CN114044128B - 一种机身姿态与螺旋桨姿态解耦的旋翼无人机及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于飞行器设计领域，公开了一种机身姿态与螺旋桨姿态解耦的旋翼无人机及方法。包括固定机架，所述固定机架的四个角延伸形成十字形支架，所述支架末端安装四个旋翼系统，所述固定机架上端具有相同形状结构的移动机架，所述移动机架的支架末端套接旋翼系统，所述固定机架与移动机架之间连接解耦装置，所述解耦装置可实现无人机机身姿态与螺旋桨姿态分离控制。从而实现无人机机身姿态和无人机运动的解耦。通过本发明，可以实现无人机机身在空中以任意姿态悬停，完成特殊任务。可以实现无人机在空中悬停状态下改变机身俯仰角，完成特定任务。
Description
技术领域
本发明属于飞行器设计领域，具体涉及一种机身姿态与螺旋桨姿态解耦的旋翼无人机及方法。
背景技术
无人机是一种由地面人员通过无线电远程遥控设备远程操作或通过无人机上搭载控制程序实现自主或半自主的飞行机器人，随着通讯、电子信息和能源技术的发展，其研究正广受关注并且发展迅速。相较于传统飞行器，无人机灵活快速、结构简单、体积较小、动力学性能优良，被广泛应用到精准农业、灾区监查、敌情侦察、高空拍摄、电力巡检、环保整治等应用。目前无人机飞行平台可以分为固定翼无人机和多旋翼无人机，相对于固定翼无人机，多旋翼无人机可以实现垂直起降、空中悬停和前后、左右、上下等方向的飞行。固定翼无人机起飞和降落要求有足够大的起飞场地，多旋翼无人机受场地限制较少，具有更加灵活的机动性。
四旋翼无人机是多旋翼无人机中的一种，是一个高度欠驱动的系统。其机身姿态和螺旋桨姿态是一种强耦合的关系，一旦存在非零俯仰或者横滚姿态角，必然会产生水平方向的运动。当四旋翼无人机在空中飞行时，机身需要以某一个姿态悬停完成某个复杂的动作时，这种机身姿态和螺旋桨姿态强耦合的关系会导致该动作无法完成，降低了无人机的实用性和可操作性。
发明内容
本发明目的在于提供一种机身姿态与螺旋桨姿态解耦的旋翼无人机及方法,实现旋翼无人机可以以任意姿态在空中悬停，在正常飞行中，可以实时控制自身姿态角，而旋翼无人机整体运动状态不会受到影响。
为解决上述技术问题，本发明的一种机身姿态与螺旋桨姿态解耦的旋翼无人机及方法的具体技术方案如下：
一种机身姿态与螺旋桨姿态解耦的旋翼无人机，包括固定机架，所述固定机架的多个边角水平延伸形成多个长支架，所述多个长支架末端各安装有旋翼系统，所述固定机架上端具有相同形状结构的移动机架，所述移动机架的长支架末端套接旋翼系统，所述固定机架与移动机架之间连接解耦装置，所述解耦装置可实现无人机机身姿态与螺旋桨姿态分离控制。
进一步的，所述固定机架上端面具有第一上载物平台，第一上载物平台用于固定解耦装置，固定机架下方具有下载物平台，下载物平台通过螺柱固定在固定机架下端，下载物平台上放置电池。
进一步的，所述固定机架的长支架末端具有通孔，所述通孔中间具有万向节，所述万向节上端连接旋翼桨杆的一端，所述万向节下端连接脚架，所述旋翼桨杆的另一端连接旋翼系统，所述万向节随旋翼桨杆的转动而转动。
进一步的，所述移动机架的长支架末端具有通孔，所述通孔套接在旋翼桨杆上，当移动机架发生水平位移时带动四个旋翼桨杆进行联动从而带动四个旋翼系统联动。
进一步的，所述移动机架上端具有第二上载物平台，所述第二上载物平台上安装有飞行控制器，所述飞行控制器(4)用于感知无人机飞行高度、速度、角度、位置信息，控制无人机姿态和解耦装置(5)，根据飞行指令，改变桨叶姿态和机身姿态。
进一步的，所述旋翼系统包括一个直流无刷电机、电调和一个螺旋桨，所述螺旋桨安装在直流无刷电机上，所述电调安装在无刷电机上，所述电调的作用是根据飞行控制器传输的PWM信号控制无刷电机的转速。
进一步的，所述飞行控制器集成微型计算机、全球定位系统GPS模块、三轴加速度计、三轴陀螺仪、电子罗盘、气压计和超声波测量模块。
