CN117485556A - 全向解耦的环形矢量倾转旋翼飞行器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效率的全向解耦的环形矢量倾转旋翼飞行器及其控制方法，飞行器包括机身、机身驱动齿轮组、四个倾转机构、四个环形矢量倾转旋翼动力组和电子设备等部分。本发明所述飞行器可以实现六自由度全向位姿解耦飞行，其中的姿态角为全向任意角度，包括滚转角、俯仰角和偏航角，可实现飞行器任意姿态悬停和飞行。本发明所述飞行器从结构上解决了传统带有可变倾转旋翼机构的可控姿态角限制，提升了飞行器复杂空间活动的能力，并从根本上解决了动力抵消和动力冗余的问题，降低了能量损耗，提升了动力效率，延长了续航时间，适用于需要强抗干扰和空中物理交互能力的应用场景，在未来具有重要的意义和价值。

Description

全向解耦的环形矢量倾转旋翼飞行器及其控制方法

技术领域

本发明涉及航空技术领域，具体是一种全向解耦的环形矢量倾转旋翼飞行器及其控制方法。

背景技术

近年来，随着无人机技术的发展与成熟，无人机应用场景不断得到拓展，例如大风环境任务、狭小复杂空间任务、自动巡检任务、空中操作任务、垂直壁面任务、多方向性任务等。多样化的应用场景和工作环境对无人机性能提出了更高的要求，其中无人机除了具有稳定悬停能力之外，还要求具有更高的抗干扰能力和空中物理交互能力。目前大部分常规多旋翼无人飞行器的旋翼布置在同一水平面内，旋翼朝向相同，产生单一方向推力，虽然结构简单可靠、便于维护，但其具有强耦合的位置与姿态动力学特性，即飞行器位置改变必须通过倾斜机身提供水平分力实现，并且机身倾斜的同时又难以保证位置不变，无法实现全向飞行，大大限制了飞行器的可操控性。为解决上述问题，需要设计一种位置与姿态动力学解耦的多旋翼飞行器。现在已经存在实现六自由度独立操控的全向飞行器方案，其大致可分为固定倾转和可变倾转方案。

固定倾转方案通常在垂直平面内布置对称分布的不同朝向的旋翼，从而产生多个方向的力和力矩。其通过协同控制每个旋翼的转速，产生机身六自由度上的合力和合力矩。目前已存在一些能够实现全向飞行的固定倾转方案飞行器，如固定倾斜六旋翼飞行器、立方体全向八旋翼飞行器、棒状八旋翼飞行器等。固定倾转方案的执行器固定朝向安装的电机，为实现六自由度运动的全驱动，理论上需要至少六个不同朝向的电机。固定倾转方案控制逻辑简单，结构稳定，但存在严重的动力抵消问题，飞行效率较低，续航时间较短。

可变倾转方案通过添加额外的致动器来改变旋翼朝向，使每个旋翼能在一定范围内产生矢量推力。通过协同控制旋翼的朝向和转速，产生机身六自由度上合力和合力矩。现有可变倾转方案大多在传统四旋翼或六旋翼飞行器的基础上为旋翼增加倾转舵机，如可变倾转四旋翼飞行器、平行连杆四旋翼飞行器、可变倾转六旋翼飞行器。这些可变倾转方案可实现六自由度灵活控制，但由于结构限制，可控角度小，存在动力抵消和动力冗余，机械结构复杂。比较成功的设计方案是倾转六旋翼飞行器Voliro，每个动力组都可以绕机臂轴实现360度倾转，使用了6个电机和6个舵机共12个执行器。这种飞行器在水平姿态附近飞行时，所有的动力组均能完全为飞行器提供升力，效率较高。然而，在机身姿态大角度倾斜时，如90°滚转角悬停时，只有前后两个动力组能提供垂直推力，存在动力抵消、动力冗余、能量损耗和续航时间缩短的问题。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种全向解耦的环形矢量倾转旋翼飞行器及其控制方法，提供的飞行器可以实现六自由度全向动力学解耦，适用于强风干扰飞行、狭窄空间穿行、倾斜机身射击、消防变姿喷射、多向喷涂任务、检查维护任务、垂直壁面任务、空中操纵任务、空中对接任务等应用场景，具有较强的机动性、环境交互性、复杂空间适应性和复杂应用场景适应性，在未来具有重要的意义和价值。

