CN113173244A - 一种四轴倾转翼结构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四轴倾转翼结构及其控制方法，四轴倾转翼主要由上部桨叶、上部电机、电机固定支架、下部电机、下部桨叶、舵机、上机身板、下机身板、T型固定件、上承重板、下承重板、法兰等部分组成。采用北斗定位模块的四轴倾转翼能够精准定位机身的位置，实现定点功能。同时四轴倾转翼配有IMU传感器(包括加速度计、陀螺仪、磁力计)，IMU传感器采取得到的数据经过处理可以得到机体的姿态。机体姿态调节后，通过位置传感器(气压计、超声波)得到的数据解算出四轴倾转翼的当前位置，实现定高定点功能。本发明通过控制飞行器舵机转动角度与电机转速使其处于不同的姿态、位置。该结构可在大型飞艇艇身周边安装，实现大型飞艇姿态的迅速调整。

Description

一种四轴倾转翼结构及其控制方法

技术领域

本发明具体涉及一种四轴倾转翼结构及其控制方法，属于农业机械自动化和飞控技术领域。

背景技术

传统的低空飞艇具有长时间飞行的特点，在拍摄、广告投放、地势勘测领域应用广泛，然而传统的飞艇利用氮气进行驱动，虽然保障了前后移动的速度，但是当飞艇想进行上下的移动时，必须进行充气与放气，才能使飞艇缓慢地进行上下的移动，这种问题使得飞艇使用时不够灵活，有一定的局限性。针对低空飞艇使用不灵活的情况，设计出了四轴倾转翼结构及其控制方法，此结构应用于飞艇可解决不够灵活的缺陷。同时四轴倾转翼控制的方法也具有极高的研究价值。

发明内容

基于上述现有技术的不足，本发明公开了一种方便、灵活的四轴倾转翼结构及其控制方法。本发明通过控制飞行器舵机转动角度与电机转速使其处于不同的姿态、位置。该结构可在大型飞艇艇身周边安装，实现大型飞艇姿态的迅速调整、并使大型飞艇能够应用于农业场景。

本发明的技术方案包括：一种四轴倾转翼结构，包括上机身板(6)、下机身板(9)；所述下机身板(9)上固定有飞行控制器(13)，下机身板(9)的四角设置4个相同的舵机固定支架(12)，所述舵机固定支架(12)固定有舵机(8)、上承重板(7)，所述舵机(8)固定有法兰(11)，舵机(8)带动法兰(11)转动，使得电机固定支架(3)上的上部电机(2)、下部电机(4)进行旋转，达到倾转的目的；

所述法兰(11)固定有电机固定支架(3)，所述电机固定支架(3)固定有上部电机(2)与下部电机(4)，所述上部电机(2)固定有上部桨叶(1)，所述下部电机(4)固定有下部桨叶(5)，上部电机(2)和下部电机(4)带动上部桨叶(1)和下部桨叶(5)进行转动，形成向上的升力，整机以电机固定支架(3)为基础形成的电机组共有四组，为四轴倾转翼飞行提供了升力；同时上部电机(2)与下部电机(4)的旋转方向相反，使得上部电机(2)与下部电机(4)产生的反扭力矩相互抵消，让舵机(8)的进行正常旋转，不受到上部电机(2)和下部电机(4)产生的反扭力矩的影响；因为上部电机(2)与下部电机(4)的旋转方向相反，进而上部桨叶(1)与下部桨叶(5)需要不同方向安装，使得电机产生的升力都朝上。

进一步，四轴倾转翼结构整机部分结构采用卡扣方式进行固定，其中舵机(8)卡在舵机固定支架(12)中，同时通过螺丝进行紧密固定，所述舵机固定支架(12)上下均有卡齿可卡进上机身板(6)与下机身板(9)，舵机固定支架(12)留有开口，上承重板(7)可卡入其中进行固定；四轴倾转翼结构整机部分结构还包括T型固定件(16)，T型固定件(16)留有上开口、下开口和圆孔，其中上开口固定上承重板(7)，下开口固定下承重板(10)，圆孔固定电机固定支架(3)；其他均采用螺丝进行紧密固定，上部桨叶(1)与上部电机(2)使用螺丝进行固定，下部桨叶(5)与下部电机(4)使用螺丝进行固定，上部电机(2)、下部电机(4)与电机固定支架(3)的连接使用螺丝进行固定，法兰(11)使用螺丝与电机固定支架(3)进行固定。

