【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无人机，具体涉及一种机身可倾转三旋翼无人机及其控制方法。
技术介绍
1、目前无人机仅能以水平姿态起降和悬停，对于起降场地有较多限制，为解决微型旋翼无人机在复杂环境中起降悬停和特定姿态穿越狭窄空间的问题，常采用旋翼倾转的方式以实现机身倾斜姿态稳定悬停，现有倾转四旋翼多采用四个电机均增加舵机的方式的技术路线，机构部件增重较多，为减小机构重量和降低系统复杂度，本专利技术设计一款机身可倾转三旋翼无人机。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种机身可倾转三旋翼无人机及控制方法，在减小整机展开包络尺寸的同时，减少电机和舵机的数量，实现整机轻量化，可满足特种复杂环境下的起降适应性和飞行通过性需求。
2、一种机身可倾转三旋翼无人机，包括机身，还包括第一旋翼、第二旋翼、第三旋翼、第一机臂、第二机臂、第一舵机和第二舵机，所述第一机臂和第二机臂布置在机身上方左右两侧，所述第一旋翼、第二旋翼分别安装在第一机臂、第二机臂的一端，第一机臂和第二机臂的另一端通过转轴与机身连接，通过绕着转轴旋转展开或者折叠；所述第三旋翼、第一舵机和第二舵机布置在机身尾部，第三旋翼安装在第一舵机上，第二舵机伸出轴与第一舵机固连，第一舵机提供第三旋翼在俯仰方向的运动，第二舵机提供第三旋翼在横滚方向的运动，第一旋翼、第二旋翼和第三旋翼的转速分别通过电机控制，倾斜作业时，通过控制器控制无人机的位置和位姿，使三个旋翼合力方向垂直水平面向上与无人机自身的重力保持在同一轴线上，三个旋翼的升力与无人机的重力相等
3、进一步地，所述第一机臂、第二机臂通过转轴向机身外部旋转展开，展开后，三个旋翼之间保持1.1倍的桨直径距离；所述第一机臂和第二机臂通过转轴向机身内部旋转折叠，折叠后，第一旋翼和第二旋翼并陇在机身上方，且不超出机身的外轮廓面。
4、进一步地，所述第一机臂、第二机臂与转轴的连接处设有扭簧。
5、进一步地，一种机身可倾转三旋翼无人机的控制方法，具体包括步骤：
6、进一步地，建立无人机的惯性坐标系和机体坐标系；
7、进一步地，基于惯性坐标系和机体坐标系，建立包含位置和位姿的无人机模型；
8、进一步地，基于无人机模型，采用带滑模面的自抗扰控制对无人机的位置和位姿进行控制。
9、进一步地，建立的惯性坐标系为：坐标原点为无人机起飞位置，x轴方向指向正北方，y轴方向指向正东方，z轴方向指向下方，建立的惯性坐标系满足右手定则。
10、进一步地，建立的机体坐标系为：原点在无人机重心处，x轴指向无人机机头前进方向，y轴由原点指向无人机右侧，z轴方向通过x、y由右手法则确定。
11、进一步地，所述无人机模型为：
12、
13、
14、
15、
16、式中，和分别为无人机在惯性坐标系下的位置和速度，m∈r和分别为无人机的质量和惯性矩阵，r∈so(3)为无人机的姿态旋转矩阵，g为重力加速度，e3＝[0,0,1]t，ω为无人机角速度在机体坐标系下的表示，和分别为无人机所受力和力矩在机体坐标系下的表示。
17、进一步地，无人机所受力和力矩在机体坐标系下的表示为：
18、
19、
20、其中，θ1为俯仰舵机偏转角度，θ2为偏航舵机偏转角度，w1,w2,w3为3个旋翼对应的三个电机的转速,k1为电机升力系数，k2为反扭距系数，l为电机至无人机质心的距离。
21、进一步地，，基于无人机模型，采用带滑模面的自抗扰控制对无人机的位置和位姿进行控制，具体包括：
