一种基于拉力测量的多旋翼无人机及其飞行控制方法与流程

本发明涉及无人机飞行技术领域，尤其涉及一种基于拉力测量的多旋翼无人机及其飞行控制方法。

背景技术：

多旋翼无人机的控制方法一般都是根据位置、姿态需求按照一定的控制算法分解得到总的拉力及体坐标系下的三个扭矩指令，然后根据多旋翼特定的构型分布对应的分配矩阵分解得到每个电机的转速平方指令，进而得到每个电机的转速指令。最后通过电机调速器控制电机的转速。

然而由于电机、螺旋桨、或者其它原因往往会导致电机的实际转速与期望转速不一致，使得螺旋桨实际提供的升力往往达不到最初的总拉力的要求以及三个扭矩的要求，因此出现了转速反馈的控制方案。如专利申请号为201420687441.9的专利“无人机飞行控制系统”采用了测速传感器检测驱动电机的转速并反馈给飞行控制装置。另外安尔康姆的md4-1000型无人机的电调，电调输出的导线有6根，其中四根为信号线，采用串口或者其他方式与飞行控制系统进行双向通信，飞行控制系统可以给电调发送指令，电调也可以将动力系统的信息(比如电机的转速)反馈给飞行控制系统，这样飞行控制系统对动力系统的控制就是闭环控制。相比现在无人机普遍使用的开环方案(飞行控制系统只管控制电调的PWM值，不管电机转速是否与期望转速一致，只是由陀螺仪来判别飞行器的姿态)，对电机转速进行闭环控制，姿态的调整可实现“一步到位”，极大地减少了电机转速变化的频率和幅度。从而减少了由于电机频繁做变速运动引起的额外能量损耗。

然而在无人机做水平运动时，由于前面的螺旋桨产生的向下的空气流动对于后面的螺旋桨会产生拉力降低的影响。典型的例子就是共轴双桨的效率并不是100％，而是90％左右。这种情况下，尽管采用了转速反馈方案，使得电机的转速真正达到了期望的转速，但是却提供不了期望的升力，其结果仍然是达不到最初的总拉力及三个扭矩的期望值。

技术实现要素：

为克服现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于拉力测量的多旋翼无人机，其原理简单、易实现和推广，可使得无人机的实际升力能够达到期望的升力，而不受电机、螺旋桨及气流场扰动等因素的影响。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于拉力测量的多旋翼无人机，其包括机体、多个机臂、电机、弹性体基座及设置在所述电机上的旋翼；

所述电机与所述旋翼一一对应；

所述弹性体基座设置在所述机臂上，所述电机设置在所述弹性体基座上，所述弹性体基座的弹性变形区间上设置有变形测量传感器，以检测所述电机的拉力。

本发明的有益效果是：通过在机臂上设置弹性体基座，并在弹性体基座上设置变形测量传感器，利用变形测量传感器可实施监测电机的拉力，便于通过电机拉力反馈的升力及期望升力调节电机的转速，从而可保证电机实际升力能够达到期望的升力，缩短姿态控制过程。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述弹性体基座为条状结构,所述电机设置在所述弹性体基座的一端，所述弹性体基座的另一端安装在所述机臂上，所述弹性变形区间位于所述弹性体基座的中间位置。

进一步，所述变形测量传感器为应变片。

进一步，所述应变片包括四个单个应变片，其中两个所述单个应变片安装在所述弹性体基座的拉伸变形产生拉应力的位置，另外两个所述单个应变片安装在所述弹性体基座的压缩变形产生压应力的位置，以构成全桥电路。

进一步，还包括控制器和电机调速器；所述控制器分别与所述电机、所述变形测量传感器及所述电机调速器连接，用于根据所述变形测量传感器检测的所述电机的拉力，控制所述电机调速器调节所述电机的转速。

采用上述技术方案的有益效果：当需要调整无人机飞行姿态时，控制器根据变形测量传感器监测到的电机拉力及时控制电机调速器调节电机的转速，使得电机的实际升力能够达到期望的升力，包括无人机姿态改变所需要的力矩能够达到期望的力矩，在规定的时间内姿态一步到位。

本发明还提供了一种基于拉力测量的多旋翼无人机的飞行控制方法，其包括：

利用变形测量传感器同步采集每个电机的拉力；

根据所述电机的总拉力及所述电机在体坐标系下的X、Y、Z三个方向上的扭矩，计算每个所述电机的期望转速和每个所述电机的期望升力；

将采集到的每个所述电机的拉力与每个所述电机的期望升力进行比较得到升力误差；

将所述电机的期望转速和转速增量叠加得到最终转速；

控制器根据所述最终转速控制电机调速器调整所述电机的转速。

进一步，所述计算每个所述电机的期望升力和每个所述电机的期望转速的步骤具体包括：

利用所述电机的总拉力、所述电机在体坐标系下的X、Y、Z三个方向上的扭矩，通过分配矩阵计算出每个所述电机的期望转速；

根据所述电机的拉力系数与所述电机的期望转速计算每个所述电机的期望升力。

本发明提供的基于拉力测量的多旋翼无人机的飞行控制方法的有益效果为：(1)实现了每个电机的实际升力对期望升力的实时跟踪，因此实际升力能够达到期望的升力，保证了姿态实现所需要的力矩能够达到期望的力矩，在规定的时间内姿态一步到位；(2)实际升力能够达到期望的升力，避免水平运动时后面的升力不足。

