本发明属于无人机结构设计和控制技术领域，尤其涉及一种共轴双旋翼无人机及其移动控制方法。
背景技术
为了解决偏远山区的包裹配送问题以及传感网中的数据采集、交付问题，越来越多的无人机被用在了这一领域，而且对无人机提出了新的要求，例如，1.增加无人机的载重上限；2.为了使无人机能够顺利地通过障碍物密集区域，尽可能地缩小无人机体积；3.增加无人机的航行距离等。
现有中一般使用四轴无人机和六旋翼无人机比较多，虽然四轴无人机和六旋翼无人机拥有更大的载重量，但是，整体结构复杂，增加了无人机的体积和重量，控制更为复杂，导致水平飞行困难、速度较慢，并且长距离水平飞行同样会耗费大量的能量。而适合进行长距离水平飞行的固定翼无人机和旋翼朝向前方的无人机大多不能像上述两种无人机那样垂直起降，对飞行场地要求较高。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供了一种共轴双旋翼无人机及其移动控制方法，该共轴双旋翼无人机体积小、整体结构简单，结合本发明提供的移动控制方法，可对共轴双旋翼无人机进行很好的控制，解决了现有无人机在携带货物长距离飞行时，速度较慢、能量耗费较多的问题；具体技术方案如下：
一方面，提供一种共轴双旋翼无人机，所述无人机包括安装板、电源、gps、驱动器、转轴、第一旋翼、第二旋翼、电机、主控板和夹持器，所述电源、驱动器和主控板均装设在所述安装板的上表面，所述gps通过一连接杆装设在所述安装板的上表面上，所述电机通过一安装杆设置在所述安装板的上表面上，所述夹持器装设在所述安装板的下表面；所述第一旋翼和第二旋翼平行装设在所述转轴上，并通过所述转轴与所述电机连接；
所述电源用于为所述无人机提供动力源，且分别通过导线连接所述gps与所述驱动器；所述主控板用于控制所述驱动器的驱动方式和所述电机的轴承转动方式，且分别通过导线连接所述驱动器和电机；所述驱动器分别与所述第一旋翼和第二旋翼通过导线连接，所述驱动器响应于所述主控板的控制进而控制所述第一旋翼和第二旋翼的旋转方向和旋转速度；所述电机响应于所述主控板的控制进而控制所述转轴与水平面之间的倾斜角度；所述gps用于定位所述无人机的实时位置；所述夹持器用于夹持物品。
作为优选，所述主控板还与一人工控制器通信连接；所述人工控制器与所述主控板通过wifi或者局域网连接，用于设置并向所述无人机发出控制命令。
作为优选，所述第一旋翼和所述第二旋翼在所述驱动器的控制下的旋转方向相反。
作为优选，所述无人机上还设置有加速度计、陀螺仪、磁力计以及气压计，所述加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计均与所述主控板连接；其中，所述加速度计用于计算所述无人机飞行过程中的加速度大小；所述陀螺仪用于测定所述无人机飞行过程中与水平面的倾斜角度大小；所述磁力计用于消除所述加速度计和所述陀螺仪的累积误差；所述气压计用于实时计算所述无人机的飞行高度。
作为优选，所述驱动器通过输出pwm信号来控制所述第一旋翼和第二旋翼的旋转方向和旋转速度。
作为优选，所述驱动器上的驱动源为两个无刷电机，两个所述无刷电机与所述第一旋翼和第二旋翼一一对应设置。
另一方面，提供一种共轴双旋翼无人机的移动控制方法，应用于上述的共轴双旋翼无人机，所述共轴双旋翼无人机的移动控制方法包括步骤：
起飞：启动所述无人机，保持所述转轴垂直水平面设置，然后控制所述第一旋翼和第二旋翼的旋转方向相反，提高所述第一旋翼和第二旋翼的旋转速度；