本发明提供了一种全向解耦的环形矢量倾转旋翼飞行器，包括机身、机身驱动齿轮组、环形矢量倾转旋翼动力组和固定于机身上的电子设备；

所述机身驱动齿轮组包括机身中心驱动齿轮、加速齿轮、舵机、舵盘，所述舵机固定在机身中心位置，通过花键驱动舵盘旋转；机身中心驱动齿轮与舵盘同轴安装并紧固连接，机身中心驱动齿轮四周分布有若干与其啮合的加速齿轮，加速齿轮数量与环形矢量倾转旋翼动力组相同并环绕机身中心驱动齿轮周向对称分布；

所述环形矢量倾转旋翼动力组有若干个，相对机身几何中心周向对称分布，每个环形矢量倾转旋翼动力组包括倾转机构、法兰环、螺丝、螺母、内环、尼龙轴承、外环，倾转机构通过碳管穿过法兰环过盈配合，法兰环与内环两端连接并紧固，内环和外环通过尼龙轴承过盈配合并与对应位置的加速齿轮啮合；内环与固连其上的倾转机构3由加速齿轮驱动相对外环旋转。

进一步改进，所述机身包括上板、下板、铝柱、起落架，所述上板与下板之间通过所述铝柱支撑并固定，所述起落架紧贴下板下表面，铝柱穿过其上孔位进行紧固；上述零件装配后，形成机身主体。所述上板与下板由碳纤维板铣削切割而成，起落架为3D打印光固化材料。

进一步改进，所述倾转机构包括倾转机构外壳、无刷电机、螺旋桨、桨夹、舵机、舵臂、动齿轮、定齿轮、轴承、底壳；所述无刷电机安装在所述倾转机构外壳的电机座上并进行紧固；所述螺旋桨同轴安装在无刷电机上，通过桨夹将螺旋桨与无刷电机紧固；碳管穿过安装在倾转机构外壳中心的两个轴承，以及位于两个轴承之间的所述定齿轮，碳管外表面与三者内表面过盈配合并粘接在一起；所述舵机安装在倾转机构外壳的舵机槽中并用进行紧固，通过花键驱动所述舵臂旋转；舵臂与动齿轮同轴安装，并紧固；所述动齿轮与定齿轮啮合，驱动整个倾转机构绕碳管倾转；底壳与倾转机构外壳对齐并固定在一起，形成完整的流线型倾转机构。所述转机构外壳、动齿轮、定齿轮和底壳为3D打印光固化材料。

进一步改进，所述电子设备被包括飞行控制器、电子调速器、动力电池、电源模块、接收机、机载GPS；所述飞行控制器用于自动控制飞行器的稳定飞行，并输出经过处理的位置和姿态信号；所述电子调速器用于给无刷电机供电和调整转速；所述动力电池用于为整架飞行器的动力系统和控制系统供电；所述电源模块用于测量电池的电压电流以及给飞行控制器供电；所述接收机用于接收遥控器的信号；所述机载GPS用于接收GPS卫星信息，并为飞行器提供定位和导航信息。

本发明还提供了一种高效率的全向解耦的环形矢量倾转旋翼飞行器的飞行控制方法。本发明所述飞行器的主要特点是可以实现六自由度全向动力学解耦，具体地，可以实现飞行器定点情况下机身倾斜改变姿态角，也可实现飞行器姿态角保持不变的同时改变飞行器在三维空间内的速度和位置。其中的姿态角为全向任意角度，包括滚转角、俯仰角和偏航角，可实现飞行器任意姿态悬停和飞行。所述飞行器使用9个执行器来实现6个自由度的独立控制，其中包括4个旋翼无刷电机、4个倾转机构倾转舵机以及驱动1个机身中心舵机。6个自由度的运动分别为前后移动、横向移动、升降运动、滚转运动、俯仰运动和偏航运动。

所述飞行器在6个自由度上的解耦控制逻辑如下。前后移动：四个旋翼绕倾转轴向前（或向后）倾转改变角度提供纵向水平分力，并适当增加旋翼转速保证升力；横向移动：内环旋转90°后，四个旋翼绕倾转轴向左（或向右）倾转改变角度提供横向水平分力，并适当增加旋翼转速保证升力；升降运动：同时改变四个旋翼转速，在竖直方向上产生加速度，从而实现升降；滚转运动：内环旋转90°后，四个旋翼保持转速不变，绕倾转轴倾转，同时保持旋翼转子朝上；俯仰运动：四个旋翼保持转速不变，绕倾转轴倾转，同时保持旋翼转子朝上；偏航运动：四个旋翼（实际上只需要一个）内环旋转至倾转轴与机臂共线（通过飞行器质心以保证接下来的矢量倾转只产生偏航力矩），旋翼绕倾转轴倾转提供水平绕质心力矩，并适当增加转速保证升力。

