CN110386248A - 一种自转四旋翼高速无人机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种自转四旋翼高速无人机及其控制方法，无人机包括机身，机身的头部和尾部分别设置有从机身延伸而出的机臂，通过机臂安装有多个自转旋翼升力桨，自转旋翼升力桨提供机身上升和下降的作用力；机身的尾端设置有推力桨，通过自转旋翼升力桨调整机身的姿态，使推力桨产生推力的方向经过机身的重心。控制方法在起飞阶段通过自转旋翼升力桨提供机身的升力，向前飞行及加速阶段通过自转旋翼升力桨控制无人机姿态，通过推力桨推进加速。所有螺旋桨都只提供单一方向的推力，动力不经过分量削弱，提高了动力利用率，操作方便。本发明在四旋翼无人机中结合自转旋翼，延长无人机的续航时间，有效提高巡航速度，安全性也远大于传统四旋翼无人机。

Description

一种自转四旋翼高速无人机及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种无人机，具体涉及一种自转四旋翼高速无人机及其控制方法。

背景技术

四旋翼无人机的机械结构简单、成本相对较低，但控制相对困难，所以在过去半个世纪里没有得到长足的发展；而随着近20年里MEMS技术的突破性发展，以及逐步成熟的控制算法，四旋翼无人机的研究和使用成为热点。并且随着飞控系统的不断突破、无刷电机技术的更新、高清相机的进步、远距离数字通信技术的发展以及视觉跟随技术的应用，四旋翼无人机已经在消费类航拍领域有了非常大的突破和很好的普及。但是受限于电池技术，四旋翼无人机有着有效载荷小、速度慢、续航短的缺点。因此，在电池技术没有实质性突破的情况下，传统的四旋翼无人机形式很难在起飞重量、有效载荷都不变的情况下，大幅度延长续航。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种自转四旋翼高速无人机及其控制方法，在四旋翼无人机中结合自转旋翼，延长无人机的续航时间，有效提高巡航速度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种自转四旋翼高速无人机，包括机身，机身的头部和尾部设置有从机身延伸而出的机臂，通过机臂安装有多个自转旋翼升力桨，自转旋翼升力桨提供机身上升和下降的作用力；机身的尾端设置有推力桨，通过自转旋翼升力桨调整机身的姿态，使推力桨产生推力的方向经过机身的重心。

优选的，机身的头部和尾部分别固定有与机身相垂直的机臂，机臂与机身组成工字型结构，机臂在机身的两侧关于机身对称设置，机臂的端部安装自转旋翼升力桨。

优选的，机身头部机臂两端的自转旋翼升力桨的间距短于机身尾部机臂两端的自转旋翼升力桨的间距。

优选的，机身头部的自转旋翼升力桨设置在机臂的下表面，尾部的自转旋翼升力桨设置在机臂的上表面。

优选的，所述的机身采用碳纤维材料制成。

优选的，所述的机臂采用能够进行折叠的杆件。

进一步的，自转旋翼升力桨以及推力桨均通过无刷电机驱动，机身上设有无刷电机的供电电源。

一种自转四旋翼高速无人机的控制方法，包括以下步骤：

起飞阶段：

机身尾端的推力桨不工作，通过机身上的自转旋翼升力桨驱动无人机垂直起飞；

向前飞行并加速阶段：

推力桨推进无人机加速，根据飞行速度变化通过自转旋翼升力桨控制无人机姿态；

定速巡航阶段：

机身上的自转旋翼升力桨进入自转状态，升力电机维持自转旋翼升力桨保持当前转速，通过机身尾端的推力桨持续工作，保持无人机以恒定速度进行向前飞行；

减速阶段：

升力电机重新控制自转旋翼升力桨的转速，推力电机控制推力桨逐渐减速；

降落阶段：

升力电机控制自转旋翼升力桨减速下降。

进一步的，向前飞行并加速阶段具体的，首先控制系统控制无人机逐渐调整姿态，使机头上仰，达到自转仰角，然后进入加速保持阶段；加速保持阶段中，无人机保持机头上仰，自转旋翼升力桨随着前进速度的增加自转力矩逐渐增大，升力电机功率逐渐减小。

进一步的，定速巡航阶段具体的，无人机保持机头上仰，自转旋翼升力桨处于自转状态，升力电机只提供维持转速的功率。

相较于现有技术，本发明的无人机具有如下有益效果：自转旋翼升力桨采用自转旋翼桨叶结构，在向前飞行时通过飞控系统控制无人机姿态实现四个自转旋翼升力桨自转，从而节约了所需动力，达到延长航时的目的。本发明实现了四旋翼无人机和自转旋翼机的技术特点融合，机身的尾端设置有推力桨，在具备独立推进系统的情况下，不仅可以大幅提升巡航速度，而且可以延长续航时间。由于本发明中的所有桨都只提供单一方向的推力，因而推力方向和所需力的方向实现了完全重合，所有动力不经过分量削弱，最大程度的提高了动力利用率。由于自转旋翼的空气动力特点，本发明无人机的安全性要远大于传统四旋翼无人机。

