多旋翼无人机及其系统以及飞行控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种多旋翼无人机及其系统以及飞行控制方法，该无人机包括机架，所述机架上设有主旋翼及与主旋翼相连的主旋翼电机，所述主旋翼的旋转轴方向与所述机架的平面相垂直，还包括水平驱动装置，所述水平驱动装置设置于所述机架下方且所述水平驱动装置提供的驱动力方向与所述主旋翼的旋转轴方向相垂直，其中，所述主旋翼电机及水平驱动装置均与飞控板相连。该多旋翼无人机不管是在悬停状态还是行进状态，其姿态角始终保持在0附近，可以避免因姿态角倾斜而带来的无人机瞬时掉高问题；行进的动力可以靠水平驱动装置提供，而无需靠姿态倾斜来达到，这就使得行进过程中无人机机身姿态仍然保持水平。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及多旋翼无人机控制
，特别涉及一种多旋翼无人机及其系统以及飞行控制方法。
技术介绍
多旋翼无人机具有垂直起降、空中悬停、起飞/降落不需要跑道、机动灵活及超低空飞行等特点，使其具有固定翼无人机无法比拟的优势，具有广泛的运用前景。在民用方面，可运用于农业植保，电力巡线，环境空气检测，交通检测，水资源检测，航拍及救灾。军用方面，可运用于任务侦察，作为靶机，空中中继，空中/地面打击及干扰，电子对抗等领域。随着多旋翼无人机在各领域的不断发展，其执行的任务更加多样化，复杂化。为满足各领域的需求，对自主飞行控制精度的要求也越来越高。如对植保多旋翼无人机，要求超低空飞行，精准作业，如果控制精度及稳定度不高，作业效率将严重受损。因此，无人机要得到大力发展，使其在各行业得到广泛应用，设计可靠、稳定的机型及高精度的自主飞控系统是关键。传统的多旋翼无人机是通过改变姿态来提供行进方向的动力，从而提供行进方向的速度。然而，当无人机改变姿态的时候，如姿态由水平状态机动到倾斜一个角度时，因为旋翼提供的升力与桨面是垂直的，当旋翼转速一定时，姿态倾斜一个角度，则升力分到垂直地面方向的分力减少，原来与重力平衡的力现在比重力小，而控制系统在瞬时时刻无法跟进，所以会发生掉高现象。目前现有的高度传感器如气压计，超声，激光，gps等，在高度测量方面都存在这样或那样的问题，如气压计受气流影响比较大，超声及激光等有效测距范围比较有限，GPS在垂直方向精度比较差，而目前常规的多旋翼无人机由于其本身结构的固有特性，在姿态机动时又容易发生高度波动现象，要实现高度的高精确控制面临巨大的挑战。专利
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种多旋翼无人机及其系统以及飞行控制方法，以解决现有的多旋翼无人机前进时由于掉高现象而不适用于超低空飞行及对高度要求较为精准的场合的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种多旋翼无人机，包括机架，所述机架上设有主旋翼及与主旋翼相连的主旋翼电机，所述主旋翼的旋转轴方向与所述机架的平面相垂直，还包括水平驱动装置，所述水平驱动装置设置于所述机架下方且所述水平驱动装置提供的驱动力方向与所述主旋翼的旋转轴方向相垂直，其中，所述主旋翼电机及水平驱动装置均与飞控板相连。较佳地，所述水平驱动装置包括辅旋翼及与所述辅旋翼相连的辅旋翼电机，所述辅旋翼的旋转轴方向与所述主旋翼垂直。