CN110641692A - 机身平衡无人机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人机技术领域，涉及机身平衡无人机及其控制方法。本发明无人机采用倾转旋翼技术，通过旋翼倾转装置使旋翼支架旋转以控制旋翼的倾角，做飞行姿态调整时不需要调整机身姿态，同时设有机身平衡控制器和机身平衡执行器来抵消风力导致的机身倾转，飞行过程中机身能保持平衡性，可以提高抗风能力，增加飞行稳定性，适用于作为摄像平台。相对于传统直升机，该无人机没有复杂的倾斜盘结构，用一个结构简单的旋翼倾转装置实现对旋翼倾角的控制，相对于多旋翼无人机，该无人机只有一个升力装置，另外，所用的机身平衡执行器也是结构简单的部件，整机结构简单、成本低。

Description

机身平衡无人机及其控制方法

技术领域

本发明属于无人机技术领域，更具体地说，是涉及机身平衡无人机及其控制方法。

背景技术

近年来，随着微电子技术和新型材料的发展，消费级无人机(主要是直升型无人机)快速发展。早期的消费级无人机是传统直升机，主要有共轴双桨、单桨加尾桨两种构型，传统直升机的倾斜盘的结构太复杂、制造难度大、可靠性低，相应的，多旋翼无人机的结构简单，制造容易，可靠性高，目前多旋翼无人机已成为市场的主流，其中，四旋翼无人机是最流行的多旋翼无人机类型。

消费级无人机最主要的应用是拍摄，拍摄对无人机的机身平衡性要求很高，不然，机身不断晃动，带动相机不断晃动，会严重影响拍摄的影像效果。然而，根据传统直升机和多旋翼无人机的飞行控制原理，在飞行过程中无人机却是无法保持机身平稳不动的，在加减速、风速变化或者风向变化等情况下，无人机都需要做俯仰运动和/或滚转运动才能实现飞行控制，比如：前飞时无人机要低头使旋翼前倾产生前向的推力、而侧飞时无人机要侧倾使旋翼侧倾产生横向的推力、侧向有风时无人机要侧倾使旋翼侧倾抵抗风力，无人机的这种俯仰和滚转运动频繁并且幅度很大。

公告号为CN106428543B、CN206243472U的专利中提出了一种倾转旋翼控制装置，该装置包含两个旋转机构，可以控制旋翼绕着两个旋转轴旋转，从而控制旋翼的倾角，实现无人机的飞行控制。采用这种控制装置的无人机与上述的传统直升机和多旋翼无人机的飞行控制器原理不同，其调整旋翼的倾角时，机身姿态不需要随着调整，因此机身在飞行姿态调整时是保持平衡的。不过，这种控制方式有个问题：旋翼的推力不能用于机身姿态的控制，决定机身姿态的主要作用力为风力(或其它外力)和机身重力，当受到风力作用时，机身会随风倾斜，倾斜角度主要由风力和重力的大小决定。对于微小型无人机，由于机身重量小，风力较大时，机身倾斜角度会很大，当风向和风速交变频繁时，甚至会触发来回震荡，影响飞行稳定性。

解决无人机机身不断晃动所导致的影像不佳问题，一个简单的方法是采用数字图像防抖技术，不过数字图像防抖技术无法获得很让人满意的影像。目前中高端无人机的解决方法是将相机挂在一个云台上，由云台转动来抵消机身的晃动，可以获得比较令人满意的图像。但是，微型无人机由于机身轻，相较于较重的大型无人机，需要调整更大的俯仰角或滚转角才能产生足够的力完成同样的飞行姿态控制，这意味着云台需要更快速地、更大幅度地转动，然而，微型无人机的空间小，只能安置小型的性能较低的云台，因此，当遇到较大的风时，特别是风速和风向变化频繁时，云台仍然无法完全抵消机身的倾转运动，造成拍摄影像不佳。

近年来，AR/VR技术和应用快速发展，全景影像的拍摄是未来影像领域的一个重要方向。全景影像的拍摄需要环绕布置多个相机(360°影像至少要4个以上，720°影像至少要6个以上)，所有相机同步拍摄，然后用图像算法将所有相机拍摄的影像进行拼接。目前飞行拍摄全景影像的方法是：用一个云台挂一个球形吊仓，在吊仓的四周安装多个相机进行拍摄。由于吊仓挂在无人机下面，因此无法拍摄吊仓上面的场景，无法拍摄720°影像。一个机身总是保持平衡能拍摄720°全景影像的飞行平台对于未来全景影像的发展具有很大的价值。

发明内容

本发明的目的在于提供机身平衡无人机及其控制方法，以解决现有无人机机身不断晃动影响影像拍摄的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种机身平衡无人机，包括：

机身；

旋翼支架；

安装在所述旋翼支架上的升力装置，所述升力装置包括旋翼；

安装于所述机身且用于使所述旋翼支架旋转以控制所述旋翼的倾角的旋翼倾转装置；

至少一个用于输出使所述机身产生倾转运动的力矩的机身平衡执行器；以及

用于控制所述机身平衡执行器动作以使所述机身保持平衡的机身平衡控制器。

本发明相对于现有技术的技术效果是：

1.本发明无人机采用倾转旋翼技术，通过旋翼倾转装置使旋翼支架旋转以控制旋翼的倾角，做飞行姿态调整时不需要调整机身姿态，同时设有机身平衡控制器和机身平衡执行器来抵消风力导致的机身倾转，飞行过程中机身能保持平衡性，适用于作为摄像平台。

2.公开号CN106428543B、CN206243472U专利所述的无人机微型化后，抗风能力较低，本发明无人机增设机身平衡控制器和机身平衡执行器，可以提高抗风能力，增加飞行稳定性。