进一步，所述飞行控制器(13)包括北斗定位模块、陀螺仪、加速度计、气压计、超声波传感器、遥控接收器、磁力计与微型处理器；所述北斗定位模块用于飞行阶段给控制器提供精确的位置数据，所述陀螺仪、加速度计、磁力计通过数据融合获得飞行器的姿态信息，所述气压计与超声波传感器一起用于解算四轴倾转翼的实时高度，微型处理器与上述北斗定位模块、陀螺仪、加速度计、气压计、超声波传感器、磁力计连接，处理多种传感器的数据，同时飞行控制器还与电调、舵机(8)相连，负责下达舵机旋转角度与电机旋转速度的指令，达到四轴倾转翼稳定飞行的效果。

进一步，所述上机身板(6)、下机身板(9)、上承重板(7)、下承重板(10)、舵机固定支架(12)、T型固定件(16)均为碳纤材质，所述法兰(11)、电机连接支架(3)、下承重板固定件(14)为铝制材料，所述上桨叶(1)、下桨叶(5)为塑料材质。

进一步，还包括电池(15)，所述电池(15)位于下机身板(9)下方，所述电池(15)为上部电机(2)、下部电机(4)、舵机(8)与飞行控制器(13)提供电力。

本发明的一种四轴倾转翼结构的控制方法，包括以下步骤：

在***上电后进行初始化操作,首先对遥控器进行校准，此处按照不同遥控器的具体校准方式进行校准，校准后完成对无人机的遥控操作,接着对北斗定位模块进行预热，直到北斗定位模块可以读取到工作区域中四轴倾转翼具体的位置信息,接着对加速度计进行校准，将四轴倾转翼摆放在六个面静止，每个面静止放置5秒，完成数据采集的校准,最后对磁力计进行校准，将四轴倾转翼进行尽量多的在三维空间进行旋转，直到校准完成；

初始化操作完成后，由无人机飞手使用遥控器对四轴倾转翼进行遥控起飞，在四轴倾转翼接收到起飞指令直至降落前，由串级PID控制器对四轴倾转翼的姿态、位置进行控制，使其按照无人机飞手的通过遥控器下达的指令进行飞行；

四轴倾转翼起飞后，由飞行控制器(13)对整机进行控制，其飞行过程中主要包括两个特征，首先是采用安装舵机(8)的结构，当舵机(8)旋转时，带动电机固定支架(3)进行旋转，进而上部电机(2)与下部电机(4)上的上部桨叶(1)和下部桨叶(5)所产生的升力可以分解为水平于机身方向与垂直于机身方向的两个方向，达到让四轴倾转翼在改变飞行高度的过程中仍可以使机身保持水平的目的，而常规四旋翼在改变飞行高度的过程中则会使机身发生倾斜,接着为保证舵机(8)的正常旋转，四轴倾转翼的上部电机(2)与下部电机(4)的旋转方向相反，采取该种方式目的是为了互相抵消两电机产生的反扭力矩，保证舵机(8)的转动不受到上部电机(2)与下部电机(4)旋转带来的其他因素的影响。

进一步，由串级PID控制器对四轴倾转翼的姿态、位置进行控制，具体过程为：

控制***利用两组串级PID进行控制，其中第一组串级PID以角速度作为内环，角速度通过陀螺仪测得；然后把角度控制作为外环，角度通过陀螺仪、磁力计传感器得数据融合而获得；第二组串级PID以速度控制环为内环，利用IMU数据进行融合得出当前的速度值；外环是位置控制，可以利用气压计、北斗定位模块传感器获得得数据进行融合获得位置信息，通过这样的两个串级PID控制器，控制飞行器的位置与姿态；

