CN115703547A - 折叠式共轴双桨无人机自动起飞控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

折叠式共轴双桨无人机自动起飞控制系统及控制方法，涉及共轴双桨无人机起飞控制技术领域，所述自动起飞控制系统包括与下桨数量一致的下桨起飞角度控制装置和无人机起飞自动控制模块，所述下桨通过环形连接架与共轴电机的下桨输出轴传动连接，所述下桨起飞角度控制装置对称安装在环形连接架上，控制下桨在起飞前0‑20毫秒时间内下桨中心轴线与折叠式共轴双桨无人机本体轴线的夹角小于85°。本发明根据折叠式共轴双桨无人机自动起飞姿态来对下桨的启动进行延后设置，并对起飞初期下桨的展开角度进行控制，避免姿态不稳状态下异常气流导致的桨叶变形带来的打桨风险，大大提高了折叠式共轴双桨无人机自动起飞的安全性。

Description

折叠式共轴双桨无人机自动起飞控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及共轴双桨无人机起飞控制技术领域，尤其是涉及折叠式共轴双桨无人机自动起飞控制系统及控制方法。

背景技术

折叠式共轴反桨无人机与常规的共轴反桨无人机相比，在结构上为无尾翼对称式，其优点为：气动布局对称，两桨气动干扰较小，上下旋翼均采用伺服舵机操纵，姿态调整或前飞飞行较平稳。和其他类型的无人机一样，折叠式共轴反桨无人机总是受到干扰、模型不确定性和参数扰动的影响。

折叠式共轴双桨无人机在起飞初期，上桨和下桨均处于折叠状态，桨叶贴着无人机的外壳，能大大减少收纳占用面积，在起飞时，区别于其他无人机，上桨和下桨处于同一轴向上布置，上桨和下桨若同时展开并旋转，则有一定概率会出现上下桨相互碰撞，通俗的说法就是打桨的情况。

折叠式共轴双桨无人机自动起飞的方式一般包括：地面静止起飞，地面手抛起飞，空中投放起飞和地面抛射起飞。折叠式共轴双桨无人机的上桨与下桨之间由于结构原因存在一定距离，上下桨在起飞过程中在离心力的作用下从自然下垂状态到转动打开的过程会出现上下桨转动过程中的相互碰撞，若起飞控制不当甚至是无人机掉落摔机。

发明内容

为了解决折叠式共轴双桨无人机自动起飞中的打桨现象，本发明提供折叠式共轴双桨无人机自动起飞控制系统及控制方法。采用如下的技术方案：

折叠式共轴双桨无人机自动起飞控制系统，包括折叠式共轴双桨无人机本体，折叠式共轴双桨无人机本体的螺旋桨机构包括上桨和下桨，共轴电机设有上桨输出轴和下桨输出轴，所述上桨输出轴与上桨传动相连，所述下桨输出轴通过连接架与下桨传动相连，折叠式共轴双桨无人机本体的飞控系统分别控制共轴电机的上桨输出轴和下桨输出轴的启停及转速，折叠式共轴双桨无人机本体还包括自动起飞控制系统，所述自动起飞控制系统包括与下桨数量一致的下桨起飞角度控制装置和无人机起飞自动控制模块，所述下桨通过环形连接架与共轴电机的下桨输出轴传动连接，所述下桨起飞角度控制装置对称安装在环形连接架上，控制下桨在起飞前0-20毫秒时间内下桨中心轴线与折叠式共轴双桨无人机本体轴线的夹角小于85°，所述无人机起飞自动控制模块与飞控系统信号连接，并根据飞控系统收集的传感器信号控制分别控制共轴电机的上桨输出轴和下桨输出轴的启停及转速，还控制下桨起飞角度控制装置的启动和停止。

通过上述技术方案，折叠式共轴双桨无人机本体在起飞前，上桨和下桨都处于自然下垂状态，当飞控系统接收到自动起飞指令时，无人机起飞自动控制模块通过飞控系统控制共轴电机的上桨输出轴先启动，在离心力的作用下上桨在5ms的时间内展开至水平状态，并为折叠式共轴双桨无人机本体提供部分升力，在上桨输出轴启动的同时，启动下桨起飞角度控制装置，在10-20ms后启动下桨输出轴，下桨在离心力作用下展开，并在下桨起飞角度控制装置的作用下展开至小于85°的一定角度，此时下桨延迟启动，且未完全展开，避免了与上桨出现的打桨现象。