3.相对于传统直升机，本发明无人机没有复杂的倾斜盘结构，用一个结构简单的旋翼倾转装置实现对旋翼倾角的控制，相对于多旋翼无人机，本发明无人机只有一个升力装置，另外，所用的机身平衡执行器也是结构简单的部件，整机结构简单、成本低。

可选地，所述机身平衡无人机还包括安装在所述旋翼支架上的旋翼防护框，所述旋翼防护框为中空结构，所述旋翼置于所述旋翼防护框的内部，所述旋翼防护框用于防护所述旋翼。本发明无人机的机身可以为中空的框架结构，升力装置安装在机身内部，在机身框架四周安置多个相机，用于拍摄720°全景影像。

本发明提供一种机身平衡无人机的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1、给所述机身平衡无人机设置至少一个工作模式，为每个所述工作模式设置机身平衡控制目标；

步骤S2、所述机身平衡控制器接收平衡控制所需的输入数据；

步骤S3、所述机身平衡控制器依据所述机身平衡无人机的当前工作模式、步骤S2所述输入数据和对应当前工作模式的步骤S1所述机身平衡目标，计算所述机身平衡执行器的控制量；

步骤S4、依据所述控制量，控制所述机身平衡执行器动作；

步骤S5、循环执行步骤S2至步骤S4，使所述机身姿态满足所述机身平衡控制目标。

本发明相对于现有技术的技术效果是：

1.本发明无人机采用倾转旋翼技术，通过旋翼倾转装置使旋翼支架旋转以控制旋翼的倾角，做飞行姿态调整时不需要调整机身姿态，同时设有机身平衡控制器和机身平衡执行器来抵消风力导致的机身倾转，飞行过程中机身能保持平衡性，适用于作为摄像平台。

2.公开号CN106428543B、CN206243472U专利所述的无人机微型化后，抗风能力较低，本发明无人机增设机身平衡控制器和机身平衡执行器，可以提高抗风能力，增加飞行稳定性。

3.相对于传统直升机，本发明无人机没有复杂的倾斜盘结构，用一个结构简单的旋翼倾转装置实现对旋翼倾角的控制，相对于多旋翼无人机，本发明无人机只有一个升力装置，另外，所用的机身平衡执行器也是结构简单的部件，整机结构简单、成本低。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一组第一实施例提供的机身平衡无人机的立体装配图；

图2为图1的机身平衡无人机的立体分解图；

图3为本发明一组第二实施例提供的机身平衡无人机的立体装配图；

图4为本发明一组第三实施例提供的机身平衡无人机的立体装配图；

图5为本发明一组第四实施例提供的机身平衡无人机的立体装配图；

图6(a)、图6(b)分别为本发明一组第五实施例提供的机身平衡无人机的立体装配图、局部放大图；

图7(a)、图7(b)分别为本发明一组第六实施例提供的机身平衡无人机的立体装配图、局部放大图；

图8为图1的机身平衡无人机在折叠时的结构示意图；

图9为本发明二组实施例提供的机身平衡无人机的立体装配图；

图10为图9的机身平衡无人机在折叠时的结构示意图；

图11为本发明三组第一实施例提供的机身平衡无人机的立体装配图；

图12为本发明三组第二实施例提供的机身平衡无人机的立体装配图；

图13为本发明四组实施例提供的机身平衡无人机的控制方法的流程图；

图14为本发明四组实施例提供的针对图1所示无人机的控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

请参阅图1及图2，在本发明一个实施例中，提供一种机身平衡无人机，其包括机身100、旋翼支架500、升力装置200、旋翼倾转装置400、机身平衡执行器(310、320、330、340)和机身平衡控制器(图未示)，升力装置200安装在旋翼支架500上，升力装置200包括旋翼220；旋翼倾转装置400安装于机身100，用于使旋翼支架500旋转以控制旋翼220的倾角；机身平衡执行器(310、320、330、340)用于输出使机身100产生倾转运动的力矩；机身平衡控制器用于控制机身平衡执行器(310、320、330、340)动作以使机身100保持平衡。

无人机采用倾转旋翼技术，通过旋翼倾转装置400使旋翼支架500旋转以控制旋翼220的倾角，因此做飞行姿态调整时不需要调整机身100的姿态，同时设有机身平衡控制器和机身平衡执行器(310、320、330、340)来抵消风力导致的机身倾转，飞行过程中机身100能保持平衡性，并可以提高抗风能力，增加飞行稳定性，适用于作为摄像平台。相对于传统直升机，该无人机没有复杂的倾斜盘结构，用一个结构简单的旋翼倾转装置400实现对旋翼220倾角的控制，相对于多旋翼无人机，该无人机只有一个升力装置200，另外，所用的机身平衡执行器(310、320、330、340)也是结构简单的部件，可见本发明无人机的结构简单、成本低。

需要说明的是，机身平衡控制器根据机身100姿态及其它数据，计算各个机身平衡执行器的控制量，然后控制各个机身平衡控制器协同动作，实现机身100的平衡控制。

实施例一组：

本实施例描述一个本发明提出的无人机，如图1、图2所示，包括机身100、升力装置200、机身平衡执行器(310、320、330、340)、机身平衡控制器(图未示)、旋翼倾转装置400、旋翼支架500。

在本发明另一实施例中，机身100为“L”型结构，包括第一机体110和机臂120。第一机体110为长条形结构，机臂120设于第一机体110的一个端部，第一机体110内容置电池、光流传感器、视觉分析模块、云台、相机700等无人机功能模块，其包含无人机的大部分重量。

在本发明另一实施例中，还包括飞行控制器(图未示)，飞行控制器根据各种传感器的数据和飞行任务要求，控制无人机的飞行，这属于现有技术。包含飞行控制器的电子控制组件可以安装在无人机的任意位置，通常是安装在第一机体110内。

