CN113306734A - 一种具有倒挂栖落功能的多旋翼无人机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种具有倒挂栖落功能的多旋翼无人机及方法，属于无人机技术领域；包括无人机机架、螺旋桨、电机和飞控系统；螺旋桨包括一体化正螺旋桨和一体化反螺旋桨，一体化正螺旋桨是由一对两叶片的正桨反面相对、且同轴堆叠构成的一个四叶片的正桨，一体化反螺旋桨是由一对两叶片的反桨反面相对、且同轴堆叠构成的一个四叶片的反桨，构成无人机的多旋翼；多旋翼无人机还包括双向电调和机械手，双向电调用于控制电机的旋转方向，机械手设置于无人机机架中部的下方；确本发明保无人机体翻转180度后的稳定性，实现了具有灵活机动能力的旋翼无人机，且翻转机体后在机械手的辅助下抓取水平杆状物，实现倒挂栖落。

Description

一种具有倒挂栖落功能的多旋翼无人机及方法

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种具有倒挂栖落功能的多旋翼无人机及方法。

背景技术

飞行器栖落机动的研究灵感来自于自然界鸟类的栖落飞行过程。栖落是指鸟类在飞行途中可以灵活快速的停靠于树枝、电线杆等物体，进行体力恢复，并能伺机捕食猎物。受此启发，无人机有了栖落这一概念。无人机在执行侦察、监视等任务时，长时间悬停使得无人机电池电能快速消耗，同时悬停产生的噪音也不利于侦察的隐蔽性。旋翼无人机若像鸟儿一样能够用爪子抓住栖落物栖落，而且还能用爪子搬运物体，那么旋翼无人机不仅可以快速栖落，还有利于实现长时间、低能耗、高隐蔽的侦查与监视，在执行特殊任务时可以发挥巨大的作用。

现有技术《基于蝙蝠仿生的水陆两栖四旋翼无人机设计》(景涛，冯相忠，付宗国，于晓龙，黄聪汉.基于蝙蝠仿生的水陆两栖四旋翼无人机设计[J].中国水运，2015，12，127-129)一文中提出了一种可倒挂栖落的无人机。该无人机上端设计并加装了两个对称的机械手，使其能够有效快速地抓握对象，由于机械手在无人机上端，这种倒挂栖落无人机的设计和实现比较容易。但是机械手安装在无人机的上端，无人机机手的功能比较单一，只能抓取处于无人机上方某些固定形状的栖落物，在不需要栖落的情况下，机械手没有其他用途，这造成了额外的负载。而且机械手在无人机上端，使其重心偏高，将导致多旋翼的运动稳定性下降，在控制幅度较大的情况下无人机很容易出现翻转失控。

旋翼无人机与固定翼无人机相比具有控制简单、成本低等优点，在航拍、植保、电路巡检、城市管理等领域应用广泛，但是目前一般旋翼无人机难免都会有续航时间短、飞行噪音大等缺点，尤其是在旋翼无人机需要执行隐蔽侦查、秘密监控等任务时，续航时间短和螺旋桨噪音大成了致命弱点。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种具有倒挂栖落功能的多旋翼无人机，将机械手安装在无人机的下端，机械手可以抓取物体并完成形状规则且重量较轻物体的传送任务；需要执行隐蔽监控和侦查任务时，无人机可翻转机体，使机械手朝上，通过机械手抓住栖落物倒挂栖落，无人机的飞行更加稳定，拓宽了机械臂的用途。该无人机采用的翻转能力，使无人机的抗干扰能力更强，一般无人机翻转后很难受控制，容易导致无人机的坠毁，本发明使多旋翼无人机拥有翻转飞行的能力，一定程度上增强了的无人机的自适应性和抗干扰能力。

