[發明專利]一種多形態無人機及其飛行控制方法

有效

• 申請號: 201610846726.6
• 申請日: 2016-09-23
• 公開（公告）號: CN106394895B
• 公開（公告）日: 2019-05-03
• 發明（設計）人: 張智鑫;張宇坤
• 申請（專利權）人: 廣東天米教育科技有限公司
• 主分類號: B64C27/22
• 分類號: B64C27/22;B64C27/14;B64D27/16;B64D27/24;B64C1/00;B64C1/34;B64C5/02;B64C5/06;B64C9/12;G05D1/08
• 代理公司: 北京卓恒知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11394
• 代理人: 張綺麗

1.一種多形態無人機飛行控制方法，多形態無人機包括：動力單元、副機臂、機臂固定件、主機臂和機身連接件，兩根副機臂平行間隔設置，主機臂通過機臂固定件固定在兩根副機臂之間，機身連接件固定在主機臂的中心，所述機身連接件上設置有卡扣，四個動力單元分別安裝在兩根副機臂的前后兩端，所述四個動力單元關于主機臂的中心呈中心對稱分布，所述四個動力單元的結構相同，均包括旋翼、無刷電機和電機轉向軸，所述電機轉向軸與副機臂固定連接，電機轉向軸內部安裝有快速舵機，無刷電機固定于電機轉向軸的連接法蘭盤上，電機轉向軸通過快速舵機調整朝向，旋翼固定在無刷電機的電機軸上；其特征在于：通過控制所述四個動力單元，實現無人機的精確飛行，具體包括以下步驟：

S1、飛行姿態獲取，通過三軸陀螺儀和三軸加速度計分別讀取安裝在四個動力單元中無刷電機的數據，通過計算得到無人機飛行過程中的俯仰角橫滾角β和方位角λ，具體計算過程如下：

S11，根據歐拉角的定義和余弦矩陣，得重力加速度，

公式1中，G為無人機的重力加速度，A為無人機的旋轉扭矩，其中旋轉扭矩的卡斯曼表達式為：

H(m，n，s，r)＝m+ni+sj+rk (公式2)

根據卡斯曼旋轉矩陣可知：

將公式3代入公式1簡化后得出重力加速度為：

其中：m、n、s、r分別為卡斯曼四元數的四個系數，其數值可根據三軸陀螺儀和三軸加速度計的測定參數得到；

S12，用重力加速度糾正陀螺儀積分姿態的漂移：

設測得的加速度值a＝(a_x a_y a_z)，用向量積來表示加速度向量a和重力加速度向量G之間的誤差向量f，即陀螺積分后的姿態和加速度計測量的姿態之間的誤差，具體計算公式如下：

S13，求解卡斯曼的微分方程：

設q_x，q_y，q_ｚ分別為三軸陀螺儀的實際角速度，采用一階龍塔庫塔求解卡斯曼的微分方程：

L(t+i)＝L(t)+iK (公式6)

K＝0.5·q(t)·L(t) (公式7)

其中卡斯曼的微分方程為：

將公式6和公式7代入公式8后計算得到公式9：

S14，卡斯曼方程轉換成歐拉角，

首先要對卡斯曼方程進行標準化處理，為標準化后的卡斯曼方程：

結合公式4、公式5、公式9和公式10，最后將卡斯曼方程轉換成歐拉角得：

控制器內的控制單元通過獲取無人機飛行過程中的俯仰角橫滾角β和方位角λ確定無人機的飛行姿態；

S2、無人機飛行控制，控制器內的控制單元在不同的飛行指令下根據獲得的俯仰角橫滾角β和方位角λ自動調整四個動力單元中電機轉向軸的位置，具體步驟如下：

S21、起飛，控制單元控制尤人機副機臂前端的兩電機轉向軸朝上，副機臂后端的兩電機轉向軸朝下，無人機啟動后，四個旋翼同時產生向下的氣流，無人機在氣流反作用力下起飛；

S22、前進，控制單元控制副機臂后端的兩電機轉向軸朝后，電機轉向軸朝后的角度根據步驟S1計算得到，同時增強副機臂前端兩無刷電機的轉速，無人機向前飛行；

S22、后退，控制單元控制副機臂前端的兩電機轉向軸朝前，電機轉向軸朝前的角度根據步驟S1計算得到，同時增強副機臂后端兩無刷電機的轉速，無人機向后飛行；

S23、左飛，控制單元控制右方兩無刷電機加速，推動無人機左傾斜，旋翼產生向右的分力，無人機左飛；

S24、右飛，控制單元控制左方兩無刷電機加速，推動無人機向右傾斜，旋翼產生向左的分力，無人機右飛。

2.一種多形態無人機，其特征在于：多形態無人機使用權利要求1所述多形態無人機飛行控制方法來實現無人機的精確飛行。

3.根據權利要求2所述多形態無人機，其特征在于：所述機身連接件上還安裝有飛艇氣囊，所述飛艇氣囊的尾部設置有相互垂直的飛艇垂直尾翼和飛艇水平尾翼。

4.根據權利要求3所述的多形態無人機，其特征在于：所述飛艇氣囊的尾部還設置有噴氣裝置。