进一步的，本发明机身头部的自转旋翼升力桨设置在机臂的下表面，尾部的自转旋翼升力桨设置在机臂的上表面，四个自转旋翼升力桨的布局方式采用前后排上下错位布局，前排略低，最大程度提高了四个自转旋翼升力桨的效率；前进速度靠尾部推力桨提供动力，所以巡航速度不受四个自转旋翼升力桨滑流速度的限制，能够更容易实现突破。此外，四个自转旋翼升力桨前后空间错位布置也有利于推力桨的推力平面调整，以保证推力过重心。

进一步的，本发明机臂采用能够进行折叠的杆件，此处采用可折叠杆件主要是为了便于无人机携行，方便包装运输。

相较于现有技术，本发明无人机的控制方法具有以下有益效果：起飞阶段通过自转旋翼升力桨提供机身的升力，向前飞行及加速阶段通过自转旋翼升力桨控制无人机姿态，通过推力桨推进加速。所有桨都只提供单一方向的推力，动力不经过分量削弱，提高了动力利用率，操作方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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本发明无人机的整体结构示意图；

图2自转旋翼的工作原理框图；

图3本发明无人机控制方法各阶段操作框图。

附图中：1-机身；2-机身头部机臂；3-自转旋翼升力桨；4-机身尾部机臂；5-推力桨。

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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动前提还可以进行若干简单的修改和润饰，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置展示该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员能够显式地和隐式地理解的是，在本发明所描述的实施例也可以与其它实施例相结合。

参见图1，本发明实施例的一种自转四旋翼高速无人机，包括机身1，机身1采用碳纤维材料制成。机身1的头部和尾部分别设置有从机身1延伸而出的机臂，分别是机身头部机臂2和机身尾部机臂4，机臂采用能够进行折叠的杆件。机身头部机臂2和机身尾部机臂4与机身1相垂直，机臂与机身1组成工字型结构，机臂在机身1的两侧关于机身1对称设置，机臂的端部安装自转旋翼升力桨3，自转旋翼升力桨3提供机身1上升和下降的作用力，机身1头部的自转旋翼升力桨3设置在机臂的下表面，尾部的自转旋翼升力桨3设置在机臂的上表面。机身1的尾端设置有推力桨5，推力桨5产生推力的方向经过机身1的重心。所述的自转旋翼升力桨3以及推力桨5均通过无刷电机驱动，机身1上设有无刷电机的供电电源。

参见图2，本发明的设计原理及所能够带来的技术优势在于：自转旋翼是一种空气动力特性非常适合节能的螺旋桨结构，它的动力来源不是驱动装置，而是迎面吹来的风驱使旋翼转动，但不像风车那样顺转，而是逆转。向前飞时，自转旋翼机的桨盘向后倾，而不像直升机那样向前倾。本发明的前进动力来源于尾部的推力桨，驱动区内的总气动力领先于旋转轴，因而在旋转平面内升力的水平分量会驱使螺旋桨逆时针旋转，从而实现自转。可见在无人机向前飞行时，如果能够充分利用自转旋翼的空气动力特性，减轻自转旋翼升力桨电机的载荷，就可以很大程度上节约电池能量，最终实现大幅度延长续航的目的。并且自转旋翼因为具备被动的自转能力，不会出现自转旋翼升力桨突然停转导致掉落，所以拥有非常好的安全性和可靠性。另外，由于传统四旋翼无人机在向前飞行时是通过调整飞行姿态来获取动力的，因此向前的速度受限于螺旋桨的滑流以及无人机向前的倾角。而自转旋翼机要实现自转需要螺旋桨向后仰起，所以必须给无人机增加向前的推进系统，才可以做到取长补短。再加上如今无人机飞控技术已经得到长足进步，四旋翼无人机的姿态控制已经不再是技术瓶颈；因此在具备独立推进系统的情况下，基于四旋翼无人机和自转旋翼机的技术特点设计一种能够融合两者特长为一体的新型无人机，不仅可以大幅提升巡航速度，而且可以延长续航时间。

参见图3，本发明实施例自转四旋翼高速无人机的控制方法，包括以下步骤：

起飞阶段：

机身1尾端的推力桨不工作，通过机身1上的自转旋翼升力桨3驱动无人机垂直起飞。

向前飞行并加速阶段：

推力桨5推进无人机加速，根据飞行速度变化通过自转旋翼升力桨3控制无人机姿态；

具体的，首先控制系统控制无人机逐渐调整姿态，使机头上仰，达到自转仰角，然后进入加速保持阶段；加速保持阶段中，无人机保持机头上仰，自转旋翼升力桨3随着前进速度的增加自转力矩逐渐增大，升力电机功率逐渐减小。