附图说明

图1为本发明实施例二提供的基于拉力测量的多旋翼无人机的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的弹性体基座的结构示意图；

图3、4为本发明实施例二提供的应变片安装的结构示意图；

图5为全桥检测电路图；

图6为本发明实施例三提供的基于拉力测量的多旋翼无人机的飞行控制方法的原理图；

图7为本发明实施例三提供的基于拉力测量的多旋翼无人机的飞行控制方法的流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-机体，2-机臂，3-旋翼，4-弹性体基座，5-电机，6-应变片，7-第一安装孔位，8-第二安装孔位。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例提供了一种基于拉力测量的多旋翼无人机，其包括机体、多个机臂、电机、弹性体基座及设置在所述电机上的旋翼；

所述电机与所述旋翼一一对应；

所述弹性体基座设置在所述机臂上，所述电机设置在所述弹性体基座上，所述弹性体基座的弹性变形区间上设置有变形测量传感器，以检测所述电机的拉力。

传统的多旋翼无人机如果不采用转速反馈，那么无人机的实际升力受两个因素影响：①电机的实际转速没有达到期望转速，②无人机水平运动时前面螺旋桨产生的空气流动引起的效率降低。传统的多旋翼无人机如果采用转速反馈，那么无人机的实际升力会受到一个因素影响，即水平运动时前面螺旋桨产生的空气流动引起的效率降低。因此，上述两种传统的多旋翼无人机的实际升力均无法达到期望的升力，当需要调整无人机姿态时，因实际升力达不到期望升力，使得姿态调整所需要的力矩达不到期望的力矩，进而影响到无人机的姿态，使得无人机姿态的调整时间延长或达不到期望的姿态。

本实施例提供的多旋翼无人机，其通过在机臂上设置弹性体基座，并在弹性体基座上设置变形测量传感器，利用变形测量传感器可实施监测电机的拉力，便于通过期望升力及拉力反馈的升力及时调节电机的转速，从而可保证无人机实际升力能够达到期望的升力，缩短姿态控制过程。

实施例二

如图1所示，本实施例提供的基于拉力测量的多旋翼无人机，其包括机体1、多个机臂2、电机5、弹性体基座4及设置在所述电机5上的旋翼3；所述电机5与所述旋翼3一一对应；所述弹性体基座4设置在所述机臂2上，所述电机5设置在所述弹性体基座4上，所述弹性体基座4的弹性变形区间上设置有变形测量传感器，以检测所述电机5的拉力。

其中的机臂2可为多个，多个机臂2环绕机体1均匀设置，优选为四个或六个，当为四个机臂2时，四个机臂2可呈十字分布或者X型分布，每个机臂2上均设置有一个旋翼3，或二个旋翼3。

如图2所示，其中的弹性体基座4为条状结构，弹性体基座4的一端具有电机5安装孔位，电机5不再是直接安装在机臂2上，而是通过弹性体基座4安装在机臂2上，即将电机5安装在该弹性体基座4的一端的第一安装孔位7上，弹性体基座4的另一端有第二安装孔位8，用于将弹性体基座4安装在机臂2上，弹性体基座4的中间产生弹性变形的区间，在该弹性变形区间设置变形测量传感器，例如应变片6，可实时变形测量。

安装应变片6时可采用半桥电路或全桥电路，优选全桥电路方案。对应的方法是采用四个单个应变片构成全桥电路，如图3、4所示，分别为应变片1、应变片2、应变片3及应变片4，其中的两个单个应变片，如应变片1何应变片3安装在弹性体基座4的拉伸变形产生拉应力的位置，另外两个单个应变片，如应变片2、应变片4安装在弹性体基座4的压缩变形产生压应力的位置，图5表示了四个应变片构成全桥检测电路的电路图。

由应变片6处理专用电路如HX711芯片负责处理上述全桥检测电路，得到实时测量的拉力值。并采用成熟的CPU模块电路读出HX711芯片的处理结果，控制器根据所测量的拉力值控制电机5调速器调节电机5的转速，使得电机5的实际升力能够达到期望的升力，包括无人机姿态转变所需要的力矩能够达到期望的力矩，在规定的时间内姿态一步到位。

实施例三

基于上述实施例一或二所述的基于拉力测量的多旋翼无人机，本实施例提供了一种基于拉力测量的多旋翼无人机的飞行控制方法，如图6、7所示，其中图6为本实施例的多旋翼无人机飞行控制方法的原理图，如图7所示，该多旋翼无人机的飞行控制方法包括：

