纵向动力学解耦倾转旋翼飞行器及其飞行控制方法技术

本发明专利技术提供了一种纵向动力学解耦倾转旋翼飞行器及其飞行控制方法，飞行器包括机身、机架、左倾转旋翼动力组、右倾转旋翼动力组、尾倾转旋翼组和电子设备，左倾转旋翼动力组、右倾转旋翼动力组分别通过机架连接在机身两侧，尾倾转旋翼组通过机架连接在机身后端，电子设备设置在机身内部。本发明专利技术中飞行器的三组旋翼动力模块绕平行的俯仰轴倾转，避免了旋翼倾斜互相产生反作用力，使旋翼尽可能充分地为飞行器贡献升力，从根本上解决了动力抵消和动力冗余的问题，降低了能量损耗，延长了续航时间，并且实现了全俯仰角的纵向动力学解耦，增大了飞行器可控姿态角度范围，使飞行器具有更强的抗干扰性和可操控性。干扰性和可操控性。干扰性和可操控性。

【技术实现步骤摘要】
纵向动力学解耦倾转旋翼飞行器及其飞行控制方法


[0001]本专利技术涉及
，具体是一种纵向动力学解耦倾转旋翼飞行器及其飞行控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着无人机技术的不断发展，无人机的应用场景和工作环境变得越来越多样化，例如在大风环境中飞行，在狭小空间内飞行，检查和维护任务，垂直壁面任务，空中操纵任务，空中停驻任务，多方向性任务等。这要求无人机除了需要具备稳定悬停的能力之外，还要具有更高的抗干扰性和可操控性。大部分常规多旋翼飞行器旋翼的推力都指向同一方向，这使得机械电子系统比较简单、稳定、安全且便于维护。然而这样的整体布局设计使飞行器不可避免地产生姿态和位置的动力学耦合，即飞行器的位置移动必须要通过机身倾斜产生水平分力来实现。这种欠驱动系统的耦合特性使得飞行器难以同时保证姿态和位置的精确控制，从而限制了飞行器的可操控性。为了解决这一问题，需要设计一种姿态和位置动力学解耦的多旋翼飞行器。现有的设计方案已经可以实现五自由度或六自由度运动的独立操控，总的来说可以分为固定倾角和矢量倾转两大类。
[0003]固定倾角方案的特点是，每个电机轴线与机身平面以固定的倾斜角度安装在机臂上，从而产生朝向多个方向的推力和反扭力矩。通过协同控制每个旋翼产生的力和力矩，可以产生任意方向的六自由度合力和合力矩，提升了飞行器的操控性。为了实现六自由度运动的全驱动，不含额外倾转驱动器的固定倾角方案一般需要配置至少六个电机。研究人员已经提出了一些固定倾角方案，例如非共面多旋翼飞行器、新型全驱动六旋翼空中交互机器人Tilt<br/>‑
Hex、棒状的全向空中机器人ODAR、全向八旋翼飞行器，以及其他类似的设计方案等。固定倾角方案的执行器一般仅有电机，而不含舵机，控制逻辑简单，结构较为稳定。但是，固定倾角旋翼飞行器在提升可控自由度和操控性的同时，必须要付出动力抵消、能量损失、续航时间减小的代价。
[0004]矢量倾转方案将固定的电机倾角设计为额外倾转舵机驱动的可变倾角，每个矢量旋翼组可以产生一定范围的侧向分力。通过协调控制这些矢量旋翼组的动力大小和方向，可以产生六自由度的合力和合力矩。现有的矢量倾转方案大多是在传统的四旋翼或六旋翼的基础上进行改进的方案，例如全驱动倾转四旋翼Holocopter、平行连杆倾转四旋翼TiltDrone、模块化可重构多旋翼飞行器、全驱动六旋翼FAST
‑
