一种基于投射与多旋翼相结合的新型无人机及其姿态控制方法技术

本发明专利技术提出了一种基于投射与多旋翼相结合的新型无人机及其控制方法，无人机包括了基于结构总线设计的七大模组：展翼模组、电池模组、机架模组、飞行控制舱模组、伞降模组、探头模组和旋向旋翼模组。其中各模组内部功能完全封装，模组之间预留统一的结构、信号接口，提高不同性能指标的模组之间的互换性和性能适配度。展翼模组包括了三旋翼同步连杆展开机构和双弹簧阻尼抗扰装置。基于本发明专利技术的无人机具有两种飞行姿态和三段式的飞行方式，搭配飞行补偿算法修正了飞行姿态切换过程造成的轨迹误差。相比目前市面上的无人机，本发明专利技术整机结构上更为紧凑，性能搭配更为灵活，应用更为突出，特别是针对远航程、长航时的飞行任务，能发挥快速响应、精确投射的飞行性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于投射与多旋翼相结合的新型无人机及其姿态控制方法
本专利技术涉及一种基于投射与多旋翼相结合的新型无人机及其姿态控制方法，属于多旋翼无人机领域和炮射无人机领域的交叉
，特别是基于投射与多旋翼相结合的新型无人机领域。
技术介绍
随着高新技术的发展，无人机作为一种集空中运输、通讯、远程执行等一体化的平台，近年依赖航空、信息、自动控制等高新技术不断发展。各国超大工程都利用无人机高空协作能力，提供高品质、近实时、全天候的施工监视、目标捕获、性能评估。而多旋翼无人机领域无疑是21世纪无人机迅速发展的主力：特定空域的飞行稳定性能远远强于固定翼无人机，且便于实现对特定位置上空空域定点悬停。对于使用者来说，多旋翼无人机结构上的简单和低成本，使得携带性提高，便于大量配备以期实现群控。目前，市面上多旋翼无人机在飞行控制和动力驱动方面发展已经非常成熟；但另一方面，基于多旋翼无人机的飞行原理，在面向多元化的飞行任务也显示出先天不足：多旋翼驱动导致飞行航时较短、远程响应速度慢、飞行过程中红外效应明显，这些使得多旋翼无人机在一些特定的场合受到了极大的限制。一方面，军用无人机强调隐身性能，但多旋翼无人机由于自身飞行速度的牵制和机身内部电池热效应所释放出的红外线，使得自身极易被红外设备捕获而降低突防能力；同时在远程定点目标快速响应上也体现出不足，大量的能源用于辅助飞行过程，从而降低了无人机到达目的地执行任务的续航时间。另一方面，消费级市场对多旋翼无人机的要求就更多。不同空域、不同负载、不同飞行任务等，都促使多旋翼无人机向多元化的方向发展。然而，目前市面上的多旋翼无人机大多采用统一的一体化机身，设计初期都是以最大飞行性能指标进行设计，使得成本过高，同时也很难和使用者实际飞行环境相适配。因此，目前多旋翼无人机面临着提高飞行过程响应速度和目的地执行时间效率、完善飞行性能模组化匹配等方面问题。
技术实现思路
本专利技术针对解决上述问题，提供一种基于投射与多旋翼相结合的新型无人机及其姿态控制方法。使得无人机可以极好的继承了炮弹飞行过程中的快速性、机动性和多旋翼巡航过程中的灵活性、稳定性的特点。同时，凭借其快速投射的优势，便于躲避雷达的红外识别，从而实现飞行过程的“隐身”。本专利技术的无人机采用系统结构模组化设计，不同性能指标的模组之间具有很好的性能兼容，提高了无人机的模组互换性和性能适配度。本专利技术的无人机姿态控制方法能够在位移调整和面区域巡航过程中有效的完成位移校正和预订的飞行任务。本专利技术的技术方案为：所述一种基于投射与多旋翼相结合的新型无人机，其特征在于：包括可拆卸的外壳羽翼和基于结构总线设计的七个模组：展翼模组、电池模组、机架模组、飞行控制舱模组、伞降模组、监测探头模组和旋向旋翼模组；所述机架模组为无人机其余模组提供安装结构基础和稳固条件，实现无人机其余模组之间的结构固连和信号交互；所述展翼模组安装在机架模组后端，通过展翼模组的展开，实现无人机由投射飞行姿态向多旋翼飞行姿态切换；所述飞行控制舱模组安装在机架模组前部，飞行控制舱模组内部带有PCB导向滑槽，用于安装、定位飞控模块；所述旋向旋翼模组安装在展翼模组后端，实现在展翼模组展开、无人机进入多旋翼飞行姿态后，平衡多旋翼飞行过程中产生的轴向扭矩；所述伞降模组安装在旋向旋翼模组后端，实现返航过程中的伞降减速过程；所述监测探头模组安装在飞行控制舱模组前端，根据无人机的飞行任务，适配完成对应的飞行监测任务；所述电池模组安装在机架模组内部，为整个无人机系统提供电能输出；所述飞行控制舱模组、监测探头模组、展翼模组、旋向旋翼模组、伞降模组和电池模组内部功能完全封装且各个模组之间有统一的结构、信号接口；所述飞行控制舱模组能够分别与监测探头模组、展翼模组、旋向旋翼模组、伞降模组和电池模组同时进行信号通讯。