CN117075622A - 一种纵列双旋翼飞行器及其飞行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机技术领域，具体是涉及一种纵列双旋翼飞行器及其飞行控制方法，该方法包括初始化飞行控制器和传感器，获取当前姿态信息(俯仰、滚转、偏航角)，根据输入或任务确定期望动作和指令(俯仰、滚转、偏航、上升、下降)，调整螺旋桨转速差异以达到期望角度和高度，逐渐减小转速实现缓慢降落。这种纵列双旋翼飞行器的飞行控制方法结合了螺旋桨转速控制和姿态传感器信息，可执行各种动作和指令。

Description

一种纵列双旋翼飞行器及其飞行控制方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体是涉及一种纵列双旋翼飞行器及其飞行控制方法。

背景技术

目前无人飞行器，特别是各种小型飞行器，在不同领域得到了蓬勃发展，例如侦察和紧急救援等。在某些特定场合，飞行器发挥着独特且不可替代的作用。常见的飞行器类型主要包括固定翼和旋翼飞行器。

固定翼飞行器具有快速飞行速度、较大负载能力、相对简单的设计结构以及长巡航半径等主要特点。然而，由于最低速度限制，其机动性较差，起降相对困难。

旋翼飞行器的最大优势在于可以实现垂直起降和空中悬停，适用于狭小空间或复杂地形的快速机动。根据旋翼式升力系统的特点，旋翼结构布局包括单旋翼式、双旋翼垂直分布式、多轴水平分布式等类型。多轴式飞行器因其新颖的结构布局和独特的飞行方式而取得重要发展。

然而，三个及三个以上多轴飞行器需要额外的螺旋桨、多个电调和电机，导致自身重量增加。因此，这类飞行器在飞行时消耗较多能量，留空时间较短。普通的双旋翼飞行器通过控制旋翼倾斜来改变飞行姿态，需要增加舵机在电机上，机构复杂且容易损坏。而单旋翼飞行器的控制姿态相对困难，飞行灵活性不足，提供的升力也有限。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明主要针对以上问题，提出了一种纵列双旋翼飞行器及其飞行控制方法，其目的是解决以往飞行器控制姿态相对困难，飞行灵活性不足，提供的升力也有限的技术问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种纵列双旋翼飞行器的飞行控制方法，所述方法包括