在本发明另一实施例中，升力装置200包含两个电机210和两个旋翼220，两个电机210一个朝上、一个朝下安装在旋翼支架500上，两个旋翼220分别安装在两个电机210输出轴上，旋转方向相反，两个旋翼220的旋转扭矩可以相互抵消。

在本发明另一实施例中，还包括旋翼防护框600，旋翼防护框600安装在旋翼支架500上，将升力装置200包裹在内部，为旋翼220提供防护和避免误伤人。图1所示的旋翼防护框600为一个中空的圆形框，圆形框可以为镂空结构以降低重量，圆形框的上下两端可加网状盖板以提高安全性。

在本发明另一实施例中，旋翼倾转装置400包括第一旋转机构410、第一旋转控制器420，转接支架430、第二旋转机构440和第二旋转控制器450。旋翼支架500通过第一旋转机构410旋转安装于转接支架430，转接支架430通过第二旋转机构440旋转安装于机臂120。在原理上，第一旋转机构410的旋转轴线R1和第二旋转机构440的旋转轴线R2只要不平行都可行，在本实施例中R1轴线和R2轴线是正交的，这是优选设计，可以简化飞行控制器的设计，如果正交设计难以实现，相互垂直的设计也可以获得较好的效果。通过第一旋转控制器420和第二旋转控制器450控制升力装置200分别绕着R1轴和R2轴旋转，继而控制旋翼220的倾角。要说明的是，第一旋转控制器420和第二旋转控制器450的灵敏度和控制精度要求较高，不然会影响无人机的操控稳定性。

本实施例中，第一旋转机构410采用轴系结构，轴系结构的部件很多，图2中以第一轴承411和第一传动轴412两个主要部件进行示意，在图中，转接支架430上设置第一轴承411，旋翼支架500的端部设置第一传动轴412。实际上，相反设置也是可以的，即转接支架上设置第一传动轴，旋翼支架的端部设置第一轴承。与第一旋转机构410相同，第二旋转机构440也采用轴系结构，图中以第二轴承441和第二传动轴442两个主要轴系构件进行示意，机臂上设置第二轴承441，转接支架430的端部设置第二传动轴442。实际上，相反设置也是可以的。第一旋转控制器420和第二旋转控制器450是一种伺服器，包括电机、传动减速部件和电机控制组件等部件，在图中以一个电机和齿轮组示意，用于按照控制信号来输出转动，这属于现有技术。

上述无人机的飞行控制原理为：飞行时，第一机体110处于旋翼220下方，第一机体110包含了无人机的大部分重量，基于第一机体110重力的支撑作用，通过第一旋转控制器420可以控制旋翼支架500绕着R1轴旋转；通过第二旋转控制器450可以控制转接支架430绕着R2轴旋转，因此可控制旋翼220绕着R1轴和R2轴旋转，继而控制无人机沿着X轴和Y轴向运动或抵消X轴和Y轴向的外力作用保持悬停；通过控制两个旋翼220的转速，调整两个旋翼220的旋转扭矩差，产生偏航力矩，同时控制两个旋翼220产生的总升力不变，控制无人机的偏航运动；通过控制两个旋翼220的转速，调整两个旋翼220产生的总升力，同时保持两个旋翼220的旋转扭矩相互抵消，实现无人机的升降控制。由上可见，本实施例无人机采用倾转旋翼技术，这种控制方式的优点是无人机无需调整机身100姿态就可以调整旋翼220的倾角以实现飞行控制，也就是说无人机作飞行姿态调整时机身100仍可以保持平稳。

上述控制方式的技术特性是：旋翼220的推力不能用于机身100姿态的控制，决定机身100姿态的主要作用力为风力(或其它外力)和机身重力，当受到风力作用或加减速时，机身100会以升力中心(上下两个旋翼中心点连线的中点)为支点倾斜，倾斜角度由风力和机身重力的大小决定。对于微小型无人机，由于机身重量太轻，倾斜角度会较大，不仅影响拍摄，甚至可能触发来回震荡，影响飞行稳定性。本实施例无人机包括机身平衡控制器和四个机身平衡执行器(310、320、330、340)，用于控制上述机身100的倾转运动。

如图1所示，X轴的箭头指向设为机头方向，那么过升力中心且平行于Y轴的直线为无人机的俯仰轴，过升力中心且平行于X轴的直线为无人机的滚转轴。本实施例无人机的其中两个机身平衡执行器(310、320)设于第一机体110的两个端部，处于俯仰轴线的两边，另外两个机身平衡执行器(330、340)设于旋翼防护框600上，处于滚转轴线的两边。机身平衡执行器(310、320、330、340)的基本结构包括平衡导流片(311、321、331、341)和平衡伺服器，其工作原理是：平衡导流片(311、321、331、341)的一个表面迎向旋翼220的下洗气流，旋翼220的下洗气流在该表面产生压力，从而产生使无人机产生倾转运动的力矩；平衡伺服器控制平衡导流片旋转，调整其相对于旋翼气流的迎角，使迎向气流的面积变大或变小，从而控制所产生力矩的大小。例如，第一机体体110上的机身平衡执行器(310、320)能产生使机身100作俯仰运动的俯仰力矩。若右端的机身平衡执行器320的平衡导流片321旋转角度b向外张开，增加力矩，左端的机身平衡执行器310的平衡导流片311旋转角度a向机身靠拢，减小力矩，则产生使机身100绕着俯仰轴作顺时针旋转的俯仰力矩。若两个机身平衡执行器(310、320)的平衡导流片(311、321)往相反方向旋转，则会产生使机身100绕着俯仰轴作逆时针旋转的俯仰力矩。同样的，旋翼防护框600上的两个机身平衡执行器(330、340)能产生使机身100绕着滚转轴旋转的滚转力矩。平衡伺服器包括电机、传动减速部件和电机控制组件等部件，用于按照控制信号来输出转动，这属于现有技术。

