CN103950537B - 变距飞行器的控制方法和控制装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种变距飞行器的控制装置，所述控制装置包括第一控制杆，所述第一控制杆在第一状态下控制飞行器旋翼的螺距和电机的转速同步增大；所述第一控制杆在第二状态下控制飞行器旋翼的螺距和电机的转速同步减小。本申请还公开了一种多旋翼变距飞行器的控制方法。本发明中，当飞行器需要爬升螺距增加的时候，飞行控制器控制电机相应的以一定比例提高转速提高扭力，该模式相对效率较高，灵敏度适中易于控制。

Description

变距飞行器的控制方法和控制装置
技术领域
本申请属于航拍领域，具体涉及一种多旋翼变距飞行器的控制方法和控制装置。
背景技术
现有的技术方案中的多轴飞行器的每个轴由相应的螺旋桨和驱动相应螺旋桨的电机组成。飞行器飞行的姿态保持和机动动作是通过飞行控制系统分别控制各个电机转速(现有多轴飞行器的各个电机的转动方向是成对相反的，以抵消自旋力矩)来达成对飞行器姿态和动作控制的。垂直起降飞行器的姿态包括水平，倾斜。机动动作包括平飞，上升，下降，自旋(绕自身Z轴、即机体结构水平面的垂直轴)。多轴飞行器的上升与下降动作是使所有电机的转速同步提升或下降来实现；飞行器的水平飞行是成对地增加对角线上两个电机的转速差使飞机保持一定水平倾斜姿态沿该对角线的由高转速电机指向低转速电机方向移动来实现的；顺时针(逆时针)自旋是同时增加(减少)整机所有顺时针(逆时针)转动电机转速且同时减少(增加)整机所有逆时针(顺时针)转动电机转速来实现的。把每个电机驱动的螺旋桨产生的升力作为一个大小不同的作用力，把每个电机的转速作为一个个正反力矩，控制飞机的姿态和动作就是不断增减各个作用力的大小和各个力矩的大小来实现的。
电机跟螺距变化不同步，当飞行器爬升时，螺距不改变，则加快转速。而现有固定螺距的桨叶其最高工作效率一般都在悬停期间和一定的转速范围内，在爬升过程中桨叶的效率降低了，纯粹靠改变电机转速也加重了电机负担。同时上升过程中动作控制灵敏度不如电机和螺距同步的方案。
发明内容
本发明的目的提供一种多旋翼变距飞行器的控制方法和控制装置，解决现有技术中无人飞行器自旋过程中反应不灵敏的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请实施例公开了一种变距飞行器的控制方法，所述飞行器在爬升过程中，所述飞行器旋翼的螺距和电机的转速同步增大；所述飞行器在下降过程中，所述飞行器旋翼的螺距和电机的转速同步减小。
优选的，在上述的变距飞行器的控制方法中，所述飞行器包括主体部以及驱动所述主体部的旋翼组件，所述旋翼组件包括绕设于所述主体部四周的多个旋翼以及驱动所述旋翼转动的一个电机，所述电机同时驱动所述所有旋翼进行同步转动。
本申请实施例还公开了一种变距飞行器的控制装置，所述控制装置包括第一控制杆，所述第一控制杆在第一状态下控制飞行器旋翼的螺距和电机的转速同步增大；所述第一控制杆在第二状态下控制飞行器旋翼的螺距和电机的转速同步减小。
优选的，在上述的飞行器的控制装置中，所述第一状态和第二状态分别为不同方向的移动。第一状态和第二状态还可以为不同的按键状态或拨动状态。
优选的，在上述的飞行器的控制装置中，所述飞行器包括主体部以及驱动所述主体部的旋翼组件，所述旋翼组件包括绕设于所述主体部四周的多个旋翼以及驱动所述旋翼转动的一个电机，所述电机同时驱动所述所有旋翼进行同步转动。
优选的，在上述的飞行器的控制装置中，所述控制装置还包括第一模式切换通道，所述第一模式切换通道实现姿态模式、手动模式和GPS模式切换，其中，所述姿态模式通过设于飞行器上的重力加速度传感器的参数使得飞行器自动平衡；所述手动模式通过设于飞行器上的三轴陀螺仪的参数对飞行器进行增稳补偿；所述GPS模式是结合重力加速度传感器、三轴陀螺仪、GPS信号和电子罗盘信号使得飞行器在空间中保持定点。