较佳地，所述水平驱动装置还包括与所述辅旋翼匹配的涵道，所述涵道设置于所述辅旋翼外部，互相匹配的所述涵道与所述辅旋翼构成涵道式旋翼浆。较佳地，所述水平驱动装置包括两组，分别设置于所述机架前后方向上的下方处。较佳地，所述飞控板包括ARM开发板及与ARM开发板相连的GPS模块、磁强计、高度传感器及IMU模块。较佳地，还包括电调，所述主旋翼电机及水平驱动装置均分别通过电调与所述飞控板相连。较佳地，所述水平驱动装置为喷气式发动机装置。本专利技术还提供了一种多旋翼无人机系统，包括如上所述的多旋翼无人机，还包括遥控设备及/或地面站，所述遥控设备用于对所述多旋翼无人机进行飞行控制；所述地面站用于与所述多旋翼无人机进行数据交互。本专利技术还提供了一种多旋翼无人机飞行控制方法，用于控制多旋翼无人机的飞行，多旋翼无人机设置有驱动力相垂直的主旋翼及水平驱动装置，所述主旋翼的旋转轴方向与多旋翼无人机的机架所在的平面相垂直，则多旋翼无人机的飞行控制模式包括：角速度增稳模式、姿态增稳模式及自主飞行模式，当飞行控制模式为角速度增稳模式时，控制关闭水平驱动装置，并控制机架上的主旋翼的角速度为0；当飞行控制模式为姿态增稳模式时，控制关闭水平驱动装置，并控制机架上的主旋翼的姿态角为0；当飞行控制模式为自主飞行模式时，且在水平面飞行时，控制开启水平驱动装置使其提供水平方向目标行进速度的驱动力，同时由所述主旋翼控制姿态水平及航向。较佳地，在水平面飞行时包括：直线飞行、曲线飞行及过渡飞行，其中，直线飞行时，控制开启水平驱动装置使其提供水平方向目标行进速度的驱动力，同时由所述主旋翼控制姿态水平及控制航向为直线方向；曲线飞行时，控制开启水平驱动装置使其提供水平方向目标行进速度的驱动力，同时由所述主旋翼控制姿态水平及控制航向为曲线方向；过渡飞行时，控制开启水平驱动装置使其提供水平方向上由飞行切换至悬停或由悬停切换至飞行的过渡行进速度的驱动力，同时由所述主旋翼控姿态水平及航向。本专利技术具有以下有益效果：(1)不管无人机是在悬停状态还是行进状态，其姿态角始终保持在0附近，可以避免因姿态角倾斜而带来的无人机瞬时掉高问题。(2)多旋翼无人机行进的动力可以靠水平驱动装置提供，而无需靠姿态倾斜来达到，这就使得行进过程中无人机机身姿态仍然保持水平，这有别于常规多旋翼靠姿态倾斜驱动无人机行进。(3)当所设计的无人机关闭水平驱动装置时，则其与常规的多旋翼无异，所以它保留了常规多旋翼无人机的所有优点。(4)作为水平驱动装置的涵道旋翼桨是在自由旋翼桨基础上外加一涵道。涵道旋翼桨相比自由旋翼桨其诱导阻力减小，对提高无人机的水平速度有重要作用。附图说明图1为本专利技术优选实施例提供的多旋翼无人机结构图；图2为优选实施例提供的多旋翼无人机飞控板的组成结构图；图3为优选实施例提供的多旋翼无人机系统的组成结构图；图4为优选实施例提供的多旋翼无人机飞行控制模式示意图；图5为优选实施例提供的多旋翼无人机飞行自主飞行控制模式示意图。具体实施方式为更好地说明本专利技术，兹以一优选实施例，并配合附图对本专利技术作详细说明，具体如下：如图1所示，本实施例提供了一种多旋翼无人机，包括机架1、主旋翼2、主旋翼电机3及飞控板6。其中，机架1上设有上述的主旋翼2及与主旋翼2相连的主旋翼电机3，主旋翼2的旋转轴方向与机架1的平面相垂直，本实施例中的多旋翼无人机为的主旋翼数量为4个，对应地主旋翼电机的数量也为4个，四个主旋翼提供升力，控制高度、航向及水平姿态。机架支撑整个无人机，以及连接及承载无人机的各个部分。