可选的，所述下桨起飞角度控制装置包括电动推杆、弹簧座和万向球，所述连接架内设有用于安装桨起飞角度控制装置的内腔，所述电动推杆的底部固定安装在内腔的底面上，所述弹簧座的一端与电动推杆的杆头连接，所述万向球底部安装在弹簧座的另一端，当电动推杆的推杆向上推出时，将万向球的球体部推出内腔，万向球顶端距离连接架上表面的距离为10-30mm，当电动推杆的推杆向下缩回时，将万向球的球体部缩回内腔中，无人机起飞自动控制模块控制电动推杆的启停及推杆伸出长度。

通过上述技术方案，下桨起飞角度控制装置工作状态时，电动推杆启动将弹簧座以及万向球推出，万向球的球体部漏出内腔，位于连接架上表面外10-30mm，下桨输出轴启动后，下桨在离心力作用下展开，由于万向球顶在下桨的末端导致下桨不能立即展开至水平，避免了与上桨出现的打桨现象。

可选的，下桨起飞角度控制装置还包括一对直线导轨，一对所述直线导轨的轨道分别对称固定安装在内腔的内壁上，所述弹簧座的两端分别与一对所述直线导轨的滑块连接。

通过上述技术方案，直线导轨的设置，能够使弹簧座以及万向球上升下降提供轨道引导，整个装置更加平顺可靠。

可选的，所述电动推杆是伺服电动推杆。

通过上述技术方案，伺服电动推杆可以实现毫秒的级的相应时间，且控制精度高。

可选的，所述万向球是尼龙万向球。

通过上述技术方案，尼龙万向球可以大大降低装置的重量，避免采用金属件对下桨产生结构性损伤。

可选的，所述无人机起飞自动控制模块包括微处理器和伺服控制器，所述微处理器与飞控系统通信电连接，微处理器通过伺服控制器分别控制共轴电机的上桨输出轴和下桨输出轴的启停及转速，还控制下桨起飞角度控制装置的启动和停止。

通过上述技术方案，通过伺服控制器来控制上桨输出轴、下桨输出轴以及下桨起飞角度控制装置，控制精度高。

一种折叠式共轴双桨无人机自动起飞控制方法，具体步骤是：

步骤1，是否开启自动起飞，微处理器与飞控系统获取是否开启自动起飞；

步骤2，若开启自动起飞，微处理器通过飞控系统的姿态传感器和气压高度计获取折叠式共轴双桨无人机本体的起飞状态，所述起飞状态包括静止起飞、手抛起飞、空中投放起飞或地面抛射起飞；

步骤3，若起飞状态是静止起飞，微处理器通过伺服控制器控制共轴电机上桨输出轴启动，下桨输出轴在上桨输出轴启动后10-20ms启动；

若起飞状态是手抛起飞、空中投放起飞或地面抛射起飞，微处理器通过伺服控制器控制共轴电机上桨输出轴启动，同时控制电动推杆启动，电动推杆将万向球的球体部推出内腔，在电动推杆动作完成后，控制共轴电机下桨输出轴启动，10-20ms后控制电动推杆缩回。

步骤2中，微处理器通过飞控系统姿态传感器的陀螺仪获得无人机的速度和加速度、通过气压高度计获得无人机的高度以及处于上升还是下降状态实现对折叠式共轴双桨无人机本体起飞状态的判断。

通过上述技术方案，正常启动飞行时存在上下桨干涉打桨的问题。另外折叠式共轴双桨无人机本体自动起飞的方式包括：地面静止起飞、地面手抛起飞、空中投放起飞和地面抛射起飞，利用飞控系统获得的传感器和无人机起飞自动控制模块自动起飞过程中存在的打桨问题：

通过飞行控制程序，将上下桨的打开时间错开，比如上桨提前10ms旋转，利用离心力是上桨先行展开，然后再让下桨旋转；

利用折叠式共轴双桨无人机本体自带的多种传感器获知无人机的状态，比如通过陀螺仪获得无人机的速度和加速度、通过高度计获得无人机的高度以及处于上升还是下降状态，控制在无人机处于何种状态时启动飞行；

当折叠式共轴双桨无人机本体需要手抛起飞、空中投放起飞或地面抛射起飞时，不仅设置下桨延迟展开，还通过下桨起飞角度控制装置来实现下降的展开角度控制，进一步避免在姿态不稳状态下异常气流导致的桨叶变形带来的打桨风险，当完全启动后下桨起飞角度控制装置的万向球缩回，下桨完全展开，无人机正常飞行。

综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

本发明提供折叠式共轴双桨无人机自动起飞控制系统及控制方法，根据折叠式共轴双桨无人机自动起飞姿态来对下桨的启动进行延后设置，并对起飞初期下桨的展开角度进行控制，避免姿态不稳状态下异常气流导致的桨叶变形带来的打桨风险，大大提高了折叠式共轴双桨无人机自动起飞的安全性。