进一步的，所述解耦装置包括一个二维平台、两个伺服电机与两个齿轮齿条，分别控制纵横位移，所述伺服电机受所述飞行控制器控制，用来带动齿轮齿条，移动机架和固定机架通过二维平台分别固定在解耦装置上。通过飞行控制器控制伺服电机，进而带动齿轮齿条，使固定机架和移动机架发生相对位移。
进一步的，所述二维移动平台包括上支架和下支架，所述上支架与移动机架固定连接，所述下支架与固定机架固定连接，所述上支架上端具有第一伺服电机，所述第一伺服电机电机轴上固定有第一齿轮，所述第一齿条与第一齿轮齿合，所述第一伺服电机带动第一齿条做纵向移动；所述下支架下端具有第二伺服电机，所述第二伺服电机电机轴上固定有第二齿轮，所述第二齿条与第二齿轮齿合，所述第二伺服电机带动第二齿条做横向移动。
本发明还公开了一种无人机实现无人机机身姿态和螺旋桨姿态解耦的方法，包括如下步骤：
在飞行控制器中写入程序控制所述解耦装置，无人机中移动机架和固定机架之间在x轴上平移在程序中设定为Servor1，在y轴上平移在程序中设定为Servor2，控制Servor1行程为a,控制Servor2行程为b，该设定则表示该移动机架相对固定机架向右平移a，向前平移b，假设两层机架之间的距离为h，h为固定值，该程序控制可以使所述无人机的螺旋桨朝向[a，b，h]方向，将其换算成角度，其中x轴平移换算成角度A1，y轴平移换算成角度A2，
通过计算可以得到：
对于该无人机整体而言，该程序使螺旋桨在机身横滚角和俯仰角的基础上增加了A1,A2，假定该无人机机身姿态表示为[Roll机身，Pitch机身，Paw机身]，在该程序控制下该螺旋桨的姿态表示为：
Roll螺旋桨＝Roll机身+A1
Pitch螺旋桨＝Pitch机身+A2
Paw螺旋桨＝Paw机身。
本发明的一种机身姿态与螺旋桨姿态解耦的旋翼无人机及方法具有以下优点：
(1)本发明可以实现无人机机身姿态和螺旋桨姿态解耦，从而实现无人机机身姿态和无人机运动的解耦。
(2)通过本发明，可以实现无人机机身在空中以任意姿态悬停，完成特殊任务。如无人机空中球拍，在无人机打球任务中，无人机机身可以实现给定姿态下悬停，将球击打至目标点，进一步地实现无人机颠球。
(3)通过本发明，可以实现无人机在空中悬停状态下改变机身俯仰角，完成特定任务，比如无人机在空中进行拍球。
附图说明
图1是本发明的机身姿态与螺旋桨姿态解耦的旋翼无人机整体结构示意图；
图2是本发明的机身姿态与螺旋桨姿态解耦的旋翼无人机侧视图；
图3是本发明的无人机解耦装置结构示意图；
图4是本发明的无人机解耦装置正视图；
图5是本发明的无人机解耦装置侧视图；
图6是本发明的无人机解耦装置俯视图；
图7是本发明的无人机解耦装置简要示意图；
图中标号说明如下：1、旋翼系统；2、移动机架；3、固定机架；4、飞行控制器；5、解耦装置；6、旋翼桨杆；7、电池；21、第二上载物平台；31、第二上载物平台；32、脚架；33、螺柱；34、第一上载物平台；35、下载物平台；51、下支架；52、上支架；53、第一伺服电机；54、第一齿轮；55、第一齿条；56、第二伺服电机；57、第二齿轮；58、第二齿条。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种机身姿态与螺旋桨姿态解耦的旋翼无人机及方法做进一步详细的描述。
如图1、图2所示，一种机身姿态与螺旋桨姿态解耦的旋翼无人机，包括固定机架3，固定机架3的边角水平延伸形成多个长支架，所述多个长支架末端各安装有旋翼系统1，本实施例中固定机架3的四个角水平延伸形成十字形长支架，长支架末端安装有四个旋翼系统1。固定机架3上端具有相同形状结构的移动机架2，移动机架2的支架末端套接旋翼系统1，固定机架3与移动机架2之间连接解耦装置5，解耦装置5可实现无人机机身姿态与螺旋桨姿态分离控制。
具体的，固定机架3上端面具有第一上载物平台34，第一上载物平台34用于固定解耦装置5，固定机架3下方具有下载物平台35，下载物平台35通过螺柱33固定在固定机架3下端，下载物平台35上放置电池7。固定机架3的支架末端具有通孔，通孔中间具有万向节31，万向节31上端连接旋翼桨杆6的一端，旋翼桨杆6的另一端连接旋翼系统1。万向节31可随旋翼桨杆6的转动而转动。万向节31下端连接脚架32。
