多旋翼飞行器及控制方法与流程

本发明涉及无人机技术领域，尤其是涉及一种多旋翼飞行器及控制方法。

背景技术：

多旋翼飞行器，是一种具有三个及以上旋翼轴的特殊的飞行器，其通过每个轴上的电动机转动，带动旋翼，从而产生升推力。随着科学技术的不断发展，多旋翼飞行器由于简单易用的使用特点应用于越来越多的行业。但是，现有技术中的飞行器在飞行过程中，可能出现由于故障，导致飞行不平衡，出现坠机等危险情况。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多旋翼飞行器及控制方法，可以解决上述问题。

本发明提供的技术方案如下：

一种多旋翼飞行器，包括机体和至少两个机臂；其中：

所述机臂与所述机体通过转动件连接；

每个所述机臂可绕所述机臂对应的转动件在所述机臂所在平面转动，每个所述机臂上设置有旋翼套件，每个所述机臂包括四旋翼第一状态和三旋翼第二状态，所述多旋翼飞行器在四旋翼第一状态和三旋翼第二状态下可稳定飞行；其中：

在所述四旋翼第一状态下，每个所述机臂相对于所述机体固定，且每个所述机臂上的旋翼套件处于远离所述机体的位置；

在所述三旋翼第二状态下，每个所述机臂相对于所述机体固定，所述机臂通过绕所述机臂对应的转动件转动，使所述多旋翼飞行器从所述四旋翼第一状态变换至所述三旋翼第二状态。

进一步地，还包括锁紧装置，所述锁紧装置用于锁紧或释放所述转动件，以使所述机臂与所述机体相固定或使所述机臂可绕所述转动件转动。

进一步地，还包括驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述转动件旋转，以使所述机臂以所述转动件为轴在所述机臂所在平面旋转。

进一步地，该多旋翼飞行器还包括控制芯片，该控制芯片分别与所述驱动装置和旋翼套件相连接，用于在检测到所述旋翼套件的转速与预设转速的偏差超过预设偏差值时，控制所述驱动装置驱动该旋翼套件所在机臂对应的转动件转动，以使该旋翼套件所在机臂向靠近所述机体的方向移动。

进一步地，所述驱动装置包括连杆和舵机，所述转动件包括转轴，其中：

所述转轴的一端与所述机臂固定连接，所述转轴的另一端与所述连杆的一端连接，所述连杆的另一端与所述舵机连接，所述舵机用于驱动所述连杆沿所述连杆延伸方向往复运动，以带动所述转轴旋转，使所述机臂绕所述转轴旋转。

进一步地，所述连杆和所述转轴通过相匹配的尺锥啮合连接。

进一步地，所述机臂上设置有转向机构，其中：

所述转向机构一端与所述旋翼套件连接，用于驱动所述旋翼套件以所述机臂延伸方向为轴旋转。

进一步地，所述机臂为两个，所述转动件为两个，每个所述机臂的两端分别设置有一个所述旋翼套件，每个机臂通过一个所述转动件与所述机体转动连接，每个所述机臂上的两个所述旋翼套件位于该机臂对应的所述转动件的相对两侧。

进一步地，所述机臂为四个，所述转动件为四个，每个所述机臂的一端设置有一个所述旋翼套件，每个机臂通过一个所述转动件与所述机体转动连接，所述转动件位于每个所述机臂远离所述旋翼套件的一端。

本发明还提供了一种多旋翼飞行器的控制方法，应用于多旋翼飞行器，该多旋翼飞行器包括机体和至少两个机臂；其中：所述机臂与所述机体通过转动件连接；每个所述机臂可绕所述机臂对应的转动件在所述机臂所在平面转动，每个所述机臂上设置有旋翼套件，每个所述机臂包括四旋翼第一状态和三旋翼第二状态，所述多旋翼飞行器在第一状态和三旋翼第二状态下可稳定飞行；其中：

在所述四旋翼第一状态下，每个所述机臂相对于所述机体固定，且每个所述机臂上的旋翼套件处于远离所述机体的位置；

在所述三旋翼第二状态下，每个所述机臂相对于所述机体固定，且至少一个所述机臂上的旋翼套件处于靠近所述机体的位置，所述机臂通过绕所述机臂对应的转动件转动，使所述多旋翼飞行器从所述四旋翼第一状态变换至所述三旋翼第二状态；