本实施例中，每个机身平衡执行器可以只设置一个平衡伺服器控制两个平衡导流片同步转动。由于两个平衡导流片所受的气流会不同，导致两个张开角度相同的平衡导流片上受到的压力不同，此时机身平衡执行器所产生的力矩将使机身不只绕着一个轴旋转，比如，第一机体110上的机身平衡执行器(310、320)产生的力矩将不仅是俯仰力矩，还有部分分量是滚转力矩，同样，旋翼防护框600上的机身平衡执行器(330、340)产生的力矩也不仅是滚转力矩，还有部分分量是俯仰力矩，不过，机身平衡控制器可以控制四个机身平衡执行器(310、320、330、340)协调动作，从而控制机身的平衡。为了简化控制，每个机身平衡执行器可以设置两个平衡伺服器分别控制两个平衡导流片的角度，使单一机身平衡执行器的力矩只为俯仰力矩或滚转力矩，但所用部件更多。

在本发明另一实施例中，机身平衡执行器应尽可能设置在力臂较大的位置，可以提高电源效率，比如，本实施例第一机体110上的两个机身平衡执行器(310、320)设置在第一机体110的两个端部，这是俯仰力矩的力臂最大的位置。另外，机身平衡执行器的设置位置有多种实施方式，比如，图1所示无人机设于第一机体上的两个机身平衡执行器(310、320)也可以设在旋翼防护框600上；或者，如图3所示，在第一机体110上设置两个支架130用于安装机身平衡执行器330，这两个机身平衡执行器330产生滚转力矩，替代图1所示无人机安装在旋翼防护框600上的两个机身平衡执行器，两个支架130的根部可以设置铰接机构，以折叠回收无人机。

图1所示无人机在俯仰轴和滚转轴向上都设有两个机身平衡执行器。要说明的是，在本发明另一实施例中，如图4所示无人机，每个轴向上只设置一个机身平衡执行器(310、320)也是可行的。采用这种配置，结构较简单、重量较小，不过力矩较小，抗风能力下降。要注意的是，由于机身平衡执行器(310、320)只能输出单向力矩，因此在无风悬停时它们的平衡导流片(311、321)要张开一定的角度产生一个初始力矩，与机身重力的协同作用，通过调大或调小该力矩以实现双向控制。

在本发明另一实施例中，如图5所示，其第一机体110上的机身平衡执行器310是基于导流片技术的另一种实现方式，这种机身平衡执行器310也是包括平衡导流片311和平衡伺服器，这种机身平衡执行器310的平衡导流片311的工作原理不同，其采用固定翼原理，旋翼的下洗气流在平衡导流片311的两个表面会产生压力差，从而产生力矩，平衡伺服器控制平衡导流片311旋转，调整平衡导流片与旋翼气流的迎角以调整力矩的大小，这种实现方式的电源效率高，不过易受到外界气流的影响。

在本发明另一实施例中，机身平衡执行器还有基于风扇的实现方式，如图6所示无人机的第一机体110中部的风扇350是一个机身平衡执行器，风扇350的推力可以产生滚转力矩，风扇内设置两组扇叶(351，352)，两组扇叶(351，352)的出风方向相反，使风扇顺时针或逆时针旋转时可以输出大小基本相同的力矩，控制风扇350的旋转方向可以控制力矩的方向，调整风扇350的转速可以控制力矩的大小。

在本发明另一实施例中，如图7，设于第一机体110上的风扇360是另一种基于风扇的机身平衡执行器的实现方式，该风扇360设有两个出风口361，出风口361上设有阀门，空气由上方吸入，从出风口361排出产生力矩，通过开关两个出风口361的阀门可以控制力矩的方向，调整风扇的转速可以控制力矩的大小。阀门活动安装于出风口361，并通过驱动件带动移动，实现出风口361的开关。

在本发明另一实施例中，机身平衡执行器的设置相关于无人机的具体应用需求，可能对俯仰轴或滚转轴的某个轴向的平衡性要求高，对另一轴向要求低，则可以只在一个轴向设置机身平衡执行器，或在某个轴向上设置一个机身平衡执行器、而在另一个轴向上设置两个机身平衡执行器。另外，机身平衡执行器的具体性能也与无人机的具体应用需求相关。

在本发明另一实施例中，无人机的机身为“L”型结构，无人机的机臂120和第一机体110围成了一个空间，如图8所示，通过第一旋转机构410和第二旋转机构440的旋转，可将升力装置200和旋翼防护框600一体化地置入该空间内；另外，第一机体110上的机身平衡执行器(310、320)的平衡导流片(311、321)可以旋转至与第一机体110的外壳贴合，旋翼防护框600上的机身平衡执行器(330、340)的平衡导流片(331，341)可以旋转至旋翼防护框600内，从而实现无人机的折叠回收，使得无人机的回收尺寸小巧，便携性好。值得注意的是，本发明无人机的旋翼防护框600可以固定安装在旋翼支架500上，因此每次收放无人机时不需要拆卸旋翼防护框600，兼顾了无人机的易用性和安全性。

实施例二组：

本实施例描述一个本发明提出的无人机，如图9所示，包括机身100、升力装置200、机身平衡执行器310、旋翼倾转装置400、旋翼支架500和机身平衡控制器(图未示)。机身平衡控制器与实施例一组无人机相同，不再赘述。

在本发明另一实施例中，机身100为“U”型结构，包括第一机体110和两个机臂120。第一机体110为长条形结构，两个机臂120分别设于第一机体110的两端，第一机体110内容置电池、光流传感器、视觉分析模块、云台、相机700等无人机功能模块，其包含无人机的大部分重量。