优选的，在上述的飞行器的控制装置中，所述控制装置还包括第二模式切换通道，所述第二模式切换通道至少可以实现多个电机定速的切换。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
当飞行器需要爬升螺距增加的时候，飞行控制器控制电机相应的以一定比例提高转速，该模式相对效率较高，电机负载变化更柔和，灵敏度适中易于控制。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明具体实施例中变距多轴飞行器的立体结构示意图；
图2所示为本发明具体实施例中变距多轴飞行器的爆炸示意图；
图3所示为本发明具体实施例中双头主驱动同步轮的结构示意图；
图4所示为本发明具体实施例中变距旋翼的立体示意图；
图5所示为本发明具体实施例中变距旋翼的爆炸示意图；
图6所示为本发明具体实施例中变距多轴飞行器的简化示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本案涉及一种变距多轴飞行器，一方面，通过一个电机可以同时驱动多个旋翼同步进行转动，另一方面，每个旋翼的螺距可变。以下通过优选的实施例对其结构进行具体说明。
参图1所示，变距飞行器包括支架10、以及安装于支架上的驱动系统20和变距旋翼30。
支架10为一支撑平台，其下方可以固定有起落架、航拍云台等，其上方可以承载电源、电路板等部件。
图2所示为本发明具体实施例中变距飞行器的爆炸示意图，为了说明方便，图中相对图1隐藏了部分部件。
参图2所示，支架10包括平行设置的第一侧杆11和第二侧杆12，第一侧杆11和第二侧杆12是两根长度相同、直径相同的空心圆杆。第一侧杆11和第二侧杆12之间固定有主杆13，主杆13为一空心圆杆，其两端分别固定于第一侧杆11和第二侧杆12的中间位置，且主杆13优选垂直于第一侧杆11和第二侧杆12。
在其他实施例中，主杆13也可以不垂直于第一侧杆11和第二侧杆12。第一侧杆11、第二侧杆12以及主杆的材质优选为碳纤维，易于想到的是，在满足支撑强度的前提下，第一侧杆11、第二侧杆12以及主杆13可以采用其他材质，越轻越好。
上述的支架10，由于仅仅采用三根圆杆进行固定，结构简单，而且最大化的降低了重量。
驱动系统20包括一电机22、一马达同步轮23、一主驱动同步轮24、一同步驱动皮带25和一主轴26。马达同步轮23安装于电机22的输出轴上，主轴26转动设于主杆13内，主驱动同步轮24套设于主轴26上并与主轴26固定，马达同步轮23位于主驱动同步轮24的正上方，马达同步轮23和主驱动同步轮24之间通过同步驱动皮带25实现联动。为了防止同步驱动皮带25与马达同步轮23以及主驱动同步轮24之间打滑，同步驱动皮带25的内表面与马达同步轮23的外表面之间设有相啮合的齿槽，主驱动同步轮24的外表面也设有与同步驱动皮带25内表面相啮合的齿槽。
每个变距旋翼30包括一沿竖直方向的驱动轴31，驱动轴31的底端套设并固定一转子同步轮32，主轴26的两端分别套设固定有一双头主驱动同步轮27(一体成型的两个侧驱动同步轮)，参图3所示，每个双头主驱动同步轮27并排设有两个驱动部，两个驱动部分别与两个同步传动皮带28的一端连接，同步传动皮带28的另一端套设于一转子同步轮32的外侧并可驱动转子同步轮32进行转动。
同步传动皮带28与双头主驱动同步轮27以及转子同步轮32的接触面之间设有相啮合的齿槽，以防止打滑。
需要说明的是，双头主驱动同步轮27也可以是两个独立的同步轮，每个同步轮分别与一同步传动皮带连接。