Hex、龙形多关节空中机器人等。这些方案均可以实现六自由度运动的独立控制，但是大多存在可控倾斜角范围较小、倾斜姿态下动力抵消、机械结构复杂等问题。比较成功的设计方案是倾转六旋翼飞行器Voliro，每个动力组都可以绕机臂轴实现360度倾转，使用了6个电机和6个舵机共12个执行器。这种飞行器在水平姿态附近飞行时，所有的动力组均能完全为飞行器提供升力，效率较高。然而，在机身姿态大角度倾斜时，动力抵消、动力冗余、能量损耗和续航时间缩短的问题仍会暴露出来。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决现有技术的问题，提供了一种纵向动力学解耦倾转旋翼飞行器及其飞行控制方法，飞行器的三组旋翼动力模块绕平行的俯仰轴倾转，避免了旋翼倾斜互相产生反作用力，使旋翼尽可能充分地为飞行器贡献升力，从根本上解决了动力抵消和动力冗余的问题，降低了能量损耗，延长了续航时间，实现了全俯仰角的纵向动力学解耦，增大了飞行器可控姿态角度范围，使飞行器具有更强的抗干扰性和可操控性。
[0006]本专利技术提供了一种高效率的纵向动力学解耦倾转旋翼飞行器，包括机身、机架、左倾转旋翼动力组、右倾转旋翼动力组、尾倾转旋翼组和电子设备等部分。
[0007]所述机身包括上板、下板、纵板、管夹、螺钉、机舱前段、机舱中段、机舱后段等。所述上板与所述下板之间通过管夹支撑连接，所述螺钉分别穿过上板、管夹和下板的螺钉孔，将三者固定并压紧。所述纵板固定于上板和下板之间，起到抵抗纵向变形的作用。上述这些零件装配在一起，形成一个整体舱板，上板和下板之间的间隙形成卡槽。所述机舱中段套在整体舱板外侧，并沿卡槽滑到整体舱板中间。所述机舱前段和所述机舱后段分别从前后两个方向，沿卡槽向内滑动，直到与机舱中段接触并对齐。这样便装配形成了完整的流线型机身。
[0008]所述机架包括前臂、中臂、尾臂、双尾撑、起落架、连接件等。所述前臂穿过机舱中段的前臂孔中，在机身内部被多个管夹夹紧固定。所述中臂穿过机舱中段的中臂孔中，在机身内部同样被多个管夹夹紧固定。前臂较长，用于在两端安装左右倾转旋翼动力组；中臂较短，用于在两端固定双尾撑。所述双尾撑向后悬空，末端用于固定尾臂。两只起落架分置在机身两侧，位于双尾撑之间，用于在起飞和降落期间稳定地支撑整架飞行器。上述这些零件之间全部用连接件插接紧固在一起，形成完整且固定的机架。
[0009]所述左倾转旋翼动力组包括电机座、无刷电机、螺旋桨、桨夹、螺钉、舵机、舵盘、动齿轮、定齿轮、轴承、底壳等。所述无刷电机安装在电机座上，并使用螺钉紧固。所述螺旋桨同轴安装在无刷电机上，将所述桨夹放置于螺旋桨上方，并使用螺钉将桨夹和螺旋桨与无刷电机紧固在一起。所述舵机安装在电机座下方的舵机槽中，通过花键驱动舵盘旋转。所述动齿轮与舵盘同轴安装，并使用螺钉将两者紧固在一起。所述轴承共有两个，所述定齿轮置于两个轴承之间，三者分别套在前臂左端的外表面上，三者的内表面与前臂的外表面过盈配合并粘接在一起。动齿轮与定齿轮互相啮合，驱动整个旋翼动力组绕前臂倾转。底壳与电机座对齐并固定在一起，这样便装配形成了完整的流线型倾转旋翼动力组。所述右倾转旋翼动力组的结构与左倾转旋翼动力组完全相同，镜像安装在前臂的右端。
[0010]所述尾倾转旋翼动力组包括尾电机座、尾无刷电机、尾螺旋桨、螺母、尾舵机、尾舵盘、尾动齿轮、尾定齿轮、尾底壳等。所述尾无刷电机安装在尾电机座上，并使用螺钉紧固。所述尾螺旋桨同轴安装在尾无刷电机上，使用所述螺母将尾螺旋桨与尾无刷电机紧固在一起。所述尾舵机安装在尾电机座下方的舵机槽中，通过花键驱动尾舵盘旋转。所述尾动齿轮与尾舵盘同轴安装，并使用螺钉紧固。所述尾定齿轮套在尾臂中间的外表面上，两者过盈配合并粘接在一起。尾动齿轮与尾定齿轮互相啮合，驱动整个尾旋翼动力组绕尾臂倾转。尾底壳与尾电机座对齐并固定在一起，这样便装配形成了完整的流线型尾倾转旋翼动力组。上述三组旋翼动力组均可以绕平行的俯仰轴360度倾转。
[0011]所述电子设备包括飞控、电子调速器、电池、接收机、数传模块、电源模块、GPS定位
