The invention discloses a six degree of freedom of independent control of four rotor unmanned aerial vehicle and its control method, including the fuselage, the machine arm and four arm machine controller is fixed on the machine and the machine arm is installed at the end of a rotor nacelle system with multi degree of freedom of manipulation, the rotor hub center hinge, and driven by a motor variable pitch, variable speed. The automatic tilt controller is used to control the total pitch and the pitch of the rotor. The steering wheel can be tipped in any direction under the control of the steering gear. The total pitch, vertical and horizontal pitch, rotation speed and independent rotation speed of each rotor are controlled independently. Each pair of rotor to provide three direction and three direction of the moment, coordination of four rotors, the aircraft flying in the air when the six degrees of freedom (three line speed, three angular velocity and attitude decoupling), independently controllable. The aircraft has six channels input: front and back speed, left and right velocity, up and down speed, pitching attitude, roll attitude, heading attitude, respectively, corresponding to the six degrees of freedom of the flight of the aircraft.
【技术实现步骤摘要】
一种空间六自由度独立可控四旋翼无人飞行器及其控制方法
本专利技术涉及无人机
,特别涉及一种多旋翼飞行器六自由度解耦控制技术,具体属于无人机飞行力学与控制
技术介绍
多旋翼飞行器利用多个旋翼,可以实现向任意方向飞行和空中悬停,能够完成多种任务。如利用多旋翼无人机搭载微型相机进行航拍,或者搭载各种测量仪器,进行高空探测或抛投物品。如今,多旋翼飞行器已经在农业、气象、电力、灾害预警和救援等多领域得到了广泛应用。目前,大多数多旋翼无人机采用螺旋桨来提供升力,由于螺旋桨不可变距,改变拉力大小都是通过调节电机转速来实现的,且由于螺旋桨拉力方向不可相对机身倾斜,因此无论是前飞还是改变航向必然导致也必须要求机身姿态的改变,即存在速度与姿态耦合的问题。在机身需要不断倾斜的情况下,飞行的稳定性受到了影响,仪器设备工作在一个晃动的平台上,难以达到最佳的效果。为了消除这种不稳定性,一般采用增稳云台如三轴增稳云台,但是却增加了不必要的结构,而且对控制系统的要求比较高,无疑增加了飞行器的复杂程度。目前需要一种在机械结构上实现旋翼拉力方向可变的多旋翼无人飞行器,保证飞行器在飞行过程中线速度和姿态解耦,即飞行速度与飞行姿态无关。
技术实现思路
针对前述
技术介绍
,本专利技术提供了一种空间六自由度独立可控的无人飞行器,实现速度和姿态的解耦控制。本专利技术提供的一种空间六自由度独立可控四旋翼无人飞行器,包括机身5、机臂2、控制器7、起落架3,所述机臂2有四条,呈十字形对称分布在所述机身5上,每条机臂2的末端设有旋翼短舱系统,所述旋翼短舱系统包括前旋翼短舱系统1、后旋翼短舱系统6、左 ...
