一种无人机及其控制方法
技术领域
本发明涉及遥感无人机技术领域,尤其是一种无人机及其控制方法。
背景技术
近些年随着无人机技术的发展,无人机凭借着起降灵活、成本低、便于搭载各类遥感设备的特点,在低空遥感监测中的应用越来越多。但是在恶劣气象环境中,遥感无人机的飞行安全会受到较大影响。现有技术中,为了保证遥感无人机的飞行安全,通常采用的是降低飞行速度、高度或直接停飞的方式来保证无人机的安全,但是这会明显缩小遥感无人机的使用范围。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种无人机及其控制方法,能够解决现有技术的不足,在保证无人机飞行安全的前提下拓展了无人机对不同气候条件的适应能力。
为解决上述技术问题,本发明所采取的技术方案如下。
一种无人机,包括机架,机架上安装有四个螺旋桨,四个螺旋桨的排布形状为矩形,所述螺旋桨安装在第一驱动电机上,第一驱动电机通过安装架固定在机架上,安装架上安装有压力传感器;机架上通过第二驱动电机安装有平衡桨叶;机架上还安装有控制器,控制器的输入端与压力传感器通讯连接,控制器的输出端与第一驱动电机和第二驱动电机通讯连接。
作为优选,所述安装架包括外壳,外壳的底部通过弹簧连接有第一驱动电机,外壳的侧壁固定有弹片,弹片顶部设置有凸起部,凸起部下方连接有弯折部,凸起部与第一驱动电机的侧面压接配合,弯折部内固定有压力传感器,压力传感器与第一驱动电机的底面压接配合,弯折部与外壳底部之间填充有橡胶块。
作为优选,所述凸起部外侧设置有两个调节螺栓,调节螺栓与外壳的侧壁螺纹连接,调节螺栓顶部与凸起部压接配合。
作为优选,所述压力传感器的信号输出端连接有信号处理模块,信号处理模块的输入端通过第一电阻连接至第一运放的正向输入端,第一运放的正向输入端通过第二电阻接地,第一运放的反向输入端通过第三电阻连接至第一运放的输出端,输入端通过第一电容连接至第二运放的反向输入端,第二运放的正向输入端通过第四电阻接地,第二运放的反向输入端通过第五电阻连接至第二运放的输出端,第二运放的输出端通过第六电阻连接至第一运放的反向输入端,第一运放的输出端通过第七电阻连接至第三运放的正向输入端,第一运放的输出端和第三运放的反向输入端通过第八电阻接地,第三运放的正向输入端通过第九电阻连接至第三运放的输出端,第三运放的反向输入端通过第十电阻连接至第三运放的输出端,第二运放的输出端通过第十一电阻连接至第一三极管的基极,第一三极管的发射极连接至第三运放的反向输入端,第一三极管的基极和第一三极管的发射极之间通过第十二电阻连接,第一三极管的集电极通过第二电容接地,第一三极管的集电极连接至第二三极管的基极,第二三极管的发射极接地,第二三极管的集电极连接至第一三极管的基极,第三运放的输出端通过第十三电阻作为信号处理模块的输出端。
作为优选,所述平衡桨叶包括旋转轴,旋转轴上固定有数量相等的第一桨叶和第二桨叶,第一桨叶和第二桨叶交错设置,第一桨叶驱动气流向下流动,第二桨叶驱动气流向上流动,第一桨叶通过加长杆与旋转轴连接。
作为优选,所述加长杆内部轴向设置有螺纹孔,第一桨叶内设置有与螺纹孔相对应的通孔,通孔内通过扭簧连接有固定套,固定套的底端设置有第一齿部,螺纹孔的外侧设置有环形槽,环形槽内设置有与第一齿部插接配合的第二齿部,固定套的顶端设置有压板,压板位于通孔的外侧,第一桨叶通过固定螺栓穿过固定套与螺纹孔连接,固定螺栓与压板压接配合。
作为优选,所述压板的底面设置有弧形滑槽,第一桨叶顶部固定有与弧形滑槽滑动配合的滑块,弧形滑槽内安装有限位块。