本发明有益效果在于：

1.飞行器的四组环形矢量倾转旋翼动力组内的倾转机构绕平行的俯仰轴倾转，避免了旋翼倾斜互相产生对抗作用力，使旋翼尽可能充分地为飞行器提供升力，从根本上解决了动力抵消和动力冗余的问题，降低了能量损耗，延长了续航时间；

2.飞行器的每个环形矢量倾转旋翼动力组使其内的旋翼能指向任意方向，从而单独提供真正意义上任意方向的力和力矩，解决了现有全向飞行器机械结构限制导致的可控姿态角受限问题，能实现任意大角度姿态悬停；

3.实现了六自由度全向位置与姿态的动力学解耦控制，使飞行器具有更强的抗干扰性和可操控性；

4.本发明所述飞行器适用于强风干扰飞行、狭窄空间穿行、倾斜机身射击、消防变姿喷射、多向喷涂任务、检查维护任务、垂直壁面任务、空中操纵任务、空中对接任务等应用场景，具有较强的机动性、环境交互性、复杂空间适应性和复杂应用场景适应性，在未来具有重要的意义和价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明环形矢量倾转旋翼飞行器的整体外形透视图；

图2是本发明环形矢量倾转旋翼飞行器的侧视图和正视图；

图3是本发明环形矢量倾转旋翼飞行器的机身驱动齿轮组的齿轮分布图；

图4是本发明环形矢量倾转旋翼飞行器的倾转机构结构图；

图5是本发明环形矢量倾转旋翼飞行器的环形矢量倾转动力组结构图；

图6是本发明环形矢量倾转旋翼飞行器的电子设备连接示意图；

图7是本发明环形矢量倾转旋翼飞行器俯仰姿态变化示意图。

实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种高效率的全向解耦的环形矢量倾转旋翼飞行器，包括机身1、机身驱动齿轮组2、四个倾转机构3、四个环形矢量倾转旋翼动力组4和电子设备5等部分，如图1和图2所示。

所述机身1包括上板101、下板102、铝柱103、螺丝104、起落架105等。所述上板101与所述下板102之间通过所述铝柱103支撑，由所述螺丝104进行固定安装。所述起落架105紧贴下板102下表面，铝柱103穿过其上孔位，由螺丝104进行紧固。上述零件装配后，形成机身主体。其中上下板由碳纤维板铣削切割而成，起落架为3D打印光固化材料。

所述机身驱动齿轮组2包括机身中心驱动齿轮201、加速齿轮202、舵机203、舵盘204、轴肩螺丝205、紧固螺母206等。所述舵机203通过螺钉固定在机身下板101中心位置，通过花键驱动舵盘204旋转。所述机身中心驱动齿轮101与舵盘204同轴安装，并使用螺丝将两者紧固在一起。所述轴肩螺丝205穿过所述加速齿轮202，通过机身上下板孔位，由所述紧固螺母206固定，同时对加速齿轮202进行限位。机身中心驱动齿轮101与4个周向对称分布的加速齿轮202啮合，驱动加速齿轮旋转。其中齿轮为3D打印光固化材料。齿轮分布情况如图3所示。

所述倾转机构3的结构设计基于申请人已公开发明《纵向动力学解耦倾转旋翼飞行器及其飞行控制方法》中的部分内容，专利号CN202210698675.2，此处不再对其工作原理进行赘述。倾转机构3包括倾转机构外壳301、无刷电机302、螺旋桨303、桨夹304、螺丝305、螺钉306、舵机307、舵臂308、动齿轮309、定齿轮310、轴承311、底壳312、碳管313。所述无刷电机302安装在所述倾转机构外壳301的电机座上，并用螺丝305进行紧固。所述螺旋桨303同轴安装在无刷电机302上，通过所述桨夹304将螺旋桨303与无刷电机302紧固在一起。所述碳管313穿过安装在倾转机构外壳301中心的两个所述轴承311，以及位于两个轴承之间的所述定齿轮310，碳管313外表面与三者内表面过盈配合并粘接在一起。所述舵机307安装在倾转机构外壳301的舵机槽中，并用螺钉306进行紧固，通过花键驱动所述舵臂308旋转。舵臂308与动齿轮309同轴安装，并使用螺丝305将两者紧固在一起。所述动齿轮309与定齿轮310啮合，驱动整个倾转机构绕碳管313倾转。底壳312与倾转机构外壳301对齐并固定在一起，这样便装配形成了完整的流线型倾转机构。其中倾转机构外壳、动齿轮、定齿轮和底壳为3D打印光固化材料，碳管为碳纤维管。倾转机构3结构如图4所示。

