[發(fā)明專利]一種新構型無人機及其控制方法

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• 申請日: 2020-11-10
• 公開（公告）號: CN112319791A
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發(fā)明（設計）人: 王紅雨;韓佼志;王迎春;馬靖煊;吳昌學;喬文超
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B64C27/22
• 分類號: B64C27/22;B64C19/00
• 代理公司: 上海恒慧知識產(chǎn)權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 徐紅銀

本發(fā)明公開了一種新構型無人機及其控制方法，包括：機身、機臂組件及旋翼動力組件；機臂組件包括多個，設置于機身上，且相對于機身中心對稱；旋翼動力組件包括：垂直及水平動力組件；垂直動力組件設置于機臂組件上，垂直動力組件僅用于姿態(tài)控制和提供無人機的升力，使無人機在水平面內保持穩(wěn)定；水平動力組件豎直設置于至少一對機臂上，提供無人機在水平面內動作的動力，且每對水平動力組件相對于機身呈中心軸對稱分布；當無人機達到預設高度后，水平動力組件驅動其在水平面內運動，通過旋翼轉速控制，使無人機在不改變傾角的情況下完成一系列動作。通過本發(fā)明，避免了傳統(tǒng)多旋翼無人機水平運動與俯仰角之間的耦合，有效提高無人機姿態(tài)控制精度。

技術領域

本發(fā)明涉及無人機技術領域，特別涉及一種新構型無人機及其控制方法。

背景技術

多旋翼無人機因其低廉的成本和簡單的控制方式，在多個領域均有廣泛的應用。在一些特殊的領域中，如倉庫貨運、精準測量、以及軍用精確打擊等，對無人機的控制精度有很高的要求，需要無人機在飛行的過程中保持平穩(wěn)的姿態(tài)。傳統(tǒng)的多旋翼無人機系統(tǒng)通過改變多個平行于地面的螺旋槳轉速或螺距，產(chǎn)生推力差或者扭矩差來實現(xiàn)飛行姿態(tài)控制。這樣的控制模式導致多旋翼無人機姿態(tài)和位置耦合，在姿態(tài)調整的過程中不可避免地會出現(xiàn)機身傾斜的情況，不利于維持無人機平衡穩(wěn)定的飛行姿態(tài)。在某些特定的工作情景中，需要飛行器姿態(tài)和位置解耦，在改變無人機位置的同時保持其姿態(tài)穩(wěn)定不變，這就要求無人機在飛行的過程中不能產(chǎn)生傾角，同時不能降低多旋翼無人機本身所具有的靈活、易控制的優(yōu)勢。

現(xiàn)有技術中的多旋翼無人機包括：垂直起降固定翼無人機以及普通的四旋翼無人機。其中垂直起降固定翼無人機通過平行于地面的旋翼進行垂直方向上的運動，達到既定高度時采用垂直于地面的旋翼配合固定翼提供升力來進行平飛。四旋翼(多旋翼)無人機主要利用不同旋翼間的差速產(chǎn)生向前或向后的運動。

專利CN 210191819 U公開了一種垂直起降固定翼無人機，如圖1所示，其主體結構類似于普通的固定翼飛機，主固定翼由機身長軸相對兩側延伸構成，在平飛模式下提供機身向上的升力。該發(fā)明的主要特征在于安裝在平行于機身的支臂上的旋翼組件和安裝在機身尾部的推進動力組件，其中四個旋翼組件用于提供垂直起降升力，推進動力組件提供水平推力。

專利CN 211139660 U公開了另一種垂直起降固定翼無人機，如圖2所示，其機身的頭部轉動連接有轉軸，轉軸的外端連接有第一旋翼，由該旋翼在無人機平飛模式下提供水平推力。機身中部的兩側側翼板上裝有第二旋翼組，由第二旋翼組提供垂直起降的升力。

專利CN 110871890 A公開了一種四旋翼無人機，如圖3。包括由四個結構相同的可拆式側壁安裝成型的方形機架，區(qū)別于傳統(tǒng)的通過旋翼轉速差實現(xiàn)空中動作的無人機，其特點在于可通過調整旋翼的角度來實現(xiàn)無人機在空中的動作。但仍舊不可避免地會在姿態(tài)改變的過程中產(chǎn)生機身傾斜的情況，并且機械結構復雜，制作生產(chǎn)困難。

現(xiàn)有方案的主要缺陷有：1、垂直起降固定翼無人機無法進行空中“剎車“甚至后退飛行的動作，對于高速復雜運功的對接目標無法實現(xiàn)理想的追蹤對接。2、垂直起降固定翼無人機飛行模態(tài)的轉換控制復雜，整體性能介于旋翼和固定翼之間。難以實現(xiàn)對動態(tài)尤其是非合作目標的精確對接、瞄準。3、傳統(tǒng)的多旋翼無人機控制不夠靈活，在姿態(tài)調整的過程中不可避免地會產(chǎn)生俯仰角的變化和偏差即機身傾斜的情況，導致對接和追蹤的精度不夠，不能完成對接任務或搭載精確的測量儀器。

多旋翼無人機一般僅依靠旋翼進行姿態(tài)的控制，在空中完成橫滾、懸停、俯仰、偏航等動作，均是通過調節(jié)各個旋翼的轉速大小產(chǎn)生所需的升力和力矩來實現(xiàn)的。這樣的飛行控制方式在無人機飛行姿態(tài)的調整過程中不可避免的會產(chǎn)生大的機身傾角，這樣的傾角在精確對接、瞄準、測量等對精度要求高的任務中是無法接受的。

發(fā)明內容