一种上述的无人机的控制方法,包括以下步骤:
A、控制器根据预设参数启动第一驱动电机,压力传感器对螺旋桨的受力状态进行实时监测;
B、当任意两个压力传感器的检测值偏差超出设定阈值,控制器启动第二驱动电机;
C、第二驱动电机带动平衡桨叶旋转,第二驱动电机的转速进行一次由零至最高转速,再由最高转速至零的循环,在此过程中控制器捕捉四个压力传感器检测值的方差的最小值,并将此时的第二驱动电机的转速作为本次调节的目标转速;在第二驱动电机处于目标转速后,若仍然存在两个压力传感器的检测值偏差超出设定阈值的情况,控制器调节第一驱动电机的转速,使任意两个压力传感器的检测值偏差均小于设定阈值;
D、在第二驱动电机启动的状态下,若任意两个压力传感器的检测值偏差超出设定阈值,控制器对第二驱动电机的转速进行最高转速±5%的双向调节,在调节过程中监控四个压力传感器检测值的方差,选择使方差变小幅度较大的转速变化方向作为调节方向,对第二驱动电机的转速进行持续调节,直至任意两个压力传感器的检测值偏差均小于设定阈值;若通过改变第二驱动电机的转速无法达到任意两个压力传感器的检测值偏差均小于设定阈值的目标,则将第二驱动电机确定在四个压力传感器检测值的方差处于最小值的转速上,然后通过调节第一驱动电机的转速,使任意两个压力传感器的检测值偏差均小于设定阈值。
作为优选,步骤B中,在计算检测值偏差前,控制器对压力传感器的检测值进行如下步骤的预处理,
B1、设定预处理时间长度,将待处理的压力传感器检测曲线按照预处理时间长度进行分段;
B2、在每段曲线中,将曲线波动范围小于设定阈值的连续时间区间作为预处理区间,将预处理区间内的曲线拐点位置根据其两侧的曲线变化趋势进行多次平滑处理,每次平滑处理的处理范围逐渐增大,直至将预处理区间内的曲线拟合为直线段,将拟合得到的直线段的平均值作为这一预处理区间的压力传感器检测值。
作为优选,步骤B2中,对每个预处理区间内的曲线进行信号加强,信号加强的比值与预处理区间内曲线上拐点的数量成正比。
采用上述技术方案所带来的有益效果在于:本发明采用四旋翼的无人机驱动方式,通过加装平衡桨叶对旋翼螺旋桨周围的气流进行调节,降低不平衡气流对旋翼螺旋桨的干扰。本发明对第一驱动电机采用柔性安装的方式,利用压力传感器对第一驱动电机的检测实现对螺旋桨受力的间接测量。在安装架内部,通过设计异形弹片对第一驱动电机进行限位,利用凸起部对第一驱动电机在不同方向上的受力进行缓冲,同时通过弯折部保证压力传感器在竖直方向上的受压的线性度,从而提高压力传感器的检测准确性。在使用无人机之前,通过天气预报获知飞行区域的预计风力,通过调节螺栓调整凸起部的初始形状,可以在较小风力状态下降低第一驱动电机的侧向夹持力,在较大风力状态下增加第一驱动电机的侧向夹持力,从而保证压力传感器在不同风力状态下均可达到较高的测量精度。
由于无人机的负载能力有限,且受制于成本问题,所以对于压力传感器的测量数据不能进行大运算量的处理,否则会导致数据处理的延时增大,无法达到对无人机飞行状态进行实时监测的目的,所以本发明通过采用检测值直接比对的方式对平衡桨叶的转速进行控制。为了在不增加运算量的前提下保证检测值比对的准确度,通过对检测值曲线进行分段加强和多轮平滑处理,得到对应曲线段的拟合平均值,在最大程度上兼顾了数据处理的实时性和准确性。