所述环形矢量倾转旋翼动力组4包括倾转机构3、法兰环401、螺丝402、螺母403、内环404、尼龙轴承405、外环406等。上述倾转机构3内的碳管313穿过两个所述法兰环401过盈配合，法兰环401与上述内环404两端连接，由螺丝402和螺母403进行紧固。内环404和上述外环406通过上述尼龙轴承405过盈配合，与上述机身驱动齿轮组2内的加速齿轮202啮合。内环404与固连其上的倾转机构3可由加速齿轮202驱动相对外环406旋转。环形矢量倾转旋翼动力组4相对机身几何中心周向对称分布，共有4组。环形矢量倾转旋翼动力组结构4结构如图5所示。其中法兰环、内环和外环为3D打印光固化材料，尼龙轴承为定制尼龙材料。环形矢量倾转旋翼动力组4结构如图5所示。

所述电子设备5被包括飞行控制器501、电子调速器502、动力电池503、电源模块504、接收机505、机载GPS506等。所述飞行控制器501用于自动控制飞行器的稳定飞行，并输出经过处理的位置和姿态信号。所述电子调速器502用于给无刷电机302供电和调整转速。所述动力电池503用于为整架飞行器的动力系统和控制系统供电。所述电源模块504用于测量电池的电压电流以及给飞行控制器501供电。所述接收机505用于接收遥控器的信号。所述机载GPS506用于接收GPS卫星信息，并为飞行器提供定位和导航信息。电子设备连接如图6所示。

本发明还提供了一种高效率的全向解耦的环形矢量倾转旋翼飞行器的飞行控制方法。本发明所述飞行器的主要特点是可以实现六自由度全向动力学解耦，具体地，可以实现飞行器定点情况下机身倾斜改变姿态角，也可实现飞行器姿态角保持不变的同时改变飞行器在三维空间内的速度和位置。其中的姿态角为全向任意角度，包括滚转角、俯仰角和偏航角，可实现飞行器任意姿态悬停和飞行。所述飞行器使用9个执行器来实现6个自由度的独立控制，其中包括4个旋翼无刷电机、4个倾转机构倾转舵机以及驱动1个机身中心舵机。6个自由度的运动分别为前后移动、横向移动、升降运动、滚转运动、俯仰运动和偏航运动。

所述飞行器在6个自由度上的解耦控制逻辑如下。前后移动：四个旋翼绕倾转轴向前（或向后）倾转改变角度提供纵向水平分力，并适当增加旋翼转速保证升力；横向移动：内环旋转90°后，四个旋翼绕倾转轴向左（或向右）倾转改变角度提供横向水平分力，并适当增加旋翼转速保证升力；升降运动：同时改变四个旋翼转速，在竖直方向上产生加速度，从而实现升降；滚转运动：内环旋转90°后，四个旋翼保持转速不变，绕倾转轴倾转，同时保持旋翼转子朝上；俯仰运动：四个旋翼保持转速不变，绕倾转轴倾转，同时保持旋翼转子朝上；偏航运动：四个旋翼（实际上只需要一个）内环旋转至倾转轴与机臂共线（通过飞行器质心以保证接下来的矢量倾转只产生偏航力矩），旋翼绕倾转轴倾转提供水平绕质心力矩，并适当增加转速保证升力。飞行器从俯仰角90°到-90°的俯仰运动姿态变化过程如图7所示。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，以上所述仅是本发明的优选实施方式，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对于本技术领域的普通技术人员来说，可轻易想到的变化或替换，在不脱离本发明原理的前提下，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种全向解耦的环形矢量倾转旋翼飞行器，其特征在于：包括机身、机身驱动齿轮组、环形矢量倾转旋翼动力组和固定于机身上的电子设备；