进一步的优选方案，所述一种基于投射与多旋翼相结合的新型无人机，其特征在于：所述展翼模组通过细丝螺纹安装在机架模组后端；所述展翼模组采用三旋翼同步连杆展开机构实现展翼功能：所述三旋翼同步连杆展开机构包括滑座(12)、磁性挡块(11)、推杆(31)、平衡环(32)、旋翼支杆(22)、旋翼支杆铰座(14)、末端芯轴(29)、旋翼支杆末端套筒、电机安装托盘(28)、展翼弹簧(30)、旋翼驱动电机(25)、旋翼叶片(24)和限位卡盘(19)；滑座(12)、磁性挡块(11)和平衡环(32)装配在末端芯轴(29)相应的定位轴颈上；推杆(31)、旋翼支杆铰座(14)和滑座(12)构成曲柄滑块机构，驱动旋翼支杆(22)完成展翼功能；三旋翼结构由三组旋翼支杆(22)相对末端芯轴(29)中心轴线周向间隔120°均匀布置，三组旋翼支杆(22)一端分别对应安装在平衡环(32)上的三个旋翼支杆铰座(14)上，另一端连接电机安装托盘(28)，电机安装托盘(28)上安装有旋翼驱动电机(25)，旋翼驱动电机(25)上安装有旋翼叶片(24)；展翼弹簧(30)套在末端芯轴(29)上，且两端分别受平衡环(32)与滑座(12)约束；展翼开始前，展翼弹簧(30)和对应的弹性卡扣将展翼模组压力预紧，由弹性卡扣的松合完成对展翼弹簧(30)的压力释放，实现展翼触发；展翼弹簧(30)推动滑座(12)沿末端芯轴(29)滑动，通过推杆(31)拉动旋翼支杆末端套筒，从而驱动旋翼支杆(22)绕着旋翼支杆铰座(14)旋转，当旋翼支杆(22)到达限位卡盘(19)且滑座(12)与磁性挡块(11)接触时，完成展翼工作。进一步的优选方案，所述一种基于投射与多旋翼相结合的新型无人机，其特征在于：所述三旋翼同步连杆展开机构中采用双弹簧实现阻尼抗扰；所述双弹簧由展翼弹簧(30)和软弹簧组成，其中软弹簧套在末端芯轴(29)上，且两端分别受平衡环(32)与旋向旋翼模组约束；展翼弹簧(30)的弹性系数大于软弹簧的弹性系数。进一步的优选方案，所述一种基于投射与多旋翼相结合的新型无人机，其特征在于：所述旋向旋翼模组包括一对共轭叶片(33)、叶片夹板(36)、模组骨架(35)、旋转中轴(34)、调整垫片(37)和驱动电机(17)；其中，一对共轭叶(33)安装在模组骨架(35)两端，通过调整垫片(37)完成对共轭叶片(33)的夹紧调节；旋转中轴(34)通过一对键槽安装在模组骨架(35)两端，且旋转中轴(34)与共轭叶片(33)端部配合；驱动电机(17)能够驱动模组骨架(35)旋转，当模组骨架旋转到设定速度时，能够自动甩出一对共轭叶片(33)完成旋向旋翼模组的展开。进一步的优选方案，所述一种基于投射与多旋翼相结合的新型无人机，其特征在于：所述电池模组通过机架模组内部侧面的形舱和电池模组两端的压力弹簧(27)进行装配固定；所述电池模组外形设计为圆柱形，内核采用高聚合锂电池或质子交换膜燃料电池PEMFC；当采用质子交换膜燃料电池PEMFC时，电池模组接口采用可拆卸设计，电池模组结构包括电池上盖(6)、储氢罐(8)、反应室(9)和电池下盖(20)；电池上盖(6)和储氢罐(8)的一侧与外界构成充气管道，用于填注燃料；电池下盖(20)一侧预留供电传输和控制接口，用于能源输出。进一步的优选方案，所述一种基于投射与多旋翼相结合的新型无人机，其特征在于：所述飞行控制舱模组包括飞控模块(5)、LED显示面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于投射与多旋翼相结合的新型无人机，其特征在于：包括可拆卸的外壳羽翼和基于结构总线设计的七个模组：展翼模组、电池模组、机架模组、飞行控制舱模组、伞降模组、监测探头模组和旋向旋翼模组；所述机架模组为无人机其余模组提供安装结构基础和稳固条件，实现无人机其余模组之间的结构固连和信号交互；所述展翼模组安装在机架模组后端，通过展翼模组的展开，实现无人机由投射飞行姿态向多旋翼飞行姿态切换；所述飞行控制舱模组安装在机架模组前部，飞行控制舱模组内部带有PCB导向滑槽，用于安装、定位飞控模块；所述旋向旋翼模组安装在展翼模组后端，实现在展翼模组展开、无人机进入多旋翼飞行姿态后，平衡多旋翼飞行过程中产生的轴向扭矩；所述伞降模组安装在旋向旋翼模组后端，实现返航过程中的伞降减速过程；所述监测探头模组安装在飞行控制舱模组前端，根据无人机的飞行任务，适配完成对应的飞行监测任务；所述电池模组安装在机架模组内部，为整个无人机系统提供电能输出；所述飞行控制舱模组、监测探头模组、展翼模组、旋向旋翼模组、伞降模组和电池模组内部功能完全封装且各个模组之间有统一的结构、信号接口；所述飞行控制舱模组能够分别与监测探头模组、展翼模组、旋向旋翼模组、伞降模组和电池模组同时进行信号通讯。...