模块等。所述飞控用于自动控制飞行器的稳定飞行。所述电子调速器用于给无刷电机供电和调整转速。所述电池用于为整架飞行器的动力系统和控制系统供电。所述接收机用于接收遥控器的信号。所述数传模块用于与地面站通讯和收发任务指令信息。所述电源模块用于测量电池的电压电流以及给飞控供电。所述GPS定位模块用于接收GPS卫星信息，并为飞行器定位和导航。
[0012]本专利技术还提供了一种高效率的纵向动力学解耦倾转旋翼飞行器的飞行控制方法。本专利技术所述飞行器的主要特点是可以实现全俯仰角的纵向动力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纵向动力学解耦倾转旋翼飞行器，其特征在于：包括机身、机架、左倾转旋翼动力组、右倾转旋翼动力组、尾倾转旋翼组和电子设备，左倾转旋翼动力组、右倾转旋翼动力组分别通过机架连接在机身两侧，尾倾转旋翼组通过机架连接在机身后端，电子设备设置在机身内部；所述左倾转旋翼动力组和右倾转旋翼动力组镜像对称分布在机身两侧，均包括电机座、无刷电机、螺旋桨、桨夹、舵机、舵盘、动齿轮、定齿轮、轴承、底壳；所述无刷电机安装在电机座上，螺旋桨同轴安装在无刷电机上，桨夹放置于螺旋桨上方，桨夹和螺旋桨与无刷电机紧固连接；所述舵机安装在电机座下方的舵机槽中，通过花键驱动舵盘旋转；所述动齿轮与舵盘同轴安装紧固连接；所述轴承共有两个，所述定齿轮置于两个轴承之间，三者分别套在机架外表面上，三者的内表面与机架的外表面过盈配合并粘接在一起；动齿轮与定齿轮互相啮合，驱动整个旋翼动力组绕机架360
°
倾转；底壳与电机座对齐并固定在一起；所述尾倾转旋翼动力组包括尾电机座、尾无刷电机、尾螺旋桨、尾舵机、尾舵盘、尾动齿轮、尾定齿轮、尾底壳；所述尾无刷电机安装在尾电机座上，所述尾螺旋桨同轴安装在尾无刷电机上，尾螺旋桨与尾无刷电机紧固连接；所述尾舵机安装在尾电机座下方的舵机槽中，通过花键驱动尾舵盘旋转；所述尾动齿轮与尾舵盘同轴安装；所述尾定齿轮套在机架中间的外表面上，两者过盈配合并粘接在一起，尾动齿轮与尾定齿轮互相啮合，驱动整个尾旋翼动力组绕机架360
°
倾转，尾底壳与尾电机座对齐并固定在一起。2.根据权利要求1所述的纵向动力学解耦倾转旋翼飞行器，其特征在于：所述机身包括上板、下板、纵板、管夹、机舱前段、机舱中段、机舱后段；所述上板与下板之间通过管夹支撑连接，上板、管夹和下板三者固定压紧；所述纵板固定于上板和下板之间，与上板、管夹和下板三者组成整体舱板结构，上板和下板之间的间隙形成卡槽；所述机舱中段套在整体舱板外侧，并沿卡槽滑到整体舱板中间，所述机舱前段和所述机舱后段分别从前后两个方向，沿卡槽向内滑动，直到与机舱中段接触并对齐。3.根据权利要求1或2所述的纵向动力学解耦倾转旋翼飞行器，其特征在于：所述机架包括前臂、中臂、尾臂、双尾撑、起落架、连接件；所述前臂穿过机舱中段的前臂孔中，在机身内部被多个管夹夹紧固定；所述中臂穿过机舱中段的中臂孔中，在机身内部同样被多个管夹夹紧固定；前臂用于在两端安装左右倾转旋翼动力组；中臂长度短于前臂，用于在两端固定双尾撑；所述双尾撑向后悬空，末端用于固定尾臂；两只起落架分置在机身两侧，位于双尾撑之间，用于在起飞和降落期间稳定地支撑整架飞行器。4.根据权利要求1所述的纵向动力学解耦倾转旋翼飞行器，其特征在于：所述电子设备包括飞控、电子调速器、电池、接收机、数传模块、电...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昊泽，郑祥明，和浩然，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：