[發明專利]一種基于矢量推力的六自由度運動全解耦控制微小型無人機結構

有效

• 申請號: 202010579496.8
• 申請日: 2020-06-23
• 公開（公告）號: CN111891353B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（設計）人: 魏彤;高航
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B64U10/13
• 分類號: B64U10/13;B64U20/70;B64C39/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種基于矢量推力的六自由度運動全解耦微小型無人機結構，由機身、三個二自由度框架和三個共軸旋翼三部分構成。機身采用氣動外形，沿機身縱向飛行時可提供氣動升力。通過調整共軸旋翼的轉速，以及通過二自由度框架調整共軸旋翼的二自由度傾角，可以實現無人機任意自由度的飛行。本發明通過引入二自由度可傾轉共軸旋翼，能實現無人機六自由度運動的全解耦控制，完成精準起降、無偏擺側飛、萬向飛行、高精度抗擾等，結合氣動外形，還能進一步提高飛行速度、載荷能力與續航時間，尤其適用于高機動平臺搭載微小型無人機，為在工業和軍事等空地協同領域的應用提供了重要基礎。

技術領域

本發明提出一種基于矢量推力的六自由度運動全解耦微小型無人機結構，通過引入二自由度可傾轉共軸旋翼，能實現微小型無人機六自由度運動的全解耦控制，完成精準起降、無偏擺側飛、萬向飛行、高精度抗擾等，結合氣動外形，還能進一步提高飛行速度、載荷能力與續航時間，尤其適用于高機動平臺搭載無人機，為在工業和軍事等空地協同領域的應用提供了重要基礎。

背景技術

垂直起降的微小型無人機的工作范圍不受限于路況和地形，環境適應能力強，即便在廢墟、山地中也能自由靈活地實施空中偵察、監視、打擊等軍事作業。但受限于體積，微小型無人機載荷、續航和通訊能力低下。相比之下，軍用車輛具有強大的載荷、續航和通訊能力，將無人機搭載于軍用車輛，可以極大的彌補無人機的不足，是提高無人機工作能力的有效手段，具有廣闊的應用前景。

車載的垂直起降無人機必須在顛簸疾馳的機動車輛上平穩起降，即無人機必須能對車輛位姿及其速度進行高精度跟蹤，這就要求無人機具備六自由度運動全解耦的結構和能力。現有的垂直起降無人機主要包括旋翼機、復合翼機無人機兩大類。旋翼無人機利用螺旋槳產生升力來飛行，具有垂直起降能力，可以實現低速飛行、空中懸停等多種飛行狀態。但是純粹的旋翼無人機氣動效率低下，載荷能力差、續航時間短。而且旋翼機是通過改變姿態來調整飛行方向的，質心運動和姿態運動存在耦合，無法在位姿機動車輛上實現平穩起降。復合翼無人機同時結合旋翼機和固定翼機的優點，既可以垂直起降，又有較高的氣動效率，但復合翼無人機在起降時與旋翼機完全相同，質心運動和姿態運動存在類似的耦合性。因此，現有的垂直起降無人機均不適用于車載。

發明內容

本發明的技術解決問題：克服目前無人機結構存在的姿態運動與質心運動耦合等問題，結合固定翼與旋翼結構的優點，用一種二自由度旋轉框架機構來實現共軸旋翼的靈活傾轉，并結合采用氣動外形設計的機身，從而實現一種全新的六自由度運動全解耦的微小型無人機結構。

本發明的解決方案是：一種基于矢量推力的六自由度運動全解耦微小型無人機結構，由機身、三個二自由度框架和三個共軸旋翼三部分構成。機身采用底部平坦，頂部凸起的氣動外形，沿機身縱向飛行時可提供垂直于底面的氣動升力。

所述的二自由度框架包括外框架和內框架，外框架通過外框架電機連接機身，通過內框架電機連接內框架，內框架連接共軸旋翼，共軸旋翼通過旋翼電機連接螺旋槳。

所述共軸旋翼包含一對共軸且反向旋轉的螺旋槳。

所述機身采用底部平坦，頂部凸起且周向對稱的全向氣動外形，沿機身任意徑向飛行時均可提供垂直于底面的氣動升力。

所述的外框架電機驅動內框架，改變共軸旋翼的外框架角，所述的內框架電機驅動共軸旋翼，改變共軸旋翼的內框架角，所述的旋翼電機驅動螺旋槳，并改變螺旋槳的轉速。

本發明的原理是：根據所需飛行狀態的不同，通過外框架電機驅動內框架，改變旋翼的外框架角，通過內框架電機驅動旋翼，改變旋翼的內框架角，通過旋翼電機驅動螺旋槳，并改變螺旋槳的轉速，從而實現任意自由度的全解耦運動。

建立如圖1所示正交的機體坐標系，坐標系原點O與機體質心重合，x軸指向機身右側，與旋翼2和旋翼3的連線平行，y軸指向機身前方向，z軸指向機身豎直向上方向。