼臂。本发明所提出的多旋翼无人机不限于图1中所示的四旋翼无人机，可以是六旋翼、八旋翼、共轴双桨多旋翼或者其他多旋翼结构无人机。

本发明的结构在传统多旋翼无人机(这里选择四旋翼无人机作为示例)结构的基础上，为了满足快速响应的角度控制的要求，对无人机的结构进行了改造。具体为：首先是无人机旋翼电机的位置增添了倾转结构，即在每个旋翼臂的端部设置有倾转结构；参见图2，倾转结构包括转轴5以及舵机6，通过倾转结构来实现螺旋桨平面的偏转。其次无人机各个螺旋桨所使用的电机，可以由直流无刷电机置换为不同的恒转速电机或由发动机驱动，因为该新型结构无人机对驱动***转速的需求是，只需要其在额定功率的工作条件下转速始终保持一致。基于以上对传统多旋翼无人机的改进，提出本发明的新的无人机结构(如图1所示)。

另外，传感器方面，一方面与传统多旋翼无人机相同，在多旋翼无人机机架1中心位置安装有惯性传感器，以获取无人机的姿态、位置等信息；另一方面，在每个转轴5上设置有编码器，来反馈可倾转旋翼电机平台4的角度信息，用于可倾转旋翼电机平台4的角度控制。

上述浆面角度可变的多旋翼无人机的控制方法为(以四旋翼为例)：

由多旋翼无人机的飞行原理可知，水平面中位置变化的控制是由姿态的控制实现的，垂直方向的起飞降落运动是直接控制油门量来实现的。其姿态和位置变化与各个旋翼控制量大小在水平面上的分量之间的关系如图3中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)所示。在非水平面上，各个旋翼的推力和反转矩可以同对角线上的另一个旋翼相抵消。对于四旋翼无人机，四个电机，分别为图3中的第一电机7、第二电机8、第三电机9与第四电机10。

对于传统的多旋翼无人机来说，其俯仰角和横滚角两个姿态角的变化是由前后或左右桨之间转速的差动所实现的；偏航角的变化由逆时针和瞬时针转动的螺旋桨之间的差动产生出不平衡的反转矩，带动无人机在水平面内偏转所实现的。这些转速上的差速变化，都可以由转速不变，而桨面法线方向角度的变化控制来代替。以螺旋桨推力以及发转矩在各个坐标轴上的分力大小为控制力，来实现无人机位置和姿态的稳定性控制。具体如下：

首先建立动力学模型，由螺旋桨与机架平面之间的夹角作为控制量，控制无人机的三个姿态角俯仰角θ、横滚角

偏航角γ。动力学模型如下：

参见图4中(a)为表示四旋翼无人机的俯仰角θ的示意图，右侧是该视图的坐标轴方向，即从无人机的左侧看过去的视图，第二电机8和第三电机9是可视的，第一电机7和第四电机10是不可视的，图4中(b)为表示每个螺旋桨与机架平面之间的夹角的α以及螺旋桨推力F的示意图，在四旋翼无人机中分为四个角度α₁α₂α₃α₄，F表示螺旋桨由固定转速电机带动旋转时在其法线方向上所产生的推力，用T来表示每个旋翼在其平面上所产生的反转矩。

另外，横滚角度表示为

偏航角度表示为γ，飞机(即无人机)的总质量表示为m，飞机头至尾部的长度表示为L，

d为每一个旋翼支架的臂长，可倾转旋翼电机平台4与水平面的夹角表示为θ，则根据对无人机的动力学分析，可以得到以下六个自由度上的动力学模型：

前三个公式分别是无人机在xyz三个方向上平动的动力学分析公式，后三个公式为无人机偏航、俯仰、横滚三个姿态角度自由度上的动力学分析公式，其控制输出量为六个自由度上的加速度和角加速度，控制量都为四个旋翼螺旋桨与无人机平面之间的夹角α₁、α₂、α₃与α₄。

通过控制四个旋翼螺旋桨与无人机平面之间的夹角α₁、α₂、α₃与α₄，实现无人机的姿态和位置控制。

普通多旋翼无人机由多个旋翼电机的转速控制无人机的姿态和位置，而本发明使用定转速的电机或发动机带动螺旋桨，无人机的动力学控制纯粹由桨面角度的调节来完成，所以添加了由舵机和编码器驱动和反馈角度的可倾转旋翼电机平台，以桨面倾转角度代替转速控制无人机，实现了以舵机控制倾转平台的角度(即桨面角度)来控制电机的姿态和位置。

Claims (5)

1.一种桨面角度可变的多旋翼无人机的控制方法，其特征在于，多旋翼无人机包括多旋翼无人机机架(1)、起落架(2)、可倾转旋翼电机平台(4)以及定转速旋翼驱动***(3)；其中，多旋翼无人机机架1底部设置有起落架(2)；多旋翼无人机机架(1)上设置还有多个旋翼臂，每个旋翼臂的端部设置有倾转结构；每个可倾转旋翼电机平台(4)上设置有定转速旋翼驱动***(3)，定转速旋翼驱动***(3)上设置有桨距固定的螺旋桨；倾转结构包括转轴(5)以及舵机(6)，转轴(5)设置在旋翼臂的端部，舵机(6)设置在每个旋翼臂的底面上；

根据对无人机的动力学分析，得到六个自由度上的动力学模型：

其中，F为螺旋桨由固定转速电机带动旋转时在其法线方向上所产生的推力，α₁、α₂、α₃与α₄分别为四个可倾转旋翼电机平台(4)与四旋翼无人机机架平面所夹的四个可调角度，θ为无人机的俯仰角、

为无人机的横滚角、γ为无人机的偏航角，m为无人机的总质量，L为无人机头至尾部的长度，T为每个旋翼在其平面上所产生的反转矩，α_i为α₁、α₂、α₃或α₄；γ为偏航角度；

根据上述六个自由度上的动力学模型，通过控制四个旋翼螺旋桨与无人机平面之间的夹角α₁、α₂、α₃与α₄，实现无人机的姿态和位置控制。

2.根据权利要求1所述的一种桨面角度可变的多旋翼无人机的控制方法，其特征在于，定转速旋翼驱动***(3)包括电机以及电池，其中，电池与电机相连，电机与桨距固定的螺旋桨相连，桨距固定的螺旋桨设置在电机上。

3.根据权利要求1所述的一种桨面角度可变的多旋翼无人机的控制方法，其特征在于，定转速旋翼驱动***(3)包括电池以及发动机，电池与发动机相连，发动机与桨距固定的螺旋桨相连，桨距固定的螺旋桨设置在电机上。

4.根据权利要求1所述的一种桨面角度可变的多旋翼无人机的控制方法，其特征在于，在多旋翼无人机机架(1)中心位置安装有惯性传感器。

5.根据权利要求1所述的一种桨面角度可变的多旋翼无人机的控制方法，其特征在于，每个转轴(5)上设置有编码器。

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