协同控制，即可实现沿该最优曲线调节旋翼升力，从而实现飞行器姿态控制。
[0028]基于转速和螺距协同控制的电动变桨距多旋翼，其控制流程如图7所示:
指令接收步骤:飞行控制器接收到外部的控制指令；
解析步骤:对外部控制指令进行解析，将具体的外部控制指令转化为飞行控制器的控制输入。每一个时钟信号控制周期，检测是否有控制指令输入；
状态获取步骤:飞行控制器在每个控制周期获取包括电机和舵机在内的执行单元的实时状态以及飞行器姿态的反馈量，以此确定当前飞行器的姿态及旋翼转速和螺距。
[0029]控制输入生成步骤:将反馈量和解析后的升力控制指令转化为飞行控制器的控制输入。
[0030]模式判断步骤:判断当前飞行模式是高机动模式还是高能效模式，根据飞行模式选择相应的升力控制策略；
最优调节曲线确定步骤:在高机动模式下，通过利用转速-螺距升力曲线构建的升力模型数据库确定当前升力点和目标升力值所在等升力线，根据电机和舵机的调速能力，找到最优升力调节曲线。一般来说，该路径为一条垂直于等升力线的曲线。但如果舵机或电机的调速能力有限不能沿最快路径进行升力控制时，则使舵机和电机同时执行最快调速，达到目标升力值。在高能效模式下，旋翼螺距被限定在功耗最低区的有限区间内，将能效最高区域与最优升力调节曲线结合，得到最优能效调节曲线。其主要依赖转速变化来实现升力控制。
[0031]控制步骤:根据上述调节曲线路径所对应的转速和螺距对螺旋桨转速及舵机螺距进行调整。
[0032]循环步骤:返回状态获取步骤，继续获取实时状态及姿态的反馈量。
[0033]实施例2
如图4所示为本发明电动变桨距多旋翼飞行器的总体系统结构示意图，主要由主机架1、支架2、电机安装座3、飞行控制系统与变桨距系统4组成。与普通定桨距四旋翼不同的设计主要在于变桨距系统，其中变桨距系统(参见图5-6)包括:舵机7，摇臂9，连杆10和旋翼夹座8。舵机的引入被用来控制旋翼的螺距变化，实际应用表明，舵机对旋翼螺距的调节远远快于旋翼转速的调节，因此变桨距系统实现了飞行控制的快速响应。
[0034]机架由主机架1及向外延伸出的四个支架构成，上述支架均匀间隔组成十字型，同时各支架末端均设有旋翼总成(5,6,7,8,9,10,11,12)。支架2末端为电机与舵机安装座3和
5。电机6转轴垂直于水平面朝上，安装在支架的最外端，构成飞行器的动力系统。电机座下方安装孔为舵机7的安装孔，舵机与变桨距驱动机构(包括摇臂和连杆)相连，通过舵机的转动带动摇臂9驱动连杆10，连杆与旋翼夹座8的推动盘12连接，旋翼夹座安装在固定于电机轴的桨座11上，连杆上下进动带动变距机构旋转来改变旋翼的螺距，实现对旋翼产生升力和扭矩大小的控制。
[0035]本系统中总共有四组旋翼，其中相对的旋翼转向相同，而相邻的旋翼转向相反，其目的是为了相互作用消除其自身旋转产生的反扭矩力，避免飞行器自旋无法定向飞行。
[0036]如图5所示为本发明电动变桨距多旋翼飞行器的变距系统与动力系统结构示意图，图6为多旋翼飞行器的变距系统与动力系统结构分解示意图。其中，电机6用于旋转驱动旋翼总成，这里，固定于电机上的桨座11实质上是旋翼的转动输入轴。在电机驱动旋翼总成旋转的同时，舵机7可以通过驱动摇臂9旋转带动连杆10与推动盘12进行垂直方向上的上下位移。旋翼夹座8与桨座固定，并布置在旋翼顶端，旋翼夹座向外延伸两个凸耳，而布置在其下部的推动盘也外伸两个凸耳，四个凸耳通过连杆进行铰接。舵机通过控制推动盘的上下位移，从而间接实现对旋翼桨距大小的控制，最终达到了对旋翼升力大小及扭矩大小进行控制的目的。