步骤S1、启动飞行控制器和相关系统，对传感器进行校准和初始化；

步骤S2、通过传感器获取飞行器当前的姿态信息，包括俯仰角、滚转角和偏航角；

步骤S3、根据飞行任务或操纵杆的输入，确定期望的俯仰、滚转和偏航动作，以及上升或下降的指令；

步骤S4、根据期望的俯仰动作和当前姿态信息，调整两个螺旋桨的转速差异，直到达到期望的俯仰角度；

步骤S5、根据期望的滚转动作和当前姿态信息，调整两个螺旋桨的转速，直到达到期望的滚转角度；

步骤S6、根据期望的偏航动作和当前姿态信息，调整两个螺旋桨的转速差异，直到达到期望的偏航角度；

步骤S7、根据上升或下降的指令，调整两个螺旋桨的转速，直到达到期望的高度；

步骤S8、当任务完成或需要降落时，逐渐减小转速使飞行器缓慢降落。

进一步地，在步骤S4中，根据期望的俯仰动作和当前姿态信息，调整两个螺旋桨的转速差异，直到达到期望的俯仰动作的步骤包括：

根据期望的俯仰动作和当前姿态信息，计算出需要调整的俯仰速率；

根据计算得到的俯仰速率差值，逐步调整两个螺旋桨的转速差异；

持续监测俯仰角度和飞行器状态，进行反馈控制，使飞行器逐渐趋近于期望的俯仰角度。

进一步地，在步骤S5中，根据期望的滚转动作和当前姿态信息，调整两个螺旋桨的转速，直到达到期望的滚转角度的步骤包括：

步骤S5a、根据期望的滚转角度和当前姿态信息，计算出需要调整的滚转速率；

步骤S5b、据计算得到的滚转速率差值，逐步调整两个螺旋桨的转速；

步骤S5c、持续监测滚转角度和飞行器状态，进行反馈控制，使飞行器逐渐趋近于期望的滚转角度。

进一步地，在步骤S6中，根据期望的偏航动作和当前姿态信息，调整两个螺旋桨的转速差异，直到达到期望的偏航角度的步骤包括：

步骤S6a、获取期望的偏航动作和当前姿态信息；

步骤S6b、计算当前偏航角与期望偏航角之间的差异；

步骤S6c、判断偏航角差异的正负值，确定应该增加还是减小转速差异；

步骤S6d、调整两个螺旋桨的转速差异，使其逐渐接近期望的偏航角度；

步骤S6e、持续监测姿态信息和飞行器状态，检查偏航角是否与期望一致；

步骤S6f、如果偏航角未达到期望值，重复步骤S6b至S6e，直到达到期望的偏航角度。

进一步地，在步骤S7中，根据上升或下降的指令，调整两个螺旋桨的转速，直到达到期望的高度的步骤包括：

步骤S7a、获取上升或下降的指令，并确定期望的高度变化量；

步骤S7b、根据当前高度和期望高度变化量计算出高度差异；

步骤S7c、判断高度差异的正负值，确定应该增加还是减小螺旋桨的转速；

步骤S7d、调整两个螺旋桨的转速；

步骤S7e、持续监测飞行器的高度信息，检查是否达到期望高度；

步骤S7f、如果高度未达到期望值，则重复步骤S7b至S7e，直到达到期望的高度。

为实现上述目的，本发明第二方面提供了一种纵列双旋翼飞行器的飞行控制方法，所述方法包括：

步骤S1：启动飞行控制器和相关系统，并对传感器进行校准和初始化；

步骤S2：确定前往的目标点，将前往的目标点划分为多个子目标；

步骤S3：设置初始子目标为目标点的第一个子目标；

步骤S4：重复以下步骤直到到达目标点：

a.获取飞行器当前的姿态信息，包括俯仰角、滚转角和偏航角；

b.根据子目标的位置与当前位置计算出期望的俯仰角度和滚转角度；

c.根据期望的俯仰角度和当前姿态信息，调整两个螺旋桨的转速差异，使飞行器达到期望的俯仰角度；

d.根据期望的滚转角度和当前姿态信息，调整两个螺旋桨的转速，使飞行器达到期望的滚转角度；

e.检测是否接近当前子目标，如果是，则切换到下一个子目标；

步骤S5：当到达目标点时，执行相应的任务或操作。

为实现上述目的，本发明第三方面提供了一种纵列双旋翼飞行器，所述飞行器包括飞行控制器、螺旋桨、动力驱动装置、舵机和机架；两个所述螺旋桨与两个动力驱动装置组成飞行器的动力系统配置在所述机架的两侧，所述螺旋桨与动力驱动装置的转动轴相连接，并且由所述动力驱动装置的驱动器带动旋转，所述飞行控制器与动力驱动装置和舵机无线连接。

进一步地，所述飞行器还包括支撑脚架，所述支撑脚架配置在机架的底部。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供的一种纵列双旋翼飞行器的飞行控制方法，通过传感器校准和初始化的步骤确保了飞行器的准确感知能力；根据飞行任务或操纵杆输入确定期望动作和指令，使得飞行器能够执行精确的俯仰、滚转、偏航和上升/下降动作；采用不同螺旋桨转速调整的方式，实现对姿态角度和高度的精确控制；在任务完成或需要降落时，通过逐渐减小转速使飞行器平稳降落。这种方法综合利用了姿态信息和转速差异控制，提供了更可靠、灵活和精确的飞行控制，增强了飞行器的操纵性和安全性。