附图说明

图1是本发明自动起飞状态下桨未完全展开状态结构示意图；

图2是本发明自动起飞状态下下桨完全展开状态结构示意图；

图3是本发明隐藏下桨俯视结构示意图；

图4是本发明下桨起飞角度控制装置的结构示意图；

图5是本发明电器件连接原理示意图。

附图标记说明：1、折叠式共轴双桨无人机本体；11、上桨；12、下桨；121、环形连接架；13、共轴电机；14、飞控系统；101、内腔；21、电动推杆；22、弹簧座；23、万向球；24、直线导轨；25、挡块；31、微处理器；32、伺服控制器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例公开折叠式共轴双桨无人机自动起飞控制系统及控制方法。

参照图1-图5，折叠式共轴双桨无人机自动起飞控制系统，包括折叠式共轴双桨无人机本体1，折叠式共轴双桨无人机本体1的螺旋桨机构包括上桨11和下桨12，共轴电机13设有上桨输出轴和下桨输出轴，上桨输出轴与上桨11传动相连，下桨输出轴通过连接架10与下桨传动相连，折叠式共轴双桨无人机本体1的飞控系统14分别控制共轴电机13的上桨输出轴和下桨输出轴的启停及转速，折叠式共轴双桨无人机本体1还包括自动起飞控制系统，自动起飞控制系统包括与下桨数量一致的下桨起飞角度控制装置和无人机起飞自动控制模块，下桨12通过环形连接架121与共轴电机13的下桨输出轴传动连接，下桨起飞角度控制装置对称安装在环形连接架121上，控制下桨12在起飞前0-20毫秒时间内下桨12中心轴线与折叠式共轴双桨无人机本体1轴线的夹角小于85°，无人机起飞自动控制模块与飞控系统14信号连接，并根据飞控系统14收集的传感器信号控制分别控制共轴电机13的上桨输出轴和下桨输出轴的启停及转速，还控制下桨起飞角度控制装置的启动和停止。

折叠式共轴双桨无人机本体1在起飞前，上桨和下桨都处于自然下垂状态，当飞控系统14接收到自动起飞指令时，无人机起飞自动控制模块通过飞控系统14控制共轴电机13的上桨输出轴先启动，在离心力的作用下上桨在5ms的时间内展开至水平状态，并为折叠式共轴双桨无人机本体1提供部分升力，在上桨输出轴启动的同时，启动下桨起飞角度控制装置，在10-20ms后启动下桨输出轴，下桨在离心力作用下展开，并在下桨起飞角度控制装置的作用下展开至小于85°的一定角度，此时下桨延迟启动，且未完全展开，避免了与上桨出现的打桨现象。

下桨起飞角度控制装置包括电动推杆21、弹簧座22和万向球23，连接架10内设有用于安装桨起飞角度控制装置的内腔101，电动推杆21的底部固定安装在内腔101的底面上，弹簧座22的一端与电动推杆21的杆头连接，万向球23底部安装在弹簧座22的另一端，当电动推杆21的推杆向上推出时，将万向球23的球体部推出内腔101，万向球23顶端距离连接架10上表面的距离为10-30mm，当电动推杆21的推杆向下缩回时，将万向球23的球体部缩回内腔101中，无人机起飞自动控制模块控制电动推杆21的启停及推杆伸出长度。

下桨起飞角度控制装置工作状态时，电动推杆21启动将弹簧座22以及万向球23推出，万向球23的球体部漏出内腔101，位于连接架10上表面外10-30mm，下桨输出轴启动后，下桨在离心力作用下展开，由于万向球23顶在下桨的末端导致下桨不能立即展开至水平，避免了与上桨出现的打桨现象。

下桨起飞角度控制装置还包括一对直线导轨24，一对直线导轨24的轨道分别对称固定安装在内腔101的内壁上，弹簧座22的两端分别与一对直线导轨24的滑块连接。

下桨起飞角度控制装置还包括一对挡块25，挡块25与连接架10一体设置并位于内腔101顶部，当万向球23被推出时，挡块25将万向球23的底座挡住，限制万向球23漏出连接架10上表面的尺寸。

直线导轨24的设置，能够使弹簧座22以及万向球23上升下降提供轨道引导，整个装置更加平顺可靠。

电动推杆21是伺服电动推杆。

伺服电动推杆可以实现毫秒的级的响应时间，且控制精度高。

万向球23是尼龙万向球。

尼龙万向球可以大大降低装置的重量，避免采用金属件对下桨产生结构性损伤。

无人机起飞自动控制模块包括微处理器31和伺服控制器32，微处理器31与飞控系统14通信电连接，微处理器31通过伺服控制器32分别控制共轴电机13的上桨输出轴和下桨输出轴的启停及转速，还控制下桨起飞角度控制装置的启动和停止。