前行：通过所述电机控制所述转轴旋转，并向指定飞行方向倾斜，同时增加所述第一旋翼和第二旋翼的旋转速度，并保持所述无人机的高度不变；
偏航：在所述无人机飞行过程中，保持所述无人机的总升力大小不变，通过提高第一旋翼的旋转速度，降低第二旋翼的旋转速度，或者降低第一旋翼的旋转速度，提高第二旋翼的旋转速度；
降落：先保持所述无人机的总升力不变，通过所述电机控制所述转轴旋转至垂直水平面的位置，然后通过所述驱动器逐渐控制所述第一旋翼和第二旋翼的旋转速度降低，直至所述第一旋翼和第二旋翼的旋转速度为零。
作为优选，还包括控制所述无人机在飞行过程中做俯仰运动，具体过程为，通过控制所述电机在指定范围内转动，进而控制所述转轴倾斜带动整个所述无人机做俯仰运动。
作为优选，所述无人机通过所述第一旋翼和第二旋翼提供给所述无人机提升力的水平分力实现水平前行运动。
作为优选，所述无人机的启动、前行、偏航和降落过程中，所述第一旋翼和所述第二旋翼的旋转方向均相反。
与现有技术相比，本发明的优点及效果为：
1、本发明的共轴双旋翼采用了可以改变两个旋翼倾斜方向的结构，解决了共轴双旋翼无人机水平移动不变并且消耗能量较大的问题；
2、本发明的共轴双旋翼无人机可以垂直起降，克服了固定翼和旋翼方向向前的无人机虽然能够长距离飞行，却对起飞场地要求较高的问题；
3、本发明的共轴双旋翼无人机在起飞、前行和转向时，能够使货物始终保持在水平放置，更加适运输不可倾斜和摇晃的货物；
4、本发明不同于传统以大量增加旋翼个数来增加无人机载重的方法；本发明只用两个较大的旋翼，使其结构和控制更为简单，体积较小，能够适应复杂的地形。
附图说明
图1为本发明实施例中所述共轴双旋翼无人机的结构组成示意图；
图2为本发明实施例中所述共轴双旋翼无人机的移动控制方法的流程图示意；
图3为本发明实施例中所述共轴双旋翼无人机前行时的受理情况图示意；
图4为本发明实施例中所述共轴双旋翼无人机运送物品图示意。
标识说明：1-安装板、2-电源、3-gps、4-驱动器、5-转轴、6-第一旋翼、7-第二旋翼、8-电机、9-主控板、10-夹持器、11-物品。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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。
参阅图1和图4，在本发明实施例中，提供了一种共轴双旋翼无人机，无人机包括安装板1、电源2、gps3、驱动器4、转轴5、第一旋翼6、第二旋翼7、电机8、主控板9和夹持器10，具体的，电源2、驱动器4和主控板9均装设在安装板1的上表面，gps3通过一连接杆装设在安装板1的上表面上，电机8通过一安装杆设置在安装板1的上表面上，夹持器10装设在安装板1的下表面，夹持物品10；第一旋翼6和第二旋翼7平行装设在转轴5上，并通过转轴5与电机8连接；其中，电源用于为无人机提供动力源，且分别通过导线连接gps3与驱动器4；主控板9用于控制驱动器4的驱动方式和电机8的轴承转动方式，且分别通过导线连接驱动器4和电机8；驱动器4分别与第一旋翼6和第二旋翼7通过导线连接，驱动器4响应于主控板9的控制进而控制第一旋翼6和第二旋翼7的旋转方向和旋转速度；电机8响应于主控板9的控制进而控制转轴5与水平面之间的倾斜角度；gps3用于定位无人机的实时位置。