附图说明

图1为本申请披露的一种纵列双旋翼飞行器的飞行控制方法的流程图。

图2为本申请披露的一种俯仰动作调整方法的流程图。

图3为本申请披露的一种滚转动作调整方法的流程图。

图4为本申请披露的一种偏航动作调整方法的流程图。

图5为本申请披露的一种高度调整控制方法的流程图。

图6为本申请披露的一种纵列双旋翼飞行器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1，本发明第一方面提供了一种纵列双旋翼飞行器的飞行控制方法，所述方法包括：

步骤S1：启动飞行控制器和相关系统，进行传感器的校准和初始化。

步骤S2：通过传感器获取飞行器当前的姿态信息，包括俯仰角、滚转角和偏航角。传感器可以是陀螺仪、加速度计等，用于测量飞行器的姿态。

步骤S3：根据飞行任务或操纵杆的输入，确定期望的俯仰、滚转和偏航动作，以及上升或下降的指令。根据飞行任务或操作者的指令，确定所需的飞行动作和高度变化。

步骤S4：根据期望的俯仰动作和当前姿态信息，调整两个螺旋桨的转速差异，直到达到期望的俯仰角度。通过改变两个螺旋桨的转速差异，可以控制飞行器的俯仰运动。

步骤S5：根据期望的滚转动作和当前姿态信息，调整两个螺旋桨的转速，直到达到期望的滚转角度。通过改变两个螺旋桨的转速来控制飞行器的滚转运动。

步骤S6：根据期望的偏航动作和当前姿态信息，调整两个螺旋桨的转速差异，直到达到期望的偏航角度。通过改变两个螺旋桨的转速差异来控制飞行器的偏航运动。

步骤S7：根据上升或下降的指令，调整两个螺旋桨的转速，直到达到期望的高度。根据指令来调整螺旋桨的转速，以使飞行器上升或下降到期望的高度。

步骤S8：当任务完成或需要降落时，逐渐减小转速使飞行器缓慢降落。在任务完成或需要降落时，逐渐减小螺旋桨的转速，以实现平稳降落。

在飞行模式中，该方法通过调整旋翼的转速和转速差异来控制不同的飞行动作。

具体而言，当需要俯仰动作时，通过使两个螺旋桨的转速产生差异，从而产生不同的升力，进而控制飞行器的俯仰动作。当两个螺旋桨的偏转方向相同时，主要控制飞行器的滚转动作；而当两个螺旋桨的偏转方向相反时，控制飞行器的偏航动作。同时，两个螺旋桨的转速也会影响飞行器的上升和下降运动。

该方法通过控制螺旋桨的转速和转速差异，结合传感器获取的姿态信息，实现了对纵列双旋翼飞行器的飞行控制。这样可以使飞行器执行预定的俯仰、滚转、偏航动作，并实现上升、下降和降落等指令。

在这种纵列双旋翼飞行器的飞行控制方法中，不同飞行动作的调整过程具体如下：

如图2所示，步骤S4中的俯仰动作调整包括以下步骤：

S4a.根据期望的俯仰动作和当前姿态信息，计算需要调整的俯仰速率。

S4b.通过逐步调整两个螺旋桨的转速差异来实现俯仰动作的调整。根据计算得到的俯仰速率差值，逐步改变两个螺旋桨的转速差异，以达到期望的俯仰角度。

S4c.持续监测飞行器的俯仰角度和状态，进行反馈控制。通过持续监测飞行器的俯仰角度和状态，对俯仰动作进行反馈控制，使飞行器逐渐趋近于期望的俯仰角度。

可以理解的是，假设飞行器当前的俯仰角度为0度，而期望的俯仰角度是+10度。根据步骤S4中的俯仰动作调整方法，计算得出，达到期望俯仰角度所需的俯仰速率为+2度/秒；初始时，两个螺旋桨的转速相等。根据计算得到的俯仰速率差值+2度/秒，逐步增加一个螺旋桨的转速，使其比另一个螺旋桨快一些。这样就产生了升力不平衡，导致飞行器开始向上倾斜，即俯仰动作发生；在俯仰动作进行过程中，飞行器的姿态信息会被不断监测。如果飞行器的俯仰角度超过期望角度，反馈控制会减小一个螺旋桨的转速差异，使其与另一个螺旋桨接近，并逐渐减小俯仰角度。反之，如果俯仰角度还未达到期望值，则继续增加一个螺旋桨的转速差异，以进一步俯仰飞行器，逐渐趋近于期望的俯仰角度。