通过伺服控制器32来控制上桨输出轴、下桨输出轴以及下桨起飞角度控制装置，控制精度高。

一种折叠式共轴双桨无人机自动起飞控制方法，具体步骤是：

步骤1，是否开启自动起飞，微处理器31与飞控系统14获取是否开启自动起飞；

步骤2，若开启自动起飞，微处理器31通过飞控系统14的姿态传感器和气压高度计获取折叠式共轴双桨无人机本体1的起飞状态，起飞状态包括静止起飞、手抛起飞、空中投放起飞或地面抛射起飞；

步骤3，若起飞状态是静止起飞，微处理器31通过伺服控制器32控制共轴电机13上桨输出轴启动，下桨输出轴在上桨输出轴启动后10-20ms启动；

若起飞状态是手抛起飞、空中投放起飞或地面抛射起飞，微处理器31通过伺服控制器32控制共轴电机13上桨输出轴启动，同时控制电动推杆21启动，电动推杆21将万向球23的球体部推出内腔101，在电动推杆21动作完成后，控制共轴电机13下桨输出轴启动，10-20ms后控制电动推杆21缩回。

步骤2中，微处理器31通过飞控系统14姿态传感器的陀螺仪获得无人机的速度和加速度、通过气压高度计获得无人机的高度以及处于上升还是下降状态实现对折叠式共轴双桨无人机本体1起飞状态的判断。

正常启动飞行时存在上下桨干涉打桨的问题。另外折叠式共轴双桨无人机本体1自动起飞的方式包括：地面静止起飞、地面手抛起飞、空中投放起飞和地面抛射起飞，利用飞控系统14获得的传感器和无人机起飞自动控制模块自动起飞过程中存在的打桨问题：

通过飞行控制程序，将上下桨的打开时间错开，比如上桨提前10ms旋转，利用离心力是上桨先行展开，然后再让下桨旋转；

利用折叠式共轴双桨无人机本体1自带的多种传感器获知无人机的状态，比如通过陀螺仪获得无人机的速度和加速度、通过高度计获得无人机的高度以及处于上升还是下降状态，控制在无人机处于何种状态时启动飞行；

当折叠式共轴双桨无人机本体1需要手抛起飞、空中投放起飞或地面抛射起飞时，不仅设置下桨延迟展开，还通过下桨起飞角度控制装置来实现下降的展开角度控制，进一步避免在姿态不稳状态下异常气流导致的桨叶变形带来的打桨风险，当完全启动后下桨起飞角度控制装置的万向球23缩回，下桨完全展开，无人机正常飞行。

本发明实施例一：

在某平整广场上，折叠式共轴双桨无人机本体1静置在广场上，现需要启动自动起飞，工作人员在遥控器上向飞控系统14发送自动起飞指令，飞控系统14的传感器判断此时折叠式共轴双桨无人机本体1处于静止起飞状态，微处理器31获取上述信息数据后，微处理器31通过伺服控制器32控制共轴电机13上桨输出轴启动，下桨输出轴在上桨输出轴启动后10ms启动，1秒后折叠式共轴双桨无人机本体1平稳的上升到2米的空中，起飞过程平稳，无打桨的异响出现。

本发明实施例二：

在野外，工作人员准备将折叠式共轴双桨无人机本体1通过手抛起飞，工作人员将共轴双桨无人机本体1放置在右前方，在遥控器上向飞控系统14发送自动起飞指令，飞控系统14的传感器判断此时折叠式共轴双桨无人机本体1离地1-2.5米，且不处于绝对水平位置，瞬时位移量较小，处于手抛起飞状态，微处理器31获取上述信息数据后，微处理器31通过伺服控制器32控制共轴电机13上桨输出轴启动，同时控制电动推杆21启动，电动推杆21将万向球23的球体部推出内腔101，在电动推杆21动作完成后，控制共轴电机13下桨输出轴启动，10ms后控制电动推杆21缩回，下桨完全展开，1秒后折叠式共轴双桨无人机本体1平稳的上升到3米的空中，起飞过程平稳，无打桨的异响出现。

