[發明專利]一種多軸旋翼無人機及其飛行控制方法

在審

• 申請號: 202110088635.1
• 申請日: 2021-01-22
• 公開（公告）號: CN112631321A
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 王佳楠;孟津;王春彥;王丹丹
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10;G05B11/42;G05B13/04;B64C27/08;B64D27/24;B64C1/00
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 代麗

1.一種多軸旋翼無人機，包括機身、機翼及其電機、起落架、飛控和電池；其特征在于，所述機翼包括中間機翼和多個周邊機翼；中間機翼位于機身的中心，為同軸上下雙槳旋翼；周邊機翼以中間機翼為對稱中心，對稱分布。

2.如權利要求1所述的多軸旋翼無人機，其特征在于，周邊機翼為4個，呈“X”型。

3.如權利要求1所述的多軸旋翼無人機，其特征在于，飛控位于機身的下方，電池位于飛控的下方。

4.如權利要求1所述的多軸旋翼無人機，其特征在于，機身采用復合型碳纖維材料；起落架采用聚氨酯泡沫或EVA泡沫材料；機翼采用塑料三葉槳。

5.一種如權利要求1～4任意一項所述的多軸旋翼無人機的控制方法，其特征在于，周邊機翼中，沿中間機翼對稱的周邊機翼的轉向相同，相鄰的周邊機翼轉向相反；中間機翼中，上下槳轉速相同、轉向相反。

6.如權利要求5所述的控制方法，其特征在于，將周邊機翼按位置劃分為前側、后側、左側和右側；

無人機懸停及垂直方向運動時：所有周邊機翼的轉速相同，中間機翼的上下槳轉速相同；所有機翼產生的推力等于無人機重力時，無人機懸停；所有機翼產生的推力大于無人機重力時，無人機垂直向上飛行；所有機翼產生的推力小于無人機重力時，無人機垂直向下飛行；

無人機前后左右運動時：中間機翼的上下槳轉速保持不變，同時等量減小或增加前側周邊機翼轉速，同時等量增加或減小后側周邊機翼轉速，無人機向前或向后移動；中間機翼的上下槳轉速保持不變，同時等量減小或增加右側周邊機翼轉速，同時等量增加或減小左側周邊機翼轉速，無人機向右或向左移動；

無人機偏航運動時：中間機翼的上下槳轉速保持不變，同時等量減小或增加左前、右后兩側周邊機翼轉速，同時等量增加或減小右前、左后兩側周邊機翼轉速，無人機產生順或逆時針偏航運動。

7.如權利要求5或6所述的控制方法，其特征在于，周邊機翼為4個，呈“X”型；無人機的控制分配模型為：

其中，U₁、U₂、U₃和U₄為偽控制量，分別對應：拉力T、滾轉力矩M_x、俯仰力矩M_y和偏航力矩M_z；c_T為拉力系數，c_T＝1/(4π²)ρD⁴C_T，其中C_T為無量綱的拉力系數，ρ為飛行環境的空氣密度，D為螺旋槳直徑；c_M為反扭矩系數，c_M＝1/(4π²)ρD⁵C_M，其中C_M為無量綱的轉矩系數；d為無人機幾何中心到周邊機翼軸心的距離；ω_i為機翼螺旋槳轉速，i＝1,2,3,4為周邊機翼的螺旋槳，i＝5,6為中間機翼的上下槳。

8.如權利要求7所述的控制方法，其特征在于，無人機采用內外環PD控制，其中，位置環為外環，姿態環為內環；位置外環通過外環控制律計算得到預期的姿態角信號，所述姿態角信號作為姿態內環控制的輸入。