如图3所示，对于滚转动作调整，步骤S5的具体步骤包括：

S5a.根据期望的滚转角度和当前姿态信息，计算需要调整的滚转速率。

S5b.根据计算得到的滚转速率差值，逐步调整两个螺旋桨的转速。

S5c.持续监测飞行器的滚转角度和状态，进行反馈控制，使飞行器逐渐趋近于期望的滚转角度。

可以理解的是，假设飞行器当前的滚转角度为0度，而期望的滚转角度是+20度。根据步骤S5中的滚转动作调整方法，计算得出，达到期望滚转角度所需的滚转速率为+5度/秒，初始时，两个螺旋桨的转速相等。根据计算得到的滚转速率差值+5度/秒，逐步增加一个螺旋桨的转速，使其比另一个螺旋桨快一些。这样就产生了侧向升力不平衡，导致飞行器开始发生滚转动作；在滚转动作进行过程中，飞行器的姿态信息会被不断监测。如果飞行器的滚转角度超过期望角度，反馈控制会减小一个螺旋桨的转速差异，使其与另一个螺旋桨接近，并逐渐减小滚转角度。反之，如果滚转角度还未达到期望值，则继续增加一个螺旋桨的转速差异，以进一步滚转飞行器，逐渐趋近于期望的滚转角度。

如图4所示，在步骤S6中的偏航动作调整中，具体步骤如下：

S6a.获取期望的偏航动作和当前姿态信息。

S6b.计算当前偏航角与期望偏航角之间的差异。

S6c.判断偏航角差异的正负值，确定应增加还是减小转速差异。

S6d.调整两个螺旋桨的转速差异，使其逐渐接近期望的偏航角度。

S6e.持续监测姿态信息和飞行器状态，检查偏航角是否与期望一致。

S6f.如果偏航角未达到期望值，则重复步骤S6b至S6e，直到达到期望的偏航角度。

可以理解的是，假设飞行器当前的偏航角为0度，而期望的偏航角度是+30度。根据步骤S6中的偏航动作调整方法，假设当前偏航角为-10度，与期望偏航角+30度之间的差异为40度假设当前偏航角为-10度，与期望偏航角+30度之间的差异为40度；由于差异为正值，需要增加转速差异；增加一个螺旋桨的转速，使其比另一个螺旋桨快一些。这样就产生了水平方向上的推力不平衡，导致飞行器开始发生偏航动作；在偏航动作进行过程中，飞行器的姿态信息会被不断监测。如果偏航角超过期望角度，进行反馈控制，减小转速差异，使两个螺旋桨的转速接近，并逐渐减小偏航角度。反之，如果偏航角度还未达到期望值，则继续增加一个螺旋桨的转速差异，以进一步偏航飞行器，逐渐趋近于期望的偏航角度。

如图5所示，在步骤S7中的高度调整中，具体步骤如下：

S7a.获取上升或下降指令，并确定期望的高度变化量。

S7b.根据当前高度和期望高度变化量计算高度差异。

S7c.判断高度差异的正负值，确定应增加还是减小螺旋桨的转速。

S7d.调整两个螺旋桨的转速。

S7e.持续监测飞行器的高度信息，检查是否达到期望高度。

S7f.如果高度未达到期望值，则重复步骤S7b至S7e，直到达到期望的高度。

可以理解的是，假设飞行器当前的高度为100米，而期望的高度是150米。根据步骤S7中的高度调整方法，假设接收到上升指令，并期望高度增加50米；当前高度为100米，与期望高度150米之间的差异为50米，由于高度差异为正值，需要增加螺旋桨的转速，增加两个螺旋桨的转速，以增加向上的推力，使飞行器开始上升，在高度调整过程中，飞行器的高度信息会被不断监测。如果飞行器的高度超过期望高度，进行反馈控制，减小螺旋桨的转速，逐渐减小上升速率，使飞行器趋近于期望的高度。反之，如果高度还未达到期望值，则继续增加螺旋桨的转速，以进一步上升飞行器，逐渐接近期望的高度。

