【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于小型飞行器、旋翼空气动力学，尤其涉及一种全驱内偏转非平面四旋翼飞行器及其控制方法。
技术介绍
1、传统的四轴飞行器是驱动不足的机械系统，其控制输入比自由度(dof)少。在过去的几十年中，人们提出了不同的控制技术来处理四轴飞行器驱动不足的问题，以获得有效且更可控的性能。尽管如此，四轴飞行器的驱动不足限制了其在自由或杂乱空间中的飞行能力。大部分传统的四旋翼飞行器的支撑臂和电机固定座都是固定安装在机体上，飞行器的四个旋翼都在同一个平面内做旋转运动，旋翼只能通过改变驱动电机的转速实现俯仰、滚转和偏航运动，需要四个变速驱动电机和调节控制系统，而且应变功能较差及过程中不够平稳。
2、全驱内偏转非平面四旋翼飞行器采用双轴倾斜式设计，双轴倾斜式旋翼是指通过支撑臂和电机固定座的旋转，使旋翼的转动平面与和机体平面形成一定夹角，由于该飞行器具有双轴倾斜的特点，所以该飞行器的旋翼可以完成围绕驱动电机四周倾斜的效果，容易进行俯仰、滚转和偏航运动，实现飞行器灵活飞行的目的。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术中四旋翼螺旋桨倾斜角控制限制，提供一种全驱内偏转非平面四旋翼飞行器及其控制方法，将多旋翼系统的优点和全驱动无人机的敏捷性和机动性集合起来，可以解耦位置，并进行各种姿态运动。
2、为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种全驱内偏转非平面四旋翼飞行器，包括设计架构和控制框架；所述设计架构使得飞行器能够以任何方向和姿态飞行，通过倾斜螺旋桨的方式产生多向推
3、在本专利技术一实施例中，所述设计架构由旋翼万向节、双轴倾斜机构和并行的双线性伺服电机组成；所述旋翼万向节共四组，与飞行器机架相连；所述双轴倾斜机构包括一组驱动杆；所述并行双线性伺服电机安装在飞行器机架上；所述飞行器上还设有控制器，用于对飞行器进行姿态控制。
4、在本专利技术一实施例中，每组所述旋翼万向节均由相互垂直铰接的三部分组件以及控制棒构成，分别安装在飞行器四个机臂的位置上，并与双轴倾斜机构相连接。
5、在本专利技术一实施例中，相互垂直铰接的三部分组件包括旋翼万向节外圈、旋翼万向节支架、旋翼万向节内圈，旋翼万向节支架与机臂固定连接，旋翼万向节外圈铰接于旋翼万向节支架上，旋翼万向节内圈铰接于旋翼万向节外圈上，控制棒上端与螺旋桨的转子固定连接并固定于旋翼万向节内圈，控制棒下端从万向节向下延伸并与双轴倾斜机构相连接。
6、在本专利技术一实施例中，在双线性伺服电机的驱动下，旋翼万向节的倾斜角度可通过双轴倾斜机构进行控制；螺旋桨的转子与所述旋翼万向节相对固定设置。
7、在本专利技术一实施例中，电机安装在旋翼万向节上，允许电机在滚转和俯仰平面上倾斜，限制平移和偏航；控制棒下端通过旋转头球接座滑动；四个球接座通过双轴倾斜机构的一组驱动杆相互连接，形成平面机构。
8、在本专利技术一实施例中，飞行器机架以十字形进行排列，双线性伺服电机到xy轴偏移-45°。
9、本专利技术还提供了一种基于上述所述的全驱内偏转非平面四旋翼飞行器的控制方法，通过对双轴倾斜机构的控制，控制四个转子的倾斜角，从而解耦飞行器位置和姿态运动，具体实现如下：
10、飞行器机身的尺寸包括预先定义的旋翼高度hr、螺旋桨直径dprop、倾斜角α和最大倾斜角αmax，将螺旋桨近似为截面厚度为tprop的圆柱盘，得到四旋翼飞行器机身的最小长度lb和高度hb；用于倾斜时螺旋桨之间的间隙
11、
12、若设计的倾斜角定义为
13、
14、为只发生螺旋桨-螺旋桨磨损，应用替代约束(3)
15、
16、螺旋桨-电机间隙也一并考虑，电机近似为直径为dm的圆柱体，体长的约束如下：
17、如果
18、
19、则
20、
21、否则
22、
23、为求出机体高度hb，定义转子倾斜角是有用的
24、
25、公式(7)情况下，螺旋桨将是一个倾斜旋翼的最低点；因此，当αmax≤αr时
26、
27、否则
28、
29、全驱动平台相对于倾斜旋翼平面的宽度wtilt为
30、wtilt＝dprop+lbcosα (10)
31、假设旋翼在穿过水平间隙时垂直向上，得出一个宽度减少比：
32、
33、其中，wconv是传统的四旋翼螺旋桨尖端到尖端的宽度；
34、由于倾斜角的几何转换是离散的，因此高度降低比htilt/hconv有五种排列。它们依赖于设计、αmax和αr以及命令α。对于αmax≤αr，倾斜飞行器垂直高度htilt有三种不同的表达式：
35、当α≤αr和α≤αmax时，旋翼倾斜而不需要俯仰，因此
36、
37、当αmax<α≤αr时，高度取决于电机底边和对端旋翼的螺旋桨边缘
38、