移动机架2的支架末端具有通孔，通孔套接在旋翼桨杆6上，当移动机架2发生水平位移时带动四个旋翼桨杆6进行联动从而带动四个旋翼系统1联动。移动机架2上端具有第二上载物平台21，第二上载物平台21上安装有飞行控制器4，所述飞行控制器4用于感知无人机飞行高度、速度、角度、位置信息，控制无人机姿态和解耦装置5，根据飞行指令，改变桨叶姿态和机身姿态。
旋翼系统1包括一个直流无刷电机、电调和一个螺旋桨。其中螺旋桨安装在直流无刷电机上，电调安装在无刷电机上，电调的作用是根据飞行控制器4传输的PWM信号控制无刷电机的转速。
旋翼桨杆6为四个空心的铝制圆杆。
飞行控制器4集成了微型计算机、全球定位系统GPS模块、三轴加速度计、三轴陀螺仪、电子罗盘、气压计和超声波测量模块。
如图3-图6所示，解耦装置5包括一个二维移动平台，二维移动平台包括上支架52和下支架51，上支架52与移动机架2固定连接，下支架51与固定机架3固定连接。上支架52上端具有第一伺服电机53，第一伺服电机53电机轴上固定有第一齿轮54，第一齿条55与第一齿轮54齿合，第一伺服电机53带动第一齿条55做纵向移动。下支架51下端具有第二伺服电机56，第二伺服电机56电机轴上固定有第二齿轮57，第二齿条58与第二齿轮57齿合，第二伺服电机56带动第二齿条58做横向移动。通过飞行控制器4控制伺服电机，可以实现移动机架2和固定机架3相对的平面位移，进而实现无人机机身姿态和螺旋桨姿态解耦。
解耦装置5实现无人机机身姿态和螺旋桨姿态解耦的工作原理如下：
固定机架3和移动机架2之间在z轴方向的距离恒定，当在x轴、y轴方向发生水平位移时，会带动移动机架2移动，进而使其连接的旋翼桨杆6移动，产生相对z轴方向的角度，即螺旋桨升力方向与机架向上方向之间存在一个角度，该角度可通过解耦装置5中的两个伺服电机的转动量控制，其中在x轴方向发生水平平移可以改变螺旋桨横滚角，y轴方向发生水平位移可以改变螺旋桨俯仰角。四个旋翼桨杆6是联动结构，相对z轴方向产生的角度始终相同，不会引入偏航量使无人机产生额外的自传。如果正在原地悬停的无人机，若无人机解耦装置5中间的伺服电机运动，该固定机架3和移动机架2产生位移，该无人机只会产生水平方向的前后左右平移，而不会自转。
如图7是解耦装置5简要表示图，在飞行控制器4中写入程序控制该结构系统，无人机中移动机架和固定机架之间在x轴上平移在程序中设定为Servor1，在y轴上平移在程序中设定为Servor2，控制Servor1行程为a,控制Servor2行程为b，该设定则表示该移动机架2(图中为黑色)相对固定机架3(图中为灰色)向右平移a，向前平移b，假设两层机架之间的距离为h，该值为固定值，该程序控制可以使该无人机的螺旋桨朝向[a，b，h]方向，将其换算成角度，其中x轴平移换算成角度A1，y轴平移换算成角度A2。
通过计算可以得到：
对于该无人机整体而言，该程序会使该螺旋桨在机身横滚角和俯仰角的基础上增加了A1,A2，假定该无人机机身姿态表示为[Roll机身，Pitch机身，Paw机身]，在该程序控制下该螺旋桨的姿态表示为：
Roll螺旋桨＝Roll机身+A1
Pitch螺旋桨＝Pitch机身+A2
Paw螺旋桨＝Paw机身
控制无人机的运动本质是在控制螺旋桨的姿态角，螺旋桨升力与飞机重力的合力产生无人机的加速度。传统无人机电机与机架之间固定，螺旋桨的姿态角就是机身的姿态角，无人机要实现一个目标的运动状态，只能解算出一个唯一的螺旋桨姿态角，也就是唯一的机身姿态角，所以要想控制无人机运动，机身姿态就必须改变。在本发明中的无人机，无人机电机与机架之间不再固定，其间的角度可以通过中间的两个伺服电机来精准控制。这样，要实现目标运动状态，螺旋桨的姿态仍是唯一解，但机身姿态却有无穷解，就可以实现无人机机身姿态和螺旋桨姿态的解耦。
实施例1：
下面以用机身姿态与螺旋桨姿态解耦的旋翼无人机进行打球为例，具体说明机身姿态与螺旋桨姿态解耦的旋翼无人机的具体使用方法。
在本发明的旋翼无人机上安装好摄像头和机载中央处理器，其中摄像头用来捕获小球的位置，机载中央处理器用来实时计算，同时在该无人机移动机架上固定一个定制的球拍，用来击打小球，实现无人机颠球。
具体步骤如下：
利用无人机的摄像头和记载中央处理器实时图像处理和计算，获取小球的状态，并根据卡尔曼滤波器对小球的状态进行有效的估计。定义球的状态为
其中sb，表示小球的位置和速度，通过摄像头获取图像，中央处理器处理和计算得出。将小球的线性连续系统以时间τk进行离散化，xb[k]表示tk时刻小球的状态，小球的状态方程表示为
xb[k+1]＝A[k]xb[k]+B[k]+w[k]
z[k]＝H[k]xb[k]+v[k]
其中
H[k]＝[I3*303*3]
w[k]表示k时刻的系统噪声，
v[k]表示k时刻的观测噪声，
假定无人机在某一个高度处对小球进行击打，小球从设定的高度处抛出，通过上述卡尔曼滤波器，在记载中央处理器中计算可以获得小球到达指定击打点时经过的时间T以及小球在到达击打点前的速度Vpre。
同时设定小球被击打后期望最高点的状态xhb，与原点小球在击打点击打后的速度Vpost，根据牛顿第二定律，根据小球在击打点的速度，得到小球实际最高点状态为xab，这个xab是与小球击打后速度Vpost的表达式。定义小球最小损失函数
C＝(xhb-xab)2
通过梯度下降法使得损失函数C最小，得到小球在击打点击打后的速度Vpost。通过Vpre和Vpost可以反推得到无人机在到达小球击打点的状态，即此时无人机上球拍的状态xuav，同时保证无人机是悬停状态下将球击打过去。
通过计算，无人机会在时间T内,以xuav姿态达到击打点，同时通过无人机机身姿态和螺旋桨姿态的关系，计算出此时解耦装置中Servor1行程和Servor2行程，在飞行控制器中解算出所述伺服电机的输入，带动齿轮齿条，实现机身状态是xuav，螺旋桨姿态保证无人机悬停的情况下将球击打至最高点，进一步地计算，使无人机实现颠球。
实施例2：
下面以用机身姿态与螺旋桨姿态解耦的旋翼无人机进行拍球为例，对此发明做进一步说明。
在本发明的旋翼无人机上安装好摄像头和机载中央处理器，其中摄像头用来捕获小球的位置，机载中央处理器用来实时计算，同时在该无人机机身正前方安置一个定制的球拍，用来拍球。按照任务需求，该球拍可以在无人机机身四周任意处安放。
具体步骤如下：
步骤一：假定无人机在某一个高度悬停进行拍球，小球从无人机处抛下。
步骤二：利用无人机的摄像头和记载中央处理器实时图像处理和计算，获取小球的状态，并根据卡尔曼滤波器对小球的状态进行有效的估计。
步骤三：根据估计后的小球状态xb，进一步计算得到此时无人机的期望状态xuav，此时启动无人机解耦装置的控制程序，计算出此时解耦装置中Servor1行程和Servor2行程，改变无人机机身的俯仰角，实现无人机机身状态是xuav，但是螺旋桨姿态是悬停状态，进一步地，实现无人机拍球。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (7)
1.一种机身姿态与螺旋桨姿态解耦的旋翼无人机，包括固定机架(3)，所述固定机架(3)的边角水平延伸形成多个长支架，所述多个长支架末端各安装有旋翼系统(1)，其特征在于，所述固定机架(3)上端具有相同形状结构的移动机架(2)，所述移动机架(2)的长支架末端套接旋翼系统(1)，所述固定机架(3)与移动机架(2)之间连接解耦装置(5)，所述解耦装置(5)可实现无人机机身姿态与螺旋桨姿态分离控制，所述移动机架(2)上端具有第二上载物平台(21)，所述第二上载物平台(21)上安装有飞行控制器(4)，所述飞行控制器(4)用于感知无人机飞行高度、速度、角度、位置信息，控制无人机姿态和解耦装置(5)，根据飞行指令，改变桨叶姿态和机身姿态，所述解耦装置(5)包括一个二维平台、两个伺服电机与两个齿轮齿条，分别控制纵横位移，所述伺服电机受所述飞行控制器(4)控制，用来带动齿轮齿条，移动机架(2)和固定机架(3)通过二维平台分别固定在解耦装置(5)上，通过飞行控制器控制伺服电机，进而带动齿轮齿条，使固定机架(3)和移动机架(2)发生相对位移，所述二维平台包括上支架(52)和下支架(51)，所述上支架(52)与移动机架(2)固定连接，所述下支架(51)与固定机架(3)固定连接，所述上支架(52)上端具有第一伺服电机(53)，所述第一伺服电机(53)电机轴上固定有第一齿轮(54)，第一齿条(55)与第一齿轮(54)齿合，所述第一伺服电机(53)带动第一齿条(55)做纵向移动；所述下支架(51)下端具有第二伺服电机(56)，所述第二伺服电机(56)电机轴上固定有第二齿轮(57)，第二齿条(58)与第二齿轮(57)齿合，所述第二伺服电机(56)带动第二齿条(58)做横向移动。
2.根据权利要求1所述的机身姿态与螺旋桨姿态解耦的旋翼无人机，其特征在于，所述固定机架(3)上端面具有第一上载物平台(34)，第一上载物平台(34)用于固定解耦装置(5)，固定机架(3)下方具有下载物平台(35)，下载物平台(35)通过螺柱(33)固定在固定机架(3)下端，下载物平台(35)上放置电池(7)。
3.根据权利要求1所述的机身姿态与螺旋桨姿态解耦的旋翼无人机，其特征在于，所述固定机架(3)的长支架末端具有通孔，所述通孔中间具有万向节(31)，所述万向节(31)上端连接旋翼桨杆(6)的一端，所述万向节(31)下端连接脚架(32)，所述旋翼桨杆(6)的另一端连接旋翼系统(1)，所述万向节(31)随旋翼桨杆(6)的转动而转动。
4.根据权利要求1所述的机身姿态与螺旋桨姿态解耦的旋翼无人机，其特征在于，所述移动机架(2)的长支架末端具有通孔，所述通孔套接在旋翼桨杆(6)上，当移动机架(2)发生水平位移时带动四个旋翼桨杆(6)进行联动从而带动四个旋翼系统(1)联动。
5.根据权利要求1所述的机身姿态与螺旋桨姿态解耦的旋翼无人机，其特征在于，所述旋翼系统(1)包括一个直流无刷电机、电调和一个螺旋桨，所述螺旋桨安装在直流无刷电机上，所述电调安装在无刷电机上，所述电调的作用是根据飞行控制器(4)传输的PWM信号控制无刷电机的转速。
6.根据权利要求1所述的机身姿态与螺旋桨姿态解耦的旋翼无人机，其特征在于，所述飞行控制器(4)集成微型计算机、全球定位系统GPS模块、三轴加速度计、三轴陀螺仪、电子罗盘、气压计和超声波测量模块。
7.一种利用如权利要求5所述的无人机实现无人机机身姿态和螺旋桨姿态解耦的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在飞行控制器(4)中写入程序控制所述解耦装置(5)，无人机中移动机架(2)和固定机架(3)之间在x轴上平移在程序中设定为Servor1，在y轴上平移在程序中设定为Servor2，控制Servor1行程为a,控制Servor2行程为b，该设定则表示该移动机架(2)相对固定机架(3)向右平移a，向前平移b，假设两层机架之间的距离为h，h为固定值，该程序控制可以使所述无人机的螺旋桨朝向[a,b,h]方向，将其换算成角度，其中x轴平移换算成角度A1，y轴平移换算成角度A2，
通过计算可以得到：
对于该无人机整体而言，该程序使螺旋桨在机身横滚角和俯仰角的基础上增加了A1,A2，假定该无人机机身姿态表示为[Roll机身,Pitch机身,Paw机身]，在该程序控制下该螺旋桨的姿态表示为：
Roll螺旋桨＝Roll机身+A1
Pitch螺旋桨＝Pitch机身+A2
Paw螺旋桨＝Paw机身。
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- 2021-11-24 CN CN202111400907.3A patent/CN114044128B/zh active Active
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