在本发明另一实施例中，升力装置200安装在旋翼支架500上，旋翼倾转装置400包括第一旋转机构410、第一旋转控制器420、转接支架430、第二旋转机构440、第二旋转控制器450和第三旋转机构460，旋翼支架500通过第一旋转机构410旋转安装于转接支架430的中部位置，转接支架430的两个端部通过第二旋转机构440和第三旋转机构460分别旋转安装于两个机臂120，第二旋转机构440和第三旋转机构460的旋转轴线重合，因此转接支架430可以相对于机身100旋转。通过第一旋转控制器420控制旋翼支架500绕着第一旋转机构410的旋转轴R1相对于转接支架430旋转，通过第二旋转控制器450控制转接支架430绕着第二旋转机构440的旋转轴R2相对于机身100旋转。

在本发明另一实施例中，本实施例的升力装置包含电机210、旋翼220、偏航导流片(230、240)和偏航伺服器。电机210安装在旋翼支架500上，旋翼220安装在电机210输出轴上。偏航导流片(230、240)安装于旋翼220的下方，利用旋翼220的下洗气流产生使无人机发生偏航运动的力矩，有两个偏航导流片230是固定安装的，另外两个偏航导流片240是可活动的，偏航伺服器控制可活动的偏航导流片240转动调整偏航力矩大小。偏航伺服器包括电机、传动减速部件和电机控制组件等部件，用于按照控制信号来输出转动，这属于现有技术。

本实施例无人机的飞行控制除了偏航运动控制，其它的与实施例一组无人机相同，不再赘述。本实施例无人机的偏航运动控制原理为：偏航导流片(230、240)基于固定翼原理，旋翼220的下洗气流流过偏航导流片(230、240)，在偏航导流片(230、240)的两个表面会产生压力差，从而产生偏航力矩，通过偏航伺服器控制可活动的偏航导流片240旋转，调整相对于旋翼气流的迎角，可以控制所产生的力矩的大小，实现无人机的偏航运动控制。

在本发明另一实施例中，本实施例包括四个设置在机身100上的机身平衡执行器310，每个机身平衡执行器310包括一个平衡导流片311和一个平衡伺服器，其工作原理与图1所示无人机的机身平衡执行器相同。要说明的是，本实施例的每个机身平衡执行器310产生的力矩同时有俯仰力矩和滚转力矩分量，需要四个机身平衡执行器310联合作用实现机身的平衡性控制。注意，为了使滚转力矩够大，本实施例的机身平衡执行器的平衡导流片311的长度要比图1所示无人机的长，这样可以增大滚转力矩的力臂。

要说明的是，实施例一组无人机中论述的机身平衡执行器也都可以用于本实施例无人机。

在本发明另一实施例中，本实施例无人机的“U”型机身100可以承受较重的升力装置，其两个机臂120和第一机体110所包围的空间可以容纳升力装置200和旋翼防护框600，实现无人机的折叠回收，如图10所示。

实施例三组：

本实施例描述一个全景拍摄无人机，如图11所示，包括机身100、升力装置200、机身平衡执行器(310、320)、旋翼倾转装置400、旋翼支架500和机身平衡控制器(图未示)。本实施例无人机的机身平衡控制器、升力装置与实施例一组无人机相同，不再赘述。

在本发明实施例中，机身100为椭球形中空框架结构，机身100包括第一机体110，第一机体110置于下半球体中，其内部容置电池和其它电子组件，包含无人机的大部分重量。在机身框架的四周安装多个相机700，可以拍摄720°全景影像。优选是采用光学防抖的相机。

在本发明另一实施例中，升力装置200安装在旋翼支架500上，旋翼倾转装置400包括第一旋转机构410、第一旋转控制器420、转接支架430、第二旋转机构440、第二旋转控制器450、第三旋转机构460和第四旋转机构470。转接支架430是环形结构，旋翼支架500的两个端部分别通过第一旋转机构410和第三旋转机构460旋转安装于转接支架430，第一旋转机构410的旋转轴线与第三旋转机构460的旋转轴线重合，因此旋翼支架500可相对于转接支架430旋转。转接支架430的两个端部分别通过第二旋转机构440和第四旋转机构470旋转安装于机身100，第二旋转机构440和第四旋转机构470的旋转轴线重合，因此转接支架430可以相对于机身100旋转。通过第一旋转控制器420控制旋翼支架500绕着第一旋转机构410的旋转轴相对于转接支架430旋转，通过第二旋转控制器450控制转接支架430绕着第二旋转机构440的旋转轴相对于机身100旋转。本实施例无人机的旋翼倾转装置400的结构支撑力更强，可支持较大的升力装置200。本实施例无人机的飞行控制原理与实施例一组无人机完全相同。

在本发明另一实施例中，如图11所示，本实施例无人机的机身平衡执行器采用三个风扇(310、320)。设X轴的箭头指向为机头，则X轴是滚转轴，Y轴为俯仰轴。中间风扇310的风向平行于X轴，产生俯仰力矩，两边两个风扇320的风向平行于Y轴，产生滚转力矩。另一种实施方式可以采用两个风扇，保留中间风扇310，在中间风扇310的下方设置另一个风扇，其风向平行于Y轴，代替图11中两边的两个风扇320，不过将风扇设于该位置时力臂较短，电源效率低；一种替代实施方式是在下半球体对称于中间风扇310的位置设置一个风扇，其风向平行于Y轴，以高效率地产生滚转力矩。

要说明的是，实施例一组和实施例二组中的机身平衡执行器都可用于本实施例无人机，如图12所示为一个实施例，该无人机在下半球体上设置四个基于导流片技术的机身平衡执行器310，其它部分与图11所示无人机相同。

