变质心共轴双旋翼飞行器及其控制方法技术

本发明专利技术涉及共轴旋翼无人飞行器技术领域，特别涉及一种变质心共轴双旋翼飞行器及其控制方法，包括了壳体、飞行驱动、支撑架和若干质心调节装置，质心调节装置包括变质心驱动组件和滑块；支撑架设置在壳体的内侧，飞行驱动分别设置在支撑架的上下两端，变质心驱动组件设置在支撑架上，并且变质心驱动组件位于支撑架上下两端的飞行驱动之间，滑块设置在支撑架上，并且滑块与变质心驱动组件活动连接；通过改变质心的位置来控制飞行器的姿态，无需依靠周期变距，通过变质心驱动组件调节滑块的位置来改变飞行器质心位置，从而使得飞行器所受的合力矩改变，进而控制飞行器的姿态，结构简单，操作方便，稳定可靠。稳定可靠。稳定可靠。

【技术实现步骤摘要】
变质心共轴双旋翼飞行器及其控制方法


[0001]本专利技术涉及共轴旋翼无人飞行器
，特别涉及一种变质心共轴双旋翼飞行器及其控制方法。

技术介绍

[0002]共轴双旋翼无人飞行器是指飞行器具有绕同一垂直轴线上下两旋翼正反旋转的飞行器，与多旋翼无人机相比，具有速度快、载重大、航时长的优点。
[0003]传统共轴双旋翼无人机使用大尺寸桨叶，依靠旋翼变总距和周期变距来控制无人机的飞行方向和推进力的大小，但变距机构机械结构极其复杂，导致其故障率高、维护费用高、不易操作，且因需要周期变距使大尺寸桨叶无法使用更高效率的翼型；同时，现有的共轴双旋翼无人飞行器的大多采用圆筒状设计，能源模块置于两层旋翼之下，动力模块置于两层旋翼之间，二者分离且使用导线连接，但由于复杂的机械结构导致其很难做防水处理，在不能水面起降或在雨天环境下工作。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种变质心共轴双旋翼飞行器及其控制方法，用来解决飞行器依靠架构复杂并且可靠性低的变距结构来控制姿态的问题。
[0005]本专利技术的技术问题解决方案：一种变质心共轴双旋翼飞行器，其特征在于，包括壳体、飞行驱动、支撑架和若干质心调节装置，所述质心调节装置包括变质心驱动组件和滑块；所述支撑架设置在壳体的内侧，所述飞行驱动分别设置在支撑架的对应两端，所述变质心驱动组件设置在支撑架上，并且变质心驱动组件位于飞行驱动之间，所述滑块通过变质心驱动组件与支撑架滑动连接。
[0006]进一步限定，所述支撑架包括支撑杆和固定件，所述固定件通过支撑杆与壳体连接，所述变质心驱动组件与固定件连接，所述滑块设置在对应的支撑杆上并与支撑杆滑动连接，变质心驱动组件的输出端与滑块连接。
[0007]进一步限定，所述支撑杆的数量为2~5个，支撑杆绕固定件的轴线均匀设置，支撑杆与水平面的夹角为0~30
°
。
[0008]进一步限定，所述支撑杆的数量为3个，所述滑块与支撑杆一一对应。
[0009]进一步限定，所述变质心驱动组件包括质心驱动件和质心驱动连杆，所述质心驱动件与固定件连接，质心驱动件通过质心驱动连杆与滑块活动连接。
[0010]进一步限定，固定件两端的飞行驱动结构相同，所述飞行驱动包括动力驱动件和与动力驱动件输出端连接的旋翼，所述动力驱动件设置在固定件对应的端部，所述旋翼沿壳体轴线设置，所述质心驱动件与支撑杆均位于固定件两端的旋翼之间。
[0011]进一步限定，所述变质心共轴双旋翼飞行器还包括外挂气囊，所述外挂气囊套设在壳体的外侧。