在具体实施例中，主控板9还与一人工控制器通信连接；人工控制器与主控板9通过wifi或者局域网连接，用于设置并向无人机发出控制命令；其中，所述人工控制器可以为移动终端设备或者移动终端设备中的可控制软件。
为了使无人机可以在空中飞行，本发明中第一旋翼6和第二旋翼7在驱动器4的控制下的旋转方向相反，以此提供一个提升力使无人机可以长时间在空中滞留和飞行；而在无人机飞行过程中，为了保持稳定的飞行，既保证通过无人机运送物品时不会因为颠簸而顺坏物品，本发明在无人机上还设置有加速度计、陀螺仪、磁力计以及气压计，加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计均与所述主控板连接；其中，加速度计用于计算无人机飞行过程中的加速度大小，陀螺仪用于测定无人机飞行过程中与水平面的倾斜角度大小；磁力计用于消除加速度计和陀螺仪的累积误差，即加速度计、陀螺仪和磁力计结合可以保证无人机更稳定的飞行；气压计用于实时计算无人机的飞行高度。
在本发明实施例中，驱动器4通过输出pwm信号来控制第一旋翼6和第二旋翼7的旋转方向和旋转速度；且驱动器4上的驱动源为两个无刷电机，两个无刷电机与第一旋翼6和第二旋翼7一一对应设置，即一个无刷电机单独控制一个旋翼，两个旋翼之间的控制并不互相影响。
在本发明实施例中，电机8优选采用使用四相五线或类似的步进电机来控制两个共轴旋翼转轴的倾斜，通过控制器依次发出步进电机的前进、后退命令来改变双旋翼转轴的倾斜角度，具体选择何种电机，本发明并不进行限制和固定，可根据实际情况进行选择。
参阅图2，在本发明实施例中，还提供了一种共轴双旋翼无人机的移动控制方法，应用于上述的共轴双旋翼无人机，方法具体包括起飞、前行、偏航和降落四个步骤，起飞：先启动无人机，保持转轴5垂直水平面设置，然后控制第一旋翼6和第二旋翼7的旋转方向相反，提高第一旋翼6和第二旋翼7的旋转速度；前行：通过电机8控制转轴5旋转，并向指定飞行方向倾斜，同时增加第一旋翼6和第二旋翼7的旋转速度，并保持无人机的高度不变；偏航：在无人机飞行过程中，保持无人机的总升力不变，通过提高第一旋翼6的旋转速度，降低第二旋翼7的旋转速度，或者降低第一旋翼6的旋转速度，提高第二旋翼7的旋转速度；以及降落：先保持无人机的总升力不变，通过电机8控制转轴5旋转至垂直水平面的位置，然后通过驱动器4逐渐控制第一旋翼6和第二旋翼7的旋转速度降低，直至第一旋翼6和第二旋翼7的旋转速度为零；在具体实施例中，无人机的启动、前行、偏航和降落过程中，第一旋翼6和第二旋翼7的旋转方向均保持相反，以此来保证可以给无人机提供稳定需要的升力。
下面将对无人机从启动到降落的整个过程进行详细描述：
首先，本发明为了将共轴双旋翼无人机体积小、能够垂直起降的特点和现有的固定翼无人机适合长距离飞行的特点结合起来，通过在两个反方向旋转旋翼的共轴双螺旋无人机转轴中添加一个步进电机，使无人机飞行时能够通过控制步进电机来改变两个共轴旋翼的朝向；其中，当所述无人机要起飞时，两个旋翼朝向上方来提供升力，当无人机前进时，通过电机控制转轴朝预设的前行方向倾斜固定角度，这样就可以通过加速两个旋翼的转速使其朝向转轴的倾斜方向加速行驶；同时保证转轴能够向前后两个方向转动将近90度；且在无人机飞行过程中，通过添加加速度计和陀螺仪实时获取无人机姿态，再通过添加磁力计消除加速度计和陀螺仪的累积误差，使得获取的无人机状态数据更加精准；而通过设置的气压计来实时计算无人机的高度。
