【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种模块化可重构共轴飞行器、可控性分析及控制重分配方法，属于飞行器领域。
技术介绍
1、随着无人机技术的不断发展，无人机在日常生活中的应用越来越多。其中，具有悬停功能的旋翼无人机因为其飞行平稳、操作简单且体积较小等优点，广泛应用于航拍摄影、消防救援、物流运输、地质勘测、电力巡检等领域。
2、在不同的领域中，对无人机的性能要求是不一样的。为了适应不同的应用场景，往往需要根据无人机续航、体积、负载能力等要求定制不同的无人机，提高了无人机的制作成本。通过将模块化的思想引入到多旋翼飞行器中，使得多旋翼飞行器具有组合方式多样的特点，能够拼接成符合任务要求的飞行器构型。由于模块化飞行器的各个模块相同，可使模块化飞行器的各个部件实现通用化，极大的降低了飞行器设计与制作成本。因此，研究能够适应不同环境、通过组合方式多样化适配不同任务要求的模块化飞行器具有重要的意义。
技术实现思路
1、为了解决现有飞行器无法适应不同应用场景的问题，本专利技术提供了一种模块化可重构共轴飞行器、可控性分析及控制重分配方法。
2、本专利技术的技术方案是：
3、根据本专利技术的第一方面，提供了一种模块化可重构共轴飞行器的可控性分析方法，包括：依据模块化可重构共轴飞行器中各飞行单元模块中上下螺旋桨旋向，获取模块化可重构共轴飞行器控制分配矩阵；依据模块化可重构共轴飞行器中各飞行单元模块中上下螺旋桨执行器的状态，获得执行器效率损失方阵；依据模块化可重构共轴飞行器控制分配矩阵、执行
4、所述模块化可重构共轴飞行器控制分配矩阵，表达式为：
5、
6、其中，bca表示模块化可重构共轴飞行器控制分配矩阵；xup,i、yup,i分别表示模块化可重构共轴飞行器的第i个飞行单元模块中上螺旋桨在机体坐标系下的位置，xdw,i、ydw,i分别表示模块化可重构共轴飞行器的第i个飞行单元模块中下螺旋桨在机体坐标系下的位置，i＝{1,2,...n}表示模块化可重构共轴飞行器中第i个飞行单元模块，n表示模块化可重构共轴飞行器中飞行单元模块的数量；kup,i表示模块化可重构共轴飞行器的第i个飞行单元模块中上螺旋桨的旋转方向，kdw,i表示模块化可重构共轴飞行器的第i个飞行单元模块中下螺旋桨的旋转方向。
7、所述执行器效率损失方阵，表达式为：λ＝diag(λup,1,λdw,1,λup,2,λdw,2,…λup,n,λdw,n)；λup,i、λdw,i∈[0,1]表示模块化可重构共轴飞行器的第i个飞行单元模块的上、下无刷电机状态取值。
8、所述依据模块化可重构共轴飞行器控制分配矩阵、执行器效率损失方阵，获得考虑执行器状态的控制分配矩阵，表达式为：
9、bγ＝bcaλ；
10、其中，bγ表示考虑执行器状态的控制分配矩阵；bca表示模块化可重构共轴飞行器控制分配矩阵；λ表示执行器效率损失方阵。
11、所述依据考虑执行器状态的控制分配矩阵，进行可控性分析，包括：如果考虑执行器状态的控制分配矩阵的秩取值等于预设值，则认为可控；否则，不可控。
12、根据本专利技术的第二方面，提供了一种模块化可重构共轴飞行器的控制重分配方法，包括：依据可控性分析方法确定可重构共轴飞行器在满足可控条件后，根据高度和姿态期望轨迹，计算出可重构共轴飞行器的虚拟控制输入，依据求出的考虑执行器状态的控制分配矩阵，最终求出可重构共轴飞行器执行器故障后执行器的重分配输入向量。
13、根据本专利技术的第三方面，提供了一种模块化可重构共轴飞行器，包括飞行单元模块(27)，所述飞行单元模块(27)包括共轴双桨飞行器(18)、机械连接装置(19)；相邻两个飞行单元模块(27)之间通过机械连接装置(19)相连；所述共轴双桨飞行器(18)包括机架、动力组件和转向组件，所述机架用于安装动力组件和转向组件。
14、所述动力组件包括上螺旋桨2、下螺旋桨5、上无刷电机1、下无刷电机6、电机法兰17、主轴4；上无刷电机1固定在上面板3上且输出轴位于远离机架中上面板3的一侧，上螺旋桨2固定在上无刷电机1输出轴上，固定在上面板3另一侧的电机法兰17与主轴4一端固定，所述下无刷电机6、下螺旋桨5依次穿设在所述主轴上且主轴4的伸出端用于与所述转向组件的鱼眼轴承10固定后从所述转向组件的倾斜盘11穿出用于与机架中下面板8固定，固定在电机法兰17上的下无刷电机6驱动下螺旋桨5，上无刷电机1驱动上螺旋桨2。