信号加强是为了降低强度较小、出现时间较短信号在预处理过程中的丢失率。但是,在进行信号加强的过程中会导致检测值曲线的局部畸变,本发明为了降低数据畸变,专门设计了信号处理模块对压力传感器的输出信号进行处理。信号处理模块可以对检测曲线中的细小脉冲峰值在时间轴方向进行延时同时在强度轴方向进行增大,从而降低后续信号加强过程中的加强比例,减少数据畸变。
本发明将平衡桨叶设计为长短两组桨叶,且在旋转时产生不同方向的气流,从而在平衡桨叶旋转时可以形成一个外侧向下流动、内侧向上流动的局部气流循环。由于无人机的旋翼螺旋桨位于平衡桨叶的外侧,所以平衡桨叶产生的这一局部气流循环可以对螺旋桨产生的向下流动的气流起到有效的导流作用,从而提高螺旋桨周边气流的的平衡度。第一桨叶与加长杆采用可调式安装方式,通过在安装时可以根据实际需要调整第一桨叶的初始安装角度,在固定螺栓与压板压接固定有,第一桨叶凭借扭簧的弹性形变可以在旋转时产生一定角度的转动,从而实现随着旋转转速的不同改变第一桨叶驱动气流的角度的自适应调整。通过改变限位块的安装位置,可以对第一桨叶的自主转动最大角度进行限制和调整。
附图说明
图1是本发明一个具体实施方式的结构图。
图2是本发明一个具体实施方式中安装架的结构图。
图3是本发明一个具体实施方式中信号处理模块的结构图。
图4是本发明一个具体实施方式中平衡桨叶的结构图。
图5是本发明一个具体实施方式中第一桨叶的结构图。
图6是图5中A方向的局部俯视图。
具体实施方式
本发明中使用到的标准零件均可以从市场上购买,异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制,各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接、粘贴等常规手段,在此不再详述。
参照图1-6,本发明一个具体实施方式包括机架1,机架1上安装有四个螺旋桨2,四个螺旋桨2的排布形状为矩形,所述螺旋桨2安装在第一驱动电机3上,第一驱动电机3通过安装架4固定在机架1上,安装架4上安装有压力传感器5;机架1上通过第二驱动电机6安装有平衡桨叶7;机架1上还安装有控制器8,控制器8的输入端与压力传感器5通讯连接,控制器8的输出端与第一驱动电机3和第二驱动电机6通讯连接。安装架4包括外壳9,外壳9的底部通过弹簧10连接有第一驱动电机3,外壳9的侧壁固定有弹片,弹片顶部设置有凸起部11,凸起部11下方连接有弯折部12,凸起部11与第一驱动电机3的侧面压接配合,弯折部12内固定有压力传感器5,压力传感器5与第一驱动电机3的底面压接配合,弯折部12与外壳9底部之间填充有橡胶块13。凸起部11外侧设置有两个调节螺栓14,调节螺栓14与外壳9的侧壁螺纹连接,调节螺栓14顶部与凸起部11压接配合。
一种上述的无人机的控制方法,包括以下步骤:
A、控制器8根据预设参数启动第一驱动电机3,压力传感器5对螺旋桨2的受力状态进行实时监测;
B、当任意两个压力传感器5的检测值偏差超出设定阈值,控制器8启动第二驱动电机6;
C、第二驱动电机6带动平衡桨叶7旋转,第二驱动电机6的转速进行一次由零至最高转速,再由最高转速至零的循环,在此过程中控制器8捕捉四个压力传感器5检测值的方差的最小值,并将此时的第二驱动电机6的转速作为本次调节的目标转速;在第二驱动电机6处于目标转速后,若仍然存在两个压力传感器5的检测值偏差超出设定阈值的情况,控制器8调节第一驱动电机3的转速,使任意两个压力传感器5的检测值偏差均小于设定阈值;