39、在αmax<αr<α时，螺旋桨为倾斜高度的上界和下界
40、htilt＝(lbcos(αr-αmax)+dpropcosαr-tpropsinαr)×sin(α-αr)+(lbsin(αr-αmax)+tpropcosαr+dpropsinαr)×cos(α-αr) (14)
41、对于αmax>αr的全驱动平台，有两个htilt公式，当αr≤αmax时，式(12)成立，否则，全驱动平台须结合倾斜和俯仰才能达到所需的角度，因此
42、htilt＝(lb+dpropcosαmax-dpropsinαmax)×sin(α-αmax)+(tpropcosαmax+dpropsinαmax)cos(α-αmax) (15)
43、在高度减少比的分母一侧，在俯仰过程中的高度hconv取决于α；
44、当α≤αr时
45、
46、否则
47、hconv＝2dpropsinα+tpropcosα (17)
48、当双线性伺服电机垂直安装时，并联机构扫出一个正方形，以转子高度为半径的转子轴被限制在定义的平面内
49、
50、
51、
52、其中，正交轴s1、s2、z分别为伺服电机1、伺服电机2和纵轴的行程，和是相对于伺服平面的最大倾斜度，由计算，其中s1和s2表示伺服行程的最大长度，z0表示原点即旋转中心到伺服平面的垂直距离；
53、追踪由(19)和(20)设定的边界，四旋翼结构和旋翼万向节机构必须通过完全转子倾斜保持体积扫掠，这相当于转子旋转了一个角度本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种全驱内偏转非平面四旋翼飞行器，其特征在于，包括设计架构和控制框架；所述设计架构使得飞行器能够以任何方向和姿态飞行，通过倾斜螺旋桨的方式产生多向推力，飞行器在设计倾斜角度内能够保持四旋翼飞行器的形状；所述控制框架用以实现飞行器的控制。
2.根据权利要求1所述的全驱内偏转非平面四旋翼飞行器，其特征在于，所述设计架构由旋翼万向节、双轴倾斜机构和并行的双线性伺服电机组成；所述旋翼万向节共四组，与飞行器机架相连；所述双轴倾斜机构包括一组驱动杆；所述并行双线性伺服电机安装在飞行器机架上；所述飞行器上还设有控制器，用于对飞行器进行姿态控制。
3.根据权利要求2所述的全驱内偏转非平面四旋翼飞行器，其特征在于，每组所述旋翼万向节均由相互垂直铰接的三部分组件以及控制棒构成，分别安装在飞行器四个机臂的位置上，并与双轴倾斜机构相连接。
4.根据权利要求3所述的全驱内偏转非平面四旋翼飞行器，其特征在于，相互垂直铰接的三部分组件包括旋翼万向节外圈、旋翼万向节支架、旋翼万向节内圈，旋翼万向节支架与机臂固定连接，旋翼万向节外圈铰接于旋翼万向节支架上，旋翼万向节内圈铰接
5.根据权利要求4所述的全驱内偏转非平面四旋翼飞行器，其特征在于，在双线性伺服电机的驱动下，旋翼万向节的倾斜角度可通过双轴倾斜机构进行控制；螺旋桨的转子与所述旋翼万向节相对固定设置。
6.根据权利要求5所述的全驱内偏转非平面四旋翼飞行器，其特征在于，电机安装在旋翼万向节上，允许电机在滚转和俯仰平面上倾斜，限制平移和偏航；控制棒下端通过旋转头球接座滑动；四个球接座通过双轴倾斜机构的一组驱动杆相互连接，形成平面机构。
7.根据权利要求6所述的全驱内偏转非平面四旋翼飞行器，其特征在于，飞行器机架以十字形进行排列，双线性伺服电机到XY轴偏移-45°。
8.一种基于权利要求1-7任一所述的全驱内偏转非平面四旋翼飞行器的控制方法，其特征在于，通过对双轴倾斜机构的控制，控制四个转子的倾斜角，从而解耦飞行器位置和姿态运动，具体实现如下：
...【技术特征摘要】
1.一种全驱内偏转非平面四旋翼飞行器，其特征在于，包括设计架构和控制框架；所述设计架构使得飞行器能够以任何方向和姿态飞行，通过倾斜螺旋桨的方式产生多向推力，飞行器在设计倾斜角度内能够保持四旋翼飞行器的形状；所述控制框架用以实现飞行器的控制。
2.根据权利要求1所述的全驱内偏转非平面四旋翼飞行器，其特征在于，所述设计架构由旋翼万向节、双轴倾斜机构和并行的双线性伺服电机组成；所述旋翼万向节共四组，与飞行器机架相连；所述双轴倾斜机构包括一组驱动杆；所述并行双线性伺服电机安装在飞行器机架上；所述飞行器上还设有控制器，用于对飞行器进行姿态控制。
3.根据权利要求2所述的全驱内偏转非平面四旋翼飞行器，其特征在于，每组所述旋翼万向节均由相互垂直铰接的三部分组件以及控制棒构成，分别安装在飞行器四个机臂的位置上，并与双轴倾斜机构相连接。
4.根据权利要求3所述的全驱内偏转非平面四旋翼飞行器，其特征在于，相互垂直铰接的三部分组件包括旋翼万向节外圈、旋翼万向节支架、旋翼万向节内圈，旋翼万向节支架与机臂固定连接，旋翼万向节外...
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