15、所述转向组件包括鱼眼轴承10、倾斜盘11、舵机12、舵机连杆14、拉杆15，鱼眼轴承10安装在所述动力组件的主轴4上，倾斜盘11内圈通过过盈配合与鱼眼轴承10外圈连接，舵机12旋转依次经与舵机12的摆臂13连接的舵机连杆14、与舵机连杆14连接的拉杆15拉动与拉杆15连接的倾斜盘11实现下螺旋桨5的桨距变化。
16、所述机械连接模块19包括第一夹爪、第二夹爪、减速电机22、连杆23、曲柄24、立板25、第一卡槽、第二卡槽；所述立板25用于与机架固定，所述减速电机22驱动输出端的曲柄24旋转，通过曲柄24的旋转带动与曲柄24上下端偏心连接的第一夹爪、第二夹爪进行开合运动，通过一飞行单元模块27的第一夹爪、第二夹爪的开合运动实现与另一飞行单元模块27的立板25上的第一卡槽、第二卡槽配合。
17、本专利技术的有益效果是：
18、1、本专利技术提出了一种可快速拆装且随意组合的模块化可重构共轴飞行器。一方面，飞行单元模块基于共轴双桨飞行器，可实现任意数量的模块组合飞行；且本专利技术的共轴双桨飞行器，通过安装在同一轴线上的两个旋向相反的桨叶共同旋转，为无人机提供升力，可实现飞行单元模块独立飞行；共轴双桨飞行器体积小、重量轻，在进行多模块拼装时，模块不易变形，具有更强的适应性和灵活性。另一方面，通过机械连接装置能够实现将多个飞行单元模块快速拼接，由于各个动力模块载荷有限，为了实现不同重量的重物挂载，将多个飞行单元模块进行拼接能够提升无人机的载荷能力，由于飞行器具有可重构的特性，实现一次设计达到多架无人机的功能，节省了研发和制造成本；具体而言，设计了基于曲柄连杆机构的机械连接装置，在夹爪闭合阶段，利用连杆机构的死点特性，即当曲柄和连杆处于同一直线时，无论驱动力多大，都不能使机构起动，以此来确保飞行单元模块间的连接可靠性。另外，控制模块安装在各个飞行单元模块竖直轴线位置，使用分布式协同控制模块化可重构共轴飞行器飞行；由于每一个飞行单元模块都安装有控制模块且飞行单元模块都能独立飞行，在巡航过程中，如出现其中一个或几个飞行单元模块电机停转，在动力充裕的情况下，都能确保飞行器稳定飞行，完成给定任务。
19、2、本专利技术提出了模块化可重构共轴飞行器的数学建模方法，并对可重构共轴飞行器进行了可控性分析，提出了控制重分配方法，使得可重构共轴飞行器具有一定容错能力。
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1.一种模块化可重构共轴飞行器的可控性分析方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的模块化可重构共轴飞行器的可控性分析方法，其特征在于，所述模块化可重构共轴飞行器控制分配矩阵，表达式为：
3.根据权利要求1所述的模块化可重构共轴飞行器的可控性分析方法，其特征在于，所述执行器效率损失方阵，表达式为：Λ＝diag(λup,1,λdw,1,λup,2,λdw,2,…λup,N,λdw,N)；λup,i、λdw,i∈[0,1]表示模块化可重构共轴飞行器的第i个飞行单元模块的上、下无刷电机状态取值。
4.根据权利要求1所述的模块化可重构共轴飞行器的可控性分析方法，其特征在于，所述依据模块化可重构共轴飞行器控制分配矩阵、执行器效率损失方阵，获得考虑执行器状态的控制分配矩阵，表达式为：
5.根据权利要求1所述的模块化可重构共轴飞行器的可控性分析方法，其特征在于，所述依据考虑执行器状态的控制分配矩阵，进行可控性分析，包括：
6.一种模块化可重构共轴飞行器的控制重分配方法，其特征在于，包括：依据可控性分析方法确定可重构共轴飞行器在
7.一种模块化可重构共轴飞行器，其特征在于，包括飞行单元模块(27)，所述飞行单元模块(27)包括共轴双桨飞行器(18)、机械连接装置(19)；相邻两个飞行单元模块(27)之间通过机械连接装置(19)相连；所述共轴双桨飞行器(18)包括机架、动力组件和转向组件，所述机架用于安装动力组件和转向组件。