【技术保护点】
一种空间六自由度独立可控四旋翼无人飞行器,包括机身(5)、机臂(2)、控制器(7)、起落架(3),所述机臂(2)呈十字形对称分布在所述机身(5)上,每条机臂(2)的末端设有旋翼短舱系统,所述旋翼短舱系统包括前旋翼短舱系统(1)、后旋翼短舱系统(6)、左旋翼短舱系统(4)、右旋翼短舱系统(8);其特征在于:旋翼短舱系统由电机(16)、变速器(17),旋翼轴(23),舵机(14)、桨毂(9)、自动倾斜器(13)以及上拉杆(12)、下拉杆(21)等组成;所述桨毂(9)为中心较式;所述电机(16)通过变速器(17)驱动旋翼旋转;每套旋翼短舱系统设有至少三个所述舵机(14),每个舵机通过下拉杆(21)与自动倾斜器(13)相连,实现所述自动倾斜器(13)的三个自由度运动,包括沿旋翼轴上下运动,左右倾斜、前后倾斜,所述自动倾斜器(13)的三个自由度运动实现旋翼的三个自由度操纵运动,包括总距、纵向周期变距、横向周期变距;所有旋翼的三个自由度操纵运动和电机转速由所述控制器(7)控制,实现所有旋翼的操纵运动自由度、转速运动自由度的组合、协调。
【技术特征摘要】
1.一种空间六自由度独立可控四旋翼无人飞行器,包括机身(5)、机臂(2)、控制器(7)、起落架(3),所述机臂(2)呈十字形对称分布在所述机身(5)上,每条机臂(2)的末端设有旋翼短舱系统,所述旋翼短舱系统包括前旋翼短舱系统(1)、后旋翼短舱系统(6)、左旋翼短舱系统(4)、右旋翼短舱系统(8);其特征在于:旋翼短舱系统由电机(16)、变速器(17),旋翼轴(23),舵机(14)、桨毂(9)、自动倾斜器(13)以及上拉杆(12)、下拉杆(21)等组成;所述桨毂(9)为中心较式;所述电机(16)通过变速器(17)驱动旋翼旋转;每套旋翼短舱系统设有至少三个所述舵机(14),每个舵机通过下拉杆(21)与自动倾斜器(13)相连,实现所述自动倾斜器(13)的三个自由度运动,包括沿旋翼轴上下运动,左右倾斜、前后倾斜,所述自动倾斜器(13)的三个自由度运动实现旋翼的三个自由度操纵运动,包括总距、纵向周期变距、横向周期变距;所有旋翼的三个自由度操纵运动和电机转速由所述控制器(7)控制,实现所有旋翼的操纵运动自由度、转速运动自由度的组合、协调。2.根据权利要求1所述的一种空间六自由度独立可控四旋翼无人飞行器,其特征在于:所述桨毂(9)包括万向节(28)、变距轴颈(30)、桨夹(29),所述万向节(28)与旋翼轴(23)连接,所述变距轴颈(30)与万向节(28)连接,所述桨夹(29)与变距轴颈(30)铰接;所述桨叶变距摇臂(11)安装在所述变距轴颈(30)上,通过所述上拉杆(12)连接自动倾斜器(13),实现旋翼桨盘平面对自动倾斜器(13)倾斜的跟踪,并由万向节(28)实现旋翼桨盘平面的倾斜;所述桨叶(10)固定在桨夹(29)上,所述桨夹(29)可绕变距轴颈(30)旋转,实现桨叶变距。3.根据权利要求1所述的一种空间六自由度独立可控四旋翼无人飞行器,其特征在于:相对两副旋翼的旋向相同,相邻两副旋翼的旋向相反。4.一种空间六自由度独立可控四旋翼无人飞行器的控制方法,其特征在于:该方法采用空间六自由度多变量解耦控制算法,将飞行器空间六自由度输入信号变换为12个所述舵机(14)的运动指令和4个所述电机(16)的转速指令,并通过旋翼的操纵运动自由度、转速运动自由度进行组合、协调,使飞行器完全跟踪空间六自由度输入信号,实现飞行器的空间六自由度解耦控制。5.根据权利要求4所述的一种空间六自由度独立可控四旋翼无人飞行器的控制方法,其特征在于:所述空间六自由度多变量解耦控制算法的具体步骤为:步骤1:建立全量实时非线性空间六自由度独立可控四旋翼无人飞行器飞行动力学模型;步骤2::将六自由度期望输入信号作为全量实时非线性飞行动力学模型的输入,对飞行动力学模型进行配平计算;步骤3::通过配平计算结果获得四套旋翼操纵自由度、转速自由度的组合协调关系,从而确定单套旋翼短舱系统的三个操纵自由度和一个转速自由度;步骤4:根据舵机(14)与自动倾斜器(13)的相对位置,建立舵机摇臂(15)与单个旋翼操纵自由度的运动关系...
【专利技术属性】
技术研发人员:宋彦国,王焕瑾,陈忠俊,
申请(专利权)人:南京航空航天大学,
类型:发明
国别省市:江苏,32
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