以上均为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.折叠式共轴双桨无人机自动起飞控制系统，包括折叠式共轴双桨无人机本体（1），折叠式共轴双桨无人机本体（1）的螺旋桨机构包括上桨（11）和下桨（12），共轴电机（13）设有上桨输出轴和下桨输出轴，所述上桨输出轴与上桨（11）传动相连，所述下桨输出轴通过连接架（10）与下桨传动相连，折叠式共轴双桨无人机本体（1）的飞控系统（14）分别控制共轴电机（13）的上桨输出轴和下桨输出轴的启停及转速，其特征在于：折叠式共轴双桨无人机本体（1）还包括自动起飞控制系统，所述自动起飞控制系统包括与下桨数量一致的下桨起飞角度控制装置和无人机起飞自动控制模块，所述下桨（12）通过环形连接架（121）与共轴电机（13）的下桨输出轴传动连接，所述下桨起飞角度控制装置对称安装在环形连接架（121）上，控制下桨（12）在起飞前0-20毫秒时间内下桨（12）中心轴线与折叠式共轴双桨无人机本体（1）轴线的夹角小于85°，所述无人机起飞自动控制模块与飞控系统（14）信号连接，并根据飞控系统（14）收集的传感器信号控制分别控制共轴电机（13）的上桨输出轴和下桨输出轴的启停及转速，还控制下桨起飞角度控制装置的启动和停止。

2.根据权利要求1所述的折叠式共轴双桨无人机自动起飞控制系统，其特征在于：所述下桨起飞角度控制装置包括电动推杆（21）、弹簧座（22）和万向球（23），所述连接架（10）内设有用于安装桨起飞角度控制装置的内腔（101），所述电动推杆（21）的底部固定安装在内腔（101）的底面上，所述弹簧座（22）的一端与电动推杆（21）的杆头连接，所述万向球（23）底部安装在弹簧座（22）的另一端，当电动推杆（21）的推杆向上推出时，将万向球（23）的球体部推出内腔（101），万向球（23）顶端距离连接架（10）上表面的距离为10-30mm，当电动推杆（21）的推杆向下缩回时，将万向球（23）的球体部缩回内腔（101）中，无人机起飞自动控制模块控制电动推杆（21）的启停及推杆伸出长度。

3.根据权利要求2所述的折叠式共轴双桨无人机自动起飞控制系统，其特征在于：下桨起飞角度控制装置还包括一对直线导轨（24），一对所述直线导轨（24）的轨道分别对称固定安装在内腔（101）的内壁上，所述弹簧座（22）的两端分别与一对所述直线导轨（24）的滑块连接。

4.根据权利要求2所述的折叠式共轴双桨无人机自动起飞控制系统，其特征在于：所述电动推杆（21）是伺服电动推杆。

5.根据权利要求2所述的折叠式共轴双桨无人机自动起飞控制系统，其特征在于：所述万向球（23）是尼龙万向球。

6.根据权利要求1所述的折叠式共轴双桨无人机自动起飞控制系统，其特征在于：所述无人机起飞自动控制模块包括微处理器（31）和伺服控制器（32），所述微处理器（31）与飞控系统（14）通信电连接，微处理器（31）通过伺服控制器（32）分别控制共轴电机（13）的上桨输出轴和下桨输出轴的启停及转速，还控制下桨起飞角度控制装置的启动和停止。

7.一种折叠式共轴双桨无人机自动起飞控制方法，其特征在于：采用权利要求1-6任一所述折叠式共轴双桨无人机自动起飞控制系统进行起飞控制，具体步骤是：

步骤1，是否开启自动起飞，微处理器（31）与飞控系统（14）获取是否开启自动起飞；

步骤2，若开启自动起飞，微处理器（31）通过飞控系统（14）的姿态传感器和气压高度计获取折叠式共轴双桨无人机本体（1）的起飞状态，所述起飞状态包括静止起飞、手抛起飞、空中投放起飞或地面抛射起飞；

步骤3，若起飞状态是静止起飞，微处理器（31）通过伺服控制器（32）控制共轴电机（13）上桨输出轴启动，下桨输出轴在上桨输出轴启动后10-20ms启动；

若起飞状态是手抛起飞、空中投放起飞或地面抛射起飞，微处理器（31）通过伺服控制器（32）控制共轴电机（13）上桨输出轴启动，同时控制电动推杆（21）启动，电动推杆（21）将万向球（23）的球体部推出内腔（101），在电动推杆（21）动作完成后，控制共轴电机（13）下桨输出轴启动，10-20ms后控制电动推杆（21）缩回。

8.根据权利要求7所述的一种折叠式共轴双桨无人机自动起飞控制方法，其特征在于：步骤2中，微处理器（31）通过飞控系统（14）姿态传感器的陀螺仪获得无人机的速度和加速度、通过气压高度计获得无人机的高度以及处于上升还是下降状态实现对折叠式共轴双桨无人机本体（1）起飞状态的判断。

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