一种便携式微小型共轴双桨无人机及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种便携式微小型共轴双桨无人机及其控制方法，该无人机包括外壳、共轴双螺旋桨、传动杆、电机、电池、自动驾驶仪系统、四个空气舵面以及舵机等。共轴双螺旋桨安装于传动杆上端，四个舵面呈十字分布于外壳底部外壁。自动驾驶仪系统自动实现无人机姿态控制，可通过调整双螺旋桨转速差，空气舵面的偏转角，使无人机产生扭矩差，以及在舵面作用下产生俯仰角/横滚角偏转，从而实现前后左右运动。此外可在四个舵面外围设计安装圆形保护罩，既可以保护舵面，又能够起到最大效率利用螺旋桨洗流的作用。本发明专利技术无人机具有轻便小巧、便于携带、易于操作，控制设计简单、稳定性能好、抗风性能强，应用场景与起降条件要求低，机动灵活等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种便携式微小型共轴双桨无人机及其控制方法
本专利技术涉及无人机
，具体涉及一种便携式微小型共轴双桨无人机及其控制方法。
技术介绍
随着信息技术的发展，在现代化战争中，操作简单、方便携带、功能强大的无人飞行器备受各国重视；针对单兵作战的特殊需求，研制了一款便于携带且性能强大的飞行器。由于目前单旋翼圆筒状无人机存在机体自身自旋的问题，为了克服自旋扭矩问题，单旋翼无人机必须使用很大面积的空气舵面才能克服自身的扭矩，导致无人机本身体积过大，机动性差，无法满足高机动作战的需求。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于提供一种便携式微小型共轴双桨无人机及其控制方法，该无人机具有轻便小巧、便于携带、易于操作，控制设计简单、稳定性能好、抗风性能强，应用场景与起降条件要求低，机动灵活等优点。技术方案：为实现本专利技术的目的，采用的技术解决方案为：一种便携式微小型共轴双桨无人机，包括圆筒状无人机外壳，所述外壳顶部设置有传动杆和共轴双螺旋桨，内部安装有共轴对转电机、电池、自动驾驶仪系统以及四个舵机；所述双螺旋桨安装于无人机顶端，通过传动杆与共轴对转电机输出轴相连；所述外壳底端四周安装有呈十字分布的四个空气舵面，分别由相应的舵机控制，第一对空气舵面包括第一空气舵面、第二空气舵面，对称安装于无人机外壳外壁相对两侧，第二对空气舵面包括第三空气舵面、第四空气舵面，对称安装于无人机外壳外壁另外两侧；所述自动驾驶仪系统用于实现无人机姿态控制，通过调整双螺旋桨转速差，使无人机产生扭矩差，从而实现航向偏转运动，通过调整第一对空气舵面的偏转角，使无人机在舵面作用下产生俯仰角偏转，从而实现前后运动，通过调整第二对空气舵面的偏转角，使无人机在舵面作用下产生横滚角偏转，从而实现转向运动。优选地，所述共轴双螺旋桨旋转方向相反，上螺旋桨固定在共轴对转电机的下电机输出轴，逆时针旋转；下螺旋桨固定在共轴对转电机的上电机输出轴，顺时针旋转；共轴对转电机的输出轴构成传动杆。优选地，所述共轴双螺旋桨所提供的升力均沿机身对称轴指向上方，所提供的沿机身对称轴转动的扭矩的方向相反，当两个桨叶形成的扭矩大小相同时，可以克服无人机机体的自旋；当两个桨叶形成的扭矩大小不同时，利用其扭矩差，实现无人机航向偏转动作；当作用在机身上的顺时针扭矩大于逆时针扭矩时，机体顺时针偏航转动；逆时针扭矩大于顺时针扭矩时，机体逆时针偏航转动。优选地，所述无人机外壳内部安装有第一固定板、第二固定板和第三固定板，分别用于固定电机、自动驾驶仪系统和电池，以及舵机；第一固定板、第二固定板和第三固定板上具有穿线孔和通风孔。优选地，所述四个空气舵面的中部均采用空心圆筒设计。优选地，所述共轴双螺旋桨提供的升力作用于无人机重心上方，空气舵面提供的控制力作用于重心下方。优选地，所述四个空气舵面外围安装有圆形保护罩。优选地，所述无人机舱体内各模块进行均匀合理布置，使得无人机重心在机身对称轴上。优选地，在机体坐标系下，无人机所受合力包括螺旋桨拉力、舵面控制力和重力；上、下两个螺旋桨产生的拉力矢量如下：其中为螺旋桨产生的拉力，依次表示上、下螺旋桨，螺旋桨所提供的拉力是关于电机转速平方的函数；四个舵面产生的控制力为：其中，，为空气密度，为作用在舵面上的螺旋桨空气洗流的速度，为舵面的无量纲气动导数，为第一、第二空气舵面的偏转角度，为第三、第四空气舵面的偏转角度，为螺旋桨洗流内的舵面面积；无人机所受合力矩包括上、下两个螺旋桨产生的扭矩和螺旋桨尾流对舵面产生的气动力矩；上、下两个螺旋桨产生的扭矩如下：其中为上、下螺旋桨产生的扭矩，螺旋桨所产生的扭矩是关于电机转速平方的函数；螺旋桨尾流对舵面产生的气动力矩为：其中，，与为相应的无量纲气动系数，为第三、第四空气舵面到无人机轴心的力臂长度，为第一、第二空气舵面到无人机轴心的力臂长度。