所述控制方法包括：

当所述多旋翼飞行器处于所述四旋翼第一状态时，检测每个所述旋翼套件的工作状态；

当检测到有一个旋翼套件处于非正常状态时，控制所述多旋翼飞行器转变为所述三旋翼第二状态，以使处于非正常状态的旋翼套件所在机臂上的另一正常状态的旋翼套件向远离所述机体中心的方向移动，以使处于非正常状态的旋翼套件所在机臂上的另一正常状态的旋翼套件所在的机臂旋转到可使所述多旋翼飞行器稳定飞行的状态。

本发明实施例提供的多旋翼飞行器包括机体和与机体转动连接的两个机臂，该多旋翼飞行器可以通过机臂绕转动件的旋转，改变旋翼相对机体的位置。可以在机臂上的旋翼出现故障时，使出现故障的机臂可以旋转，使机臂旋转到可以使飞行器稳定飞行的位置。避免在飞行过程中，由于故障导致的飞行姿态的不平衡，避免坠机等危险情况发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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他的附图。

图1为本发明实施例提供的多旋翼飞行器的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的多旋翼飞行器的另一结构示意图。

图3为本发明实施例提供的多旋翼飞行器的另一结构示意图。

图4为图1所示的多旋翼飞行器的一条机臂旋转的示意图。

图5为图1所示的多旋翼飞行器的一条机臂旋转后的示意图。

图6为本发明实施例提供的多旋翼飞行器的另一结构示意图。

图7为图6所示的多旋翼飞行器的一条机臂的部分示意图。

图8为本发明实施例提供的另一种多旋翼飞行器的结构示意图。

图9为图8所示的多旋翼飞行器的一条机臂旋转的示意图。

图10为本发明实施例提供的另一种多旋翼飞行器的结构示意图。

图11为图10所述的多旋翼飞行器的一条机臂旋转的示意图。

图标：10-多旋翼飞行器；101-机体；102-机臂；104-驱动装置；103-转动件；105-转向机构；1021-固定臂；1022-旋转臂。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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。

多旋翼飞行器在飞行过程中，如果出现其中一个旋翼因为故障不能正常工作的情况，就会出现由于动力分布不平衡导致的坠机情况，给地面人员带来威胁。

本申请实施例提供了一种多旋翼飞行器10，如图1所示，包括机体101和至少两个机臂102。

所述机体101上可以设置有容置腔，所述机体101相对的两端分别设置有至少一个转动件103。容置腔内可以设置电池模块、控制模块或其他组件。机体101的形状可以根据多旋翼飞行器的具体情况确定，本申请实施例并不限制机体101的形状。可选的，机体101可以设置为长方体的形状。两个转动件103可以分别设置在机体101长度方向的两端。为了保证飞行过程中的稳定性，两个转动件103可以对称设置，且可以都位于机体101长度方向的轴线上。

两个机臂102可以分别通过所述转动件103与所述机体101转动连接，所述机臂102靠近所述机体的表面高于所述机体靠近所述机臂102的表面。为了保证机臂102在相对机体进行旋转时，不会与机体发生碰撞，可以将机臂102最低点所在平面设置的要高于机体101的上表面，机臂102相对于机体旋转时，在机臂102旋转到靠近机臂102时，由于机臂102的下表面要高于机体的上表面，机臂102就可以旋转到机体的上方，与机体重叠，保证机臂102可以旋转到合适的位置。两个机臂102的长度可以相同或不同，转动件103可以设置在每个机臂102的中心点位置，保证飞行过程中的稳定性。

每个所述机臂102包括四旋翼第一状态和三旋翼第二状态，如图1、图2、图3所示，此种状态为四旋翼第一状态，在该状态下，四个旋翼均正常工作，使得多旋翼飞行器可以稳定飞行。如图5所示，与机体101的长度方向相重合的机臂102处于三旋翼第二状态，在该状态下，与机体重合的旋翼是不能正常工作的，此时，该多旋翼飞行器10工作在三旋翼状态，在该三旋翼状态下也可稳定飞行。

在所述四旋翼第一状态下，每个所述机臂102相对于所述机体101固定，且每个所述机臂102上的旋翼套件处于远离所述机体101的位置；

在所述三旋翼第二状态下，每个所述机臂102相对于所述机体101固定，所述机臂102通过绕所述机臂102对应的转动件103转动，使所述多旋翼飞行器从所述四旋翼第一状态变换至所述三旋翼第二状态。

