四旋翼飞行器矢量控制方法及四旋翼飞行器技术

本发明专利技术公开了一种四旋翼飞行器矢量控制方法及四旋翼飞行器，其中，该方法包括以下步骤：接收偏转指令；检测四旋翼飞行器的当前模式，以采用不同的控制策略；若当前为四轴联动模式，定义坐标系x轴方向为飞行器的前进方向，四个旋翼分布在四个象限；若当前为两轴联动模式，定义坐标系x1轴方向为飞行器的前进方向，四个旋翼分布在坐标轴，两种模式均再根据偏转指令控制偏转系统偏转旋翼系统或四转旋翼系统的旋翼结构绕连杆轴作对应角度摆动。在具体实现中，两种联动模式可单独使用。该方法通过控制旋翼系统偏转/或旋翼倾转来实现飞行器的机动，使飞行器以任意姿态全方位飞行，有效增强飞行器的机动性，降低具有姿态敏感性的有效载荷的使用难度。

【技术实现步骤摘要】
四旋翼飞行器矢量控制方法及四旋翼飞行器
本专利技术涉及自动化控制
，特别涉及一种四旋翼飞行器矢量控制方法及四旋翼飞行器。
技术介绍
四轴飞行器在航模领域和无人机领域越来越普及，在许多领域都有很好的应用前景，但传统四轴飞行器的机动能力并不强，这一定程度上限制了它的应用。传统的四轴飞行器包含四个对称分布的旋翼系统，当保持飞行器机身水平飞行时，四套旋翼系统提供的拉力理论上是大小一样，方向垂直于机身向上的，要想控制飞行器向某个方向飞行，是通过控制四个旋翼的旋转速度，从而改变旋翼系统的拉力，使得飞行器机身产生一定的倾斜。由于旋翼系统相对机身固定安装，所以旋翼系统的拉力仍然垂直于机身，拉力矢量将随机身的倾斜产生一个水平分量，该分量是飞行器实现水平飞行的动力。也就是说，传统四旋翼飞行器要想向某个方向飞行，必须先倾斜机身，然后才能获得水平飞行的动力。这种飞行方式导致飞行器朝某个方向飞行时，会导致飞行器机动能力差，无法实现飞行器的大型化，对具有姿态敏感性的有效载荷(如摄像头、定位瞄准装置等)和有效载荷的工作也很不利。有些专利技术也试图改善传统四旋翼飞行器的某些不足，例如，相关技术1“一种具备保持机体水平能力的矢量四轴飞行器”中将四轴飞行器的四套旋翼系统的连接轴由中心对称分布改成平行布置，通过两套传动系统倾转旋翼系统的安装轴，使飞行器获得前进动力，但这种方式无法控制横向力和绕纵轴的转动力矩，最终是难以达到稳定飞行的；相关技术2“一种实现六自由度全控制的四旋翼飞行器”中，提到了旋翼系统的偏转，但其偏转的方向正好与本专利技术的偏转方向正交，所得到的水平力分量都将过飞行器中心，没有办法通过该偏转方式实现绕飞行器纵轴转动的控制，但相关技术2中采用了其它方式来实现绕纵轴的转动，可实现性差，且与高度控制难以解耦。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种四旋翼飞行器矢量控制方法。该方法采用了全新的偏摆模式，可以实现四旋翼飞行器以任意姿态全方位飞行。本专利技术的另一个目的在于提出一种四旋翼飞行器。为达到上述目的，本专利技术一方面提出了四旋翼飞行器矢量控制方法，包括以下步骤：接收偏转指令；根据四旋翼飞行器的当前联动模式，以采用不同的控制策略；如果所述当前联动模式为四轴联动模式，则控制所述四旋翼飞行器的机身不动的同时，定义第一坐标系x轴方向为所述四旋翼飞行器的前进方向，四个旋翼分布在四个象限，四旋翼系统通过连杆和机身相连，所述连杆之间的夹角为90度，四根连杆均匀分布在四周，再根据所述偏转指令控制偏转系统偏转四旋翼系统或所述四旋翼系统的旋翼结构绕连杆轴作对应角度摆动；如果所述当前联动模式为两轴联动模式，则控制所述四旋翼飞行器的机身不动的同时，定义第二坐标系x1轴方向为所述四旋翼飞行器的前进方向，四个旋翼分布在坐标轴上，所述四旋翼飞行器结构保持不变，再根据所述偏转指令控制偏转系统偏转四旋翼系统或所述四旋翼系统的旋翼结构绕连杆轴作对应角度摆动。