CN112319791A - 一种新构型无人机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新构型无人机及其控制方法，包括：机身、机臂组件及旋翼动力组件；机臂组件包括多个，设置于机身上，且相对于机身中心对称；旋翼动力组件包括：垂直及水平动力组件；垂直动力组件设置于机臂组件上，垂直动力组件仅用于姿态控制和提供无人机的升力，使无人机在水平面内保持稳定；水平动力组件竖直设置于至少一对机臂上，提供无人机在水平面内动作的动力，且每对水平动力组件相对于机身呈中心轴对称分布；当无人机达到预设高度后，水平动力组件驱动其在水平面内运动，通过旋翼转速控制，使无人机在不改变倾角的情况下完成一系列动作。通过本发明，避免了传统多旋翼无人机水平运动与俯仰角之间的耦合，有效提高无人机姿态控制精度。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，特别涉及一种新构型无人机及其控制方法。
背景技术
多旋翼无人机因其低廉的成本和简单的控制方式，在多个领域均有广泛的应用。在一些特殊的领域中，如仓库货运、精准测量、以及军用精确打击等，对无人机的控制精度有很高的要求，需要无人机在飞行的过程中保持平稳的姿态。传统的多旋翼无人机系统通过改变多个平行于地面的螺旋桨转速或螺距，产生推力差或者扭矩差来实现飞行姿态控制。这样的控制模式导致多旋翼无人机姿态和位置耦合，在姿态调整的过程中不可避免地会出现机身倾斜的情况，不利于维持无人机平衡稳定的飞行姿态。在某些特定的工作情景中，需要飞行器姿态和位置解耦，在改变无人机位置的同时保持其姿态稳定不变，这就要求无人机在飞行的过程中不能产生倾角，同时不能降低多旋翼无人机本身所具有的灵活、易控制的优势。
现有技术中的多旋翼无人机包括：垂直起降固定翼无人机以及普通的四旋翼无人机。其中垂直起降固定翼无人机通过平行于地面的旋翼进行垂直方向上的运动，达到既定高度时采用垂直于地面的旋翼配合固定翼提供升力来进行平飞。四旋翼(多旋翼)无人机主要利用不同旋翼间的差速产生向前或向后的运动。
专利CN 210191819 U公开了一种垂直起降固定翼无人机，如图1所示，其主体结构类似于普通的固定翼飞机，主固定翼由机身长轴相对两侧延伸构成，在平飞模式下提供机身向上的升力。该发明的主要特征在于安装在平行于机身的支臂上的旋翼组件和安装在机身尾部的推进动力组件，其中四个旋翼组件用于提供垂直起降升力，推进动力组件提供水平推力。
专利CN 211139660 U公开了另一种垂直起降固定翼无人机，如图2所示，其机身的头部转动连接有转轴，转轴的外端连接有第一旋翼，由该旋翼在无人机平飞模式下提供水平推力。机身中部的两侧侧翼板上装有第二旋翼组，由第二旋翼组提供垂直起降的升力。
专利CN 110871890 A公开了一种四旋翼无人机，如图3。包括由四个结构相同的可拆式侧壁安装成型的方形机架，区别于传统的通过旋翼转速差实现空中动作的无人机，其特点在于可通过调整旋翼的角度来实现无人机在空中的动作。但仍旧不可避免地会在姿态改变的过程中产生机身倾斜的情况，并且机械结构复杂，制作生产困难。
现有方案的主要缺陷有：1、垂直起降固定翼无人机无法进行空中“刹车“甚至后退飞行的动作，对于高速复杂运功的对接目标无法实现理想的追踪对接。2、垂直起降固定翼无人机飞行模态的转换控制复杂，整体性能介于旋翼和固定翼之间。难以实现对动态尤其是非合作目标的精确对接、瞄准。3、传统的多旋翼无人机控制不够灵活，在姿态调整的过程中不可避免地会产生俯仰角的变化和偏差即机身倾斜的情况，导致对接和追踪的精度不够，不能完成对接任务或搭载精确的测量仪器。