要说明的是，本实施例无人机的机身平衡执行器的性能要更高，使机身能维持更高的平稳性，这有利于图像拼接，拍摄稳定的全景影像。

实施例四组：

如图13所示，本实施例描述一个用于上述任一实施例机身平衡无人机的机身平衡控制方法，包括以下步骤：

步骤S101、给机身平衡控制器设置机身平衡控制目标：首先根据无人机的应用需求为无人机的不同工作状态设定不同的工作模式，然后为每个工作模式设定不同的机身平衡控制目标。例如，由于机身平衡执行器动作需要消耗能量，要控制的机身平衡性越高，消耗的能量越大，可以为无人机没有影像拍摄任务时的工作状态设为一种工作模式，称为飞行模式，飞行模式下可以设置机身平衡性较低的控制目标；另外，为无人机处于拍摄影像的工作状态设定为另一种工作模式，称为拍摄模式，并设置机身平衡性高的控制目标；

步骤S102、机身平衡控制器接收平衡控制所需的输入数据；如机身姿态数据(机身俯仰角/俯仰角速度、机身滚转角/滚转角速度)、旋翼倾转角/倾转角速度数据等。实际上，无人机的飞行控制器也需要上述数据，无人机设有机身姿态感知模块和旋翼倾转感知模块负责获取上述数据，通常的实现方式是使用IMU器件(包含加速度计和陀螺仪)感知原始的机身或旋翼的运动数据，然后使用滤波算法(如扩展卡尔曼滤波算法)消除噪声、获得准确的机身姿态数据和旋翼倾转数据，这属于现有技术；

步骤S103、依据上述输入数据，机身平衡控制器根据无人机的当前工作模式，应用步骤S101设置的相应机身平衡控制目标，执行相应的机身平衡控制算法，根据当前机身姿态数据与机身平衡控制目标设定的目标值的偏差值，计算各个机身平衡执行器的控制量。机身平衡控制算法可以是一个基于PID的控制算法，也可以较复杂的基于数学模型的控制算法；

步骤S104、依据计算得到的控制量，控制机身平衡执行器动作；

步骤S105、循环执行步骤S102至步骤S104，使机身姿态满足机身平衡控制目标。

进一步地，基于上述机身平衡控制方法，针对图1和图2所示无人机为具体控制对象，下面详细描述一个基于PID的机身平衡控制方法。图1所示无人机用于个人用户的自拍，自拍应用的一个特点是：用户每次要拍摄时会发出一个拍摄指令，只要无人机在接收到该指令后一个较短的响应时间内能控制住机身使其维持平稳，就不会影响用户的拍摄体验。利用这个特点，将无人机的工作模式分为两种工作模式，分别为飞行模式(没有影像拍摄任务的工作状态)和拍摄模式(有影像拍摄任务的工作状态)，为这两种模式分别设置不同的机身平衡控制目标：1.飞行模式时，机身平衡控制目标为无人机的滚转角速度低于一个滚转角速度阈值和俯仰角速度低于一个俯仰角速度阈值，该控制目标仅抑制过快的机身倾转运动，不维持机身绝对平衡，以减小电源消耗，提升续航时间；2.拍摄模式时，机身平衡控制目标为机身的俯仰角和滚转角分别等于目标俯仰角和目标滚转角，该目标俯仰角和目标滚转角分别为无人机切换到拍摄模式时的机身俯仰角和滚转角，该控制目标使无人机的机身姿态保持在收到用户拍摄指令时的机身姿态，以拍摄稳定的影像。

为了便于描述机身平衡控制方法，先定义无人机的俯仰轴和滚转轴。如图1所示，设X轴的箭头指向为机头方向，那么平行于Y轴过旋翼升力中心的直线是俯仰轴线，平行于X轴且过旋翼升力中心的直线是滚转轴线。设A_p、AR_p、A_r、AR_r分别为机身的俯仰角、俯仰角速度、滚转角和滚转角速度，设机头绕着俯仰轴向上旋转时A_p和AR_p的符号为正，机身绕着滚转轴向右(Y轴箭头指向)下旋转时A_r和AR_r的符号为正。

如图14所示为应用于图1所示无人机的机身平衡控制方法，包括以下步骤：

步骤S201、将无人的工作状态分为两种工作模式——飞行模式和拍摄模式，为每个工作模式设置机身平衡控制目标：

R1：飞行模式时，机身平衡控制目标为机身的俯仰角速度低于俯仰角速度阈值AR_THR_p，机身的滚转角速度低于滚转角速度阈值AR_THR_r；

R2：拍摄模式时，机身平衡控制目标为机身的俯仰角等于目标俯仰角A_FIT_p，以及机身的滚转角等于目标滚转角A_FIT_r，其中，A_FIT_p和A_FIT_r分别为无人机切换至拍摄模式时的俯仰角和滚转角；

步骤S202、机身平衡控制器接收控制机身平衡所需的数据，包括：

从现有的机身姿态感知模块接收机身的姿态数据，包括当前俯仰角A_p、当前俯仰角速度AR_p、当前滚转角A_r、当前滚转角速度AR_r。

步骤S203、机身平衡控制器根据无人机的当前工作模式，使用相应的机身平衡控制目标并执行相应的机身平衡控制算法。设当前时间点为T_k，俯仰力矩机身平衡执行器(310、320)和滚转力矩机身平衡执行器(330、340)的控制量分别为C_PITCH(k)和C_ROLL(k)，其中，其初始值C_PITCH(0)和C_ROLL(0)为0。机身平衡控制算法是基于PID的控制算法；

步骤S203A：无人机工作模式为飞行模式时，采用机身平衡控制目标R1，根据当前俯仰角速度AR_p与俯仰角速度阈值AR_THR_p之间的偏差值，以及当前滚转角速度AR_r与滚转角速度阈值AR_THR_r之间的偏差值，使用一个对应于飞行模式的机身平衡控制算法计算机身平衡执行器的控制量，具体算法如下：

以公式(1)计算时刻T_k的机身当前俯仰角速度AR_p(k)与俯仰角速度阈值AR_THR_p之间的俯仰角速度偏差e_AR_p(k)、机身当前滚转角速度AR_r(k)与滚转角速度阈值AR_THR_r之间的滚转角速度偏差e_AR_r(k)，其中，abs(x)是求x的绝对值函数；