上述的驱动系统的作动原理如下：电机22由电源供电，直接带动马达同步轮23进行转动；马达同步轮23通过同步驱动皮带25进一步带动主驱动同步轮24进行转动，通过调整马达同步轮23和主驱动同步轮24的直径比，可以控制转速比；由于主驱动同步轮24与主轴26固定，因此可进一步带动主轴26进行转动；主轴26带动固定于主轴上两个双头主驱动同步轮27进行同步转动，每个双头主驱动同步轮27又分别通过两个同步传动皮带28带动相应的转子同步轮32进行转动，转子同步轮32进而带动相应的翼片转动。
通过一个电机将驱动力输出至主轴，并控制主轴的转动，主轴通过四个同步传动皮带进一步将动力输出至四个旋翼。由此可以想到，本发明的技术方案同样可以适用于具有其他数量旋翼的飞行器，主轴上可以依据旋翼的数量，对应设有相同数目的同步轮，例如：可以在主轴的中部增加一个双头主驱动同步轮，同时，主杆的中部位置可以垂直固定一圆杆，该圆杆的两端分别转动设置一旋翼，如此，主轴可以同时驱动六个旋翼进行同步转动。
本发明的无人飞行器设置有一个电机，并通过该电机驱动所有的旋翼同步进行转动，由于仅设置一个电机，成本低，重量轻；而且相对于多个电机，一个电机所产生的高频振动对航拍清晰度的影响得到较大的削弱；另外，通过一个电机同时驱动所有旋翼进行转动，同步性容易控制。
参图4和图5所示，变距旋翼30包括驱动轴31、转子同步轮32、第一翼片331、第二翼片332、桨毂34和驱动部。
转子同步轮32固定于驱动轴31的底端，在同步传动皮带28的驱动下，可带动驱动轴31一起转动。
桨毂34为一圆柱体，其轴线垂直驱动轴31的轴线，桨毂34的中部沿竖直方向开设有通孔或凹槽，并通过该通孔或凹槽套设于驱动轴31的顶端形成固定，驱动轴31的转动可带动桨毂34一起转动。
桨毂34的两侧分别可转动设有第一桨夹头351和第二桨夹头352，第一桨夹头351和第二桨夹头352上分别设有夹持部，第一翼片331和第二翼片332分别通过螺钉可拆卸固定于两个夹持部上。
驱动部包括第一滑动件36，第一滑动件36套设于驱动轴31上，且位于桨毂34的下方，第一滑动件36于驱动轴31的对称两侧分别延伸有第一蟹爪361和第二蟹爪362，第一桨夹头351和第二桨夹头352分别设有第一转动部3511和第二转动部3521，第一转动部3511和第一蟹爪361之间可转动连接有第一连接件371，第二转动部3521和第二蟹爪362之间可转动连接有第二连接件372。
驱动部还包括可驱动第一滑动件36上升的动力装置。动力装置包括第二滑动件381、变距摇臂382、连杆383和舵机(图未示)，第二滑动件381套设于驱动轴31上，且位于第一滑动件36的下方，变距摇臂382可转动安装于支架10上，且变距摇臂382的一端与第一滑动件36可转动连接，连杆383连接于舵机和变距摇臂382的另一端之间。
驱动部可同时作用于第一翼片331和第二翼片332并驱动第一翼片331和第二翼片332沿相反的时针方向翻动。从而实现对翼片螺距的控制。
本发明的变距多轴飞行器，其优点在于：
1、飞控系统不用再为了控制整机的姿态和动作而频繁改变各电机的转速，节省了整机的电力消耗，延迟了续航时间；
2、降低了对飞控软件的性能要求，使得多轴飞行器的飞控软件开发和使用成本降低很多；
3、单电机驱动的变距多轴飞行器在发生诸如坠毁时成本低，现有技术方案是每个电机通过硬连接每个螺旋桨，一旦坠毁时螺旋桨由于高转速惯性碰到任何物体即刻损坏，同时会进一步损毁与螺旋桨硬连接的各个电机，这样整机在修复过程中更换的零配件的成本将大大增加；
4、采用变距螺旋桨可以让电机在不同转速下使螺旋桨的气动力作用最优：
5、采用变距螺旋桨控制使飞机的动作姿态相应速度比现有技术方案灵敏很多，增加了飞机的机动性能，可以实现倒过来飞行；
6、采用变距螺旋桨，减少了对电机使用的损耗，延长了多轴飞行器的使用寿命；