解决了旋翼无人机在侦查场景下续航时间短、噪音导致的隐蔽性差和受复杂地形影响的降落困难等问题。

本发明的技术方案是：一种具有倒挂栖落功能的多旋翼无人机，包括无人机机架、螺旋桨、电机和飞控系统，飞控系统安装于无人机机架的中部，用于对无人机的飞行状态、姿态和运动参数实施控制；其特征在于：所述螺旋桨包括一体化正螺旋桨和一体化反螺旋桨，一体化正螺旋桨是由一对两叶片的正桨反面相对、且同轴堆叠构成的一个四叶片的正桨，一体化反螺旋桨是由一对两叶片的反桨反面相对、且同轴堆叠构成的一个四叶片的反桨；所述一体化正螺旋桨和一体化反螺旋桨交错安装在无人机机架上周向设置的多个旋转轴上，构成无人机的多旋翼；

所述多旋翼无人机还包括双向电调和机械手，双向电调用于控制电机的旋转方向，机械手设置于无人机机架中部的下方；

无人机正向飞行时，机械手位于下方用于抓取物体，一体化正螺旋桨和一体化反螺旋桨中位于上方的正桨和反桨提供主要升力；无人机机体翻转180度飞行时，通过双向电调将改变电机旋转方向，从而改变螺旋桨旋转方向，此时一体化正螺旋桨和一体化反螺旋桨中原本位于下方的正桨和反桨翻转至上方，用于提供主要升力，此时机械手位于上方用于抓取栖落物。

本发明的进一步技术方案是：所述一体化正螺旋桨和一体化反螺旋桨的数量均为两个，且同向螺旋桨相对于无人机机架中轴线对称设置，构成四旋翼无人机。

本发明的进一步技术方案是：所述一体化正螺旋桨和一体化反螺旋桨的四叶片沿周向均布，互成90°。

本发明的进一步技术方案是：所述螺旋桨直径为25.40cm,螺距为11.43cm。

本发明的进一步技术方案是：所述机械手包括对称设置的两个机械手活动构件，通过舵机控制两个机械手活动构件开合；两个机械手活动构件能够张开至180度，紧贴机身两侧。

本发明的进一步技术方案是：所述机械手活动构件为圆弧形或V形，内壁上设置有增加摩擦力的结构，能够在闭合时抓取不同形状的物品或不同粗细的水平杆状物。

本发明的进一步技术方案是：所述飞控系统采用Pixhawk开源飞控的PX4固件，并在PX4固件程序代码的基础上实现无人机自主翻转机体以及翻转后自主进入反飞模式。

本发明的进一步技术方案是：所述双向电调有2个模式，即正转模式和反转模式；正转模式，即无人机没有翻转机体机械手活动构件朝下正常飞行时的状态；反转模式，即无人机翻转机体后机械手活动构件朝上飞行时的状态。

本发明的进一步技术方案是：所述飞控系统发出的PWM信号75％占空比对应电机停止转动，PWM信号76％-100％占空比对应正转模式，PWM信号50％-74％占空比对应反转模式；模式的切换由无人机遥控器选择开关来实现，飞控系统向双向电调输出PWM信号，PWM信号频率为400Hz,无人机没有翻转机体正常飞行时，飞控输出的PWM信号占空比75％-100％，占空比增大，双向电调使无刷电机正向旋转速加快；无人机翻转机体后双向电调接收飞控发出的PWM信号74％-50％，占空比减小，双向电调使无刷电机反向旋转速度加快。

一种具有倒挂栖落功能的多旋翼无人机的飞行控制方法，其特征在于具体步骤为：

步骤一：通过遥控器和飞控系统控制无人机正常飞行，控制舵机将机械手的机械手活动构件打开至180°、紧贴机身，保证无人机重心的稳定；

步骤二、通过遥控器选择开关向无人机发送翻转机体的指令信号，所述机械手活动构件闭合；无人机自主运行控制无人机翻转机体动作的程序，通过无人机飞控中的姿态感知传感器实时监测无人机姿态，无人机翻转机体近150度左右时迅速切换当前的飞行模式，当前飞行模式为正飞模式切换到反飞模式；

步骤三、无人机模式切换完毕并保持稳定性，即无人机翻转机体180度，通过遥控器控制翻转后的无人机正常飞行；

步骤四、无人机靠近栖落物时，由舵机控制机械手抓取水平杆状物，完成倒挂栖落；此时关闭电机降低能耗和噪音，能够隐蔽侦查和监控；

步骤五、无人机离开栖落物时，先启动无人机电机，电机进入怠速状态，再张开机械手的活动构件，控制无人机缓慢下落，即可实现栖落后的再起飞，当需要恢复到正飞模式，则拨动遥控器选择开关来选择正飞模式，无人机能够自主翻转机体恢复正常飞行姿态。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明提出一种能够翻转飞行与倒挂栖落的多旋翼无人机，采用控制精度高的无人机飞控系统、特殊构型的螺旋桨和双向电调，确保无人机体翻转180度后的稳定性，实现了具有灵活机动能力的旋翼无人机。无人机翻转机体后在机械手的辅助下抓取水平杆状物，实现倒挂栖落。机械手张开手部活动构件，机械手垂直长度收缩，减少机械手对无人机稳定性的不利影响。能够牢固抓取栖落物，在无人机倒挂栖落状态下能够长时间保持机械手的抓取状态，从而保证无人机在栖落后的安全性。在这种倒挂栖落状态下，无人机可关闭电机电源使螺旋桨停止旋转，以降低电池电能消耗速度。同时无人机发出的噪音将大大减小，可搭载轻便的侦查监视设备，非常适用于隐蔽侦查和监控，很好地解决了旋翼无人机在侦查场景下续航时间短、噪音导致的隐蔽性差和受复杂地形影响的降落困难等问题。

本发明为了满足旋翼无人机在执行特殊任务时对隐蔽性和长续航的需求，重点解决旋翼无人机的高效安全栖落问题，通过为旋翼无人机搭载机械手实现倒挂栖落，并能够在正常飞行姿态和倒置飞行姿态之间平稳切换，以倒置姿态飞行时，无人机的栖落过程与蝙蝠的栖落方式类似，同为倒挂栖落。

本发明特殊构型的螺旋桨包括一体化正螺旋桨和一体化反螺旋桨，一体化正螺旋桨是由一对两叶片的正桨反面相对、且同轴堆叠构成的一个四叶片的正桨，一体化反螺旋桨是由一对两叶片的反桨反面相对、且同轴堆叠构成的一个四叶片的反桨；该结构的多旋翼能够为正常飞行姿态和倒置飞行姿态提供足够的升力，并保证任何姿态下的平稳飞行。

附图说明

图1机械手安装位置及螺旋桨构型示意图；

图2无人机翻转机体过程；

图3无人机翻转机体后飞行原理；

图4无人机机械手抓取杆状物倒挂栖落示意图；

图5无人机从倒挂状态恢复到正常飞行状态过程；

图6无人机特殊构型螺旋桨结构示意图；

附图标记说明：101为旋翼无人机的机架，102为无刷电机，103为一体化螺旋桨，104为机械手活动构件，105为机械手，106为无人机飞控安装位置，107为监视侦查设备安装位置，108为无刷电机旋转轴；201表示无人机翻转机体准备阶段，202表示无人机飞控执行翻转机体程序，203表示无人机受旋转力矩和重力作用运动的过程，204表示当无人机翻转超过90度到翻转180度后保持姿态稳定的过程；501表示无人机从栖落后的倒挂状态起飞阶段，502表示无人机离开栖落物附近，飞行到空旷没有障碍物的位置，503表示无人机翻转机体恢复到正常飞行状态准备阶段，504表示无人机飞控执行翻转机体程序，505表示无人机受旋转力矩和重力作用运动过程，506表示当无人机翻转超过90度到翻转180度后保持姿态稳定的过程；601为第一正螺旋桨，602为第二正螺旋桨，603为一体化正螺旋桨。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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的限制。

参照图1所示，本发明一种具有倒挂栖落功能的多旋翼无人机，包括无人机机架、螺旋桨、电机和飞控系统，飞控系统安装于无人机机架的中部，用于对无人机的飞行状态、姿态和运动参数实施控制；所述螺旋桨包括一体化正螺旋桨和一体化反螺旋桨，一体化正螺旋桨是由一对两叶片的正桨反面相对、且同轴堆叠构成的一个四叶片的正桨，一体化反螺旋桨是由一对两叶片的反桨反面相对、且同轴堆叠构成的一个四叶片的反桨；所述一体化正螺旋桨和一体化反螺旋桨交错安装在无人机机架上周向设置的多个旋转轴上，构成无人机的多旋翼；

所述多旋翼无人机还包括双向电调和机械手，双向电调用于控制电机的旋转方向，机械手设置于无人机机架中部的下方；

无人机正向飞行时，机械手位于下方用于抓取物体，一体化正螺旋桨和一体化反螺旋桨中位于上方的正桨和反桨提供主要升力；无人机机体翻转180度飞行时，通过双向电调将改变电机旋转方向，从而改变螺旋桨旋转方向，此时一体化正螺旋桨和一体化反螺旋桨中原本位于下方的正桨和反桨翻转至上方，用于提供主要升力，此时机械手位于上方用于抓取栖落物。

所述双向电调有2个模式，即正转模式和反转模式；正转模式，即无人机没有翻转机体机械手活动构件朝下正常飞行时的状态；反转模式，即无人机翻转机体后机械手活动构件朝上飞行时的状态。

本发明实施例中，所述一体化正螺旋桨和一体化反螺旋桨的数量均为两个，且同向螺旋桨相对于无人机机架中轴线对称设置，构成四旋翼无人机。且一体化正螺旋桨和一体化反螺旋桨的四叶片沿轴向均布，互成90°。

本发明一种具有倒挂栖落功能的多旋翼无人机的飞行控制方法，具体步骤为：

步骤一：通过遥控器和飞控系统控制无人机正常飞行，控制舵机将机械手的机械手活动构件打开至180°、紧贴机身，保证无人机重心的稳定；

步骤二、通过遥控器选择开关向无人机发送翻转机体的指令信号，所述机械手活动构件闭合；无人机自主运行控制无人机翻转机体动作的程序，通过无人机飞控中的姿态感知传感器实时监测无人机姿态，无人机翻转机体近150度左右时迅速切换当前的飞行模式，当前飞行模式为正飞模式切换到反飞模式；

步骤三、无人机模式切换完毕并保持稳定性，即无人机翻转机体180度，通过遥控器控制翻转后的无人机正常飞行；

步骤四、无人机靠近栖落物时，由舵机控制机械手抓取水平杆状物，完成倒挂栖落；此时关闭电机降低能耗和噪音，能够隐蔽侦查和监控；

步骤五、无人机离开栖落物时，先启动无人机电机，电机进入怠速状态，再张开机械手的活动构件，控制无人机缓慢下落，即可实现栖落后的再起飞，当需要恢复到正飞模式，则拨动遥控器选择开关来选择正飞模式，无人机能够自主翻转机体恢复正常飞行姿态。

实施例：

本实施例采用特殊的螺旋桨、双向电调和控制精度高的无人机飞行姿态控制算法来实现无人机翻转180度并保持无人机的稳定性，以机械手抓取杆状物的方式实现倒挂栖落。

特殊构型螺旋桨由四个叶片构成且在同一轴上互成90度，螺旋桨直径为25.40cm,螺距为11.43cm。此特殊构型螺旋桨的设计方法是先设计其中一对互成180度的叶片，将此互成180度的两个叶片绕螺旋桨直径方向扭转180度，再绕旋桨旋转轴旋转180度得到另外一对互成180度的叶片。在无人机没有翻转机体时其中一对互成180度的叶片提供主要的升力；无人机翻转机体180度后，双向电调将迅速改变电机旋转方向从而改变螺旋桨旋转方向，由另外一对互成180度的叶片提供主要升力，从而保证无人机螺旋桨在翻转机体前后都能提供足无人机飞所需要的升力。实际应用中，可利用一般四旋翼无人机上一对两叶片的正桨反面相对堆叠固定构成一个四叶片的正桨，同时利用一般四旋翼无人机上一对两叶片的反桨反面相对堆叠固定构成一个四叶片的反桨，本专利所设计的无人机安装两个四叶片的正桨和两个四叶片的反桨。此类四叶片的正桨，在电机旋转轴朝上顺时针快速旋转时，正面朝上的一对互成180度的两个叶片可提供足够升力，另外一对互成180度的叶片提供的也是升力，只是作用很小；此类四叶片的反桨，在电机旋转轴朝上逆时针快速旋转时，也可为无人机提供足够升力。重量为1.5kg,常规F450四旋翼无人机装配此类四叶片螺旋桨，在电机转速约为5200rpm时螺旋桨提供的升力使无人机在空中保持悬停。在无人机翻转180度后，电机旋转轴朝下，正反两对四叶片螺旋桨同时改变旋转方向，电机转速约为5200rpm时能够为翻转机体180度后的无人机提供悬停所需的升力。用4节锂电池为无人机供电，电机最大转速约7200rpm，可以搭载重量约为0.7kg的负载。本发明所述无人机装配此特殊构型螺旋桨，在无人机翻转机体前后都能给无人机提供足够的升力。

双向电调通过接收PWM信号将输入的电源电压等效转换为不同的电压，并输出到电机，可以控制无刷电机的转速和电机的转向。本发明所用到的双向电调(用2s-4s的锂电池供电，最大承受电流为30A)有2个模式，即正转模式和反转模式。正转模式，即无人机没有翻转机体机械手活动构件朝下正常飞行时的状态；反转模式，即无人机翻转机体后机械手活动构件朝上飞行时的状态。无人机飞控发出的PWM信号75％占空比对应电机停止转动，PWM信号76％-100％占空比对应正转模式，PWM信号50％-74％占空比对应反转模式，模式的切换由无人机遥控器选择开关来实现，无人机飞控向双向电调输出PWM信号，PWM信号频率为400Hz,无人机没有翻转机体正常飞行时，飞控输出的PWM信号占空比75％-100％，占空比增大，双向电调使无刷电机正向旋转速加快；无人机翻转机体后双向电调接收飞控发出的PWM信号74％-50％，占空比减小，双向电调使无刷电机反向旋转速度加快。双向电调起调节无刷电机转速和转向的作用。

本发明应用具有抓放功能的单自由度机械手，机械手的总重量约160克，机械手安装在无人机机架的正下方，机械手活动构件能够张开接近180度左右的角度，此时无人机的重心会上移，有利于无人机的翻转。因此，在无人机翻转前控制舵机使机械手活动构件张开到最大角度，再完成翻转操作，这样可使无人机姿态变换更加稳定。无人机翻转180度后，机械手活动构件朝上，无人机通过机械手抓取水平杆状栖落物完成倒挂栖落，机械手能够牢固抓取栖落物并长时间保持机械手的抓取状态，从而保证无人机在栖落后的安全性。

对于未发生翻转的机体，无人机初始PID参数已调好；但在实现翻转姿态后，因要完成倒挂动作，特殊构型螺旋桨要立刻反转以提供稳定的升力，且机体翻转成倒置状态，所以整体模型发生变化，故需要考虑设计更优的一组PID控制参数；另外，无人机翻转机体过程也需要调节PID参数来控制电机速度，产生速度差，从而实现翻转。由于四旋翼无人机是非线性系统，PID参数通常不易快速调节和选择，故本发明采用基于切换PID机制的控制策略确保无人机快速安全的实现翻转，并在较稳定的情况下倒置飞行，从而实现倒挂栖落，以及脱离杆状物后再次翻转机体恢复到正常飞行状态。

本发明可实现旋翼无人机的倒挂栖落，在这个过程中无人机必需切换不同的飞行模式才能完成整个倒挂栖落过程。正常飞行状态下，无人机处于正飞模式，无人机翻转后，无人机处于反飞模式，而正飞模式的姿态控制目前已有的技术已经足够成熟，我们直接采用目前应用比较广泛的Pixhawk开源飞控的PX4固件，实现正飞模式的姿态控制，即一套正飞模式的控制系统。本发明在开源PX4固件程序代码的基础上实现无人机自主翻转机体以及翻转后自主进入反飞模式。通过遥控器选择开关向无人机发送翻转机体的指令信号，无人机自主运行控制无人机翻转机体动作的程序，无人机飞控中的姿态感知全感器，实时监测无人机姿态，无人机翻转机体近150度左右时迅速切换当前的飞行模式，若当前飞行模式为正飞模式则切换到反飞模式，无人机模式切换完毕并保持稳定性，即无人机恰好翻转机体180度；若当前模式为反飞模式则切换到正飞模式。通过遥控器控制翻转后的无人机，翻转后的无人机可以像翻转前的无人机一样正常飞行。无人机在正飞模式下，拨动遥控器的选择开关来选择反飞模式，无人机自主完成翻转机体并且迅速改变电机转向，特殊构型螺旋桨提供足够的升力，实现反飞模式下稳定飞行。无人机靠近栖落物，机械手抓取水平杆状物，完成倒挂栖落，此时便可以关闭电机来降低能耗和噪音。离开栖落物时，先启动无人机电机，电机进入怠速状态，再张开机械手的活动构件，控制无人机缓慢下落，即可实现栖落后的再起飞，当需要恢复到正飞模式，则拨动遥控器选择开关来选择正飞模式，无人机可自主翻转机体恢复正常飞行姿态。

如图1所示，无人机搭载单自由度机械手105及无人机没有翻转机体时的示意图。101为旋翼无人机的机架，102为无刷电机，103为特殊构型螺旋桨，107为监视侦查设备安装位置，108为无刷电机旋转轴。机械手105安装在无人机飞控安装位置106的正下方，机械手活动构件104为锯齿状并且有一定弯曲度的铝合金构件，具有质量轻，抓取部位摩擦力大等特点。所述无人机机械手活动构件104可完全闭合，也可张开180度左右的角度，此时机械手的垂直长度会收缩，机械手对无人机重心的影响减少，闭合时可以抓取不同粗细的有一定刚性的水平杆状物，机械手活动构件104还可以抓取物体，可以抓取形状比较规则，大小在一定范围内且重量较轻的物体，在抢险救灾等场景下能够执行简单的运送与投递任务。

如图2所示，无人机翻转机体180度过程示意图，201表示无人机翻转机体准备阶段，无人机加速上升一定高度，使无人机开始翻转时有向上约3m/s的初速度，202表示无人机飞控执行翻转机体程序，无人机横滚轴两侧的电机产生约1000rpm的转速差，螺旋桨提供的升力大小有差别，此时的螺旋桨产生的力对无人机横滚轴产生旋转力矩，203表示无人机受旋转力矩和重力作用运动的过程，204表示当无人机翻转超过90度后，无人机给双向电调输出占空比为75％PWM信号，电机失去动力，为反飞模式的切换作准备，当无人机翻转机体近150度时飞控启动反飞模式控制程序，电机改变旋转方向，使无人机刚好翻转180度后保持姿态的稳定。

如图3所示，机械手活动构件104开口朝上，电机的旋转方向与图1所示无人机电机102的转向相反，特殊构型螺旋桨在图2所示姿态下提供足够升力。

如图4所示，无人机倒挂栖落时无人机的姿态，无人机机械手抓取杆状栖落物401实现倒挂栖落，此时机械手处于闭合咬紧状态，机械手能够承受无人机的自身重量可长时间保持倒挂栖落状态。