此外，该多旋翼飞行器还可以包括锁紧装置，所述锁紧装置用于锁紧或释放所述转动件，以使所述机臂与所述机体相固定或使所述机臂可绕所述转动件转动。可以通过锁紧装置控制该转动件的锁紧或释放。在锁紧状态下，转动件103不能发生转动，相应的，机臂102也不会进行旋转。在释放状态下，转动件可以处于灵活转动状态，相应的，机臂102也可以围绕该转动件进行旋转。例如，在正常飞行状态下，两个机臂102基本平行，此时，锁紧装置将转动件103锁紧，使机臂102不会发生转动。当机臂102上的某一旋翼套件出现故障时，锁紧装置可以释放该机臂102对应的转动件103，使出现故障的旋翼套件所在的机臂102可以绕该转动件旋转，实现多旋翼飞行器的变型。

本申请实施例中的两个机臂可以与机体101组成工字形，机体101的形状本申请实施例并不做出限制。例如，机体101可以为近似长方体的形状，转动件103可以设置在机体101长度方向的两端。再如图1所示，在正常飞行状态下，一条机臂102的延伸方向与机体101的长度方向相垂直，另一机臂102的延伸方向也与机体101的长度方向相垂直，使两个机臂和机体101形成近似工字型的形状。

如图2和图3所示，该多旋翼飞行器还可以包括驱动装置104，驱动装置104用于驱动所述转动件103旋转，以使所述机臂102以所述转动件103为轴在所述机臂102所在平面旋转。驱动装置104通过驱动转动件103旋转来带动机臂102围绕转动件103旋转。

在一种具体实施方式中，所述驱动装置104可以包括齿条和舵机，所述转动件103包括与所述机体101固定连接的固定架和设置在所述固定架内的转轴。所述转轴的一端与所述机臂102固定连接，所述转轴的另一端设置有齿轮，所述转轴通过所述齿轮与所述齿条啮合，所述齿条的另一端与所述舵机连接，所述舵机用于驱动所述齿条沿所述齿条延伸方向往复运动，以带动所述转轴旋转，使所述机臂102绕所述转轴旋转。舵机可以为直线舵机，可以驱动齿条做直线运动，齿条通过直线运动，带动相啮合的齿轮顺时针旋转或逆时针旋转，进而可以带动与转轴相连接的机臂102顺时针旋转或逆时针旋转。

本申请实施例并不限制驱动装置104和转轴的连接方式。例如，驱动装置104还可以通过皮带与转轴连接，通过皮带实现对转轴的驱动。或者驱动装置104可以通过连杆与转轴连接，连杆一端设置有齿锥，转轴与连杆配合的一端设置有与连杆上的齿锥相匹配的齿锥。连杆的另一端与驱动装置104连接，连杆可以在驱动装置104的驱动下沿轴向转动，通过齿锥的传动，带动转轴进行旋转，进而实现带动机臂102的旋转。驱动装置104还可以是与转动件103连接的电机，通过电机的输出轴的旋转带动转动件103的旋转。

所述机臂102两端分别设置有旋翼套件，所述旋翼套件包括旋翼和驱动所述旋翼旋转的动力模块，每个机臂102上的旋翼位于所述转动件103的相对两端，该多旋翼飞行器10还可以包括控制芯片。该控制芯片可以设置在所述容置腔内，所述控制芯片分别与所述驱动装置104和动力模块相连接，用于在检测到所述动力模块的转速与预设转速的偏差超过预设偏差值时，控制所述驱动装置104驱动该旋翼所在机臂102对应的转动件103转动，以使转速小于预设转速的旋翼向靠近所述机体101的方向移动。控制芯片可以采用stm32f4微控制器。

控制芯片可以控制转动件103在使机臂102旋转到与机体101相重叠的位置时，控制转动件103停止旋转，使一条机臂102的延伸方向与另一机臂102的延伸方向垂直，使该多旋翼飞行器10由工字型转变为t字型。在飞行过程中，在完成变型后，可以控制出现故障的旋翼停止运转，其他正常的旋翼可以继续运行。当每条机臂102两端的分别设置一个旋翼套件时，多旋翼飞行器10实际上是一个四旋翼飞行器，在进行变型且故障的驱动设备停止运转后，实际上就是从一个四旋翼飞行器转变为了一个三旋翼飞行器。