本发明第二方面提供了一种纵列双旋翼飞行器的飞行控制方法，所述方法包括：

步骤S1：启动飞行控制器和相关系统，并对传感器进行校准和初始化；

步骤S2：确定前往的目标点，将前往的目标点划分为多个子目标；

步骤S3：设置初始子目标为目标点的第一个子目标；

步骤S4：重复以下步骤直到到达目标点：

a.获取飞行器当前的姿态信息，包括俯仰角、滚转角和偏航角；

b.根据子目标的位置与当前位置计算出期望的俯仰角度和滚转角度；

c.根据期望的俯仰角度和当前姿态信息，调整两个螺旋桨的转速差异，使飞行器达到期望的俯仰角度；

d.根据期望的滚转角度和当前姿态信息，调整两个螺旋桨的转速，使飞行器达到期望的滚转角度；

e.检测是否接近当前子目标，如果是，则切换到下一个子目标；

步骤S5：当到达目标点时，执行相应的任务或操作。

在步骤S4中，可以采用P ID控制器来计算期望的俯仰角度和滚转角度。

上述实施例，通过将目标点划分为多个子目标，一方面，飞行器可以逐步接近目标点，而不是直接飞向目标点，这样做可以提高导航的准确性和稳定性，降低误差累积的风险。另一方面，将目标点划分为多个子目标可以在每个子目标处进行姿态调整，从而弥补传感器误差的影响，使飞行器能够更准确地到达目标点。

如图6，本发明第三方面提供了一种纵列双旋翼飞行器，所述飞行器包括飞行控制器、螺旋桨11、动力驱动装置、舵机和机架10；两个所述螺旋桨11与两个动力驱动装置组成飞行器的动力系统配置在所述机架10的两侧，所述螺旋桨11与动力驱动装置的转动轴相连接，并且由所述动力驱动装置的驱动器带动旋转，所述飞行控制器与动力驱动装置和舵机无线连接。

优选的，所述飞行器还包括支撑脚架12，所述支撑脚架12配置在机架的底部，可以减少云台等飞行载荷的视线干扰。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种纵列双旋翼飞行器的飞行控制方法，其特征在于，所述方法包括

步骤S1、启动飞行控制器和相关系统，对传感器进行校准和初始化；

步骤S2、通过传感器获取飞行器当前的姿态信息，包括俯仰角、滚转角和偏航角；

步骤S3、根据飞行任务或操纵杆的输入，确定期望的俯仰、滚转和偏航动作，以及上升或下降的指令；

步骤S4、根据期望的俯仰动作和当前姿态信息，调整两个螺旋桨的转速差异，直到达到期望的俯仰角度；

步骤S5、根据期望的滚转动作和当前姿态信息，调整两个螺旋桨的转速，直到达到期望的滚转角度；

步骤S6、根据期望的偏航动作和当前姿态信息，调整两个螺旋桨的转速差异，直到达到期望的偏航角度；

步骤S7、根据上升或下降的指令，调整两个螺旋桨的转速，直到达到期望的高度；

步骤S8、当任务完成或需要降落时，逐渐减小转速使飞行器缓慢降落。

2.如权利要求1所述的一种纵列双旋翼飞行器的飞行控制方法，其特征在于，在步骤S4中，根据期望的俯仰动作和当前姿态信息，调整两个螺旋桨的转速差异，直到达到期望的俯仰动作的步骤包括：