多旋翼无人机一般仅依靠旋翼进行姿态的控制，在空中完成横滚、悬停、俯仰、偏航等动作，均是通过调节各个旋翼的转速大小产生所需的升力和力矩来实现的。这样的飞行控制方式在无人机飞行姿态的调整过程中不可避免的会产生大的机身倾角，这样的倾角在精确对接、瞄准、测量等对精度要求高的任务中是无法接受的。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种新构型无人机及其控制方法，通过加装水平动力组件，避免了传统旋翼无人机通过升降旋翼之间的差速进行动作带来的机身倾角，有效提高无人机姿态控制精度。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种新构型无人机，其包括：
机身、机臂组件以及旋翼动力组件；其中，
所述机臂组件包括多个，多个所述机臂组件设置于所述机身上，且多个所述机臂组件相对于所述机身呈中心对称分布；
所述旋翼动力组件包括：垂直动力组件以及水平动力组件；
所述垂直动力组件设置于所述机臂组件上，且当无人机升降时，相邻两垂直动力组件的旋转方向相反；所述垂直动力组件用于提供所述无人机向上的升力，且相互抵消力矩；
所述水平动力组件竖直设置于至少一对所述机臂组件上，且每对所述水平动力组件相对于所述机身呈中心轴对称分布；当无人机到达预设高度后，所述水平动力组件用于驱动无人机在水平面内的运动，还用于通过其旋翼转速的控制，使无人机在不改变倾角的情况下完成前进、后退以及偏航角调整动作。
较佳地，所述垂直动力组件设置于所述机臂组件的末端。
较佳地，所述垂直动力组件的旋翼平行于地面安装。
较佳地，所述水平动力组件设置于所述机臂组件的所述机身与所述垂直动力组件之间。
较佳地，每个所述水平动力组件包括：前向旋翼以及后向旋翼；其中，
所述前向旋翼与所述后向旋翼的位置相对，所述前向旋翼设置于所述机臂组件的面向无人机前进方向的一侧；
所述后向旋翼设置于所述机臂组件的背对无人机前进方向的一侧；
当所述水平动力组件工作时，同一所述水平动力组件的所述前向旋翼的旋转方向与所述后向旋翼的旋转方向相反。
较佳地，当所述无人机向前飞行时，所述前向旋翼用于提供向前的推力，所述后向旋翼无怠速转动；
当所述无人机向后飞行时，所述后向旋翼用于提供向后的推力，所述前向旋翼无怠速转动。
较佳地，所述水平动力组件的旋翼垂直于地面安装。
本发明还提供一种新构型无人机的控制方法，其包括：
S71：控制所述垂直动力组件以控制所述无人机上升至预设高度；
S72：控制所述水平动力组件以及所述垂直动力组件以控制所述无人机在前进或后退的过程中始终保持机身与水平面的夹角不变；
S73：控制所述垂直动力组件以控制所述无人机下降。
较佳地，所述S72进一步包括：
S721：所述无人机向前飞行时，通过所述水平动力组件的前向旋翼提供向前的推力，后向旋翼无怠速转动；
S722：所述无人机向后飞行时，通过所述水平动力组件后向旋翼提供向后的推力，前向旋翼无怠速转动；
所述S721与所述S722不分先后顺序。
相较于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明提供的新构型无人机及其控制方法，通过加装水平动力组件，将无人机的位置和姿态控制解耦，实现了无人机空中姿态的精确控制，当无人机需要提供姿态控制精度时，通过水平动力组件对无人机的姿态进行调整，以减少或消除无人机的倾角问题，避免控制失准；
(2)本发明提供的新构型无人机及其控制方法，通过加装水平动力组件，相较于未加装水平动力组件的无人机来说，在原有飞行动力基础上增加了多对动力源，水平动力组件吹动空气产生反作用力作为无人机向前和向后的动力，还可以提高无人机的飞行速度，同时也可以提高无人机更快加速以及进行空中制动(刹车)的能力。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1为一现有技术的垂直起降固定翼无人机的结构示意图；
