[發明專利]多旋翼無人機及其控制方法

在審

• 申請號: 201710912147.1
• 申請日: 2017-09-29
• 公開（公告）號: CN107856850A
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 易建強;眭澤智;蒲志強;陶新龍
• 申請（專利權）人: 中國科學院自動化研究所
• 主分類號: B64C27/08
• 分類號: B64C27/08;G05D1/08
• 代理公司: 北京瀚仁知識產權代理事務所(普通合伙)11482
• 代理人: 宋寶庫,王世超

技術領域

本發明屬于飛行器技術領域，具體提供一種多旋翼無人機及其控制方法。

背景技術

多旋翼無人機由于其機動性好，結構簡單，成本較低等優點，近些年來得以快速發展，在影視航拍、軍事偵查、災害搜救、環境監測、飛行表演等領域表現出巨大的應用潛力。

由于多旋翼無人機是一個欠驅動的系統，一般通過設計雙環控制系統完成位置運動與姿態運動，但這種方法存在諸多問題。

比如，圖1a、1b是現有四旋翼無人機的平飛運動受力示意圖，傳統的四旋翼無人機在平飛運動中包含如圖1a所示的由懸停到前進和如圖1b所示的由前進到懸停兩部分。在啟動過程中，如圖1a所示，由于推進力必須由升力在水平方向的分力F提供，無人機需要前傾來產生推動力，四旋翼會產生姿態變化：在這個變化過程中，無人機的前傾會在高度通道上產生一定的下落，而后上升，保持姿態角度，實現平飛。在制動過程中，如圖1b所示，制動力同樣必須由升力在水平的分力F提供，無人機需要后傾來產生制動力，四旋翼會產生姿態變化：在這個變化過程中，后傾同樣在高度通道上產生一定的下落，而后上升，制動，懸停。

如上所述，在一次水平運動中的水平啟動和水平制動，無人機的姿態和高度就需要改變兩次，使得整個系統無法精準控制。此外，由于無人機的俯仰角是被限制的，升力所能產生的水平分力非常有限，使得傳統的多旋翼無人機無法產生較高的加速度與速度，進而影響了整個系統的機動性。

當前針對多旋翼無人機上述問題的研究一般停留在機械機構，少有控制系統的改進。大體分為以下三類：

一、傾轉式無人機，在固定翼的機翼上增加兩個可以繞機翼轉動的旋翼，這種結構的無人機可以實現垂直起降，并可以得到較大的速度，但由于固定翼飛行器本身的特性，機動性低，且模型過于復雜，給控制造成了很大的問題；

二、多旋翼附加到固定翼飛行器上，構成組合飛行器，這類飛行器模型簡單，續航時間比較長，但受制于固定翼的特性，機動性低，不能實現精準控制；

三、在多旋翼飛行器尾部增加一個或者兩個輔助旋翼來產生較大的動力，但將推進旋翼設置到尾部，使得整個飛行器質心不在中心，使得飛行器的運行狀態非平穩狀態。并且，機尾的動力器會通過機體產生俯仰扭矩，影響飛行器姿態穩定，給飛行器控制造成很大的麻煩。

因此，現有技術中缺乏一種飛行器姿態穩定性好、機動性強、動態響應好的多旋翼無人機，也缺乏一種合適的位置姿態分離控制方法，來實現無人機各個通道的獨立精準控制。

相應地，本領域需要一種新型多旋翼無人機及其控制方法來解決上述問題。

發明內容

為了解決現有技術中的上述問題，本發明提供一種多旋翼無人機，該無人機姿態平穩、結構簡單合理，機動性強，能夠實現高速飛行，可快速啟動和制動。

本發明還提供了一種多旋翼無人機的控制方法，根據實際需要提供給姿態旋翼和/或推進旋翼相應的力，實現不同位置與姿態的分離控制，獨立精準。

為實現上述目的，本發明的多旋翼無人機包括機架主體和姿態控制機構，所述姿態控制機構固定到所述機架主體或者與所述機架主體一體制成，其特征在于，所述多旋翼無人機還包括固定到所述機架主體或者與所述機架主體一體制成的推進機構，所述推進機構包括相對于所述機架主體對稱設置的兩個推進單元，每個推進單元包括從所述機架主體延伸的推進機臂以及設置在所述推進機臂上的推進旋翼和推進旋翼驅動裝置，所述推進旋翼驅動裝置連接到所述推進旋翼，用于驅動所述推進旋翼轉動。

在上述多旋翼無人機的優選實施方式中，所述姿態控制機構包括繞所述機架主體沿周向均勻設置的多個姿態控制單元，每個姿態控制單元包括從所述機架主體延伸的姿態機臂以及設置在所述姿態機臂上的姿態旋翼和姿態旋翼驅動裝置，所述姿態旋翼驅動裝置連接到所述姿態旋翼，用于驅動所述姿態旋翼轉動。

在上述多旋翼無人機的優選實施方式中，所述姿態控制機構包括4個姿態控制單元，每個相鄰姿態控制單元的姿態機臂之間的夾角為90度。

在上述多旋翼無人機的優選實施方式中，在工作過程中，每個推進旋翼驅動裝置驅動對應的推進旋翼沿著與另一個推進旋翼相反的方向轉動。

在上述多旋翼無人機的優選實施方式中，在工作過程中，所述兩個推進旋翼驅動裝置都能夠沿相反的方向轉動。

在上述多旋翼無人機的優選實施方式中，所述推進旋翼驅動裝置和所述姿態旋翼驅動裝置都采用無刷電機，每個所述無刷電機上都設置有電子調速計。