[0012]进一步限定，基于上述的变质心共轴双旋翼飞行器，包括以下步骤：S1、建立地面坐标系和变质心共轴双旋翼飞行器的机体坐标系；S2、根据变质心共轴双旋翼飞行器在地面坐标中起始位置和期望位置计算得到期望俯仰角和期望滚转角，进而得到变质心共轴双旋翼飞行器的期望姿态角矢量；S3、根据期望姿态角矢量计算得到期望质心位置在机体坐标系的矢量形式，从而计算得到3个滑块的目标舵量，来实现对变质心共轴双旋翼飞行器姿态的控制。
[0013]进一步限定，所述S2包括以下步骤：S21、所述滑块的数量为3个，3个滑块分别为第一滑块、第二滑块和第三滑块，根据刚体转动定理，得到第一滑块相对于地面坐标系的速度矢量：，其中为变质心共轴双旋翼飞行器相对于地面坐标系的速度矢量，为无人机转动角速度矢量，为滑块相对机体坐标系的速度矢量，为滑块相对机体坐标系的位置矢量；S22、计算得到变质心共轴双旋翼飞行器的质心相对于地面坐标系的速度矢量，具体的：根据质心运动定理有：，进而在机体坐标系下有：其中，为变质心共轴双旋翼飞行器的整体质量，为第一滑块的质量，为中间参数，；S23、设定地面坐标系中变质心共轴双旋翼飞行器的起始位置为，期望位置为，则无人机期望速度表示为：，无人机期望加速度表示为：，其中，、、、、、为PID算法参数，、为积分时间，用于实现抗积分饱和，为当前时刻，为位置跟踪误差，为速度误差；
期望加速度进一步表示为：，其中，为期望加速度在地面坐标系对应轴上的分量；进而求出期望俯仰角为和期望滚转角为：；其中，为当前的偏航角大小，为重力加速度；则变质心共轴双旋翼飞行器期望姿态角矢量表示为。
[0014]进一步限定，所述S3包括以下步骤：S31、设定变质心共轴双旋翼飞行器起始的俯仰角为，滚转角为，则起始的姿态角矢量表示为：，结合变质心共轴双旋翼飞行器期望姿态角矢量为，则变质心共轴双旋翼飞行器期望姿态角速度表示为：变质心共轴双旋翼飞行器期望姿态角加速度表示为：其中，为姿态角的跟踪误差，、、、、和为PID算法参数，、为积分时长，用于实现抗积分饱和，为姿态角速度的跟踪误差；S32、计算变质心共轴双旋翼飞行器期望合力矩：，其中，为变质心共轴双旋翼飞行器的惯性矩阵，为标量对时间求导；通过变质心共轴双旋翼飞行器在机体坐标系下所受到的合力与期望合力矩，由此得出变质心共轴双旋翼飞行器的目标质心相对于机体坐标的矢量形式：
其中为变质心共轴双旋翼飞行器的目标质心在机体坐标系中的分量；S33、计算得到第一滑块、第二滑块和第三滑块的目标舵量；设定质心在机体坐标系的位置为，第一滑块、第二滑块和第三滑块当前舵量对应为，则滑块的舵量与质心位置矢量满足：其中，单个滑块的质量，为第一滑块、第二滑块或第三滑块距机体坐标系轴最大限位，为第一滑块、第二滑块或第三滑块距机体坐标系轴最小限位，为第一滑块、第二滑块或第三滑块距机体坐标系面最高限位，为第一滑块、第二滑块或第三滑块距机体坐标系面最低限位；由此，求解得到第一滑块、第二滑块和第三滑块对应的目标舵量，其中分别为第一滑块、第二滑块和第三滑块在机体坐标系中的分量：从而根据目标舵量控制三个对应滑块的移动距离来实现对变质心共轴双旋翼飞行器飞行姿态的控制。
[0015]本专利技术的有益效果在于：1、通过改变质心的位置来控制飞行器的姿态，无需依靠周期变距，通过变质心驱动组件调节滑块的位置来改变飞行器质心位置，从而使得飞行器所受的合力矩改变，进而控制飞行器的姿态，结构简单，操作方便，稳定可靠。
[0016]2、通过增加外挂气囊来实现双旋翼飞行器能够在水面上进行起飞与降落，适用范围与使用用途更广。
附图说明
[0017]图1为本专利技术整体结构俯视示意图；图2为图1中A
‑