图2为另一现有技术的垂直起降固定翼无人机的结构示意图；
图3为另一现有技术的四旋翼无人机的结构示意图；
图4为本发明一实施例的新构型无人机的结构示意图；
图5为本发明一实施例的新构型无人机的结构示意图；
图6为本发明一较佳实施例的新构型无人机的结构示意图。
标号说明：1-机身，2-机臂组件，3-垂直动力组件，4-水平动力组件，5-应用负载，6-支架；
41-前向旋翼，42-后向旋翼。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图4所示为本发明一个实施例的新构型无人机的结构示意图。
请参考图4，本实施例的新构型无人机包括：机身1、机臂组件2以及旋翼动力组件。其中，机臂组件2包括多个，多个机臂组件设置于机身上，且多个机臂组件相对于机身呈中心对称分布，无人机整体呈“+”型运动模式。旋翼动力组件包括：垂直动力组件3以及水平动力组件4；垂直动力组件3设置于机臂组件上，且当无人机升降时，相邻两垂直动力组件的旋转方向相反。垂直动力组件3用于提供无人机向上的升力，且相互平衡陀螺效应对机身的反扭矩；水平动力组件4竖直设置于至少一对机臂组件2上，且每对水平动力组件相对于机身呈中心轴对称分布；当无人机到达预设高度后，相邻两水平动力组件4的旋转方向相反；水平动力组件4用于使机身1维持在设定角度或水平面内，无倾角运动。
如图5所示，本实施例中的机臂组件2以四个为例，垂直动力组件3也是以四个为例，分别平行于地面设置在四个机臂组件2的末端。水平动力组件4以两个为例，垂直于地面设置在相对的两机臂组件2上，且位于机身1和垂直动力组件之间。进一步地，每个水平动力组件4包括：前向旋翼41以及后向旋翼42；其中，前向旋翼41设置在机臂组件2的面向无人机前进方向的一侧，后向旋翼42设置在机臂组件2的背对无人机前进方向的一侧。当水平动力组件4工作时，同一侧的前向旋翼41的旋转方向与后向旋翼42的旋转方向相反；且两个前向旋翼41的旋转方向相反。
当无人机到达预设高度后，相邻两水平动力组件的旋转方向相反；水平动力组件用于使机身维持在设定角度或水平面内，无倾角运动。本实施例中，通过垂直动力组件以及水平动力组件的转速控制实现无人机的前进与后退，左右偏航动作，有效消除无人机在姿态调整过程中产生的机身大倾角，提高瞄准与对接的准确性和姿态控制的灵活性，便于实现飞行过程中的精确姿态控制。
较佳实施例中，当无人机向前飞行时，通过水平动力组件的前向旋翼提供向前的推力，后向旋翼无怠速转动；当无人机向后飞行时，通过水平动力组件后向旋翼提供向后的推力，前向旋翼无怠速转动。垂直动力组件始终以保持无人机的水平姿态为目的，使得无人机运动过程中姿态稳定。平推动力组件在无人机达到工作高度后提供前进与后退的动力和偏航的动力，总体系统以水平姿态稳定为控制目标。
较佳实施例中，还包括：应用负载5以及支架6，如图6所示。应用负载5设置在机身1的上端，支架6设置在机身的下端。
当然，不同实施例中，也可以在四个机臂组件上都设置水平动力组件。机臂组件以及垂直动力组件也可以不只包括四个，可以包括六个或六个以上，对应的水平动力组件的数量可以为两个或两个以上。
在本发明另一实施例中，还提供一种新购型无人机的控制方法，其包括：
S71：控制垂直动力组件以控制无人机上升至预设高度；
S72：控制平推旋翼组件以及垂直动力组件以控制无人机在前进或后退的过程中始终保持机身与水平面的夹角不变；
S73：控制垂直动力组件以控制无人机下降。
较佳实施例中，S72进一步包括：
S721：无人机向前飞行时，通过水平动力组件的前向旋翼提供向前的推力，后向旋翼无怠速转动；