22、基于无人机模型，将无人机惯性坐标系位置通过比例环节控制转为惯性坐标系速度，将惯性坐标系速度通过惯性坐标系坐标系到机体坐标系的旋转矩阵转为机体坐标系下的速度，即机体坐标系x轴方向速度、机体坐标系y轴方向速度、机体坐标系z轴方向速度；
23、将无人机位置和位姿的控制分为机体坐标系x轴方向速度通道、机体坐标系z轴方向速度通道、俯仰方向通道、滚转方向通道和偏航方向通道；机体坐标系x轴方向速度通过尾部第一舵机的偏转来控制，机体坐标系z轴方向速度通过油门控制，滚转方向通过前方第一旋翼和第二旋翼对应的两个电机的差动来控制，俯仰方向通过前方第一旋翼和第二旋翼对应的两个电机和第三旋翼对应电机的差动来控制，偏航方向通过尾部第二舵机的偏转控制；
24、设计带滑模面的自抗扰控制分别对各个通道控制。
25、进一步地，设计带滑模面的自抗扰控制具体包括：
26、通过增加拓展状态将各个通道的状态表示为：
27、
28、其中，x1为通道状态量，x3为拓展状态，f(x,t)为通道状态方程，b为输入系数，u为通道的输入控制量，d(x)为通道的不确定性干扰；其中输入控制量u设计为：
29、
30、s＝e1+λe2
31、e1＝x1-z1
32、e2＝x2-z2
33、其中，s为滑模面，e＝(e1,e2)为拓展状态观测器的状态观测误差，z1、z2为拓展状态观测器的变量；所述拓展状态观测器设计为：
34、e＝z1-y
35、fe＝fal(e,0.5,δ),fe1＝fal(e,0.25,δ)
36、z1＝z1+hz2-β01e
37、z2＝z2+h(z3+bu)-β02e
38、z3＝z3-β03fe1
39、
40、其中，fal是fe、fe1计算函数，fe，fe1分别为观测误差相关数，δ为时间步长，β01、β02、β03、α分别为待调节参数，z1、z2、z3分别时状态观测器的三个状态量。
41、与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
42、(1)通过增加单个或者个别电机在俯仰方向的矢量控制，可以确保机身在倾斜姿态下实现定点悬停能力；
43、(2)本专利技术相较于四旋翼或者其他多旋翼，只需要增加一个旋翼的矢量控制即可实现机身的倾斜悬停能力，简化了结构，减轻了重量；
44、(3)该无人机仅靠尾部旋翼矢量控制，在减小整机展开包络尺寸的同时，减少电机和舵机的数量，实现整机轻量化设计；
45、(4)本专利技术实现倾斜状态下保持定点悬停和倾斜姿态持续飞行，可满足特种复杂环境下的起降适应性和飞行通过性需求。
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1.一种机身可倾转三旋翼无人机，包括机身(4)，其特征在于，还包括第一旋翼(1)、第二旋翼(2)、第三旋翼(3)、第一机臂(5)、第二机臂(6)、第一舵机(8)和第二舵机(9)，所述第一机臂(5)和第二机臂(6)布置在机身上方左右两侧，所述第一旋翼(1)、第二旋翼(2)分别安装在第一机臂(5)、第二机臂(6)的一端，第一机臂(5)和第二机臂(6)的另一端通过转轴(7)与机身(4)连接，通过绕着转轴(7)旋转展开或者折叠；所述第三旋翼(3)、第一舵机(8)和第二舵机(9)布置在机身(4)尾部，第三旋翼(3)安装在第一舵机(8)上，第二舵机(9)伸出轴与第一舵机(8)固连，第一舵机(8)提供第三旋翼(3)在俯仰方向的运动，第二舵机(9)提供第三旋翼(3)在横滚方向的运动，第一旋翼(1)、第二旋翼(2)和第三旋翼(3)的转速分别通过电机控制，倾斜作业时，通过控制器控制无人机的位置和位姿，使三个旋翼合力方向垂直水平面向上与无人机自身的重力保持在同一轴线上，三个旋翼的升力与无人机的重力相等。