D、在第二驱动电机6启动的状态下,若任意两个压力传感器5的检测值偏差超出设定阈值,控制器8对第二驱动电机6的转速进行最高转速±5%的双向调节,在调节过程中监控四个压力传感器5检测值的方差,选择使方差变小幅度较大的转速变化方向作为调节方向,对第二驱动电机6的转速进行持续调节,直至任意两个压力传感器5的检测值偏差均小于设定阈值;若通过改变第二驱动电机6的转速无法达到任意两个压力传感器5的检测值偏差均小于设定阈值的目标,则将第二驱动电机6确定在四个压力传感器5检测值的方差处于最小值的转速上,然后通过调节第一驱动电机3的转速,使任意两个压力传感器5的检测值偏差均小于设定阈值。
步骤B中,在计算检测值偏差前,控制器8对压力传感器5的检测值进行如下步骤的预处理,
B1、设定预处理时间长度,将待处理的压力传感器5检测曲线按照预处理时间长度进行分段;
B2、在每段曲线中,将曲线波动范围小于设定阈值的连续时间区间作为预处理区间,将预处理区间内的曲线拐点位置根据其两侧的曲线变化趋势进行多次平滑处理,每次平滑处理的处理范围逐渐增大,直至将预处理区间内的曲线拟合为直线段,将拟合得到的直线段的平均值作为这一预处理区间的压力传感器5检测值。
步骤B2中,对每个预处理区间内的曲线进行信号加强,信号加强的比值与预处理区间内曲线上拐点的数量成正比。
本实施例采用四旋翼的无人机驱动方式,通过加装平衡桨叶7对旋翼螺旋桨周围的气流进行调节,降低不平衡气流对旋翼螺旋桨的干扰。本实施例对第一驱动电机3采用柔性安装的方式,利用压力传感器5对第一驱动电机3的检测实现对螺旋桨2受力的间接测量。在安装架4内部,通过设计异形弹片对第一驱动电机3进行限位,利用凸起部11对第一驱动电机3在不同方向上的受力进行缓冲,同时通过弯折部12保证压力传感器5在竖直方向上的受压的线性度,从而提高压力传感器5的检测准确性。在使用无人机之前,通过天气预报获知飞行区域的预计风力,通过调节螺栓14调整凸起部11的初始形状,可以在较小风力状态下降低第一驱动电机3的侧向夹持力,在较大风力状态下增加第一驱动电机3的侧向夹持力,从而保证压力传感器5在不同风力状态下均可达到较高的测量精度。
由于无人机的负载能力有限,且受制于成本问题,所以对于压力传感器5的测量数据不能进行大运算量的处理,否则会导致数据处理的延时增大,无法达到对无人机飞行状态进行实时监测的目的,所以本实施例通过采用检测值直接比对的方式对平衡桨叶7的转速进行控制。为了在不增加运算量的前提下保证检测值比对的准确度,通过对检测值曲线进行分段加强和多轮平滑处理,得到对应曲线段的拟合平均值,在最大程度上兼顾了数据处理的实时性和准确性。
压力传感器5的信号输出端连接有信号处理模块,信号处理模块的输入端IN通过第一电阻R1(1.5kΩ)连接至第一运放A1的正向输入端,第一运放A1的正向输入端通过第二电阻R2(0.3 kΩ)接地,第一运放A1的反向输入端通过第三电阻R3(1 kΩ)连接至第一运放A1的输出端,输入端IN通过第一电容C1(330μF)连接至第二运放A2的反向输入端,第二运放A2的正向输入端通过第四电阻R4(2.3 kΩ)接地,第二运放A2的反向输入端通过第五电阻R5(1.5 kΩ)连接至第二运放A2的输出端,第二运放A2的输出端通过第六电阻R6(0.8 kΩ)连接至第一运放A1的反向输入端,第一运放A1的输出端通过第七电阻R7(0.5 kΩ)连接至第三运放A3的正向输入端,第一运放A1的输出端和第三运放A3的反向输入端通过第八电阻R8(0.1 kΩ)接地,第三运放A3的正向输入端通过第九电阻R9(0.25 