S722：无人机向后飞行时，通过水平动力组件后向旋翼提供向后的推力，前向旋翼无怠速转动；
S721与S722不分先后顺序。
本发明上述实施例的无人机，通过加装水平动力组件，将无人机的位置和姿态控制解耦，实现了无人机空中姿态的精确控制，当无人机需要提供姿态控制精度时，通过水平动力组件对无人机的姿态进行调整，以减少或消除无人机的倾角问题，避免控制失准，避免了机身倾角，有效提高无人机姿态控制精度。同时，通过本发明上述实施例，可以提高无人机的飞行速度，同时也可以提高无人机更快加速以及进行空中制动(刹车)的能力。
此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。
Claims (9)
1.一种新构型无人机，其特征在于，包括：机身、机臂组件以及旋翼动力组件；其中，
所述机臂组件包括多个，多个所述机臂组件设置于所述机身上，且多个所述机臂组件相对于所述机身呈中心对称分布；
所述旋翼动力组件包括：垂直动力组件以及水平动力组件；
所述垂直动力组件设置于所述机臂组件上，且当无人机升降时，相邻两所述垂直动力组件的旋转方向相反；所述垂直动力组件用于提供所述无人机向上的升力，且相互抵消力矩；
所述水平动力组件竖直设置于至少一对所述机臂组件上，且每对所述水平动力组件相对于所述机身呈中心轴对称分布；当无人机到达预设高度后，所述水平动力组件用于驱动无人机在水平面内的运动，还用于通过其旋翼转速的控制，使无人机在不改变倾角的情况下完成前进、后退以及偏航角调整动作。
2.根据权利要求1所述的新构型无人机，其特征在于，所述垂直动力组件设置于所述机臂组件的末端。
3.根据权利要求2所述的新构型无人机，其特征在于，所述垂直动力组件的旋翼平行于地面安装。
4.根据权利要求1所述的新构型无人机，其特征在于，所述水平动力组件设置于所述机臂组件的所述机身与所述垂直动力组件之间。
5.根据权利要求4所述的新构型无人机，其特征在于，每个所述水平动力组件包括：前向旋翼以及后向旋翼；其中，
所述前向旋翼与所述后向旋翼的位置相对，所述前向旋翼设置于所述机臂组件的面向无人机前进方向的一侧；
所述后向旋翼设置于所述机臂组件的背对无人机前进方向的一侧；
当所述水平动力组件工作时，同一所述水平动力组件的所述前向旋翼的旋转方向与所述后向旋翼的旋转方向相反。
6.根据权利要求5所述的新构型无人机，其特征在于，当所述无人机向前飞行时，所述前向旋翼用于提供向前的推力，所述后向旋翼无怠速转动；
当所述无人机向后飞行时，所述后向旋翼用于提供向后的推力，所述前向旋翼无怠速转动。
7.根据权利要求5所述的新构型无人机，其特征在于，所述水平动力组件的旋翼垂直于地面安装。
8.一种权利要求1-7任一项所述新构型无人机的控制方法，其特征在于，包括：
S71：控制所述垂直动力组件以控制所述无人机上升至预设高度；
S72：控制所述水平动力组件以及所述垂直动力组件以控制所述无人机在前进或后退的过程中始终保持机身与水平面的夹角不变；
S73：控制所述垂直动力组件以控制所述无人机下降。
9.根据权利要求7所述的新构型无人机的控制方法，其特征在于，所述S72进一步包括：
S721：所述无人机向前飞行时，通过所述水平动力组件的前向旋翼提供向前的推力，后向旋翼无怠速转动；
S722：所述无人机向后飞行时，通过所述水平动力组件后向旋翼提供向后的推力，前向旋翼无怠速转动；
所述S721与所述S722不分先后顺序。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210205 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |