CN113508078B - 配有碰撞容错推进和控制器的无人机 - Google Patents

Abstract

本发明的垂直起降(VTOL)无人机(1)，其特征包括多螺旋桨推进系统(2)、围绕多螺旋桨推进系统(2)的保护性外笼(4)、自主动力源(7)、感测系统(6)、以及连接到感测系统(6)以接收来自感测系统的测量信号的控制系统(5)。控制系统电连接到多螺旋桨推进系统(2)，以控制推进系统的电机(10)。感测系统至少包括一个方位传感器和一个位移传感器，用以测量多螺旋桨推进系统的方位和位移。多螺旋桨推进系统包括以非同轴方式间隔布置的至少两个螺旋桨(8)，每个螺旋桨包括电机(10)，电机(10)具有耦合到螺旋桨叶片(9)的定子和转子。控制系统(5)包括至少一个微处理器(15)和至少一个非易失性存储器(16)，其中至少一个控制程序(17)可由微处理器(15)执行，以控制多螺旋桨推进系统用于垂直起飞和着陆无人机的飞行或悬停。所述控制系统包括用于稳定定向的程序(18)，所述程序被配置为在与障碍物(26)的接触点(P)远端的至少一个螺旋桨(8’)上反转推力，同时控制来自接触点(P)的近端螺旋桨的电机(10)以产生升力，所述远端和近端螺旋桨的推力被控制来在无人机上施加升力以抵消其上的重力(G)，并围绕所述接触点(P)施加旋转力矩(M)，以稳定无人机的位置或抵消由惯性产生的扭矩。

Description

配有碰撞容错推进和控制器的无人机

技术领域

本发明涉及一种VTOL(vertical take-off and landing,垂直起飞和着陆)无人机(unmanned aerial vehicle,以下也称为“UAV”)，该无人机具有保护性外笼、推进系统和控制器，该推进系统和控制器可减少因与外部物体接触而引起的干扰，防止无人机以较大的速度撞向其他障碍物。

本发明的某些实施例的技术效果使得无人机在涉及接近障碍物、结构、物体、人等飞行的各种应用中增加稳健性或实现新用途。例如，这些应用是对室外或室内基础设施的检查或监视、对资产的监视等。

背景技术

垂直垂直起飞和着陆飞行器通常依靠一个能够产生向上的力(升力)来对抗重力的推进系统(例如一个或多个螺旋桨)来进行飞行。这种飞行器能够缓慢飞行(悬停飞行)、垂直起飞或垂直着陆，并且通常具有控制它们的方位或方向的控制系统，以便使其保持在稳定的方位或侧向移动。当飞行器的方位不稳定时，例如它的推进系统产生的力并不主要指向上方，飞行器会迅速失去升力，或朝着推进系统产生的力的方向增加速度。

无人机通常是受控制的，以便于其在悬停飞行中保持稳定的方位，或者为了侧向移动而略微倾斜。在悬停飞行中，控制器通常施加一个抵消作用在无人机上的重力的悬停推力，以保持恒定的高度。推力是由每个螺旋桨产生的力矢量相加得到的结果力。一般来说，控制器在倾斜时施加的推力比悬停推力更大，以便在推力倾斜的情况下仍然可以补偿重力，从而在侧向移动时保持高度不变(见图1)。

为了控制无人机的方位，例如使其回到稳定的方位，控制系统通常改变每个螺旋桨产生的相对力来施加影响无人机的角速度和方位的扭矩，一般情况下向下倾斜的一侧的螺旋桨产生更大的力(F2)。

旨在接近障碍物飞行的空中飞行器通常配备有围绕在推进系统和控制系统周围的保护性外笼。这些保护性外笼可以防止外部物体伤害旋转中的螺旋桨或操纵表面等敏感部件，或在飞行器撞上障碍物或坠落地面时吸收碰撞能量。它们通常是这样制造的，开口允许气流通过结构，而不会太多地影响由推进系统产生的升力。

当空中飞行器与障碍物接触时，一个保护性外笼可以防止所有对无人机的损害。然而，与障碍物的接触会可以激发相对较大的外部扭矩和力，这些力矩和力可以扰乱飞行器的方位，使无人机失去高度(由于重力的拉动)或朝着推进系统指向的方向获得显著的速度，使无人机处于高速撞向更多障碍物的风险中。

为了降低无人机在方位受到干扰时发生灾难性坠毁的风险，标准控制器可以通过产生扭矩，让无人机在获得显著速度之前尽快回到稳定的方位，但是在杂乱的空间中，这种恢复几乎是不可能的，取而代之的，是通常会与另一个障碍物发生第二次碰撞并产生灾难性坠毁。

在某些情况下，当飞行器与障碍物接触时，飞行器会由于例如接触力、摩擦力、粘性或障碍物的形状、环境中的钩等因素保持与障碍物的接触。在这种情况下，无人机铰接在障碍物上，并围绕与障碍物的接触点旋转。标准控制器被设计为在这种情况下产生一个将无人机带回自由空间的稳定方向的扭矩，但它们在许多情况下无法处理这种情况。当无人机铰接在障碍物上时，由于铰链的作用，标准控制器通常会在相反的方向上产生不应产生的扭矩(图3a)，这可能会进一步扰乱空中飞行器的方位，最终导致坠毁(图3B)。

发明内容

本申请的目的在于提供一种垂直起飞和着陆无人机，该无人机克服了上述缺点，并且能够在与障碍物碰撞的情况下稳定飞行并快速纠正飞行动作，降低了坠毁的风险。

优选地，提供一种多用途、敏捷的垂直起飞和着陆无人机。

优选地，提供一种能够安全、易于控制地在受限空间和障碍物之间飞行的垂直起飞和着陆无人机。

本发明的目标通过根据权利要求1提供的一种垂直起飞和着陆无人机实现。本申请公开了一种垂直起飞和着陆(VTOL)无人机(UAV)，包括一个多螺旋桨推进系统、围绕多螺旋桨推进系统的保护性外笼、自主动力源、感测系统和连接到感测系统以接收来自感测系统的测量信号的控制系统。控制系统电气连接到多螺旋桨推进系统，以控制推进系统的电机。感测系统至少包括一个方位传感器和一个位移传感器，配置为测量多螺旋桨推进系统的方位和位移。多螺旋桨推进系统包括至少两个以非同轴方式隔开布置的螺旋桨，每个螺旋桨包括电机，该电机具有与螺旋桨叶片耦合的定子和转子。该控制系统包括至少一个微处理器和至少一个非易失性存储器，其中至少一个控制程序可由微处理器执行，以控制多螺旋桨推进系统用于垂直起飞和着陆无人机的飞行或悬停。

所述控制系统包括用于稳定定向(orientation)的程序，该程序被配置为在与障碍物的接触点(P)远端的至少一个螺旋桨上反转推力，同时控制来自接触点(P)的近端螺旋桨的电机产生升力，所述远端和近端螺旋桨的推力被控制以在无人机上施加升力以抵消其上的重力(G)，并围绕所述接触点(P)施加旋转力矩(M)，以稳定所述无人机的位置或抵消由惯性产生的扭矩。

推力的反转既可以通过改变螺旋桨的旋转方向也可以通过改变可变桨距(variable pitch)螺旋桨叶片的螺距来实现。在又一实施例中，可以通过打开一对螺旋桨中的第二螺旋桨并关闭该对螺旋桨的第一螺旋桨或减小第一螺旋桨的推力来反转推力，第一和第二螺旋桨被配置成在相反的方向上产生推力。在正常飞行期间，第一个螺旋桨产生升力推力用于飞行的同时，第二个螺旋桨可能是静止的。在后一实施例中，所述的螺旋桨不一定需要是可反转的，并且每个推进器可以配置成在单个方向上旋转。

在另一优选例中，所述的多螺旋桨推进系统包括布置成矩形配置的螺旋桨。

在另一优选例中，所述的多螺旋桨推进系统包括以非同轴方式间隔布置的多对螺旋桨。

在另一优选例中，一对螺旋桨以镜像对称的方式布置。

在另一优选例中，所述的螺旋桨叶片是对称的，使得它们在顺时针和逆时针旋转方向上具有相同的空气动力学特性。

在另一优选例中，所述的一对同轴螺旋桨的螺旋桨以独立控制的方式连接到控制系统。

在另一优选例中，所述螺旋桨中的至少一部分是可反转的，并且可以由控制系统控制在顺时针方向或逆时针方向上旋转，这取决于由螺旋桨产生的推力的量和推力的方向。

在另一可替换例中，所述螺旋桨的至少一部分具有可变桨距的叶片，并且可以在保持相同方向旋转方向下通过改变其叶片的桨距而变得可反转。

在另一可替换例中，所述螺旋桨至少一部分被封闭在导管(duct)中，提供有利的升力和空气动力学特性。

在另一优选例中，所述的多螺旋桨推进系统、动力源和控制系统安装在通过悬挂元件耦合到保护性外笼的内部支撑结构上。

在另一优选例中，所述的保护性外笼包括通过连接器连接在一起的多个梁，形成围绕多螺旋桨推进系统的笼。

在另一优选例中，所述的保护性外笼围绕多螺旋桨推进系统形成一般球形、正方形、卵形、盘形或各种其他形状(取决于无人机的预期应用和目的)。

在另一优选例中，所述的感测系统包括至少一个陀螺仪和至少一个加速度计，以测量垂直起飞和着陆无人机的方位和速度变化。

在另一优选例中，所述的感测系统包括一个障碍物感测系统，所述障碍物感测系统包含了至少一个包括光学传感器、超声波传感器或微波传感器的距离传感器，所述距离传感器被配置为检测垂直起飞和着陆无人机与外部物体的距离，并且可以视需要计算UAV相对于外部物体的速度。

在另一优选例中，所述的感测系统包括至少一个近距离传感器，该近距离传感器被配置为检测保护性外笼是否有与外部物体的接触。

在另一优选例中，所述的多螺旋桨推进系统包括四个螺旋桨或四对螺旋桨，它们以正方形或矩形配置(Re)间隔布置。

在另一优选例中，多个螺旋桨以非同轴方式间隔布置并基本上在同一平面内旋转。

在另一优选例中，多个螺旋桨以非同轴方式间隔布置并在多个平面内旋转，使得一些螺旋桨可以彼此堆叠。

本发明提出使用一种依靠螺旋桨和马达控制器的推进系统，所述马达控制器可以快速反转由一个或多个螺旋桨产生的推力方向，以及一种允许控制器产生将垂直起飞和着陆无人机带回到稳定方位的扭矩的方法，即使当其铰接在障碍物上时。

在无人机中反转由螺旋桨产生的推力方向来处理飞行中与障碍物的碰撞的方法众所周知，其中，据WO2015105554所述，可以反转螺旋桨的推力以实现地面上的滚动模式，并且据US9650135所述，可以反转螺旋桨的推力以使无人机以颠倒方向的方式飞行。然而，本发明提供了新的控制方案来处理飞行中与障碍物的碰撞，这是以前没有提出的。

控制器可以使用方位、角速率、手动飞行员输入、加速度或其他测量或状态估计来将命令应用到电机控制器和螺旋桨，以产生稳定无人机的力。VTOL UAV作为一个动态系统，控制器可以应用关于倾斜角(相对于螺旋桨叶片的平面，正交于旋转轴线)，UAV配置、螺旋桨数量和相对于螺旋桨的接触位置的静态命令，然后添加到VTOL UAV当前运动的动态命令。静态命令的效果可以通过将垂直起飞和着陆无人机静态保持在不同的倾斜角来观察。任何动态命令都可以被添加到这些命令中，以说明垂直起飞和着陆无人机的运动，例如添加导数分量，或添加与在PID(比例积分导数)控制器中通常使用的那样垂直起飞和着陆无人机的角速率成比例的命令。

可以用方位传感器识别无人机的方位，例如陀螺仪、加速度计、惯性测量单元(inertial measurement，IMU)、磁强计、距离传感器、视域(vision)、地平线检测等，或上述传感器的组合。可以通过识别穿过垂直起飞和着陆无人机中心并且无人机围绕其相对于稳定方位旋转的倾斜轴(对应于偏航轴)，并且控制向上倾斜的无人机一侧上远离倾斜轴的螺旋桨或螺旋桨组，使得它们产生结果力F1，当F1沿着无人机向上方向指向时其为正，当F1沿着无人机向下方向指向时其为负。而在向下倾斜的无人机的一侧上远离倾斜轴的螺旋桨或螺旋桨组则被控制产生结果力F2。在30°和150°的倾斜角之间，可以通过反转螺旋桨的一个或多个旋转方向来控制负力F1。图12描述了不同接触点的倾斜轴，并描述了用于为各种多旋翼配置生成F1和F2的螺旋桨组。

尽管标准控制器会产生关于F1和F2的正命令(图3a和4a)，并且通常会因此围绕铰链点P(图4b)产生转矩Ma从而促使无人机进一步远离其稳定方位，但是根据本发明实施例的无人机，其施加产生扭矩的力F1和F2(图7和11a)在产生扭矩M后使无人机回到了稳定的方向(图11b)。

铰链点P周围的扭矩由与推进系统相关的多种项、重力项和惯性项组成。假设正扭矩稳定，可以看到正向力F1和F2，在典型的悬停飞行中，总是产生负贡献，而重力的影响直到90度倾斜角都是稳定，而由于碰撞前速度的惯性项总是不稳定的。

在不失一般性的前提下，系统稳定的一个充分条件是铰链点附近的扭矩总是正的(稳定的)，并且大于与垂直起飞和着陆无人机的初速度和惯性有关的常数。这种关系清楚地表明，F1和/或F2为负向力时是具有好处的，它还表明，尽管在通常情况下较高的推重比，有利于快速纠正行动，但是在这个情形下是不可取的。

常数RT是螺旋桨距质心的距离与保护架参考长度之间的比值。它总是正的，并被用来描述螺旋桨放置在离保护架多近的地方。

由于与障碍物的碰撞往往会产生动态情况，因此使用能够对命令快速反应以改变推力幅度的电机和电机控制器是有利的。

，由于改变旋转方向时的延迟会导致动态情况下的不稳定行为，因此使用能够快速改变旋转方向的电机和电机控制器是有利的。

使用能够以每秒其标称悬停推力(力)的K倍(k＝8到50)的速率改变它们产生的推力的发动机和螺旋桨是有利的。例如，如果每个螺旋桨的标称推力是4N，推进系统应该能够在4*8＝32N每秒和4*50＝200N每秒之间的速率内改变其推力。

当顺时针或逆时针旋转时，使用能够在两个方向上产生力的螺旋桨是有利的。使用围绕与它们的旋转轴正交的平面B对称的叶片的螺旋桨是有利的，这能使螺旋桨在任意方向旋转时产生相同的力。

使用可变桨距的螺旋桨是有利的，它可以在两个方向上施加推力，但只在一个方向上旋转。

使用一些被优化以产生向下的力的螺旋桨是有利的，与此同时其他螺旋桨被优化以产生向上的力，这会增加对期望方向上施加的力的反应性。该实施例不是等待螺旋桨改变方向才产生相反方向的力，而是允许螺旋桨从更接近命令设定点的旋转速度开始加速。该实施例还允许使用被优化后用于向上提升的螺旋桨，从而可以提高动力效率。对于该实施例来说，包括一些特定的螺旋桨仍然是有利的，这些螺旋桨的叶片围绕与它们的旋转轴正交的平面B对称，使得螺旋桨可以在沿任一方向旋转时产生相同的力。

根据一个实施例，在无人机不与障碍物接触的情况下使用本发明的无人机也是有利的，因为它允许快速稳定无人机，同时减少高度损失并避免在不希望的方向上获得加速度。

附图说明

本发明的其他目的和本发明的有利特征将在权利要求、详细描述和所附附图中显而易见，其中：

图1a至1b和图2是传统垂直起飞和着陆(VTOL)无人机(UAV)的简化示意图，说明了作用在无人机上的推进力和重力；

图2是一个类似于图1a和1B的视图，说明了对无人机施加扭矩以纠正其方向的推进力。

图3a和3b是如图1a至2所示的常规垂直起飞和着陆无人机与障碍物碰撞的简化示意图。

图4a是由图3a的无人机螺旋桨施加的试图纠正无人机的方位的推进力的平面示意图。

图4b是无人机在接触点与障碍物之间施加的力矩的平面示意图，这取决于无人机在接触点附近的倾斜角，螺旋桨上的力如图4A所示；

图5a至5d是根据本发明实施例的垂直起飞和着陆无人机的视图；

图5E到5G分别是图5A到5D的无人机内部推进系统的透视、侧视和俯视图；

图6a、6b是类似于图5a、5c的视图，展示出了本发明的另一个实施例；

图7是类似于图5a的视图，示出了本发明的另一实施例；

图8是本发明实施例的无人机的感测和控制系统的系统方框图；

图9是一个类似于3a的视图，展示出了本发明的无人机的另一个实施例；

图10a至10d是本发明的无人机的另一实施例的类似于图9的视图；

图11a是关于图9的无人机螺旋桨试图纠正无人机方位所施加的推进力的详细图形说明；

图11b是在对螺旋桨施加图9所示的力时，无人机在与障碍物接触点处施加的力矩的平面示意图，取决于无人机在接触点处的倾斜角；

图12根据图示说明了不同接触点的倾斜轴和用在多旋翼配置中的产生推力的F1、F2的螺旋桨组。

具体实施方式

参照图5a至10D，本发明实施例的垂直起飞和着陆无人机1包括多螺旋桨推进系统2，该推进系统由安装在保护性外笼4内的内部支撑结构3支撑。保护性外笼4可以由多个通过连接器14连接在一起的梁13形成，这些梁形成例如三角形框架模块12一样的形状，该框架模块结合形成通常为球形的保护性外笼，可以选择添加扁平部分或开口。在本发明的范围内，可以根据无人机的预期应用和目的提供其他外部保持架的形状和形式，例如通常为正方形、卵形、圆盘形和各种其他形状。

垂直起飞和着陆无人机1还包括电源7，例如可充电电池，控制系统5和感测系统6，所述控制系统5和感测系统6可以由内部支撑结构3与多螺旋桨推进系统2共同支撑。然而，感测系统的元件也可以部分地安装在保护性外笼4上，例如位置传感器或摄像机23。根据本发明实施例的垂直起飞和着陆无人机1a也可包括更进一步的组件，特别是安装在内部支撑结构3上或和或安装在保护性外笼4上的图像捕获和照明系统23。

感测系统9可特别包括位置、方位和位移感测系统19和障碍物感测系统20。位置、方位和位移感测系统19可特别包括一个或多个陀螺仪和一个或多个加速度计，该加速度计能够测量无人机1的方位、加速度和加速度方向。加速度计也可以检测无人机与障碍物的碰撞。

此外，陀螺仪和/或加速度计以及电机反馈或电机命令可用于估算施加到无人机上的扭矩或力，这可以检测无人机的保护性外笼4与障碍物之间的接触，或指示接触点(P)。

障碍物感测系统20可特别包括距离传感器，例如光学和/或超声波传感器，其被配置为确定UAV与外部物体的距离，并且可视需要确定朝向所述障碍物的位移速率。也可以使用诸如微波或毫米波传感器的其他距离传感器。

障碍物感测系统还可以包括磁性近距离传感器，例如霍尔效应传感器或电容传感器和/或压电传感器，其可以检测UAV的保护性外笼4和障碍物之间的接触。

上述各种传感器是本身在本领域时可知的，并且可以根据要生成的测量值安装在保护性外笼4或内部支撑结构3上。

此外，感测系统可以包括导航感测系统，该导航感测系统包括全球定位系统(GPS)和基于光学传感器、距离传感器、WiFi或无线电波的本地定位系统，这种全球和本地导航系统本身也是众所周知的。

控制系统5和动力源7优选地直接安装在内部支撑结构3上。内部支撑结构3可以方便地通过悬挂元件11耦合到保护性外笼4，悬挂元件11可以例如包括各种构造的弹性吊舱或弹簧，可选地还包括阻尼机构(dampening mechanism)，例如在各种减震器中发现的阻尼机构，以阻尼内部支撑结构3和外部保护保持架4之间的弹性运动。

控制系统5包括了一个电子电路，该电子电路包括至少一个微处理器15和至少一个存储有控制程序17的非易失性存储器16。控制程序至少包括由微处理器15根据从感测系统6接收的输入执行的用于稳定方位18的程序。

感测系统6的各种传感器连接到控制系统的电子电路，并向控制系统发送测量信号，控制系统则连接到多螺旋桨推进系统，以发送用于控制多螺旋桨推进系统的电机10的控制信号。

多螺旋桨推进系统包括以间隔和非同轴方式布置的多个螺旋桨8。

在一优选实施例中，有四个螺旋桨以矩形布置Re布置四个螺旋桨可大致布置在与螺旋桨旋转轴A正交的同一平面B上。螺旋桨可能相对于平面B有一个轻微的倾斜角(通常为1°-5°)，这是为了提高稳定性和偏航轴控制能力。螺旋桨可布置在与螺旋桨旋转轴线A正交的一个及以上平面内，使一些螺旋桨可以相互重叠。

在图6a、6B和7所示，以及在图9中所示出的实施例中，有四个方型排列的单螺旋桨8，其中螺旋桨叶片基本上可以在同一平面B或者在偏移平面上对齐，例如，允许相邻螺旋桨的叶片重叠。

在一实施例中，例如，如图7所示，螺旋桨可以由用于增加螺旋桨的效率和推力的空气导管21包围。

在另一优选例中，有四对螺旋桨8a、8b成方形排列，如图5a至图5g所示的实施例中所示。

在该实施例中，对螺旋桨8a、8b也以间隔且非同轴的方式以正方形或矩形Re的形式布置。

在另一优选例中，对螺旋桨8a、8b可以同轴方式布置，使得转子轴线对齐并且电机和叶片镜像对称。

每个螺旋桨8、8a、8b都包括由包含定子和转子的电机10驱动旋转的螺旋桨叶片9，其中在优选实施例中，转子可以直接耦合到螺旋桨叶片9。

在另一优选例中，螺旋桨叶片9可包括对称的叶片形状，使得螺旋桨叶片可以带有类似的空气动力学特性在顺时针方向和逆时针方向上旋转。然而，考虑到在许多应用中，桨叶旋转的可反转性仅用于控制实例，正常和一般的飞行模式都基于桨叶的特定旋转方向，因此可以为桨叶提供非对称形状。

上述实施例尤其有利于多螺旋桨推进系统，其中一组单螺旋桨8以间隔和非同轴方式布置，而在图5a至5g所示的实施例中，每对的螺旋桨8a、8b都配置为仅朝一个方向转动。在飞行过程中，只有一侧(如底侧)的螺旋桨可以旋转，而另一侧(如顶侧)的螺旋桨可以静止。当与障碍物碰撞时，可以通过驱动先前静止的顶部螺旋桨并关闭或减少底部飞行螺旋桨的推力，从而反转远端螺旋桨对的推力。因此，为了将推力反转，需要将一对或一个螺旋桨打开，而另一个关闭或降低速度。在后一实施例中，电机不需要是可反转的。

然而，有利的是，在图5a至5G所示的实施例中，每对的螺旋桨8a、8b叶片9可以顺时针方向和逆时针方向(即，以可反转的方式)转动，以便在各种可能的飞行模式中提供很大的灵活性，同时还能在携带高负重的情况下提供强大的飞行控制力和灵活性。

电机10可以有利地设置转子位置传感器，例如霍尔效应传感器或安装在定子上的光学编码器，以检测转子的角位置。这允许转子方向发生特别快的变化。在不知道转子的准确位置的情况下，转子方向反转的控制会更加困难，可靠性也更低。

在图5a至5g所示并在图10a至10d中所示示意图的实施例中，一对同轴螺旋桨中的螺旋桨8中的每个都包括电机10和螺旋桨叶片9，在优选实施例中，螺旋桨叶片9以镜像对称的方式安装并与转子轴A对齐。一对中的两个螺旋桨8a、8b可以在不同模式下同时运行，第一种模式包括两个螺旋桨在相同方向上转动并产生相同方向的推力，或者以一种方式使一对螺旋桨在相反方向上产生推力。

另一种操作方式是，该对螺旋桨中只有一个旋转并产生一个方向或相反方向的推力。根据对电机的控制，由这对螺旋桨中的每个螺旋桨产生的推力都可以单独控制并相互独立地变化，从而允许其作出非常快速的响应，从而能够非常精细和稳定地控制无人机。

在图9示意图所示的变型例中，可控制以非同轴布置(例如三、四、五或六边形)式布置的间隔的螺旋桨，使得当其与障碍物26接触时，远离接触点P的螺旋桨8”可反转推力F1的方向(通过改变电机转子的旋转方向)，从而在接触点P周围产生一个与靠近接触点P的近端螺旋桨8'的推力产生的旋转力矩相反的旋转力矩M，在动态碰撞的情况下，重力G产生的旋转力矩和围绕接触点P的惯性旋转力矩也需要纳入考虑范围之内。可以相应地控制远端螺旋桨8'和近端螺旋桨8'的相对推力，以稳定无人机。对于大于90°的倾斜角，靠近接触点的螺旋桨推力F2的方向也可以被控制为相反方向(也如图11a所示)。当无人机推挤物体且两者相对静止时，远侧螺旋桨8”相当于无人机后端的螺旋桨，近侧螺旋桨8”相当于无人机前端的螺旋桨，这与无人机的飞行方向或无人机静态推压物体时的总推力方向有关。

旋转力矩M可通过反转远端螺旋桨8′的推力来控制，也可用于在接触点P周围创建无人机的静态或保持位置，或者改变无人机相对于障碍物26的倾斜角α，这在某些应用中可能有用，或者在允许更稳定的静态或保持位置的地方调整角度α。

如图11a至11b所示，根据推力轴T(垂直于转子叶片9的平面B)相对于垂直方向的倾斜角α，每个螺旋桨的用于将无人机保持在静态位置的推力F1、F2量将取决于倾斜角α，特别地在30度到150度的范围内。力F1和F2以及转动力矩M的精确值(如图11a至11b中的灰色区域所示)可能会有所不同，具体取决于无人机配置、推进系统数量以及相对于推进系统的接触位置。在图5a至5g和图8所示的实施例中，远侧一对螺旋桨8a"、8b"产生的合成推力F1a+F1b可相对于近侧一对螺旋桨8a'、8b'产生的合成推力F2a+F2b而变化，使得其与图9所示的情况类似，远侧一对螺旋桨8a"，8b"可产生整体负推力，而近端螺旋桨对8a'，8b'可产生正推力，因此，考虑到重力G产生的旋转力矩，可调整围绕接触点P的旋转力矩M，针对障碍物26的静态保持位置或碰撞时的惯性力矩进行补偿。在本实施例中，一对螺旋桨8a〃，8a'中的一个螺旋桨在飞行过程中可能是静止的，特别是在预计会发生碰撞的飞行过程中。螺旋桨8b'、8b”可以优化其向上的升力。或者，产生向下推力的螺旋桨8a'、8a”中的一个可以通过旋转产生小幅度的向下推力，特别是在预计发生碰撞时。当与障碍物26碰撞导致无人机1旋转时，与无人机飞行时产生升力8b”的螺旋桨相比，螺旋桨8a”不产生推力或向下推力，为了显著增加螺旋桨8a"的反应性，可操作其以非常快地速度产生向下推力(同时该对中的另一个螺旋桨8b"可关闭)，8b"可以产生关于无人机的旋转力矩M，用以抵消无人机与障碍物26碰撞时惯性显示的旋转力矩。

用于产生反向推力的一对螺旋桨的准备状态可由无人机操作员手动控制，或由感测系统自动控制，当无人机1与障碍物26保持一定距离时，螺旋桨对8a，8b可配置为在准备好快速产生反向推力的状态下运行，例如通过关闭该对螺旋桨中的一个，或者甚至通过以低于该对螺旋桨的另一个螺旋桨的反向推力旋转该对螺旋桨中的一个，从而产生无人机飞行所需的升力。

在如图5a至5g、6a、6B及7所示的螺旋桨对的四角布置中，间隔布置中的每一个或一对螺旋桨都被独立控制着以产生推力，从而根据感测系统6输入的信号以及所需的飞行模式和控制保持无人机在俯仰、偏航的所需方位，以及用于无人机飞行或悬停的滚转轴。

特征列表：

垂直起飞和着陆(VTOL)无人机(UAV)1

多螺旋桨推进系统2

以非同轴方式间隔布置的螺旋桨

以非同轴方式间隔排列的成对螺旋桨

四方排列

螺旋桨 8

螺旋桨叶片 9

对称叶片

电机 10

转子

定子

转子位置传感器

霍尔传感器

内部支撑结构3

悬挂系统11

螺旋桨导管21

保护性外笼4

框架模块12

梁13

连接器14

控制系统5

微处理器15

存储器16

控制程序17

稳定方位程序18

传感系统6

方位感应系统19

陀螺仪

加速度计

障碍物感测系统20

距离传感器

光学传感器

超声波传感器

电磁雷达

磁性近距离传感器

位置传感系统22

电源7

电池

重心Cg

接触点P

G 重力

F 螺旋桨推进力

M 力矩(扭矩)

T 推力(重心G处推进系统合力)

障碍物26

Claims (17)

1.一种垂直起飞和着陆无人机(1)，其特征在于，包括：多螺旋桨推进系统(2)，围绕多螺旋桨推进系统(2)的保护性外笼(4)，自主动力源(7)，感测系统(6)，以及连接到所述感测系统(6)以接收来自感测系统的测量信号的控制系统(5)，所述控制系统电连接至多螺旋桨推进系统(2)以控制推进系统的电机(10)，所述感测系统包括至少一个方位传感器和一个位移传感器，配置用于测量所述垂直起飞和着陆无人机的方向和位移，多螺旋桨推进系统包括至少两个以非同轴方式间隔布置的螺旋桨(8)，每个螺旋桨包括电机(10)，所述电机(10)具有耦合至螺旋桨叶片(9)的定子和转子，控制系统(5)包括至少一个微处理器(15)和至少一个非易失性存储器(16)，其中至少一个控制程序(17)可由所述微处理器(15)执行，以控制多螺旋桨推进系统用于垂直起飞和着陆无人机的飞行或悬停，所述控制系统包括用于稳定定向的所述垂直起飞和着陆无人机的程序(18)，所述程序被配置为在与障碍物(26)的接触点(P)远端的至少一个螺旋桨(8)上反转推力反推位于与障碍物(26)的接触点(P)远端的至少一个螺旋桨(8)，同时控制来自接触点(P)的近端螺旋桨的电机(10)以产生升力，所述远端和近端螺旋桨的推力被控制来在所述垂直起飞和着陆无人机上施加升力以抵消其上的重力(G)，并围绕所述接触点(P)施加旋转力矩(M)，以稳定无人机的位置或抵消由惯性产生的扭矩，所述电机(10)包括转子位置传感器，其包括霍尔效应传感器或光学编码器，所述转子位置传感器安装在定子上以检测转子的角位置。