若e_AR_p(k)大于0，则机身当前俯仰角速度超出俯仰角速度阈值，置Tp为当前时间点，Tp为这一轮控制的起始时间点，以PID公式(2)计算俯仰力矩机身平衡执行器(310、320)的控制量C_PITCH(k)；否则置C_PITCH(k)＝0，停止控制；

若e_AR_r(k)大于0，则机身当前滚转角速度超出了滚转角速度阈值，置Tr为当前时间点，Tr为这一轮控制的起始时间点，以PID公式(3)计算滚转力矩机身平衡执行器(330、340)的控制量C_ROLL(k)；否则置C_ROLL(k)＝0，停止控制；

其中，公式(2)、(3)中，A_K_p、A_K_i、A_K_d分别为PID算法的比例、积分和微分控制参数；sign(x)为取x的符号函数，为C_PITCH(k)和C_ROLL(k)设置相应的符号位确定控制力矩的方向。

步骤S203B、收到用户拍摄指令后，无人机工作模式切换至拍摄模式，采用机身平衡控制目标R2，机身平衡控制目标的目标俯仰角和目标滚转角分别设为无人机切换至拍摄模式时的俯仰角和滚转角，然后，根据机身的当前俯仰角/滚转角与目标俯仰角/目标滚转角之间的偏差值，使用一个对应于拍摄模式的机身平衡控制算法计算机身平衡执行器的控制量，具体算法如下：

置T0为无人机工作模式切换至拍摄模式的时刻，T0为这一轮控制的起始时间点，置A_FIT_p为当前的机身俯仰角A_p及A_FIT_r为当前的机身滚转角A_r，A_FIT_p和A_FIT_r是这一轮要控制的机身平衡目标的目标俯仰角和目标滚转角。控制算法为串级PID算法；

公式(4)为第1级PID公式，其中，A1_K_p、A1_K_i是比例、积分参数；

公式(5)为第2级PID公式，其中，A2_K_p、A2_K_i、A2_K_d是比例、积分、微分参数；

第1级PID采用公式(4)，根据机身当前俯仰角/当前滚转角与目标俯仰角/目标滚转角的偏差计算要控制的目标俯仰角速度C_AR_p(k)和目标滚转角速度C_AR_r(k)；第2级PID采用公式(5)，根据机身当前俯仰角速度/当前滚转角速度与目标俯仰角速度/目标滚转角速度的偏差计算机身平衡执行器的控制量C_PITCH(k)和C_ROLL(k)；

步骤S204、依据计算得到的控制量，控制机身平衡执行器动作：若C_PITCH(k)为负数，机身平衡执行器320的导流片张开一个角度|C_PITCH(k)|；机身平衡执行器310的导流片旋转至与机身外壳贴合，抑制机身绕着俯仰轴向上的倾转运动。若为正数，则机身平衡执行器320的导流片旋转至与机身外壳贴合，机身平衡执行器310的导流片张开一个角度|C_PITCH(k)|，抑制机身绕着俯仰轴向下的倾转运动。若为0，则机身平衡执行器(310、320)的导流片都旋转至与机身外壳贴合，不输出力矩。

若C_ROLL(k)为负数，机身平衡执行器330的导流片张开一个角度|C_ROLL(k)|，机身平衡执行器340的导流片旋转至垂直于旋翼翼盘，抑制机身绕着滚转轴向右下(Y轴箭头指向)的倾转运动；若为正数，则机身平衡执行器330的导流片旋转至垂直于旋翼翼盘，机身平衡执行器340的导流片张开一个角度|C_ROLL(k)|，抑制机身绕着滚转轴向左下的倾转运动；若为0，机身平衡执行器(330、340)的导流片都旋转至垂直于旋翼翼盘，不输出力矩。

其中，|X|为求X的绝对值；

步骤S205、转到第步骤S202步执行下一个控制周期。

可以理解地，图14所示机身平衡控制方法可应用于实施例一至三组所述的任一机身平衡无人机。具体实施时，根据不同无人机的应用领域需求，可以设置不同的工作模式和相应的机身平衡控制目标，可以只设置一个工作模式或更多的工作模式，在一种具体工作模式下，也可以只对机身的滚转运动或俯仰运动单一进行控制。例如，对于图11和图12所示的全景拍摄无人机，该无人机可用于大型活动的全景拍摄，此种应用场景下需要无人机全程拍摄稳定的全景影像，因此只设定一种工作模式，即拍摄模式，对应的机身平衡控制目标为机身的目标俯仰角和目标滚转角都为0°。对于该无人机的平衡控制方法的第S203步只有相应于拍摄模式的内容。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种机身平衡无人机，其特征在于，包括：

机身；

旋翼支架；

安装于所述旋翼支架上的升力装置，所述升力装置包括旋翼；

安装于所述机身且用于使所述旋翼支架旋转以控制所述旋翼的倾角的旋翼倾转装置；

至少一个用于输出使所述机身产生倾转运动的力矩的机身平衡执行器；以及

用于控制所述机身平衡执行器动作以使所述机身保持平衡的机身平衡控制器。

2.如权利要求1所述的机身平衡无人机，其特征在于，所述旋翼倾转装置包括第一旋转机构、第一旋转控制器、转接支架、第二旋转机构和第二旋转控制器；所述旋翼支架通过所述第一旋转机构旋转连接于所述转接支架，所述转接支架通过所述第二旋转机构旋转连接于所述机身，所述第一旋转机构的旋转轴线和所述第二旋转机构的旋转轴线不平行；所述第一旋转控制器用于控制所述旋翼支架绕着所述第一旋转机构的旋转轴旋转，所述第二旋转控制器用于控制所述转接支架绕着所述第二旋转机构的旋转轴旋转，从而控制所述旋翼绕着所述第一旋转机构和第二旋转机构的旋转轴旋转，实现所述旋翼的倾角控制。