kΩ)连接至第三运放A3的输出端,第三运放A3的反向输入端通过第十电阻R10(1.2 kΩ)连接至第三运放A3的输出端,第二运放A2的输出端通过第十一电阻R11(0.85 kΩ)连接至第一三极管Q1的基极,第一三极管Q1的发射极连接至第三运放A3的反向输入端,第一三极管Q1的基极和第一三极管Q1的发射极之间通过第十二电阻R12(1.5 kΩ)连接,第一三极管Q1的集电极通过第二电容C2(500μF)接地,第一三极管Q1的集电极连接至第二三极管Q2的基极,第二三极管Q2的发射极接地,第二三极管Q2的集电极连接至第一三极管Q1的基极,第三运放的输出端通过第十三电阻R13(2.5 kΩ)作为信号处理模块的输出端OUT。
信号加强是为了降低强度较小、出现时间较短信号在预处理过程中的丢失率。但是,在进行信号加强的过程中会导致检测值曲线的局部畸变,本实施例为了降低数据畸变,专门设计了信号处理模块对压力传感器的输出信号进行处理。信号处理模块可以对检测曲线中的细小脉冲峰值在时间轴方向进行延时同时在强度轴方向进行增大,从而降低后续信号加强过程中的加强比例,减少数据畸变。
平衡桨叶7包括旋转轴17,旋转轴17上固定有数量相等的第一桨叶15和第二桨叶16,第一桨叶15和第二桨叶16交错设置,第一桨叶15驱动气流向下流动,第二桨叶16驱动气流向上流动,第一桨叶15通过加长杆18与旋转轴17连接。加长杆18内部轴向设置有螺纹孔19,第一桨叶15内设置有与螺纹孔19相对应的通孔20,通孔20内通过扭簧21连接有固定套22,固定套22的底端设置有第一齿部23,螺纹孔19的外侧设置有环形槽24,环形槽24内设置有与第一齿部23插接配合的第二齿部25,固定套22的顶端设置有压板26,压板26位于通孔20的外侧,第一桨叶15通过固定螺栓27穿过固定套22与螺纹孔19连接,固定螺栓27与压板26压接配合。压板26的底面设置有弧形滑槽28,第一桨叶15顶部固定有与弧形滑槽28滑动配合的滑块29,弧形滑槽28内安装有限位块30。
本实施例将平衡桨叶7设计为长短两组桨叶,且在旋转时产生不同方向的气流,从而在平衡桨叶7旋转时可以形成一个外侧向下流动、内侧向上流动的局部气流循环。由于无人机的旋翼螺旋桨位于平衡桨叶7的外侧,所以平衡桨叶7产生的这一局部气流循环可以对螺旋桨产生的向下流动的气流起到有效的导流作用,从而提高螺旋桨2周边气流的的平衡度。第一桨叶15与加长杆18采用可调式安装方式,通过在安装时可以根据实际需要调整第一桨叶15的初始安装角度,在固定螺栓27与压板26压接固定有,第一桨叶15凭借扭簧21的弹性形变可以在旋转时产生一定角度的转动,从而实现随着旋转转速的不同改变第一桨叶15驱动气流的角度的自适应调整。通过改变限位块30的安装位置,可以对第一桨叶15的自主转动最大角度进行限制和调整。
另外,机架1的表面设置有导流槽31,导流槽31以平衡桨叶7为中心环形排布。通过设置导流槽31,可以降低螺旋桨2与平衡桨叶7产生的气流在机架1表面产生的紊流。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“纵向”、“横向”、“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,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的限制。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。