在四轴倾转翼采用一键降落模式，起飞前飞行控制器(13)中的微信处理器记录下北斗定位模块获得的四轴倾转翼的具***置，在下降的过程中，由气压计、超声波等传感器解算出四轴倾转翼降落时的高度，由飞行控制器(13)下达具体指令控制舵机(8)、上部电机(2)与下部电机(4)使机体缓慢下降到起飞的位置完成整个飞行任务。

本发明具有以下技术效果：

本设计在兼顾四旋翼灵活、快速、成本低等特点下，还具备常规四旋翼无人机不具备的特点：

1、采用对桨设计，上部电机2和下部电机4对称设计，可以在较小的空间内获得更大的升力，两个较小体积的电机的升力可以达到一个体积更大的电机的升力，与此同时还可以节约四轴倾转翼的平面体积。上部电机2和下部电机4对称的设计还可以抵消两电机的产生反扭力矩，使得舵机与电机结合的设计能够充分发挥出它的优势。

2、采用舵机8结合上部电机2与下部电机4的结构设计，可以使上部电机2与下部电机4上的上部桨叶1和下部桨叶5所产生的升力分解为水平于机身方向与垂直于机身方向的两个方向，保证四轴倾转翼在改变高度的过程中保持机身的水平。在保持机身水平飞行的情况下，可以减小机体的迎风面积从而减小阻力。

3、四轴倾转翼的主要材质采用碳纤材质，部分零部件的材质使用铝材质。可以有效的减小整机的质量，同时也不会丧失整机的强度。在整机质量减小的情况下可以采用更大的电池，获得更好的续航效果。

4、本设计多处采用卡扣设计，卡扣设计不但提供了一种简略快捷的安装模式，更是一种低成本、可靠的紧接方式。卡扣设计使得在组装四轴倾转翼时装拆简单，一般只需一个***的动作，无需作旋转运动或安装前零件的定位工作，快捷简洁。同时扣位与零件一起成形，充份发挥设计的优势。并且在安装进程中无需配合螺丝紧固件或接着剂，也有效的降低了成本。

5、舵机结合电机的设计按比例放大应用至无人飞艇可以配合无人飞艇的特点，保持艇身水平的情况下进行前后运动。进而使得小型飞艇在农业如农药喷洒、作物播种、田间检测等农业方面具有使用价值。

附图说明

图1为四轴倾转翼整体结构图a；

图2为四轴倾转翼整体结构图b；

图3为四轴倾转翼整体结构图c；

图4为倾转结构图；

图5为控制***硬件结构图；

图6为两组串级PID控制图；

图7为四轴倾转翼简易运动学模型配图

图8为***控制逻辑图；

在图中，1-上部桨叶；2-上部电机；3-电机固定支架；4-下部电机；5-下部桨叶；6-上机身板；7-上承重板；8-舵机；9-下机身板；10-下承重板；11-法兰；12-舵机固定支架；13-飞行控制器；14-下承重板固定件；15-电池；16-T型固定件；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

作为本发明的一个具体实施例，结合图1、图2、图3所示的为四轴倾转翼整体结构图a、四轴倾转翼整体结构图b、四轴倾转翼整体结构图c，可完整得呈现出四轴倾转翼的整体结构。它主要由以下几个部分组成：1-上部桨叶；2-上部电机；3-电机固定支架；4-下部电机；5-下部桨叶；6-上板；7-上承重板；8-舵机；9-下机身板；10-下承重板；11-法兰；12-舵机固定支架；13-飞行控制器；14-下承重板固定件；15-电池；16-T型固定支架

在整个结构中，四轴倾转翼在前左、前右、后左、后右四个方位有与所述舵机8相同的四个舵机，与上部电机2、下部电机4相同的8个电机、与上部桨叶1、下部桨叶5相同的8个桨叶，与法兰11、舵机固定支架12、电机固定支架3、T型固定支架16相同的四组连接件。同时还有前后两组上承重板10和下承重板14包含其他单个部件，共同构成了整个四轴倾转翼。

如图4所示为倾转结构的放大图，四轴倾转翼主要利用该结构进行倾转，舵机8带动舵盘与法兰11旋转，继而可以带动电机固定支架3进行旋转，为了避免在倾转的过程中，机身的重量大于电机提供的升力，舵机8相对水平面旋转的角度控制在-30°到30°之间。这样既可以保证机体的正常飞行，又可以保证该结构的有效利用。

所述飞行控制器13由3M胶黏贴在下机身板9与上机身板6之间，并由扎带进行进一步的固定，保证飞行控制器中的多种传感器保持稳定，不产生震荡。桨叶与电机、电机与电机连接支架的连接均采用螺栓紧密固定，保证桨叶与电机、电机与电机连接件足够稳定，不在飞行过程中产生危险。所述电池15的固定方式采用电池带进行固定，固定于下机身板9的下方，电池线则穿过下机身板9的开孔为飞行控制器13、电机与舵机进行供电。其余部分采用卡扣固定方式，舵机8卡在舵机固定支架12中，同时通过螺丝进行紧密固定，所述舵机固定件12上下均有卡齿可卡进上机身板6与下机身板9，所示舵机固定支架留有开口，上承重板7可卡入其中进行固定。T型固定件16留有上开口、下开口和圆孔，其中上开口固定上承重板7，下开口固定下承重板10，圆孔固定电机连接支架3，此种卡扣设计既安装简便，又降低了整机的成本。

如图5所示为整机控制***的结构图，图中包含了传感器、微型控制单元、电机驱动器、遥控接收器以及执行机构。传感器包括了北斗定位模块、陀螺仪、加速度计、气压计、超声波、磁力计，多种传感器，多种传感器的配合，可以准确地得出四轴倾转翼的姿态与位置，为控制算法提供较好的数据，保持***的稳定性和可靠性。电机驱动器包括电调，利用电调可以使微型处理器去控制执行机构电机。执行机构包括电机与舵机。遥控接收器为与遥控器配套的接收器，并与微型处理器进行连接。微型控制单元统筹整机控制，利用操作***可以获得很好的控制效果。

整机的控制算法采用PID算法为基础的串级PID控制算法，PID算法结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便，依旧是现阶段工业控制采用的主要控制方法。PID控制器是根据***的误差，利用比例、积分、微分(PID)计算出控制量进行控制的，在实践应用过程中，面对不同的被控对象需要对P、I、D的数据进行整定，以达到最佳的控制目的。而串级PID是利用多级PID组合而成的控制算法，可以较好地跟踪输入量，减小外部因素对***带来的干扰，提高***的鲁棒性

如图6所示，第一组串级PID以角速度作为内环，角速度通过陀螺仪测得；然后把角度控制作为外环，角度通过陀螺仪、磁力计传感器得数据融合而得；第二组串级PID以速度控制环为内环，可以利用IMU数据进行融合得出当前的速度值；外环是位置控制，可以利用气压计、GPS等传感器获得得数据进行融合获得位置信息。通过这样的两个串级PID控制器，可以更好得控制飞行器的位置与姿态。

如图7为四轴倾转翼简易运动学模型配图，我们定义1号对桨下方为5号桨，2号对桨下方为6号桨，对桨转向相反、舵机1，3倾斜角度一致，舵机2，4倾斜角度一致，从Y轴正方向看过去，倾转角分别为

以此为基础对四轴倾转翼动力学进行建模。

首先建立线运动方程：在竖直方向上存在空气阻力、重力、旋翼的升力。

空气阻力D_i：

式(1)中C_f为控制阻力系数，

为桨叶转速的平方，D_i为空气阻力。

重力G_i：

式(2)中m为机体的质量，g为重力加速度，G_i为重力。

飞行器受力：旋翼推力

式(3)中

为旋转矩阵，w_i为角速度矢量，α₁,α₂,β₁,β₂为从四轴倾转翼Y轴正方向看过去的倾转角，C_T为旋翼的升力系数，T_b为机体坐标系下的旋翼推力，T_i为惯性坐标系下的旋翼推力。

继而得到线运动方程：

式(4)中

为线加速度，F_i为竖直方向的受力和，m为整机的质量。

接着考虑旋翼差速扭矩，旋翼反扭矩来建立角运动方程，

旋翼差速扭矩

式(5)中d为质心到电机中心的距离。C_T为旋翼的升力系数，w_i为角速度矢量，α₁,α₂,β₁,β₂为从四轴倾转翼Y轴正方向看过去的倾转角。

旋翼反扭矩

式(6)中w_i为角速度矢量，C_R为旋转矩阵，α₁,α₂,β₁,β₂为从四轴倾转翼Y轴正方向看过去的倾转角。

此时添加桨叶转速一致1号舵机与3号舵机倾转角度一致，2号舵机与4号舵机倾转角度一致的约束。添加约束后：

式(7)为角运动方程，其中M^b为力矩和。

至此四轴倾转翼的运动学方程建立完成。

如图8所示为为***作业的流程图，在***上电后，首先进行初始化操作，其中包括遥控器校准、磁力计校准、加速度计校准与GPS预热，在确认好初始化成功之后，经过一定的提示消息开始进行下一步操作。接着四轴倾转翼的飞手开始使用遥控器开始进行遥控，在飞行过程中，飞行控制器会按照一定的频率对内部的传感器进行检验是否正常运作，并且给执行器电机与舵机下达指令完成飞手下达的指令。如果在飞行的过程中出现安全隐患如电池电量过低、飞行高度大于预设高度、任一传感器出现失灵与油门过低等现象则四轴倾转翼则会进入自动降落模式，保证飞行中的安全。同时在飞行过程中也会按照一定的频率判断飞行器是否接收到一键降落等指令，一旦接收到一键返航指令，飞行控制器也会下达一键下降的指令。至此完成整个飞行任务。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种四轴倾转翼结构，其特征在于，包括上机身板(6)、下机身板(9)；所述下机身板(9)上固定有飞行控制器(13)，下机身板(9)的四角设置4个相同的舵机固定支架(12)，所述舵机固定支架(12)固定有舵机(8)、上承重板(7)，所述舵机(8)固定有法兰(11)，舵机(8)带动法兰(11)转动，使得电机固定支架(3)上的上部电机(2)、下部电机(4)进行旋转，达到倾转的目的；

所述法兰(11)固定有电机固定支架(3)，所述电机固定支架(3)固定有上部电机(2)与下部电机(4)，所述上部电机(2)固定有上部桨叶(1)，所述下部电机(4)固定有下部桨叶(5)，上部电机(2)和下部电机(4)带动上部桨叶(1)和下部桨叶(5)进行转动，形成向上的升力，整机以电机固定支架(3)为基础形成的电机组共有四组，为四轴倾转翼飞行提供了升力；同时上部电机(2)与下部电机(4)的旋转方向相反，使得上部电机(2)与下部电机(4)产生的反扭力矩相互抵消，让舵机(8)的进行正常旋转，不受到上部电机(2)和下部电机(4)产生的反扭力矩的影响；因为上部电机(2)与下部电机(4)的旋转方向相反，进而上部桨叶(1)与下部桨叶(5)需要不同方向安装，使得电机产生的升力都朝上。

2.根据权利要求1所述的一种四轴倾转翼结构，其特征在于，四轴倾转翼结构整机部分结构采用卡扣方式进行固定，其中舵机(8)卡在舵机固定支架(12)中，同时通过螺丝进行紧密固定，所述舵机固定支架(12)上下均有卡齿可卡进上机身板(6)与下机身板(9)，舵机固定支架(12)留有开口，上承重板(7)可卡入其中进行固定；四轴倾转翼结构整机部分结构还包括T型固定件(16)，T型固定件(16)留有上开口、下开口和圆孔，其中上开口固定上承重板(7)，下开口固定下承重板(10)，圆孔固定电机固定支架(3)；其他均采用螺丝进行紧密固定，上部桨叶(1)与上部电机(2)使用螺丝进行固定，下部桨叶(5)与下部电机(4)使用螺丝进行固定，上部电机(2)、下部电机(4)与电机固定支架(3)的连接使用螺丝进行固定，法兰(11)使用螺丝与电机固定支架(3)进行固定。