7、H型的固定螺旋桨的机体横杆和机体纵杆有一定的柔性。当机体横杆的一端的螺旋桨变距增加推力时，将使机体横杆绕机体纵杆发生一定的变形，当然此变形在机体不对称的推力小时候将恢复。这种轻微且可以恢复的机体结构变形正是解决可变距多轴H型机体布局方案实现自旋动作的关键。自旋操作时，两条对角线上的旋翼桨距分别增大和减小，桨距增大的两个旋翼受到的气动阻力(反作用力)也增大，气动阻力综合后的对整机的力矩使得飞机沿该力矩方向进行自旋动作。另外，桨距增大的两个旋翼升力增加，使得前后两个横杆有轻微的相对扭转，这种扭转也使得桨距增大的两旋翼产生的推进力有一部分分力作用在自旋旋转方向上，加速自旋。
参图6所示，为了方便对飞行器的控制方法进行介绍，对上述变距多轴飞行器进行简化，简化后，其包括主体部以及驱动主体部的旋翼组件，旋翼组件沿逆时针方向包括依次设于主体部四周的旋翼S1、旋翼S2、旋翼S3和旋翼S4，其中S1和S3同步顺时针转动，S2和S4同步逆时针转动，S1和S2位于飞行器头部的左右两侧，S3和S4位于飞行器尾部的左右两侧。S1、S2、S3和S4分别在对应的舵机的驱动下螺距可变，通过控制器对不同旋翼螺距的控制可实现不同姿态的转换，该姿态包括向前飞、向后飞、向左飞、向右飞、爬升、下降、顺时针自旋和逆时针自选。
控制装置包括第一模式切换通道和第二模式切换通道。
第一模式切换通道实现姿态模式、手动模式和GPS模式切换，其中，姿态模式通过设于飞行器上的重力加速度传感器的参数使得飞行器自动平衡；手动模式通过设于飞行器上的三轴陀螺仪的参数对飞行器进行增稳补偿，利用三轴陀螺仪获取的参数对飞机进行稳定，使得飞机能够被控制；GPS模式是结合重力加速度传感器、三轴陀螺仪、GPS信号和电子罗盘信号使飞机能够在在三维空间自动趋向与静止在一个点上，其实在姿态模式的前提下加入GPS信号参数让飞机在空间三维坐标中保持定点。
第二模式切换通道实现油门螺距联动、电机定速1和电机定速2的切换，其中，油门螺距联动模式下，可以实现飞行器旋翼的螺距和电机的转速同步增大或同步减小，当飞行器需要爬升螺距增加的时候，飞行控制器控制电机相应的以一定比例提高转速提高扭力，该模式相对效率较高，灵敏度适中易于控制；电机定速是飞行控制器保持对电机的输出油门信号大小，遥控器对飞机的姿态控制只通过飞控反馈给每个旋翼响应的伺服舵机，改模式由于电机转速保持高速恒定，输出功率大，所以飞行姿态控制灵敏，并且可以进行倒飞等姿态飞行，电机定速1和电机定速2为不同的电机转速状态。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (4)

1.一种变距飞行器的控制装置，其特征在于：所述控制装置包括第一控制杆，所述第一控制杆在第一状态下控制飞行器旋翼的螺距和电机的转速同步增大；所述第一控制杆在第二状态下控制飞行器旋翼的螺距和电机的转速同步减小。
2.根据权利要求1所述的飞行器的控制装置，其特征在于：所述第一状态和第二状态分别为不同方向的移动。
3.根据权利要求1所述的飞行器的控制装置，其特征在于：所述飞行器包括主体部以及驱动所述主体部的旋翼组件，所述旋翼组件包括绕设于所述主体部四周的多个旋翼以及驱动所述旋翼转动的一个电机，所述电机同时驱动所述所有旋翼进行同步转动。
4.根据权利要求1所述的飞行器的控制装置，其特征在于：所述控制装置还包括第一模式切换通道，所述第一模式切换通道实现姿态模式、手动模式和GPS模式切换，其中，所述姿态模式通过设于飞行器上的重力加速度传感器的参数使得飞行器自动平衡；所述手动模式通过设于飞行器上的三轴陀螺仪的参数对飞行器进行增稳补偿；所述GPS模式是结合重力加速度传感器、三轴陀螺仪、GPS信号和电子罗盘信号使得飞行器在空间中保持定点。
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