所述机身驱动齿轮组包括机身中心驱动齿轮、加速齿轮、舵机、舵盘，所述舵机固定在机身中心位置，通过花键驱动舵盘旋转；机身中心驱动齿轮与舵盘同轴安装并紧固连接，机身中心驱动齿轮四周分布有若干与其啮合的加速齿轮，加速齿轮数量与环形矢量倾转旋翼动力组相同并环绕机身中心驱动齿轮周向对称分布；

所述环形矢量倾转旋翼动力组有若干个，相对机身几何中心周向对称分布，每个环形矢量倾转旋翼动力组包括倾转机构、法兰环、螺丝、螺母、内环、尼龙轴承、外环，倾转机构通过碳管穿过法兰环过盈配合，法兰环与内环两端连接并紧固，内环和外环通过尼龙轴承过盈配合并与对应位置的加速齿轮啮合；内环与固连其上的倾转机构3由加速齿轮驱动相对外环旋转。

2.根据权利要求1所述的全向解耦的环形矢量倾转旋翼飞行器，其特征在于：所述机身包括上板、下板、铝柱、起落架，所述上板与下板之间通过所述铝柱支撑并固定，所述起落架紧贴下板下表面，铝柱穿过其上孔位进行紧固；上述零件装配后，形成机身主体。

3.根据权利要求2所述的全向解耦的环形矢量倾转旋翼飞行器，其特征在于：所述上板与下板由碳纤维板铣削切割而成，起落架为3D打印光固化材料。

4.根据权利要求1所述的全向解耦的环形矢量倾转旋翼飞行器，其特征在于：所述倾转机构包括倾转机构外壳、无刷电机、螺旋桨、桨夹、舵机、舵臂、动齿轮、定齿轮、轴承、底壳；所述无刷电机安装在所述倾转机构外壳的电机座上并进行紧固；所述螺旋桨同轴安装在无刷电机上，通过桨夹将螺旋桨与无刷电机紧固；碳管穿过安装在倾转机构外壳中心的两个轴承，以及位于两个轴承之间的所述定齿轮，碳管外表面与三者内表面过盈配合并粘接在一起；所述舵机安装在倾转机构外壳的舵机槽中并用进行紧固，通过花键驱动所述舵臂旋转；舵臂与动齿轮同轴安装，并紧固；所述动齿轮与定齿轮啮合，驱动整个倾转机构绕碳管倾转；底壳与倾转机构外壳对齐并固定在一起，形成完整的流线型倾转机构。

5.根据权利要求4所述的全向解耦的环形矢量倾转旋翼飞行器，其特征在于：所述转机构外壳、动齿轮、定齿轮和底壳为3D打印光固化材料。

6.根据权利要求4所述的全向解耦的环形矢量倾转旋翼飞行器，其特征在于：所述电子设备被包括飞行控制器、电子调速器、动力电池、电源模块、接收机、机载GPS；所述飞行控制器用于自动控制飞行器的稳定飞行，并输出经过处理的位置和姿态信号；所述电子调速器用于给无刷电机供电和调整转速；所述动力电池用于为整架飞行器的动力系统和控制系统供电；所述电源模块用于测量电池的电压电流以及给飞行控制器供电；所述接收机用于接收遥控器的信号；所述机载GPS用于接收GPS卫星信息，并为飞行器提供定位和导航信息。

7.一种全向解耦的环形矢量倾转旋翼飞行器的控制方法，其特征在于：包括六个自由度的运动，分别为前后移动、横向移动、升降运动、滚转运动、俯仰运动和偏航运动，具体为：

前后移动：四个旋翼绕倾转轴向前或向后倾转改变角度提供纵向水平分力，并适当增加旋翼转速保证升力；

横向移动：内环旋转90°后，四个旋翼绕倾转轴向左或向右倾转改变角度提供横向水平分力，并增加旋翼转速保证升力；

升降运动：同时改变四个旋翼转速，在竖直方向上产生加速度，从而实现升降；

滚转运动：内环旋转90°后，四个旋翼保持转速不变，绕倾转轴倾转，同时保持旋翼转子朝上；

俯仰运动：四个旋翼保持转速不变，绕倾转轴倾转，同时保持旋翼转子朝上；

偏航运动：四个旋翼内环旋转至倾转轴与机臂共线，通过飞行器质心以保证接下来的矢量倾转只产生偏航力矩，旋翼绕倾转轴倾转提供水平绕质心力矩，并增加转速保证升力。