【技术特征摘要】
1.一种基于投射与多旋翼相结合的新型无人机，其特征在于：包括可拆卸的外壳羽翼和基于结构总线设计的七个模组：展翼模组、电池模组、机架模组、飞行控制舱模组、伞降模组、监测探头模组和旋向旋翼模组；所述机架模组为无人机其余模组提供安装结构基础和稳固条件，实现无人机其余模组之间的结构固连和信号交互；所述展翼模组安装在机架模组后端，通过展翼模组的展开，实现无人机由投射飞行姿态向多旋翼飞行姿态切换；所述飞行控制舱模组安装在机架模组前部，飞行控制舱模组内部带有PCB导向滑槽，用于安装、定位飞控模块；所述旋向旋翼模组安装在展翼模组后端，实现在展翼模组展开、无人机进入多旋翼飞行姿态后，平衡多旋翼飞行过程中产生的轴向扭矩；所述伞降模组安装在旋向旋翼模组后端，实现返航过程中的伞降减速过程；所述监测探头模组安装在飞行控制舱模组前端，根据无人机的飞行任务，适配完成对应的飞行监测任务；所述电池模组安装在机架模组内部，为整个无人机系统提供电能输出；所述飞行控制舱模组、监测探头模组、展翼模组、旋向旋翼模组、伞降模组和电池模组内部功能完全封装且各个模组之间有统一的结构、信号接口；所述飞行控制舱模组能够分别与监测探头模组、展翼模组、旋向旋翼模组、伞降模组和电池模组同时进行信号通讯。2.根据权利要求1所述一种基于投射与多旋翼相结合的新型无人机，其特征在于：所述展翼模组通过细丝螺纹安装在机架模组后端；所述展翼模组采用三旋翼同步连杆展开机构实现展翼功能：所述三旋翼同步连杆展开机构包括滑座(12)、磁性挡块(11)、推杆(31)、平衡环(32)、旋翼支杆(22)、旋翼支杆铰座(14)、末端芯轴(29)、旋翼支杆末端套筒、电机安装托盘(28)、展翼弹簧(30)、旋翼驱动电机(25)、旋翼叶片(24)和限位卡盘(19)；滑座(12)、磁性挡块(11)和平衡环(32)装配在末端芯轴(29)相应的定位轴颈上；推杆(31)、旋翼支杆铰座(14)和滑座(12)构成曲柄滑块机构，驱动旋翼支杆(22)完成展翼功能；三旋翼结构由三组旋翼支杆(22)相对末端芯轴(29)中心轴线周向间隔120°均匀布置，三组旋翼支杆(22)一端分别对应安装在平衡环(32)上的三个旋翼支杆铰座(14)上，另一端连接电机安装托盘(28)，电机安装托盘(28)上安装有旋翼驱动电机(25)，旋翼驱动电机(25)上安装有旋翼叶片(24)；展翼弹簧(30)套在末端芯轴(29)上，且两端分别受平衡环(32)与滑座(12)约束；展翼开始前，展翼弹簧(30)和对应的弹性卡扣将展翼模组压力预紧，由弹性卡扣的松合完成对展翼弹簧(30)的压力释放，实现展翼触发；展翼弹簧(30)推动滑座(12)沿末端芯轴(29)滑动，通过推杆(31)拉动旋翼支杆末端套筒，从而驱动旋翼支杆(22)绕着旋翼支杆铰座(14)旋转，当旋翼支杆(22)到达限位卡盘(19)且滑座(12)与磁性挡块(11)接触时，完成展翼工作。3.根据权利要求2所述一种基于投射与多旋翼相结合的新型无人机，其特征在于：所述三旋翼同步连杆展开机构中采用双弹簧实现阻尼抗扰；所述双弹簧由展翼弹簧(30)和软弹簧组成，其中软弹簧套在末端芯轴(29)上，且两端分别受平衡环(32)与旋向旋翼模组约束；展翼弹簧(30)的弹性系数大于软弹簧的弹性系数。4.根据权利要求2或3所述一种基于投射与多旋翼相结合的新型无人机，其特征在于：所述旋向旋翼模组包括一对共轭叶片(33)、叶片夹板(36)、模组骨架(35)、旋转中轴(34)、调整垫片(37)和驱动电机(17)；其中，一对共轭叶(33)安...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈潇，刘杰，姚统，李山，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61