2.根据权利要求(1)所述的一种机身可倾转三旋翼无人机，其特征在于，所述第一机臂(5)
3.根据权利要求(1)所述的一种机身可倾转三旋翼无人机，其特征在于，所述第一机臂(5)、第二机臂(6)与转轴(7)的连接处设有扭簧。
4.一种用于权利要求1-3任一所述的一种机身可倾转三旋翼无人机的控制方法，其特征在于，包括步骤：
5.根据权利要求4所述的一种机身可倾转三旋翼无人机的控制方法，其特征在于，建立的惯性坐标系为：坐标原点为无人机起飞位置，X轴方向指向正北方，Y轴方向指向正东方，Z轴方向指向下方，建立的惯性坐标系满足右手定则。
6.根据权利要求4所述的一种机身可倾转三旋翼无人机的控制方法，其特征在于，建立的机体坐标系为：原点在无人机重心处，x轴指向无人机机头前进方向，y轴由原点指向无人机右侧，z轴方向通过x、y由右手法则确定。
7.根据权利要求4所述的一种机身可倾转三旋翼无人机的控制方法，其特征在于，所述无人机模型为：
8.根据权利要求7所述的一种机身可倾转三旋翼无人机的控制方法，其特征在于，无人机所受力和力矩在机体坐标系下的表示为：
9.根据权利要求4所述的一种机身可倾转三旋翼无人机的控制方法，其特征在于，基于无人机模型，采用带滑模面的自抗扰控制对无人机的位置和位姿进行控制，具体包括：
10.根据权利要求9所述的一种机身可倾转三旋翼无人机的控制方法，其特征在于，设计带滑模面的自抗扰控制具体包括：
...【技术特征摘要】
1.一种机身可倾转三旋翼无人机，包括机身(4)，其特征在于，还包括第一旋翼(1)、第二旋翼(2)、第三旋翼(3)、第一机臂(5)、第二机臂(6)、第一舵机(8)和第二舵机(9)，所述第一机臂(5)和第二机臂(6)布置在机身上方左右两侧，所述第一旋翼(1)、第二旋翼(2)分别安装在第一机臂(5)、第二机臂(6)的一端，第一机臂(5)和第二机臂(6)的另一端通过转轴(7)与机身(4)连接，通过绕着转轴(7)旋转展开或者折叠；所述第三旋翼(3)、第一舵机(8)和第二舵机(9)布置在机身(4)尾部，第三旋翼(3)安装在第一舵机(8)上，第二舵机(9)伸出轴与第一舵机(8)固连，第一舵机(8)提供第三旋翼(3)在俯仰方向的运动，第二舵机(9)提供第三旋翼(3)在横滚方向的运动，第一旋翼(1)、第二旋翼(2)和第三旋翼(3)的转速分别通过电机控制，倾斜作业时，通过控制器控制无人机的位置和位姿，使三个旋翼合力方向垂直水平面向上与无人机自身的重力保持在同一轴线上，三个旋翼的升力与无人机的重力相等。
2.根据权利要求(1)所述的一种机身可倾转三旋翼无人机，其特征在于，所述第一机臂(5)、第二机臂(6)通过转轴(7)向机身外部旋转展开，展开后，三个旋翼之间保持1.1倍的桨直径距离；所述第一机臂(5)和第二机臂(6)通过转轴(7)向机身内部旋转折叠，折叠后，第一旋翼(1)和第二旋翼(2)并陇在机身上方，且不超出机身的外轮...
【专利技术属性】
技术研发人员：张清，田聪玲，周皓宇，查启繁，苏红飞，卿黎明，汪光照，李卓远，艾百运，顾咖企，范晓敏，
申请(专利权)人：杭州智元研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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