2.根据权利要求1所述的垂直起飞和着陆无人机，其特征在于，所述多螺旋桨推进系统包括布置成矩形配置的螺旋桨。

3.根据权利要求1所述的垂直起飞和着陆无人机，其特征在于，所述多螺旋桨推进系统包括以非同轴方式间隔布置的多对螺旋桨(8a，8b)。

4.根据权利要求1所述的垂直起飞和着陆无人机，其特征在于，其中一对螺旋桨以镜像对称的方式布置。

5.根据权利要求1所述的垂直起飞和着陆无人机，其特征在于，螺旋桨叶片(9)是对称的，使得它们在顺时针和逆时针旋转方向上具有相同的空气动力学特性。

6.根据权利要求1所述的垂直起飞和着陆无人机，其特征在于，以非同轴方式间隔开布置的每个所述螺旋桨包括一对同轴螺旋桨，其中所述一对同轴螺旋桨的螺旋桨以独立控制的方式连接到控制系统，使得由所述螺旋桨中的每个螺旋桨产生的推力可以被单独控制并且彼此独立地变化。

7.根据权利要求1所述的垂直起飞和着陆无人机，其特征在于，所述螺旋桨中的至少一些是可反转的，由控制系统控制以顺时针方向或逆时针方向旋转，或者，根据螺旋桨产生的推力的大小和方向，所述螺旋桨的至少一部分通过改变其叶片的桨距，在保证以相同的方向旋转的情况下是可反转的。

8.根据权利要求1所述的垂直起飞和着陆无人机，其特征在于，所述多螺旋桨推进系统、所述动力源和所述控制系统安装在内部支撑结构(3)上，通过悬挂元件(11)与所述保护性外笼耦合。

9.根据权利要求1所述的垂直起飞和着陆无人机，其特征在于，保护性外笼包括多个梁(13)，通过连接器(14)连接在一起，形成围绕多螺旋桨推进系统的笼。

10.根据权利要求1所述的垂直起飞和着陆无人机，其特征在于，所述保护性外笼在多螺旋桨推进系统(2)周围形成一般球形。

11.根据权利要求1所述的垂直起飞和着陆无人机，其特征在于，所述感测系统包括至少一个陀螺仪和至少一个加速度计，以测量所述垂直起飞和着陆无人机的方位和速度变化。

12.根据权利要求1所述的垂直起飞和着陆无人机，其特征在于，所述感测系统包括障碍物感测系统(20)，所述系统包括至少一个距离传感器，所述距离传感器包括光学传感器、超声波传感器，或微波传感器，所述距离传感器被配置用于检测垂直起飞和着陆无人机与外部物体的距离，并可以计算无人机相对于外部物体的速度。

13.根据权利要求1所述的垂直起飞和着陆无人机，其特征在于，所述感测系统包括至少一个近距离传感器，所述近距离传感器用于检测保护性外笼(4)是否有与碰撞物(26)的接触。

14.根据权利要求1所述的垂直起飞和着陆无人机，其特征在于，所述多螺旋桨推进系统包括四个螺旋桨(8)或四对螺旋桨(8a，8b)，以正方形或矩形配置(Re)间隔排列。

15.根据权利要求1所述的垂直起飞和着陆无人机，其特征在于，以非同轴方式间隔布置的多个螺旋桨基本上在同一平面(B)内旋转。

16.根据权利要求1所述的垂直起飞和着陆无人机，其特征在于，电机和螺旋桨被配置为可改变其产生的推力，改变速度为其悬停推力的8至50倍/秒。

17.根据权利要求1所述的垂直起飞和着陆无人机，其特征在于，一个或多个螺旋桨分别安装在围绕螺旋桨的导管中。