通过转动件103带动机臂102的旋转，使一个稳定的四旋翼飞行状态转变为三旋翼飞行状态。如果不经过变型，在一个驱动设备出现故障时，即使其他三个驱动设备都正常运转，由于动力分布的不平衡，整个飞行器也难以保持整体的平衡。而通过变型，变型后的飞行器的三个动力分布仍可以保持平衡，从而使得变型后的多旋翼飞行器10仍然可以保持稳定的飞行状态。

本申请实施例中的多旋翼飞行器10，通过设置两个机臂102，机臂102通过转动件103与机体101连接，两个机臂102和机体101构成了近似工字型的结构。每个机臂102的两端可以分别设置一组旋翼套件或多组旋翼套件，多旋翼飞行器所有的旋翼套件对称分布，保证多旋翼飞行器飞行过程中的受力平衡，不会发生受力不均的情况。但如果其中一组旋翼套件出现了故障，如出现旋翼脱落、旋翼损害、动力模块故障时，动力模块的转速就会与当前飞行状态的正常转速出现偏差。如图4所示，假设图中所示下方机臂102右端的旋翼套件出现了故障，控制芯片在检测到该偏差值超过了预设偏差值时，表明该旋翼套件出现了故障，此时该旋翼套件无法提供稳定飞行所需的正常动力。此时，通过控制驱动装置104驱动出现故障的旋翼套件所在机臂102对应的转动件103旋转，使该机臂102围绕转动件103旋转，将出现故障的旋翼套件向靠近机体的方向移动，最终可以使出现故障的旋翼套件移动到机体上方，如图5所示。出现故障的旋翼套件所在的机臂102的延伸方向与另一条机臂102延伸方向垂直，使该多旋翼飞行器由工字型变换成t字型。由于出现故障的旋翼套件位于机体上方，t字型的结构可以通过对剩余正常工作的旋翼套件的转速进行改变，使多旋翼飞行器重新进入稳定飞行状态，不会出现坠机的风险。

在另一种具体实施方式中，还包括多个用于改变所述旋翼的螺距的传动组件，每个所述动力模块通过所述传动组件与所述旋翼连接。通过设置传动组件可以改变旋翼的螺距，进而改变旋翼旋转时的桨叶迎角，使旋翼旋转时的升力改变，满足不同状态的飞行需要。

此外，如图6和图7所示，为了实现不同状态下的飞行控制。所述机臂102还可以包括固定臂1021、两个转向机构105和两个旋转臂1022。所述固定臂1021通过所述转动件103与所述机体101连接。所述固定臂1021的两端分别通过所述转向机构105与所述旋转臂1022连接，所述旋翼套件分别设置在所述旋转臂1022远离所述固定臂1021的一端。所述转向机构105用于驱动所述旋转臂1022以所述固定臂1021延伸方向为轴旋转。每条机臂102通过转向机构105可以控制旋转臂1022的旋转，进而可以控制旋转臂1022上设置的旋翼的工作状态。

在多旋翼飞行器的螺距是可以改变时，如果飞行过程中，其中一个旋翼或对应的动力模块出现了故障。可以通过两种变型方式实现变型。一种是每个转动件103通过一锁紧装置控制其锁紧或松开，需要与机体相对移动的机臂对应的转动件103可以通过锁紧装置释放其锁紧状态，使需要旋转的机臂可以绕转动件103旋转。另一种变型方式是，控制芯片可以控制出现故障的机臂102对应的转动件103旋转，在不需要变型时，控制芯片控制转动件103保持正常的状态。在机臂102旋转过程中，可以通过控制其他正常的旋翼的螺距进行改变，以保证飞行器保持水平姿态。并在机臂102旋转过程中，控制出现故障的旋翼或动力模块所在的旋转臂1022旋转，使出现故障的旋翼套件的旋翼旋转平面与水平面呈一定夹角，以此来控制飞行器的自转逐渐停止。或者，还可以在出现故障的机臂102旋转到与另一机臂102的延伸方向垂直时，再通过控制出现故障的旋翼套件对应的转向机构105旋转，使出现故障的旋翼套件的旋翼旋转平面与水平面呈一定夹角，直至飞行器的自转停止，使多旋翼飞行器恢复稳定飞行。