3.根据权利要求1所述的一种四轴倾转翼结构，其特征在于，所述飞行控制器(13)包括北斗定位模块、陀螺仪、加速度计、气压计、超声波传感器、遥控接收器、磁力计与微型处理器；所述北斗定位模块用于飞行阶段给控制器提供精确的位置数据，所述陀螺仪、加速度计、磁力计通过数据融合获得飞行器的姿态信息，所述气压计与超声波传感器一起用于解算四轴倾转翼的实时高度，微型处理器与上述北斗定位模块、陀螺仪、加速度计、气压计、超声波传感器、磁力计连接，处理多种传感器的数据，同时飞行控制器还与电调、舵机(8)相连，负责下达舵机旋转角度与电机旋转速度的指令，达到四轴倾转翼稳定飞行的效果。

4.根据权利要求1所述的一种四轴倾转翼结构，其特征在于，所述上机身板(6)、下机身板(9)、上承重板(7)、下承重板(10)、舵机固定支架(12)、T型固定件(16)均为碳纤材质，所述法兰(11)、电机连接支架(3)、下承重板固定件(14)为铝制材料，所述上桨叶(1)、下桨叶(5)为塑料材质。

5.根据权利要求1所述的一种四轴倾转翼结构，其特征在于，还包括电池(15)，所述电池(15)位于下机身板(9)下方，所述电池(15)为上部电机(2)、下部电机(4)、舵机(8)与飞行控制器(13)提供电力。

6.一种四轴倾转翼结构的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

在***上电后进行初始化操作,首先对遥控器进行校准，此处按照不同遥控器的具体校准方式进行校准，校准后完成对无人机的遥控操作,接着对北斗定位模块进行预热，直到北斗定位模块可以读取到工作区域中四轴倾转翼具体的位置信息,接着对加速度计进行校准，将四轴倾转翼摆放在六个面静止，每个面静止放置5秒，完成数据采集的校准,最后对磁力计进行校准，将四轴倾转翼进行尽量多的在三维空间进行旋转，直到校准完成；

初始化操作完成后，由无人机飞手使用遥控器对四轴倾转翼进行遥控起飞，在四轴倾转翼接收到起飞指令直至降落前，由串级PID控制器对四轴倾转翼的姿态、位置进行控制，使其按照无人机飞手的通过遥控器下达的指令进行飞行；

四轴倾转翼起飞后，由飞行控制器(13)对整机进行控制，其飞行过程中主要包括两个特征，首先是采用安装舵机(8)的结构，当舵机(8)旋转时，带动电机固定支架(3)进行旋转，进而上部电机(2)与下部电机(4)上的上部桨叶(1)和下部桨叶(5)所产生的升力可以分解为水平于机身方向与垂直于机身方向的两个方向，达到让四轴倾转翼在改变飞行高度的过程中仍可以使机身保持水平的目的，而常规四旋翼在改变飞行高度的过程中则会使机身发生倾斜,接着为保证舵机(8)的正常旋转，四轴倾转翼的上部电机(2)与下部电机(4)的旋转方向相反，采取该种方式目的是为了互相抵消两电机产生的反扭力矩，保证舵机(8)的转动不受到上部电机(2)与下部电机(4)旋转带来的其他因素的影响。

7.根据权利要求6所述的一种四轴倾转翼结构的控制方法，其特征在于，由串级PID控制器对四轴倾转翼的姿态、位置进行控制，具体过程为：

控制***利用两组串级PID进行控制，其中第一组串级PID以角速度作为内环，角速度通过陀螺仪测得；然后把角度控制作为外环，角度通过陀螺仪、磁力计传感器得数据融合而获得；第二组串级PID以速度控制环为内环，利用IMU数据进行融合得出当前的速度值；外环是位置控制，可以利用气压计、北斗定位模块传感器获得得数据进行融合获得位置信息，通过这样的两个串级PID控制器，控制飞行器的位置与姿态；

在四轴倾转翼采用一键降落模式，起飞前飞行控制器(13)中的微信处理器记录下北斗定位模块获得的四轴倾转翼的具***置，在下降的过程中，由气压计、超声波等传感器解算出四轴倾转翼降落时的高度，由飞行控制器(13)下达具体指令控制舵机(8)、上部电机(2)与下部电机(4)使机体缓慢下降到起飞的位置完成整个飞行任务。

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