该多旋翼无人机还包括水平驱动装置，水平驱动装置设置于机架1的下方且水平驱动装置提供的驱动力方向与主旋翼2的旋转轴方向相垂直，其中，主旋翼电机3及水平驱动装置均与飞控板6相连。该飞控板6用户接收控制指令以控制主旋翼电机3及水平驱动装置提供需要的驱动力，从而驱动该多旋翼无人机按照预定的速度及轨迹飞行。其中，本实施例中的水平驱动装置包括辅旋翼4及与辅旋翼4相连的辅旋翼电机5，辅旋翼4的旋转轴方向与主旋翼2垂直。从而该辅旋翼4可以提供与主旋翼2相垂直的驱动力，也即提供与机架1的平面相平行的驱动力，便于控制该多旋翼无人机进行水平方向或与机架1的平面相平行的方向上的移动。其中，上述的水平驱动装置还包括与辅旋翼4匹配的涵道7，涵道7设置于辅旋翼4外部，互相匹配的涵道7与辅旋翼4构成涵道式旋翼浆。该涵道旋翼桨是在自由旋翼桨基础上外加一涵道。涵道旋翼桨相比自由旋翼桨其诱导阻力减小，对提高无人机的水平速度有重要作用。本实施例中的水平驱动装置包括两组，分别设置于机架1前后方向上的下方处。该对涵道式旋翼桨提供前向与后向推力，推动无人机在水平方向上的运动。具体地当该水平驱动装置为一对涵道旋翼桨时，其垂直于四个主旋翼桨的桨面安装，其中一个涵道旋翼桨安装与无人机机头方向一致，另一个桨安装与无人机机头方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多旋翼无人机，其特征在于，包括机架，所述机架上设有主旋翼及与主旋翼相连的主旋翼电机，所述主旋翼的旋转轴方向与所述机架的平面相垂直，还包括水平驱动装置，所述水平驱动装置设置于所述机架下方且所述水平驱动装置提供的驱动力方向与所述主旋翼的旋转轴方向相垂直，其中，所述主旋翼电机及水平驱动装置均与飞控板相连。

【技术特征摘要】
1.一种多旋翼无人机，其特征在于，包括机架，所述机架上设有主旋翼及与主旋翼相连的主旋翼电机，所述主旋翼的旋转轴方向与所述机架的平面相垂直，还包括水平驱动装置，所述水平驱动装置设置于所述机架下方且所述水平驱动装置提供的驱动力方向与所述主旋翼的旋转轴方向相垂直，其中，所述主旋翼电机及水平驱动装置均与飞控板相连。2.根据权利要求1所述的多旋翼无人机，其特征在于，所述水平驱动装置包括辅旋翼及与所述辅旋翼相连的辅旋翼电机，所述辅旋翼的旋转轴方向与所述主旋翼垂直。3.根据权利要求2所述的多旋翼无人机，其特征在于，所述水平驱动装置还包括与所述辅旋翼匹配的涵道，所述涵道设置于所述辅旋翼外部，互相匹配的所述涵道与所述辅旋翼构成涵道式旋翼浆。4.根据权利要求1所述的多旋翼无人机，其特征在于，所述水平驱动装置包括两组，分别设置于所述机架前后方向上的下方处。5.根据权利要求1所述的多旋翼无人机，其特征在于，所述飞控板包括ARM开发板及与ARM开发板相连的GPS模块、磁强计、高度传感器及IMU模块。6.根据权利要求1所述的多旋翼无人机，其特征在于，还包括电调，所述主旋翼电机及水平驱动装置均分别通过电调与所述飞控板相连。7.根据权利要求1所述的多旋翼无人机，其特征在于，所述水平驱动装置为喷气式发动机装置。8.一种多旋翼无人机系统，其特征在于，包括权利要求1至6任意一项所述的多旋翼无人机，还包括遥控设备及/...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙海辉，赵健康，崔超，陈自强，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31