所述便携式微小型共轴双桨无人机的控制方法，包括如下步骤：当PID俯仰控制器从IMU获取到参考俯仰角时，根据如下公式计算第一对空气舵面的参考偏转角；PWM信号解算模块计算对应该舵面参考偏转角的PWM值，然后对第一对空气舵面的舵机输出PWM信号，完成第一对空气舵面的偏转，无人机在舵面作用下产生俯仰角偏转，实现前后运动；其中为合力矩在机体坐标系下的三个分量，为角速度矢量在机体坐标系下的三个分量，变量上的点表示导数，为俯仰角，为横滚角，为偏航角，为无人机转动惯量的相应分量；机体坐标系下，坐标原点位于无人机质心，X轴垂直于机体纵轴指向无人机前方，Y轴垂直于机体纵轴指向无人机右侧，Z轴沿机体纵轴指向下方；为上、下螺旋桨产生的扭矩，为第一、第二空气舵面产生的力矩，为第三、第四空气舵面产生的力矩；为第一、第二空气舵面的偏转角度，为第三、第四空气舵面的偏转角度，为空气密度，为作用在舵面上的螺旋桨空气洗流的速度，、为相应的无量纲气动系数，为第三、第四空气舵面到无人机轴心的力臂长度，为第一、第二空气舵面到无人机轴心的力臂长度，为螺旋桨洗流内的舵面面积；当PID横滚控制器从IMU获取到参考横滚角时，同理根据如上公式（13）、（14）、（23）-（25）计算第二对空气舵面的参考偏转角；PWM信号解算模块计算对应该舵面参考偏转角的PWM值，然后对第二对空气舵面的舵机输出PWM信号，完成第二对空气舵面的偏转，无人机在舵面作用下产生横滚角偏转，实现转向运动；当PID偏航控制器从IMU获取到参考偏航角时，同理根据如上公式（13）、（14）、（23）-（25）计算共轴对转电机的参考扭矩差，进而根据扭矩与电机转速的关系得到共轴对转电机的参考转速差，PWM信号解算模块计算对应该参考转速差的PWM值，然后对共轴对转电机输出PWM信号，完成螺旋桨叶不同转速的旋转，无人机在正反桨叶产生的扭矩差作用下，实现偏航运动。有益效果：本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：本专利技术采用共轴双桨的结构，双桨结构可以靠桨叶自身克服绝大部分扭矩，因此改变无人机姿态的舵面就可以设计的很小，大大减小了无人机的体积，提高了可携带性以及机动性，能够满足高机动作战的需求。无人机外壳为圆筒状，可很好地起到整流作用，使得螺旋桨桨叶将大量空气介质直接推向舵面，产生较强的舵效。两对空气舵面巧妙利用了杠杆原理，增加了力臂长度，可在有限舵面面积情况下，通过空气舵面的快速偏转，稳定控制无人机的前后左右运动。另一方面，这种升力作用于重心上方、舵面控制力作用于重心下方的结构可以显著提升飞行器自身稳定性，使姿态控制更加灵活、有效。附图说明图1为本专利技术实施例的共轴双桨无人机整体结构示意图。图2为本专利技术实施例的共轴双桨无人机底部舵面安装示意图。图3为本专利技术实施例的舵面设计图。图4为本专利技术实施例的3D模型设计图。图5为本专利技术实施例中机体固连坐标系示意图。图6为机体惯性坐标系转换到机体固连坐标系示意图。图7为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种便携式微小型共轴双桨无人机，其特征在于，包括圆筒状无人机外壳（9），所述外壳（9）顶部设置有传动杆（8）和共轴双螺旋桨，内部安装有共轴对转电机（3）、电池（7）、自动驾驶仪系统（5）以及四个舵机（14）；所述双螺旋桨安装于无人机顶端，通过传动杆（8）与共轴对转电机（3）输出轴相连；所述外壳（9）底端四周安装有呈十字分布的四个空气舵面，分别由相应的舵机（14）控制，第一对空气舵面（11）包括第一空气舵面、第二空气舵面，对称安装于无人机外壳（9）外壁相对两侧，第二对空气舵面（12）包括第三空气舵面、第四空气舵面，对称安装于无人机外壳（9）外壁另外两侧；所述自动驾驶仪系统（5）用于实现无人机姿态控制，通过调整双螺旋桨转速差，使无人机产生扭矩差，从而实现航向偏转运动，通过调整第一对空气舵面（11）的偏转角，使无人机在舵面作用下产生俯仰角偏转，从而实现前后运动，通过调整第二对空气舵面（12）的偏转角，使无人机在舵面作用下产生横滚角偏转，从而实现转向运动。/n

