一种新型飞行器及其控制方法技术

本发明专利技术提供了一种新型飞行器及其控制方法，属于无人机技术领域。新型飞行器包括机身、机翼以及旋翼。所述机翼均匀分布于机身外围，所述旋翼通过电机座固定在各个机翼末端。该新型飞行器在飞行时绕中心轴稳定旋转，并通过机翼提供额外升力。本发明专利技术提供的控制方法能在机体偏航不稳定时实现对其它五个自由度的控制。

A new aircraft and its control method

The invention provides a novel aircraft and a control method thereof, belonging to the technical field of UAV. The new aircraft includes fuselage, wings and rotors. The wing is evenly distributed on the periphery of the fuselage, and the rotor is fixed at the end of each wing through a motor seat. The new aircraft rotates stably around the central axis in flight and provides additional lift through the wings. The control method provided by the invention can realize the control of the other five degrees of freedom when the body yaw is unstable.

【技术实现步骤摘要】
一种新型飞行器及其控制方法
本专利技术属于无人机
，更具体地，涉及一种新型自旋飞行器的结构及其控制方法。
技术介绍
目前市场上的多旋翼飞行器中，四旋翼、六旋翼发展最为成熟。偶数个旋翼的飞行器可以通过电机推力的变化来控制飞行器的姿态和位置，并使力矩之间相互平衡。相比而言，三旋翼飞行器具有结构紧凑、耗材少、可控性好等优点，且一般能耗较少、成本低，尤其适合微小型飞行器制作。但是，三旋翼的扭矩问题一直得不到很好的解决。目前国内外对三旋翼飞行器的研究较少，且主要集中在智能控制研究非线性鲁棒控制研究等方面，在机体设计和控制方法上没有明显进展。目前三旋翼机主要采用以下两种方案。一种最直接的方法是在机臂上加装舵机，通过舵机扭转使桨叶提供平行于机身方向的分力，从而达到平衡力矩的目的。但这种做法一方面需要额外携带一个舵机，另一方增加了需要控制的变量，且破坏了多旋翼的对称性，需要飞控系统解耦，计算复杂度大大增加。还有一种典型的解决方案是采用共轴反桨设计，在每个方向安装正反两个旋翼互相抵消力矩。但这样的飞行器实际上有六个旋翼，结构变得复杂，三旋翼固有的优势被削弱。理论上，至少需要四个电机或者舵机才能实现对空间六自由度物体的有效控制，因此现有多旋翼的电机和舵机数量之和都不会小于四，这也解释了为什么三旋翼需要通过附加的机构来实现稳定控制。如果仅使用少于四个的电机对飞行器进行控制，必须抛弃传统的控制观念，放弃对其中某一自由度的控制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高度简化的新型飞行器，以尽可能低的代价解决现有奇数翼飞行器的偏航问题，并实现其稳定可控，谋求多旋翼飞行器在低成本、低能耗、稳定性和安全性方面的突破。本专利技术的另一个目的在于提出一种基于周期变换的新型飞行器控制方法。本专利技术提供的一种新型飞行器，是一款由多旋翼飞行器发展而来，抛弃传统意义上的偏航控制的新型飞行器。以下简称为自旋飞行器。本专利技术提供的一种新型飞行器，飞行方式为空中可控自旋。本专利技术提供的一种新型飞行器，一个重要特征是：旋翼旋转与空气发生作用产生的力矩之和不等于零，使机身朝着反方向开始自旋；随着转速的增大，机身受到的空气阻力增大，当转速增大到一定程度后，机身受到的阻力矩与所有旋翼产生的力矩之和大小相等，达到一种平衡的状态，飞行器以较稳定的转速自旋。本专利技术提供的一种新型飞行器，在结构上高度对称，机体的几何中心、机体重心均与机体坐标系的原点重合。本专利技术提供的一种新型飞行器，区别于普通多旋翼的另一个可选特征是，自旋飞行器的机臂被设计成机翼的形状，从而可以通过自旋时与气流的相对作用产生额外的升力，从而使自旋飞行器的气动性能优于普通飞行器。本专利技术提供的一种新型飞行器，所有旋翼完全等效，基于高速自旋的特点，当某个旋翼发生空中停车导致飞行器往该方向倾转时，其它旋翼可以通过旋转快速到达该位置形成动力补充，并将振动限制在可接受的范围内。此外，依靠机身自旋的惯性，飞行器的机翼提供的升力仍将存在较长的一段时间。因此，自旋飞行器在发生空中停车的情况下仍可安全着陆。为实现上述目的，本专利技术提供的一个结构上的技术方案是：一种新型飞行器，包括机身、机翼以及旋翼。所述机翼均匀分布于机身外围，所述旋翼通过电机座固定在各个机翼末端。优选的，机翼以及旋翼的个数为三，所述三个机翼互成120°均匀分布于机身外围，所述旋翼通过电机座固定在机翼末端。需要说明的是，机翼以及旋翼的个数对自旋飞行器的基本结构、飞行机理和控制方法等的影响不大，根据实际使用需求可以任意选取，上述机翼以及旋翼的个数为三是本专利技术提供的一种优选，不能视为对本专利技术的限定。本专利技术提供的一种新型飞行器，进一步的，所述机身是指飞行器中间部分，其结构和功能与普通多旋翼相似。作为本专利技术可选的方案，所述机身包括机架板层和外壳，用于固定飞行控制系统及相关传感器、电子调速器、电源等；并用于搭载任务载荷。本专利技术提供的一种新型飞行器，进一步的，所述机翼是指飞行器中间部分与旋翼之间的连接部件，并有提供升力的作用。作为本专利技术可选的方案，所述机翼采用双梁式结构形式，并有挤塑板夹层和蒙皮。所述双梁通过定制夹具固定于机身板层之间。所述双梁存在高度差。所述挤塑板夹层内部开有特定型槽，供线路通过。本专利技术提供的一种新型飞行器，进一步的，所述旋翼通过电机座固定在双梁末端，所述电机座包括所述定制夹具和电机片。本专利技术提供的一个结构上的技术方案具有的有益效果如下：(1)相比于传统的四旋翼、六旋翼飞行器，该自旋飞行器最少只使用三个旋翼，耗材少，硬件数量少，结构更加紧凑。(2)相比于现有的三旋翼飞行器，该自旋飞行器不需要使用附加的控制机构，结构更加简化，对称性好，降低了控制的复杂度。自旋飞行器的飞行是一种动态的平衡，区别于传统飞行器对三个姿态角稳定的要求，自旋飞行器降低了对控制的要求，对机体自旋的角度和角速度不作控制，将更多的控制资源留给余下的两个方向，能使飞行器获得更好的机动性能，适应更加复杂的环境。在相同性能要求的情况下，自旋飞行器通过减低对硬件配置的要求降低生产成本。但同时，自旋飞行器要求实时根据自旋的状态来确定对各个电机的控制。为达到上述目的，本专利技术另一方面提出了一种基于周期变换的自旋飞行器控制方法，下文简称周期控制算法。本专利技术提供的周期控制算法，即根据旋翼所处在周期中的位置来确定电机需要的转速，以达期望的控制需求。有别于传统的飞行器控制系统，本专利技术提供的周期控制算法对电机的控制量不是基于各个电机的编号，而是基于电机所处的位置。即在同一姿态期望下，同一电机的推力大小在周期中是不断变化的，而不同电机经过同一个位置时推力是一样的。本专利技术提供的周期控制算法，在实现上升下降方面，依靠所有电机的共同加速或者共同减速，实现升力的增大或者减小，从而使飞行高度上升或下降。本专利技术提供的周期控制算法，在实现飞行器前后左右运动方面，依靠各个电机的周期变速，即当某个电机靠近期望的运动方向时，使其转速降低，到达期望运动方向的位置时转速达到最低；当某个电机远离期望的方向时，使其转速增大，到达期望运动的反方向位置时转速达到最高。对于飞行器来说，期望反方向的推力会始终大于期望方向的推力，因而整体上会形成一个朝向期望方向的力矩，从而使机身朝着期望方向倾转。随着机身的倾转，各个电机的推力会逐渐增大，保证在垂直方向上的分力能使飞行器维持高度不变，在水平方向上的分力则使飞行器朝着期望的方向飞行。本专利技术提供的周期控制算法，在控制上不区分x轴和y轴，而是根据期望来确定倾转的方向。所述周期中的位置，是指在地理系的参考下，各个电机与机身中心的相对位置，可由一个周期参数所描述。周期参数γ具体含义为：飞行器在自旋周期中转过的角度，即某一旋翼相对于原点位置与起始时的夹角。该参数可由飞行控制器内置的MPU模块的数据解算而得。本专利技术提供的周期控制算法，能在最少仅使用3个电机的情况下，实现对空间3个线位移自由度和2个倾转自由度的有效控制。本专利技术提供的周期控制算法，最大程度地保留了多旋翼飞行器的外围功能，保证飞控所有飞行模式可以正常工作。具体的，本专利技术提供的一种新型飞行器可以兼容pix系列飞控的所有功能。本专利技术具有的有益效果如下：(1)本专利技术提出的自旋飞行器，开拓了飞行器发展的一个新领域，具有有极大的拓展空间。(2)本专利技术将翼型设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型飞行器，包括机身、若干个机翼以及若干个旋翼，其特征在于，飞行器在飞行时绕中心轴高速自旋，并能实现对除自旋方向外的五个自由度的稳定可控。