如图5所示，无人机从起落后的倒挂状态恢复到正常飞行状态过程示意图，501表示无人机从栖落后的倒挂状态起飞阶段，无人机启动电机，电机怠速运转，机械手松开栖落物，无人机下落，通过遥控器控制无人机，飞控接收遥控器油门杆加速指令信号，无人机螺旋桨加速旋转，提供足够升力，使无人机克服自身重力保持飞行状态，502表示无人机离开栖落物附近，飞行到空旷没有障碍物的位置，503表示无人机翻转机体恢复到正常飞行状态准备阶段，无人机加速上升一定高度，使无人机开始翻转时有向上的约3m/s初速度，504表示无人机飞控执行翻转机体程序，无人机横滚轴两侧的电机产生转速差，此时螺旋桨提供的升力大小有差别，螺旋桨产生的力对无人机横滚轴产生旋转力矩，505表示无人机受旋转力矩和重力作用运动过程，506表示当无人机翻转超过90度后，无人机给双向电调输出占空比为75％PWM信号，电机失去动力，为正飞模式的切换作准备，当无人机翻转机体近150度时飞控启动正飞模式控制程序，使无人机刚好翻转180度后保持姿态的稳定。

无人机从倒挂状态起飞后翻转机体模型与无人机从正常飞行状态翻转机体模型有差别，因此这两种翻转机体控制程序也不一样，无人机根据当前飞行模式选择对应的翻转机体控制程序，实现无人机翻转180度。

如图6所示，无人机特殊构型螺旋桨示意图。特殊构型螺旋桨有四个叶片，在同一轴上互成90度。实际应用中，可利用一般四旋翼无人机上一对两叶片的正桨(螺旋桨601、602)，一个正桨的正面与另一个正桨的反面相对堆叠固定构成一个四叶片的正桨，其中一个两叶片螺旋桨601在电机旋转轴108朝上且电机顺时针旋转时提供足够升力，另外一个两叶片螺旋桨602提供的也是升力，只是作用很小；同样原理利用一般四旋翼无人机上一对两叶片的反桨，其中一个反桨的正面与另一个反桨的反面相对堆叠固定构成一个四叶片的反桨。如图1所示，本专利所设计的无人机安装两个四叶片的正桨和两个四叶片的反桨。在无人机翻转180度后，姿态如图3所示，电机旋转轴108朝下，电机变为逆时针旋转，在此情况下，无人机翻转机体前提供很大升力的螺旋桨601提供的升力很小，而提供很小升力的螺旋桨602提供很大的升力，从而保证无人机在两种飞行模式下螺旋桨按照恰当的旋转方向都能提供足够的升力。对以上通过堆叠得到的四叶片桨叶进行优化，可以得到如图603所示的一体化特殊构型的螺旋桨。本发明提到的特殊构型螺旋桨可为无人机正常姿态和翻转姿态下提供足够的升力，达到理想的翻转栖落效果。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种具有倒挂栖落功能的多旋翼无人机，包括无人机机架、螺旋桨、电机和飞控系统，飞控系统安装于无人机机架的中部，用于对无人机的飞行状态、姿态和运动参数实施控制；其特征在于：所述螺旋桨包括一体化正螺旋桨和一体化反螺旋桨，一体化正螺旋桨是由一对两叶片的正桨反面相对、且同轴堆叠构成的一个四叶片的正桨，一体化反螺旋桨是由一对两叶片的反桨反面相对、且同轴堆叠构成的一个四叶片的反桨；所述一体化正螺旋桨和一体化反螺旋桨交错安装在无人机机架上周向设置的多个旋转轴上，构成无人机的多旋翼；

所述多旋翼无人机还包括双向电调和机械手，双向电调用于控制电机的旋转方向，机械手设置于无人机机架中部的下方；

无人机正向飞行时，机械手位于下方用于抓取物体，一体化正螺旋桨和一体化反螺旋桨中位于上方的正桨和反桨提供主要升力；无人机机体翻转180度飞行时，通过双向电调将改变电机旋转方向，从而改变螺旋桨旋转方向，此时一体化正螺旋桨和一体化反螺旋桨中原本位于下方的正桨和反桨翻转至上方，用于提供主要升力，此时机械手位于上方用于抓取栖落物。