本专利技术实施例的四旋翼飞行器矢量控制方法，通过按照特定的规律独立偏摆，配合四旋翼联动或双旋翼系统联动偏转使飞行器获得前进方向控制力、侧向控制力和绕飞行器纵轴控制力矩的偏转方法，从而实现飞行器在保证机身水平或以任意姿态飞行时获得所需要的各种驱动力或力矩，有效增强飞行器的机动性，降低具有姿态敏感性的有效载荷(如摄像头)的使用难度，并且有助于四旋翼飞行器的大型化。另外，根据本专利技术上述实施例的四旋翼飞行器矢量控制方法还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，飞行控制系统控制所述转旋翼系统调速、控制所述偏转系统运动以及所述四旋翼飞行器的姿态稳定及导航定位。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，四个旋翼分别为第一旋翼、第二旋翼、第三旋翼、第四旋翼，所述第一旋翼和所述第三旋翼在同一水平线上，所述第二旋翼和所述第四旋翼在同一水平线上。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述当前联动模式为四轴联动模式时，所述四个旋翼系统绕连杆轴作小角度摆动或所述四个旋翼作小角度倾斜，从上向下观察，设定逆时针方向摆动为正。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，设旋翼的拉力为P，当所述第一旋翼和所述第二旋翼顺时针偏摆δ(δ<0)，同时所述第三旋翼和所述第四逆时针偏摆δ(δ>0)时，所述四旋翼飞行器获得x向的总拉力大小为当所述第二旋翼和所述第三旋翼逆时针偏摆δ(δ>0)，同时所述第一旋翼和所述第四旋翼顺时针偏摆δ(δ<0)时，所述四旋翼飞行器获得y向的总拉力大小为进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述当前联动模式为两轴联动模式时，所述四个旋翼系统绕连杆轴作小角度摆动，预设所述第一旋翼和所述第三旋翼向所述第二坐标系x轴正方向摆动为正，第二旋翼、第四旋翼向第二坐标系y轴正方向摆动为正。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，设旋翼的拉力为P，当所述第一旋翼、所述第三旋翼向所述第二坐标系x1轴正向偏摆时，所述四旋翼飞行器获得前进方向的驱动动力，反之获得后退方向的驱动力，所述旋翼的水平分量Fx1为：Fx1＝2Psinδ进一步地，在本专利技术的一个实施例中，当所述第二旋翼、所述第四旋翼向所述第二坐标系y1轴正向存在偏摆角δ时，所述四旋翼飞行器获得沿所述第二坐标系y1轴方向的驱动力，反之获得沿所述第二坐标系y1轴负方向的驱动力，力的大小为：Fy1＝2Psinδ进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述四旋翼飞行器沿自身轴的拉力Fz或Fz1为：或当所述四个旋翼系统的拉力同时增加时所述四旋翼飞行器将获得向z轴或z1轴加速的能力，拉力同时减小时，所述四旋翼飞行器将在重力作用下使得z轴或z1轴速度减小。为达到上述目的，本专利技术另一方面提出了一种四旋翼飞行器，包括：机身本体；第一至第四旋翼系统，用于控制四旋翼飞行器飞行；第一至第四偏转系统，用于控制所述四旋翼飞行器在飞行时进行旋翼偏转；能源系统以及上述所述的飞行控制系统。本专利技术实施例的四旋翼飞行器，通过按照特定的规律独立偏摆，配合四旋翼联动或双旋翼系统联动偏转使飞行器获得前进方向控制力、侧向控制力和绕飞行器纵轴控制力矩的偏转方法，从而实现飞行器在保证机身水平或以任意姿态飞行时获得所需要的各种驱动力或力矩，有效增强飞行器的机动性，降低具有姿态敏感性的有效载荷(如摄像头)的使用难度，并且有助于四旋翼飞行器的大型化。