进一步的，在无人机在起飞前，本发明通过公式f＝0.25×d×s×l×v2×p计算并记录下两个旋翼的旋转速度与旋翼所产生升力的对应关系，其中f为两个旋翼提供的总升力，d为直径，s为螺距，l为旋翼的宽度，v为旋翼转速，p为单位标准大气压，0.25为经验系数；并且通过公式
然后，在无人机在携带好物品后，调整两个旋翼朝向上方并逐渐提高两个反向旋翼的转速来慢慢起飞，同时，通过加速度计、陀螺仪和磁力计的配合实时获取并调整无人机的飞行姿态，并使用气压计实时计算无人机的高度，使无人机稳定地飞行在某一确定的高度位置；此时可以根据无人机两个旋翼的转速或主控板发出的pwm信号来确定携带货物的总重量mckg；首先，由于每一个pwm信号对应一个转速大小，根据主控板发出的不同pwm信号可以确定第一旋翼和第二旋翼的转速；再根据第一旋翼与第二旋翼与不同转速大小之间满足的公式f＝0.25×d×s×l×v2×p，可以确定不同转速下的无人机升力大小；最后因为此时的无人机稳定地飞行在某一确定的高度，两个旋翼产生的升力等于无人机所受重力，因为此时的无人机稳定地飞行在某一确定的高度，两个旋翼产生的升力等于无人机所受重力，并记录保存mc的值大小；当无人机准备前行飞行时，使用步进电机将两个旋翼的朝向调整至无人机的前方，让该无人机能够以与现有的固定翼、旋翼水平朝向的无人机一样的方式进行长距离快速飞行；可记两个旋翼所提供的总升力为f，两个旋翼转轴的倾斜角度为θ，由此来计算所述无人机前行力大小，从而计算无人机的飞行速度和加速度；当无人机在飞行过程中做偏航运动时，需要降低旋转方向与无人机偏航方向相同的那个旋翼的转速，同时提高另一个旋翼的转速，从而产生一个与无人机偏航方向相同的扭力来使无人机做偏航运动；同时确保两个旋翼提供给无人机的总升力大小在偏航过程中保持不变。
参阅图3，图示为无人机在飞行过程中的受力图示意；在本发明实施例中，当所述无人机的两个旋翼向前方倾斜时，两个旋翼在竖直方向上提供给无人机的升力就会减小，此时需要适当地增加两个旋翼的转速来使无人机在某一确定的高度稳定飞行，保证两个旋翼所提供的总升力与转轴的倾斜角度应满足条件：f＝g/cosθ，再根据记录的旋翼转速与产生升力的对应关系推算出此时旋翼应有的大致转速；最后根据气压计和加速度计的实时测量数值对旋翼的转速进行对应的更改，以保证无人机的稳定飞行。
最后，当所述无人机准备停止飞行时，首先要使无人机在某一高度位置处于静止飞行的状态，即将两个旋翼的转轴逐渐调整至竖直方向，并通过驱动器逐渐降低两个旋翼的旋转速度，来使无人机慢慢降落，同时根据式f＝g/cosθ和记录的旋翼转速与产生升力的对应关系来大致调整旋翼转速，根据气压计和加速度计的数值对旋翼的转速进行细微的更改，来使无人机能够在某一确定的高度稳定飞行；此外，可以在降落的过程中偶尔调整两个旋翼的转轴向相反方向倾斜，来让无人机更快地减速。
在实际飞行情况中，无人机可能会遇到一些障碍而需要做相对应的俯仰运动来避过障碍，此时需要通过控制电机8在指定大小的范围内转动，进而控制转轴5倾斜对应大小的角度，带动整个所述无人机做俯仰运动，实现避障操作。
本发明提供的共轴双旋翼无人机整体结构简单、制作方便，易操作控制；结合本发明提供的共轴双旋翼无人机的移动控制方法不仅使无人机拥有多旋翼无人机能够垂直起降的特点，还拥有固定翼和旋翼水平朝向的无人机适合长距离水平飞行的优点；同时较小体积的共轴双旋翼无人机能够携带物品进行长距离快速飞行而不耗费过多的能量，可推广应用。
以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。