8.根据权利要求7所述的模块化可重构共轴飞行器，其特征在于，所述动力组件包括上螺旋桨(2)、下螺旋桨(5)、上无刷电机(1)、下无刷电机(6)、电机法兰(17)、主轴(4)；上无刷电机(1)固定在上面板(3)上且输出轴位于远离机架中上面板(3)的一侧，上螺旋桨(2)固定在上无刷电机(1)输出轴上，固定在上面板(3)另一侧的电机法兰(17)与主轴(4)一端固定，所述下无刷电机(6)、下螺旋桨(5)依次穿设在所述主轴上且主轴(4)的伸出端用于与所述转向组件的鱼眼轴承(10)固定后从所述转向组件的倾斜盘(11)穿出用于与机架中下面板(8)固定，固定在电机法兰(17)上的下无刷电机(6)驱动下螺旋桨(5)，上无刷电机(1)驱动上螺旋桨(2)。
9.根据权利要求7所述的模块化可重构共轴飞行器，其特征在于，所述转向组件包括鱼眼轴承(10)、倾斜盘(11)、舵机(12)、舵机连杆(14)、拉杆(15)，鱼眼轴承(10)安装在所述动力组件的主轴(4)上，倾斜盘(11)内圈通过过盈配合与鱼眼轴承(10)外圈连接，舵机(12)旋转依次经与舵机(12)的摆臂(13)连接的舵机连杆(14)、与舵机连杆(14)连接的拉杆(15)拉动与拉杆(15)连接的倾斜盘(11)实现下螺旋桨(5)的桨距变化。
10.根据权利要求7所述的模块化可重构共轴飞行器，其特征在于，所述机械连接模块(19)包括第一夹爪、第二夹爪、减速电机(22)、连杆(23)、曲柄(24)、立板(25)、第一卡槽、第二卡槽；所述立板(25)用于与机架固定，所述减速电机(22)驱动输出端的曲柄(24)旋转，通过曲柄(24)的旋转带动与曲柄(24)上下端偏心连接的第一夹爪、第二夹爪进行开合运动，通过一飞行单元模块(27)的第一夹爪、第二夹爪的开合运动实现与另一飞行单元模块(27)的立板(25)上的第一卡槽、第二卡槽配合。
...【技术特征摘要】
1.一种模块化可重构共轴飞行器的可控性分析方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的模块化可重构共轴飞行器的可控性分析方法，其特征在于，所述模块化可重构共轴飞行器控制分配矩阵，表达式为：
3.根据权利要求1所述的模块化可重构共轴飞行器的可控性分析方法，其特征在于，所述执行器效率损失方阵，表达式为：λ＝diag(λup,1,λdw,1,λup,2,λdw,2,…λup,n,λdw,n)；λup,i、λdw,i∈[0,1]表示模块化可重构共轴飞行器的第i个飞行单元模块的上、下无刷电机状态取值。
4.根据权利要求1所述的模块化可重构共轴飞行器的可控性分析方法，其特征在于，所述依据模块化可重构共轴飞行器控制分配矩阵、执行器效率损失方阵，获得考虑执行器状态的控制分配矩阵，表达式为：
5.根据权利要求1所述的模块化可重构共轴飞行器的可控性分析方法，其特征在于，所述依据考虑执行器状态的控制分配矩阵，进行可控性分析，包括：
6.一种模块化可重构共轴飞行器的控制重分配方法，其特征在于，包括：依据可控性分析方法确定可重构共轴飞行器在满足可控条件后，根据高度和姿态期望轨迹，计算出可重构共轴飞行器的虚拟控制输入，依据求出的考虑执行器状态的控制分配矩阵，最终求出可重构共轴飞行器执行器故障后执行器的重分配输入向量。
7.一种模块化可重构共轴飞行器，其特征在于，包括飞行单元模块(27)，所述飞行单元模块(27)包括共轴双桨飞行器(18)、机械连接装置(19)；相邻两个飞行单元模块(27)之间通过机械连接装置(19)相连；所述共轴双桨飞行器(18)包括机架、动力组件和转向组件，所述机架用于安装动力组件和转向组件。
8.根据权利要求7所述的模块化可重构共轴飞行器，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：任彬，杨春曦，张秀峰，那靖，毛文元，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：
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