一种平稳升降的无人机装置及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无人机领域，特别涉及一种平稳升降的无人机装置及控制方法。
【背景技术】
[0002]无人机又称为无人驾驶飞机、远程遥控或自巡航飞机，是一种成本低、损耗小、机动性高的可携带负载飞行器，已被广泛应用于军事、科研、民用等多种领域。在军事领域，无人机可应用于敌情侦查、通讯中继、早期预警、靶机训练等，甚至可直接组成无人机编队进行对敌作战;在科研领域，可用于飞行试验的验证、新设备及新方案的可行性模拟评估、航拍图像的获取、恶劣环境下的取样及条件监测等；在民用领域，无人机可用于农业墒情监测、农业施肥、灾情分析、工程监理、电网线路巡视等。在一些实际应用中，无人机技术已经取得了相当好的成果，人们已逐渐认识到它的巨大潜力与作用。
[0003]四旋翼无人机作为无人机的一种，通过安装在十字形机架结构四个顶端的主螺旋桨，产生气动力，控制四翼无人机的飞行动作，能实现垂直起降、自由悬停、前进、倒退、超低空飞行等多种空中姿态。如图1所示，四个主螺旋桨处在同一高度平面，第一螺旋桨I和第三主螺旋桨3逆时针旋转，第二主螺旋桨2和第四主螺旋桨4顺时针旋转，无人机上设置有主控单元，主控单元通过控制主螺旋桨的转速，即可实现对四翼无人机飞行姿态的控制。四旋翼无人机以其新颖的外形及紧凑的结构，被认为是一种最简单、最直观的稳定控制形式。
[0004]这种无人机技术虽具有研发成本低、可实施性强、使用范围广、操作要求低等优点，但在实际应用中，无人机却普遍存在受升降环境影响的缺点，在升降时，由于主螺旋桨只提供向上的拉力，用以克服无人机自身的重力，牵引机体向上运动，在水平方向上的抗干扰能力较弱，无人机在水平面(机体的前、后、左、右)方向由于受到风力的影响，难以实现无人机垂直方向的平稳升降。尤其在恶劣环境下进行起飞和降落时，无人机的抗干扰能力更差，无人机往往受到来自水平面方向上的干扰而发生偏移甚至撞毁的现象。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术中所存在的四旋翼飞行器在起飞和降落时，主螺旋桨只提供向上的拉力，在升降时抗干扰能力较弱，无人机受到来自水平面方向上风力等因素的干扰而发生偏移的问题，提供一种平稳升降的无人机装置及控制方法，该无人机装置在水平方向上的抗干扰能力较强，在垂直方向上实现平稳升降，而且减少了无人机的升降时间，增加了无人机在恶劣环境下升降时抗干扰的能力，有效避免了无人机受到干扰而发生偏移甚至撞毁的现象。
[0006]为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案:
一种平稳升降的无人机装置，包括多个辅助螺旋桨，所述辅助螺旋桨以十字形机架为中心，对称布置于无人机机体周围，辅助螺旋桨的旋转平面垂直于水平面，且辅助螺旋桨的旋转平面方向可调。
[0007]无人机装置上设置有控制各个系统单元工作的主控单元，通过主控单元控制主螺旋桨和辅助螺旋桨转动，同时对螺旋桨的转速进行调节，主螺旋桨提供向上的拉力，用以克服无人机自身的重力，牵引无人机机体向上运动，辅助螺旋桨用以克服水平方向上外界环境的干扰，增强无人机在水平方向上的抗干扰能力，通过主控单元对辅助螺旋桨的转速控制，使无人机机身在水平面各方向的速度及加速度为零，确保无人机在垂直方向上完成升降动作，同时，辅助螺旋桨的旋转平面的方向可调，使无人机装置根据实际情况，可改变辅助螺旋桨的旋转平面方向，使其提供的动力方向可调，不仅可以在水平面上提供动力，而且可以同时为无人机提供垂直方向上的作用力，减短无人机的升降时间，使无人机在较短时间内完成升降，减小了无人机受到外界干扰的几率，增加了无人机抗干扰的能力。
[0008]优选的，所述辅助螺旋桨安装于十字形机架上，且辅助螺旋桨的旋转平面垂直于所在机架的轴线。
[0009]辅助螺旋桨安装于十字形机架上，与主螺旋桨共用同一个十字形机架，采取这种方式可以简化无人机装置的结构，不需要增加额外的机架用于安装辅助螺旋桨，辅助螺旋桨旋转形成的旋转平面垂直于水平面，且同时垂直于所在十字形机架的轴线，实现辅助螺旋桨的效率最大化，使辅助螺旋桨只提供水平方向上的作用力，在水平方向上的作用力达到最大，从而有效调节无人机在水平方向上受到的外力，保证无人机在水平方向上的速度和加速度为零，便于无人机在垂直方向上平稳完成升降动作。