S1，利用变形测量传感器同步采集每个电机的拉力；

S2，根据所述电机的总拉力及所述电机在体坐标系下的X、Y、Z三个方向上的扭矩，计算每个所述电机的期望转速和每个所述电机的期望升力；

S3，将采集到的每个所述电机的拉力与每个所述电机的期望升力进行比较得到升力误差；

S4，将所述电机的期望转速和转速增量叠加得到最终转速；

S5，控制器根据所述最终转速控制电机调速器调整所述电机的转速。

进一步，所述计算每个所述电机的期望升力和每个所述电机的期望转速的步骤具体包括：

利用所述电机的总拉力、所述电机在体坐标系下的X、Y、Z三个方向上的扭矩，通过分配矩阵计算出每个所述电机的期望转速；

根据所述电机的拉力系数与所述电机的期望转速计算每个所述电机的期望升力。

对每个电机的拉力测量实施同步采集方案，实现拉力的同步采集，具体为：对每个电机拉力测量的应变片处理专用电路HX711，采用同源时钟，提供相同的工作时钟频率，使得转换以及数据输出更新率一致；对于每个电机拉力测量的应变片处理专用电路HX711，采用相同的启动触发脉冲，使得具有相同的开始转换时刻。将应变片测得的每个电机产生的拉力通过串行口，如通用异步串行口、SPI等方式送入到飞控板，飞控板内部相应的驱动程序读出数据。利用电机的总拉力及体坐标系下的X、Y、Z三个方向上的扭矩作为输入，计算出每个电机的期望升力和期望转速，其中的体坐标系即为机体坐标系，其是指固定在无人机上的遵循右手法则的三维正交直角坐标系，其原点位于无人机的重心，OX轴位于无人机参考平面内平行于机身轴线并指向无人机前方，OY轴垂直于无人机参考面并指向无人机右方，OZ轴在参考面内垂直于XOY平面，指向无人机下方。

如图6所示，其中的利用电机的总拉力及所述电机在体坐标系下的X、Y、Z三个方向上的扭矩，计算每个所述电机的期望转速和每个所述电机的期望升力具体为：首先利用总拉力、体坐标系下的三个扭矩作为输入，通过分配矩阵计算出每个电机的期望转速平方。

以十字形四轴多旋翼无人机为例说明，该四轴多旋翼的无人机具有四个机臂，四个机臂呈十字形排布，每个机臂上设置有一个旋翼，共四个旋翼，每个旋翼对应一个电机，共四个电机，该种结构的旋翼无人机的电机的期望转速的计算公式如下：

其中，f为总拉力，τ_x为体坐标系下的X轴扭矩，τ_y为体坐标系下的Y轴扭矩，τ_z为体坐标系下的Z轴扭矩，其中的即为分配矩阵，其中的C_T为拉力系数，无人机的结构、转轴不同，分配矩阵也不同；其中的为电机1的期望转速的平方，为电机2的期望转速的平方，为电机3的期望转速的平方为电机4的期望转速的平方。

并根据拉力系数C_T与转速的平方的乘积得到每个电机的期望升力，即，f₁为电机1的期望升力；f₂为电机2的期望升力；f₃为电机3的期望升力；f₄为电机4的期望升力。

将上述获得的每个电机的期望转速的平方开方得每个电机的期望转速指令，并通过应变片测得的电机的拉力反馈的升力与上述计算出的期望升力进行比较得到升力误差，即f_err＝f_i-f_feed，其中f_i为电机i的期望升力，f_feed为反馈的升力，f_err为升力误差。

进一步，通过PID控制器输出转速平方增量指令将转速平方增量指令开方得到转速增量指令将期望转速指令与转速增量指令叠加得到最终的转速指令，最后的其中的为第i个电机的期望转速指令，将得到的最终的转速指令送到电机调速器，进而控制电机的转速。

与现有技术相比，本实施例提供的基于拉力测量的多旋翼无人机的飞行控制方法的优点主要体现在以下几点：

(1)实际升力能够达到期望的升力，而不受电机，螺旋桨，空气流场扰动等因素的影响。

(2)实际升力能够达到期望的升力，姿态控制过程时间缩短。

传统的控制方法使得实际升力不能够达到期望的升力，首先表现为姿态实现所需要的力矩达不到期望的力矩，进而影响姿态，当传感器检测到了姿态误差的时候，再通过控制进一步纠正，即进一步增加相应的升力，最后使得实际姿态才达到期望的姿态。

本实施例提供的基于拉力测量的多旋翼无人机的飞行控制方法实现了每个电机的实际升力对期望升力的实时跟踪，因此实际升力能够达到期望的升力，其结果是姿态实现所需要的力矩能够达到期望的力矩，在规定的时间内姿态一步到位。

(3)实际升力能够达到期望的升力，避免水平运动时后面的升力不足。

在水平运动时，升力既要克服重力，又要提供前进方向的动力，传统的控制方法使得实际升力不能够达到期望的升力，因此在垂直方向的分力也不足，引起掉高。

本实施例提供的基于拉力测量的多旋翼无人机的飞行控制方法实现了每个电机的实际升力对期望升力的实时跟踪，因此，在垂直方向的分力能够克服重力，由于垂直方向的分力不足引起的掉高现象得以消除。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。