定速巡航阶段：

机身1上的自转旋翼升力桨3进入自转状态，具体的，无人机保持机头上仰，自转旋翼升力桨3处于自转状态，升力电机只提供维持转速的功率。升力电机维持自转旋翼升力桨3保持当前转速，通过机身1尾端的推力桨5持续工作，保持无人机以恒定速度进行向前飞行。

减速阶段：

升力电机重新控制自转旋翼升力桨3的转速，推力电机控制推力桨5逐渐减速。

降落阶段：

升力电机控制自转旋翼升力桨3减速下降。

本发明的特点如下：

a)结构上采用前排自转旋翼升力桨略低于后排，前排自转旋翼升力桨间距略短于后排的布局方式；

b)具有独立推力桨；

c)四个机臂采用快速折叠的机构；

d)四个升力桨都采用自转旋翼升力桨；

e)无人机采用电池进行供电；

对比传统四旋翼无人机本方案具有以下优势：

a)四个自转旋翼升力桨的布局方式采用前后排上下错位布局，前排略低，最大程度提高四个自转旋翼升力桨的效率；

b)前进速度靠尾部推力桨提供动力，所以巡航速度不受四个自转旋翼升力桨滑流速度的限制，可以更容易实现突破；

c)四个自转旋翼升力桨采用自转旋翼桨叶结构，在向前飞行时通过飞控系统控制无人机姿态实现四个自转旋翼升力桨自转，从而更有效节约电池能量，达到延长航时的目的。

d)从自转旋翼的空气动力特点可以看出，本发明的安全性要远大于传统四旋翼无人机；

e)本发明中的所有螺旋桨都只提供单一方向的推力，因而推力方向和所需力的方向实现了完全重合，所有动力不经过分量削弱，最大程度提高了动力利用率。

以上结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变型，这些不脱离本发明的精神和范围的修改和变型也属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内。

Claims (10)

1.一种自转四旋翼高速无人机，其特征在于：包括机身(1)，机身(1)的头部和尾部分别设置有从机身(1)延伸而出的机臂，通过机臂安装有多个自转旋翼升力桨(3)，自转旋翼升力桨(3)提供机身(1)上升和下降的作用力；机身(1)的尾端设置有推力桨(5)，通过自转旋翼升力桨(3)调整机身(1)的姿态，使推力桨(5)产生推力的方向经过机身(1)的重心。

2.根据权利要求1所述的自转四旋翼高速无人机，其特征在于：机身(1)的头部和尾部分别固定有与机身(1)相垂直的机臂，机臂与机身(1)组成工字型结构，机臂在机身(1)的两侧关于机身(1)对称设置，机臂的端部安装自转旋翼升力桨(3)。

3.根据权利要求2所述的自转四旋翼高速无人机，其特征在于：机身(1)头部机臂两端的自转旋翼升力桨(3)的间距短于机身(1)尾部机臂两端的自转旋翼升力桨(3)的间距。

4.根据权利要求1或2所述的自转四旋翼高速无人机，其特征在于：机身(1)头部的自转旋翼升力桨(3)设置在机臂的下表面，尾部的自转旋翼升力桨(3)设置在机臂的上表面。

5.根据权利要求1所述的自转四旋翼高速无人机，其特征在于：所述的机身(1)采用碳纤维材料制成。

6.根据权利要求1所述的自转四旋翼高速无人机，其特征在于：所述的机臂采用能够进行折叠的杆件。

7.根据权利要求1所述的自转四旋翼高速无人机，其特征在于：所述的自转旋翼升力桨(3)以及推力桨(5)均通过无刷电机驱动，机身(1)上设有无刷电机的供电电源。

8.一种自转四旋翼高速无人机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

起飞阶段：

机身(1)尾端的推力桨不工作，通过机身(1)上的自转旋翼升力桨(3)驱动无人机垂直起飞；

向前飞行并加速阶段：

推力桨(5)推进无人机加速，根据飞行速度变化通过自转旋翼升力桨(3)控制无人机姿态；

定速巡航阶段：

机身(1)上的自转旋翼升力桨(3)进入自转状态，升力电机维持自转旋翼升力桨(3)保持当前转速，通过机身(1)尾端的推力桨(5)持续工作，保持无人机以恒定速度进行向前飞行；

减速阶段：

升力电机重新控制自转旋翼升力桨(3)的转速，推力电机控制推力桨(5)逐渐减速；

降落阶段：

升力电机控制自转旋翼升力桨(3)减速下降。

9.根据要求8所述自转四旋翼高速无人机的控制方法，其特征在于：

向前飞行并加速阶段具体的，首先控制系统控制无人机逐渐调整姿态，使机头上仰，达到自转仰角，然后进入加速保持阶段；加速保持阶段中，无人机保持机头上仰，自转旋翼升力桨(3)随着前进速度的增加自转力矩逐渐增大，升力电机功率逐渐减小。

10.根据要求8所述自转四旋翼高速无人机的控制方法，其特征在于：

定速巡航阶段具体的，无人机保持机头上仰，自转旋翼升力桨(3)处于自转状态，升力电机只提供维持转速的功率。