2.根据权利要求1所述具有倒挂栖落功能的多旋翼无人机，其特征在于：所述一体化正螺旋桨和一体化反螺旋桨的数量均为两个，且同向螺旋桨相对于无人机机架中轴线对称设置，构成四旋翼无人机。

3.根据权利要求1所述具有倒挂栖落功能的多旋翼无人机，其特征在于：所述一体化正螺旋桨和一体化反螺旋桨的四叶片沿周向均布，互成90°。

4.根据权利要求1所述具有倒挂栖落功能的多旋翼无人机，其特征在于：所述螺旋桨直径为25.40cm,螺距为11.43cm。

5.根据权利要求1所述具有倒挂栖落功能的多旋翼无人机，其特征在于：所述机械手包括对称设置的两个机械手活动构件，通过舵机控制两个机械手活动构件开合；两个机械手活动构件能够张开至180度，紧贴机身两侧。

6.根据权利要求5所述具有倒挂栖落功能的多旋翼无人机，其特征在于：所述机械手活动构件为圆弧形或V形，内壁上设置有增加摩擦力的结构，能够在闭合时抓取不同形状的物品或不同粗细的水平杆状物。

7.根据权利要求1所述具有倒挂栖落功能的多旋翼无人机，其特征在于：所述飞控系统采用Pixhawk开源飞控的PX4固件，并在PX4固件程序代码的基础上实现无人机自主翻转机体以及翻转后自主进入反飞模式。

8.根据权利要求1所述具有倒挂栖落功能的多旋翼无人机，其特征在于：所述双向电调有2个模式，即正转模式和反转模式；正转模式，即无人机没有翻转机体机械手活动构件朝下正常飞行时的状态；反转模式，即无人机翻转机体后机械手活动构件朝上飞行时的状态。

9.根据权利要求1所述具有倒挂栖落功能的多旋翼无人机，其特征在于：所述飞控系统发出的PWM信号75％占空比对应电机停止转动，PWM信号76％-100％占空比对应正转模式，PWM信号50％-74％占空比对应反转模式；模式的切换由无人机遥控器选择开关来实现，飞控系统向双向电调输出PWM信号，PWM信号频率为400Hz,无人机没有翻转机体正常飞行时，飞控输出的PWM信号占空比75％-100％，占空比增大，双向电调使无刷电机正向旋转速加快；无人机翻转机体后双向电调接收飞控发出的PWM信号74％-50％，占空比减小，双向电调使无刷电机反向旋转速度加快。

10.一种权利要求1-9任一项所述具有倒挂栖落功能的多旋翼无人机的飞行控制方法，其特征在于具体步骤为：

步骤一：通过遥控器和飞控系统控制无人机正常飞行，控制舵机将机械手的机械手活动构件打开至180°、紧贴机身，保证无人机重心的稳定；

步骤二、通过遥控器选择开关向无人机发送翻转机体的指令信号，所述机械手活动构件闭合；无人机自主运行控制无人机翻转机体动作的程序，通过无人机飞控中的姿态感知传感器实时监测无人机姿态，无人机翻转机体近150度左右时迅速切换当前的飞行模式，当前飞行模式为正飞模式切换到反飞模式；

步骤三、无人机模式切换完毕并保持稳定性，即无人机翻转机体180度，通过遥控器控制翻转后的无人机正常飞行；

步骤四、无人机靠近栖落物时，由舵机控制机械手抓取水平杆状物，完成倒挂栖落；此时关闭电机降低能耗和噪音，能够隐蔽侦查和监控；

步骤五、无人机离开栖落物时，先启动无人机电机，电机进入怠速状态，再张开机械手的活动构件，控制无人机缓慢下落，即可实现栖落后的再起飞，当需要恢复到正飞模式，则拨动遥控器选择开关来选择正飞模式，无人机能够自主翻转机体恢复正常飞行姿态。

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