根据期望的俯仰动作和当前姿态信息，计算出需要调整的俯仰速率；

根据计算得到的俯仰速率差值，逐步调整两个螺旋桨的转速差异；

持续监测俯仰角度和飞行器状态，进行反馈控制，使飞行器逐渐趋近于期望的俯仰角度。

3.如权利要求1所述的一种纵列双旋翼飞行器的飞行控制方法，其特征在于，在步骤S5中，根据期望的滚转动作和当前姿态信息，调整两个螺旋桨的转速，直到达到期望的滚转角度的步骤包括：

步骤S5a、根据期望的滚转角度和当前姿态信息，计算出需要调整的滚转速率；

步骤S5b、据计算得到的滚转速率差值，逐步调整两个螺旋桨的转速；

步骤S5c、持续监测滚转角度和飞行器状态，进行反馈控制，使飞行器逐渐趋近于期望的滚转角度。

4.如权利要求1所述的一种纵列双旋翼飞行器的飞行控制方法，其特征在于，在步骤S6中，根据期望的偏航动作和当前姿态信息，调整两个螺旋桨的转速差异，直到达到期望的偏航角度的步骤包括：

步骤S6a、获取期望的偏航动作和当前姿态信息；

步骤S6b、计算当前偏航角与期望偏航角之间的差异；

步骤S6c、判断偏航角差异的正负值，确定应该增加还是减小转速差异；

步骤S6d、调整两个螺旋桨的转速差异，使其逐渐接近期望的偏航角度；

步骤S6e、持续监测姿态信息和飞行器状态，检查偏航角是否与期望一致；

步骤S6f、如果偏航角未达到期望值，重复步骤S6b至S6e，直到达到期望的偏航角度。

5.如权利要求1所述的一种纵列双旋翼飞行器的飞行控制方法，其特征在于，在步骤S7中，根据上升或下降的指令，调整两个螺旋桨的转速，直到达到期望的高度的步骤包括：

步骤S7a、获取上升或下降的指令，并确定期望的高度变化量；

步骤S7b、根据当前高度和期望高度变化量计算出高度差异；

步骤S7c、判断高度差异的正负值，确定应该增加还是减小螺旋桨的转速；

步骤S7d、调整两个螺旋桨的转速；

步骤S7e、持续监测飞行器的高度信息，检查是否达到期望高度；

步骤S7f、如果高度未达到期望值，则重复步骤S7b至S7e，直到达到期望的高度。

6.一种纵列双旋翼飞行器的飞行控制方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1：启动飞行控制器和相关系统，并对传感器进行校准和初始化；

步骤S2：确定前往的目标点，将前往的目标点划分为多个子目标；

步骤S3：设置初始子目标为目标点的第一个子目标；

步骤S4：重复以下步骤直到到达目标点：

a.获取飞行器当前的姿态信息，包括俯仰角、滚转角和偏航角；

b.根据子目标的位置与当前位置计算出期望的俯仰角度和滚转角度；

c.根据期望的俯仰角度和当前姿态信息，调整两个螺旋桨的转速差异，使飞行器达到期望的俯仰角度；

d.根据期望的滚转角度和当前姿态信息，调整两个螺旋桨的转速，使飞行器达到期望的滚转角度；

e.检测是否接近当前子目标，如果是，则切换到下一个子目标；

步骤S5：当到达目标点时，执行相应的任务或操作。

7.一种纵列双旋翼飞行器，其特征在于，所述飞行器包括飞行控制器、螺旋桨、动力驱动装置、舵机和机架；两个所述螺旋桨与两个动力驱动装置组成飞行器的动力系统配置在所述机架的两侧，所述螺旋桨与动力驱动装置的转动轴相连接，并且由所述动力驱动装置的驱动器带动旋转，所述飞行控制器与动力驱动装置和舵机无线连接。

8.如权利要求7所述的一种纵列双旋翼飞行器，其特征在于，所述飞行器还包括支撑脚架，所述支撑脚架配置在机架的底部。