A剖面示意图；图中，1
‑
壳体；2
‑
飞行驱动；21
‑
第一动力驱动件；22
‑
第二动力驱动件；23
‑
第一旋翼；24
‑
第二旋翼；3
‑
支撑架；31
‑
支撑杆；311
‑
滑轨；32
‑
固定件；4
‑
变质心驱动组件；41
‑
质心
驱动件；42
‑
质心驱动连杆；5
‑
滑块；6
‑
外挂气囊；7
‑
电池。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变质心共轴双旋翼飞行器，其特征在于，包括壳体（1）、飞行驱动（2）、支撑架（3）和若干质心调节装置，所述质心调节装置包括变质心驱动组件（4）和滑块（5）；所述支撑架（3）设置在壳体（1）的内侧，所述飞行驱动（2）相对设置在支撑架（3）的两端，所述变质心驱动组件（4）设置在支撑架（3）上，并且变质心驱动组件（4）位于飞行驱动（2）之间，所述滑块（5）通过变质心驱动组件（4）与支撑架（3）滑动连接。2.根据权利要求1所述的变质心共轴双旋翼飞行器，其特征在于，所述支撑架（3）包括支撑杆（31）和固定件（32），所述固定件（32）通过支撑杆（31）与壳体（1）连接，所述变质心驱动组件（4）与固定件（32）连接，所述滑块（5）设置在对应的支撑杆（31）上并与支撑杆（31）滑动连接，变质心驱动组件（4）的输出端与滑块（5）连接。3.根据权利要求2所述的变质心共轴双旋翼飞行器，其特征在于，所述支撑杆（31）的数量为2~5个，支撑杆（31）绕固定件（32）的轴线均匀设置，支撑杆（31）与水平面的夹角为0~30
°
。4.根据权利要求3所述的变质心共轴双旋翼飞行器，其特征在于，所述支撑杆（31）的数量为3个，所述滑块（5）与支撑杆（31）一一对应。5.根据权利要求4所述的变质心共轴双旋翼飞行器，其特征在于，所述变质心驱动组件（4）包括质心驱动件（41）和质心驱动连杆（42），所述质心驱动件（41）与固定件（32）连接，质心驱动件（41）通过质心驱动连杆（42）与滑块（5）活动连接。6.根据权利要求5所述的变质心共轴双旋翼飞行器，其特征在于，所述固定件（32）两端的飞行驱动（2）结构相同，所述飞行驱动（2）包括动力驱动件和与动力驱动件输出端连接的旋翼，所述动力驱动件设置在固定件（32）对应的端部，所述旋翼沿壳体（1）轴线设置，所述质心驱动件（41）与支撑杆（31）均位于固定件（32）两端的旋翼之间。7.根据权利要求6所述的变质心共轴双旋翼飞行器，其特征在于，所述变质心共轴双旋翼飞行器还包括外挂气囊（6），所述外挂气囊（6）套设在壳体（1）的外侧。8.一种变质心共轴双旋翼飞行器的控制方法，其特征在于，基于权利要求7所述的变质心共轴双旋翼飞行器，包括以下步骤：S1、建立地面坐标系和变质心共轴双旋翼飞行器的机体坐标系；S2、根据变质心共轴双旋翼飞行器在地面坐标中起始位置和期望位置计算得到期望俯仰角和期望滚转角，进而得到变质心共轴双旋翼飞行器的期望姿态角矢量；S3、根据期望姿态角矢量计算得到期望质心位置在机体坐标系的矢量形式，从而计算得到3个滑块（5）的目标舵量，来实现对变质心共轴双旋翼飞行器姿态的控制。9.根据权利要求8所述的变质心共轴双旋翼飞行器控制方法，其特征在于，所述S2包括以下步骤：...

【专利技术属性】
技术研发人员：王司令，吉思臣，周洋，高嵩，陈超波，马天力，赵素平，王倩，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：