3.如权利要求2所述的机身平衡无人机，其特征在于，所述旋翼倾转装置还包括第三旋转机构，所述转接支架的两个端部分别通过所述第二旋转机构和所述第三旋转机构旋转连接于所述机身，所述第二旋转机构与和所述第三旋转机构的旋转轴线重合；

或者，所述旋翼倾转装置还包括第三旋转机构和第四旋转机构，所述旋翼支架的两个端部分别通过所述第一旋转机构和所述第三旋转机构旋转连接于所述转接支架，所述第一旋转机构与所述第三旋转机构的旋转轴线重合；所述转接支架的两个端部分别通过所述第二旋转机构和所述第四旋转机构旋转连接于机身，所述第二旋转机构和所述第四旋转机构的旋转轴线重合。

4.如权利要求1所述的机身平衡无人机，其特征在于，还包括安装在所述旋翼支架上的旋翼防护框，所述旋翼防护框为中空结构，所述旋翼置于所述旋翼防护框的内部，所述旋翼防护框用于防护所述旋翼。

5.如权利1至4任一项所述的机身平衡无人机，其特征在于，至少一个所述机身平衡执行器为用于输出使所述机身发生俯仰运动的力矩的机身平衡执行器；

和/或，其中两个所述机身平衡执行器为用于输出使所述机身发生俯仰运动的力矩的机身平衡执行器，该两个机身平衡执行器分别设置在所述机身平衡无人机的俯仰轴线的两边。

6.如权利要求1至4任一项所述的机身平衡无人机，其特征在于，至少一个所述机身平衡执行器为用于输出使所述机身发生滚转运动的力矩的机身平衡执行器；

和/或，其中两个所述机身平衡执行器为用于输出使所述机身发生滚转运动的力矩的机身平衡执行器，该两个机身平衡执行器分别设置在所述机身平衡无人机的滚转轴线的两边。

7.如权利要求1至4任一项所述的机身平衡无人机，其特征在于，其中至少一个所述机身平衡执行器包括平衡导流片和平衡伺服器，所述平衡导流片安装于所述旋翼下方，利用所述旋翼的下洗气流产生使所述机身发生倾转运动的力矩，所述平衡伺服器控制所述平衡导流片旋转，以调整所述平衡导流片相对于所述旋翼下洗气流的角度，控制所述平衡导流片产生的力矩大小。

8.如权利要求7所述的机身平衡无人机，其特征在于，所述平衡导流片的一个表面朝向所述旋翼的下洗气流，利用所述旋翼的下洗气流在该表面形成的压力产生使所述机身发生倾转运动的力矩。

9.如权利要求7所述的机身平衡无人机，其特征在于，所述平衡导流片具有旋转至不影响所述机身平衡无人机折叠回收的位置。

10.如权利要求1至4任一项所述的机身平衡无人机，其特征在于，其中至少一个所述机身平衡执行器为风扇，所述风扇设于所述机身上，所述风扇的推力产生使所述机身发生倾转运动的力矩，控制所述风扇转速调整力矩大小。

11.如权利要求1至4任一项所述的机身平衡无人机，其特征在于，所述机身包括第一机体和至少一个机臂，所述第一机体为长条形结构，所述机臂设于所述第一机体的端部，所述旋翼倾转装置安装于所述机臂，所述升力装置置入所述机臂和第一机体所包围的空间内以实现所述机身平衡无人机的折叠回收；

或者，所述机身为中空的框架结构，所述旋翼倾转装置和升力装置置于所述机身内部，所述机身的四周设置多个相机以拍摄全景影像。

12.一种用于如权利要求1至11任一项所述的机身平衡无人机的机身平衡控制方法，包括以下步骤：

步骤S1、给所述机身平衡无人机设置至少一个工作模式，为每个所述工作模式设置机身平衡控制目标；

步骤S2、所述机身平衡控制器接收平衡控制所需的输入数据；

步骤S3、所述机身平衡控制器依据所述机身平衡无人机的当前工作模式、步骤S2所述输入数据和对应当前工作模式的步骤S1所述机身平衡目标，计算所述机身平衡执行器的控制量；

步骤S4、依据所述控制量，控制所述机身平衡执行器动作；

步骤S5、循环执行步骤S2至步骤S4，使所述机身姿态满足所述机身平衡控制目标。

13.如权利要求12所述的机身平衡控制方法，其特征在于，在步骤S1中，其中一个所述工作模式为飞行模式，所述飞行模式对应于所述机身平衡无人机没有影像拍摄任务的工作状态，该工作模式设置的机身平衡控制目标为所述机身的滚转角速度低于滚转角速度阈值、和/或所述机身的俯仰角速度低于俯仰角速度阈值。

14.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，在步骤S1中，其中一个所述工作模式为拍摄模式，所述拍摄模式对应于所述机身平衡无人机有影像拍摄任务的工作状态，该工作模式设置的机身平衡控制目标为所述机身的俯仰角等于目标俯仰角、和/或所述机身的滚转角等于目标滚转角，其中，所述目标俯仰角和目标滚转角分别为所述机身平衡无人机切换到该工作模式时的俯仰角和滚转角。

15.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，在步骤S2中，所述输入数据包括机身姿态数据，所述机身姿态数据包括所述机身的当前俯仰角、当前俯仰角速度、当前滚转角和当前滚转角速度。

16.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，在步骤S3中，根据所述机身平衡无人机的当前工作模式应用相应的机身平衡控制目标，执行相应的机身平衡控制算法；所述机身平衡控制算法根据所述机身姿态的当前值与所述机身平衡控制目标设定的目标值之间的偏差量，计算所述机身平衡执行器的控制量。

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