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是本专利技术一个实施例的四旋翼飞行器矢量控制方法流程图；图2是本专利技术一个实施例的四旋翼飞行器的坐标定义和结构示意图；图3是本专利技术一个实施例的四旋翼飞行器矢量控制方法中旋翼系统整体偏转的结构示意图；图4是本专利技术一个实施例的四旋翼飞行器矢量控制方法中仅旋翼偏转的结构示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。下面参照附图描述根据本专利技术实施例提出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四旋翼飞行器矢量控制方法，其特征在于，包括：接收偏转指令；根据四旋翼飞行器的当前联动模式，以采用不同的控制策略；如果所述当前联动模式为四轴联动模式，则控制所述四旋翼飞行器的机身不动的同时，定义第一坐标系x轴方向为所述四旋翼飞行器的前进方向，四个旋翼分布在四个象限，四旋翼系统通过连杆和机身相连，所述连杆之间的夹角为90度，四根连杆均匀分布在四周，再根据所述偏转指令控制偏转系统偏转四旋翼系统或所述四旋翼系统的旋翼结构绕连杆轴作对应角度摆动；以及如果所述当前联动模式为两轴联动模式，则控制所述四旋翼飞行器的机身不动的同时，定义第二坐标系x1轴方向为所述四旋翼飞行器的前进方向，四个旋翼分布在坐标轴上，所述四旋翼飞行器结构保持不变，再根据所述偏转指令控制偏转系统偏转四旋翼系统或所述四旋翼系统的旋翼结构绕连杆轴作对应角度摆动。

【技术特征摘要】
1.一种四旋翼飞行器矢量控制方法，其特征在于，包括：接收偏转指令；根据四旋翼飞行器的当前联动模式，以采用不同的控制策略；如果所述当前联动模式为四轴联动模式，则控制所述四旋翼飞行器的机身不动的同时，定义第一坐标系x轴方向为所述四旋翼飞行器的前进方向，四个旋翼分布在四个象限，四旋翼系统通过连杆和机身相连，所述连杆之间的夹角为90度，四根连杆均匀分布在四周，再根据所述偏转指令控制偏转系统偏转四旋翼系统或所述四旋翼系统的旋翼结构绕连杆轴作对应角度摆动；以及如果所述当前联动模式为两轴联动模式，则控制所述四旋翼飞行器的机身不动的同时，定义第二坐标系x1轴方向为所述四旋翼飞行器的前进方向，四个旋翼分布在坐标轴上，所述四旋翼飞行器结构保持不变，再根据所述偏转指令控制偏转系统偏转四旋翼系统或所述四旋翼系统的旋翼结构绕连杆轴作对应角度摆动。2.根据权利要求1所述的四旋翼飞行器矢量控制方法，其特征在于，飞行控制系统控制所述转旋翼系统调速、控制所述偏转系统运动以及所述四旋翼飞行器的姿态稳定及导航定位。3.根据权利要求1所述的四旋翼飞行器矢量控制方法，其特征在于，四个旋翼分别为第一旋翼、第二旋翼、第三旋翼、第四旋翼，所述第一旋翼和所述第三旋翼在同一水平线上，所述第二旋翼和所述第四旋翼在同一水平线上。4.根据权利要求3所述的四旋翼飞行器矢量控制方法，其特征在于，所述当前联动模式为四轴联动模式时，所述四个旋翼系统绕连杆轴作小角度摆动或所述四个旋翼作小角度倾斜，从上向下观察，设定逆时针方向摆动为正。5.根据权利要求4所述的四旋翼飞行器矢量控制方法，其特征在于，设旋翼的拉力为P，当所述第一旋翼和所述第二旋翼顺时针偏摆δ，且δ小于零时，同时所述第三旋翼和所述第四逆时针偏摆...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭祖华，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11