在多旋翼飞行器的螺距为固定螺距时，在出现故障的旋翼套件所在机臂102旋转过程中，可以通过控制其他机臂102上的旋翼正常运转，避免多旋翼飞行器沿两个转动件103所在方向发生轴向转动。同时，可以控制出现故障的旋翼套件的旋翼旋转平面与水平面呈一定夹角，以此来控制飞行器的自转逐渐停止。或者，还可以在出现故障的机臂102旋转到与另一机臂102的延伸方向垂直时，再通过控制出现故障的旋翼套件对应的转向机构105旋转，使出现故障的旋翼套件的旋翼旋转平面与水平面呈一定夹角，直至飞行器的自转停止，使多旋翼飞行器恢复稳定飞行。

详细的，所述转向机构105包括底座、转向电机和转向组件，所述底座与所述固定臂1021固定连接。所述转向电机固定在所述底座上，所述转向电机的输出轴与所述转向组件传动连接，用于驱动所述转向组件以所述固定臂1021延伸方向为轴转动，所述旋转臂1022与所述转向组件固定连接。通过转向电机的旋转，可以使旋转臂1022以固定臂1021的延伸方向为轴进行顺时针或逆时针的旋转。

如图8至图11所示，本申请实施例中的机臂还可以是由相互独立的至少两部分组成，每个机臂上相互独立的部分可以独立绕转动件103旋转，实现更灵活的变型。可以理解的是，转动件103可以设置在机体101上，也可以设置在机臂102上，本申请实施例对转动件103的设置位置并不做出限制。

例如，机臂102可以包括第一机臂和第二机臂，第一机臂可以由两部分独立的子臂组成，所述第一机臂包括第一子臂和第二子臂。第一子臂和第二子臂可以分别通过一个转动件与机体101连接。第一子臂和第二子臂也可以共用一个转动件，通过一个转动件与机体101连接。第一子臂和第二子臂可以独立旋转，完成多旋翼飞行器的变型。类似的，所述第二机臂包括第三子臂和第四子臂，所述第三子臂和第四子臂分别通过所述转动件与所述机体101转动连接。第三子臂和第四子臂可以分别通过一个转动件与机体101连接。第三子臂和第四子臂也可以共用一个转动件，通过一个第二连接结构与机体101连接。第三子臂和第四子臂可以独立旋转，完成多旋翼飞行器的变型。

本申请实施例提供了一种多旋翼飞行器10，包括机体101和与机体101转动连接的两个机臂102，该多旋翼飞行器可以通过机臂102绕转动件103的旋转，改变旋翼相对机体101的位置。可以在机臂102上的旋翼出现故障时，使出现故障的机臂可以旋转，使机臂旋转到可以使飞行器稳定飞行的位置。避免在飞行过程中，由于故障导致的飞行姿态的不平衡，避免坠机等危险情况发生。

本申请实施例还提供了一种多旋翼飞行器的控制方法，应用于多旋翼飞行器，该多旋翼飞行器包括机体和至少两个机臂；其中：所述机臂与所述机体通过转动件连接；每个所述机臂可绕所述机臂对应的转动件在所述机臂所在平面转动，每个所述机臂上设置有旋翼套件，每个所述机臂包括四旋翼第一状态和三旋翼第二状态，所述多旋翼飞行器在第一状态和三旋翼第二状态下可稳定飞行；其中：

在所述四旋翼第一状态下，每个所述机臂相对于所述机体固定，且每个所述机臂上的旋翼套件处于远离所述机体的位置；

在所述三旋翼第二状态下，每个所述机臂相对于所述机体固定，且至少一个所述机臂上的旋翼套件处于靠近所述机体的位置，所述机臂通过绕所述机臂对应的转动件转动，使所述多旋翼飞行器从所述四旋翼第一状态变换至所述三旋翼第二状态；

所述控制方法包括：

当所述多旋翼飞行器处于所述四旋翼第一状态时，检测每个所述旋翼套件的工作状态；

当检测到有一个旋翼套件处于非正常状态时，控制所述多旋翼飞行器转变为所述三旋翼第二状态，以使处于非正常状态的旋翼套件所在机臂上的另一正常状态的旋翼套件向远离所述机体中心的方向移动，以使处于非正常状态的旋翼套件所在机臂上的另一正常状态的旋翼套件所在的机臂旋转到可使所述多旋翼飞行器稳定飞行的状态。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。