【技术特征摘要】
1.一种新型飞行器，包括机身、若干个机翼以及若干个旋翼，其特征在于，飞行器在飞行时绕中心轴高速自旋，并能实现对除自旋方向外的五个自由度的稳定可控。2.根据权利要求1所述的新型飞行器，其特征在于，飞行器整体对称，机体的几何中心、机体重心与机体坐标系的原点近乎重合；所述机翼以及旋翼均匀分布于机身外围，所述机翼以及旋翼的个数不作限定。3.根据权利要求1所述的新型飞行器，其特征在于，所述机翼除了连接机身和旋翼并传力外，可以通过自旋时与气流的相对作用产生额外的升力。4.根据权利要求1所述的新型飞行器，其特征在于，旋翼旋转与空气发生作用产生的力矩之和不等于零，机身朝着反方向开始自旋；当转速增大到一定程度后，机身受到的阻力矩与所有旋翼产生的力矩之和大小相等，飞行器达到稳定的空中定轴自旋状态。5.一种根据权利要求1所述的新型飞行器的紧急降落方法，其特征在于，在部分旋翼失去动力的情况下，通过剩余的旋翼旋转到达各个位置形成动力补充，并依靠机身自旋的惯性使机翼持续提供升力，实现安全着陆。6.一种新型飞行器的周期控制方法，其特征在于，在不控制偏航方向的基础上，实现对空间3个线位移自由度和2个倾转自由度的控制。7.根据权利要求6所述的周期控制方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：李泽波，方潮铭，王轶轩，黄戈莹，高铭，张雨浓，
申请(专利权)人：李泽波，
类型：发明
国别省市：北京,11