[0037]以上实施例的说明只是用于帮助理解本方案的方法及其核心思想。应当指出，在不脱离本方案原理的前提下，还可以对本方案进行若干改进，这些改进也同样落入本方案权利要求的保护范围内。
【主权项】
1.一种基于旋翼转速和变距协同控制的多旋翼飞行器，其包括主机架(1)、支架(2)、电机安装座(3)、飞行控制系统和变桨距系统(4)，其中飞行控制系统根据飞行模式确定升力控制策略，同时改变螺距和转速来调整旋翼升力。2.根据权利要求1所述的多旋翼飞行器，其特征在于:飞行控制系统首先判断当前飞行模式是高机动模式还是高能效模式，然后选择相应的升力控制策略。3.根据权利要求2所述的多旋翼飞行器，其特征在于:在高机动模式下，利用转速-螺距升力曲线图，根据当前升力点和目标升力值所在的等升力线确定最优升力调节曲线，然后基于最优升力调节曲线所对应的转速和螺距数值，对螺旋桨转速及舵机螺距进行调整。4.根据权利要求3所述的多旋翼飞行器，其特征在于:当舵机或电机的调速能力有限不能沿最优升力调节曲线进行升力控制时，则使舵机和电机同时执行最快调速，达到目标升力值。5.根据权利要求4所述的多旋翼飞行器，其特征在于:在高能效模式下，利用功率-螺距升力曲线图，确定能效最高区域和最优升力调节曲线，并进而确定最优能效调节曲线;然后根据最优能效调节曲线所对应的转速和螺距数值，对螺旋桨转速及舵机螺距进行调整。6.根据权利要求5所述的多旋翼飞行器，其特征在于:飞行控制器接收到外部的控制指令后;对外部控制指令进行解析，并将外部控制指令转化为飞行控制器的控制输入。7.根据权利要求5所述的多旋翼飞行器，其特征在于:飞行控制器在每个控制周期获取包括电机和舵机在内的执行单元的实时状态以及飞行器姿态的反馈量，以此确定当前飞行器的姿态、旋翼转速和螺距。8.根据权利要求1所述的多旋翼飞行器，其特征在于:变桨距系统(4)包括:舵机(7)，摇臂(9)，连杆(10)和旋翼夹座(8)，机架由主机架(1)及向外延伸出的四个支架(2)构成，上述支架(2)均匀间隔组成十字型，同时各支架末端均设有旋翼总成。9.根据权利要求8所述的多旋翼飞行器，其特征在于:支架(2)末端为电机与舵机安装座，电机转轴垂直于水平面朝上，安装在支架(2)的最外端，构成飞行器的动力系统。10.根据权利要求9所述的多旋翼飞行器，其特征在于:舵机(7)与变桨距驱动机构相连，通过舵机(7)的转动带动摇臂(9)驱动连杆(10)，连杆(10)与旋翼夹座(8)的推动盘(12)连接，连杆(10)上下进动带动变距机构旋转来改变旋翼的螺距，实现对旋翼产生升力和扭矩大小的控制。
【专利摘要】一种基于旋翼转速和变距协同控制的多旋翼飞行器，其包括主机架、支架、电机安装座、飞行控制系统和变桨距系统，其中飞行控制系统根据飞行模式确定升力控制策略，同时改变螺距和转速来调整旋翼升力，由于结合了转速控制和变距控制的优点，提高了飞行控制时升力改变的响应速度以及旋翼的能量效率，实现了时间和能效最优的升力调节，提高了控制响应速度与精度，降低了控制功耗，使飞行器控制性能达到最优。
【IPC分类】B64C27/68, B64C27/12, B64C27/57
【公开号】CN105438462
【申请号】CN201510834912
【发明人】赵恒 , 徐志雄, 刘宝旭
【申请人】北京浩恒征途航空科技有限公司
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年11月26日