[0010]优选的，所述辅助螺旋桨为4个，对称布置于十字形机架的端部。在每个安装主螺旋桨的机架外端部安装辅助螺旋桨，保证在不增加安装支架的基础上，使每个辅助螺旋桨的旋转平面垂直于所在机架的轴线，保证辅助螺旋桨的旋转平面垂直于机架轴线，使无人机的辅助螺旋桨在调节水平方向上受到的外界干扰时，可以提高调节速度和功率，在恶劣环境下，同一机架轴线上的两个辅助螺旋桨可提供相同方向上的速度和加速度，用以克服无人机在某一方向上受到的较大外力。
[0011 ]优选的，所述辅助螺旋桨还配置有可调底座，用于调整和改变辅助螺旋桨的旋转平面方向，所述可调底座安装于无人机装置的机架上。
[0012]在辅助螺旋桨上配置可调底座，用于调整和改变辅助螺旋桨的旋转平面方向，使辅助螺旋桨的作用力方向可以发生改变，无人机在平稳环境状态下进行升降时，通过主控单元对可调底座的控制，改变辅助螺旋桨的旋转平面方向，使辅助螺旋桨的旋转平面平行与主螺旋桨的旋转平面，辅助螺旋桨和主螺旋桨同时为无人机的升降提供向上或向下的拉力，从而减少无人机在平稳环境下的升降时间，达到提高无人机在起飞和降落时的工作效率。在恶劣环境起飞降落的过程中，主螺旋桨用于产生向上或向下的拉力，通过调整可调底座，使辅助螺旋桨的旋转平面垂直于水平面，从而为无人机提供水平方向上的作用力，保证无人机在水平方向上的速度和加速度为零，使无人机在垂直方向上完成平稳起飞和降落。
[0013]优选的，所述可调底座使用方向可调整装置，所述方向可调整装置是指方向随调节电压进行控制的动力装置。无人机在起飞和降落过程中，安装在无人机上的检测装置首先测得在各个方向上的作用力大小，然后通过转化系统将机械作用力转化为电压信号，方向可调整装置即根据调节电压来输出作用力，得到控制方向的目的，从而使可调底座的方向得到有效调整。
[0014]优选的，所述方向可调整装置为舵机。使用舵机作为可调底座，舵机控制电路板接收来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘，舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止，以便实现辅助螺旋桨作用力方向的有效控制。
[0015]优选的，所述无人机装置还设置有用于测量速度和加速度的感知器件。使用陀螺仪、惯性测量单元等作为对无人机速度和加速度进行感知的传感器器件及单元，对无人机三维空降各方向(前、后、左、右、上、下)的速度和加速度进行测量，作为无人机飞行状态的反馈量，然后在主控单元引入智能算法，根据速度和加速度感知单元的反馈量进行计算，进而转化为系统调整单元的调节量，通过无人机上的主控单元对辅助螺桨的转速进行调节，用以抵消无人机在水平方向上所受的环境干扰，确保无人机的垂直升降。
[0016]优选的，所述无人机装置还配置有脉冲宽度调制器。使用脉冲宽度调制器对无人机各方向的辅助螺旋桨的转速进行精确调整，从而使机身水平面各方向的速度及加速度为零，确保无人机在垂直方向上完成升降动作。
[0017]优选的，所述无人机装置还设有用于远程监测和控制无人机运行的地面控制装置，所述地面控制装置包括显示屏、存储器以及操作界面。通过地面控制装置的操作界面向主控单元发送控制执行信号，同时接收由主控单元回传回来的各个系统单元的工作状态信息，并通过显示屏显示查看，这些回传回来的信息存储于存储器中。
[0018]相应地，本发明还提供了一种平稳升降的无人机装置的控制方法，该方法包括以下步骤:
a、通过主控单元启动无人机主螺旋桨；
b、主螺旋桨的旋转平面平行于水平面，为无人机提供向上的拉力，无人机上升进入起飞阶段，再通过主控单元启动辅助螺旋桨，为无人机提供水平方向上的作用力；
c、无人机上自带有环境监测系统，通过环境监测系统对外部环境进行监测，主控单元根据外部环境情况及时调整辅助螺旋桨的旋转平面方向，在平稳环境下，主控单元将辅助螺旋桨的旋转平面方向调整为平行于水平面，为无人机提供垂直方向上的作用力，减短无人机的升降时间，在恶劣环境下，主控单元将辅助螺旋桨的旋转平面方向调整为垂直于水平面，为无人机提供水平方