【技术特征摘要】
1.一种便携式微小型共轴双桨无人机，其特征在于，包括圆筒状无人机外壳（9），所述外壳（9）顶部设置有传动杆（8）和共轴双螺旋桨，内部安装有共轴对转电机（3）、电池（7）、自动驾驶仪系统（5）以及四个舵机（14）；所述双螺旋桨安装于无人机顶端，通过传动杆（8）与共轴对转电机（3）输出轴相连；所述外壳（9）底端四周安装有呈十字分布的四个空气舵面，分别由相应的舵机（14）控制，第一对空气舵面（11）包括第一空气舵面、第二空气舵面，对称安装于无人机外壳（9）外壁相对两侧，第二对空气舵面（12）包括第三空气舵面、第四空气舵面，对称安装于无人机外壳（9）外壁另外两侧；所述自动驾驶仪系统（5）用于实现无人机姿态控制，通过调整双螺旋桨转速差，使无人机产生扭矩差，从而实现航向偏转运动，通过调整第一对空气舵面（11）的偏转角，使无人机在舵面作用下产生俯仰角偏转，从而实现前后运动，通过调整第二对空气舵面（12）的偏转角，使无人机在舵面作用下产生横滚角偏转，从而实现转向运动。


2.根据权利要求1所述的便携式微小型共轴双桨无人机，其特征在于，所述共轴双螺旋桨旋转方向相反，上螺旋桨（1）固定在共轴对转电机（3）的下电机输出轴，逆时针旋转；下螺旋桨（2）固定在共轴对转电机（3）的上电机输出轴，顺时针旋转；共轴对转电机（3）的输出轴构成传动杆（8）。


3.根据权利要求1所述的便携式微小型共轴双桨无人机，其特征在于，所述共轴双螺旋桨所提供的升力均沿机身对称轴指向上方，所提供的沿机身对称轴转动的扭矩的方向相反，当两个桨叶形成的扭矩大小相同时，可以克服无人机机体的自旋；当两个桨叶形成的扭矩大小不同时，利用其扭矩差，实现无人机航向偏转动作；当作用在机身上的顺时针扭矩大于逆时针扭矩时，机体顺时针偏航转动；逆时针扭矩大于顺时针扭矩时，机体逆时针偏航转动。


4.根据权利要求1所述的便携式微小型共轴双桨无人机，其特征在于，所述无人机外壳（9）内部安装有第一固定板（4）、第二固定板（6）和第三固定板（15），分别用于固定电机（3）、自动驾驶仪系统（5）和电池（7），以及舵机（14）；第一固定板（4）、第二固定板（6）和第三固定板（15）上具有穿线孔和通风孔。


5.根据权利要求1所述的便携式微小型共轴双桨无人机，其特征在于，所述四个空气舵面的中部均采用空心圆筒设计。


6.根据权利要求1所述的便携式微小型共轴双桨无人机，其特征在于，所述共轴双螺旋桨提供的升力作用于无人机重心上方，空气舵面提供的控制力作用于重心下方。


7.根据权利要求1所述的便携式微小型共轴双桨无人机，其特征在于，所述四个空气舵面外围安装有圆形保护罩（16）。


8.根据权利要求1所述的便携式微小型共轴双桨无人机，其特征在于，所述无人机舱体（10）内各模块进行均匀合理布置，使得无人机重心在机身对称轴上。


9.根据权利要求1所述的便携式微小型共轴双桨无人机，其特征在于，在机体坐标系下，无人机所受合力包括螺旋桨拉力、舵面控制力和重力；上、下两个...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡晨晓，严兵，张勇，孟高举，杨轶，杨哲，徐奔，姚娟，邹云，
申请(专利权)人：南京傲宁数据科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32