带两种旋翼的混合动力无人机及其控制方法与流程

本发明涉及无人机技术领域，特别涉及一种带两种旋翼的混合动力无人机及其控制方法。

背景技术：

无人机也叫无人驾驶飞行器，已经广泛应用于各个领域。基于稳定及易于控制等因素考虑，目前的无人机都只有成对的多个较小尺寸的旋翼，且由电池供电，直流电机驱动机翼旋转。然而电池的储电能力毕竟有限，进而导致无人机续航时间不长，旋翼尺寸较小也使得无人机的负载量不大，限制了无人机的更广泛的应用。

公开号为cn107140192a的中国发明专利申请公开了一种混合动力无人机，分别设置了升力旋翼和控制旋翼，升力旋翼由燃油马达驱动，控制旋翼由电机驱动，既能保持无人机的稳定控制，又能提高无人机的负载能力及续航能力，但是该无人机仍然具有缺陷。例如，由于升力旋翼对称设置在机架的边缘，要实现无人机稳定控制，就必须保持两个升力旋翼同步且同速反向旋转，然而即使是同批次同型号的燃油马达也是很难达到同速要求，还要控制同步旋转就更难实现了，因此，该无人机实际是理想状态下的稳定控制，实际应用中很难达到，而当两个升力旋翼不能同步同速旋转时，将会导致整个无人机不能保持平衡稳定，可能造成坠机。

技术实现要素：

本发明的目的在于改善现有技术中所存在的上述不足，提供一种带两种旋翼的混合动力无人机及其控制方法。

为实现上述目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

一种带两种旋翼的混合动力无人机，包括机体，所述机体的边缘设置有至少一对控制旋翼，且每对中的两个控制旋翼对称设置，所述控制旋翼由电机驱动，所述机体的中心轴线上设置有若干个升力旋翼，所述若干个升力旋翼设置于同一个转轴，由同一个燃油马达驱动。

升力旋翼只提供升力，不提供侧向力，通过将若干个升力旋翼设置于机体的中心位置，且若干个升力旋翼设置于同一个转轴上，燃油马达驱动该转轴转动时即可实现所有升力旋翼同步同速旋转，因此能够可靠地保障无人机飞行的稳定性。

在一个实施方案中，所述升力旋翼为偶数个，偶数个升力旋翼以共轴反桨方式设置于同一个转轴，每对控制旋翼中的两个控制旋翼的旋转方向相反。

在另一个实施方案中，所述升力旋翼为奇数个，奇数个升力旋翼以共轴同向方式设置于同一个转轴，所述机体的边缘还设置有至少一对辅助旋翼，每对辅助旋翼中的两个辅助旋翼对称设置且旋转方向相同，且该旋转方向与升力旋翼的旋转方向相反，辅助旋翼由电机驱动，且辅助旋翼和控制旋翼沿机体的边缘均匀分布。

此方案中，辅助旋翼和控制旋翼沿机体的边缘均匀分布是指，将辅助旋翼和控制旋翼看作是一个整体集合，整体集合中的各个个体沿机体的边缘均匀分布。辅助旋翼和控制旋翼的结构可以相同，也可以不同。当辅助旋翼为一对以上时，若辅助旋翼和控制旋翼的结构相同，则每对辅助旋翼可任意分布(在满足辅助旋翼和控制旋翼沿机体的边缘均匀分布的条件下)，例如两对辅助旋翼挨着布置；若辅助旋翼和控制旋翼的结构不同，则单独的辅助旋翼要沿机体的边缘均匀分布，且单独的控制旋翼沿机体的边缘均匀分布，以保障整个无人机的重心平衡。

上述两种实施方式都能够很好地实现升力旋翼提供升力，且结构简单。

本发明另一方面还提供了一种无人机的控制方法，在该方法中，所述控制旋翼由第一控制系统控制，所述升力旋翼由第二控制系统控制。

更细化地，针对于升力旋翼为奇数个的情况，升力旋翼和辅助旋翼均由第二控制系统控制，第二控制系统获取升力旋翼的转速，并根据所述升力旋翼的转速控制辅助旋翼的转速，以达到水平方向力矩平衡。

上述方案中，实现升力的旋翼(包括升力旋翼和辅助旋翼)单独由一套控制系统控制，实现姿态变化及提供少量升力的控制旋翼单独由一套控制系统控制，相互之间互不干扰，由此使得控制系统更加简单。虽然一对中的两个辅助旋翼可能会存在不能绝对的同步同速旋转，但是由于辅助旋翼由电机驱动，通过电子控制方式控制辅助旋翼转速，反应快，当存在偏差时可以及时纠正，因此可以保障辅助旋翼和升力旋翼在水平方向上的力矩平衡。

与现有技术相比，本发明提供的带两种旋翼的混合动力无人机具有以下有益效果：

(1)通过将若干个升力旋翼设置于机体的中心位置，且若干个升力旋翼设置于同一个转轴上，燃油马达驱动该转轴转动时即可实现所有升力旋翼同步同速旋转，因此能够可靠地保障无人机飞行的稳定性。

(2)通过将升力旋翼设置于机体的中心位置，可以保持无人机整体重心在中心点，保障无人机的静态平衡性，不会出现因设置于机架边缘的两个升力旋翼的重量差而导致整个无人机失去平衡。

(3)升力旋翼只提供升力，由燃油马达驱动，继而可以降低对电能的消耗，延长无人机的续航时间，而控制旋翼实现姿态变换及很少部分升力，由电机驱动，继而可以保障无人机的控制灵活性及稳定性。

(4)通过将升力旋翼设置于机体的中心位置，升力旋翼的尺寸不受空间限制，因此在保持相同大小的升力作用下，机体的尺寸相对更小，重量更轻，有利于小型化设计。

(5)升力旋翼与控制旋翼相互独立控制，可以简化控制算法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种带两种旋翼的混合动力无人机的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的另一种带两种旋翼的混合动力无人机的结构示意图。

图中标记

机体10，起落架20，控制旋翼30，升力旋翼40，转轴50，燃油马达60，电机70，辅助旋翼80。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

本实施例中提供的带两种旋翼的混合动力无人机，包括机体10，机体10的边缘设置有至少一对控制旋翼30，且每对中的两个控制旋翼30对称设置，控制旋翼30由电机70驱动，机体10的中心轴线上设置有若干个升力旋翼40，若干个升力旋翼40设置于同一个转轴50，由同一个燃油马达60驱动。升力旋翼40提供大部分的升力，且升力旋翼40只提供升力。控制旋翼30主要是提供侧向力，使无人机前进或改变姿态，同时也提供少部分的升力，使无人机升高。由于控制旋翼30只提供少部分的升力，而升力旋翼40由燃油马达60驱动，因此，相比于传统的纯电机驱动的无人机，本实施例中所述无人机可以降低电能消耗，继而延长无人机的飞行时间。当控制旋翼30为两对时，即为传统意义上的四旋翼，当控制旋翼30为三对时，即为传统意义上的六旋翼，当控制旋翼30为四对时，即为传统意义上的八旋翼。

请参阅图1，作为一种实施方式，升力旋翼40为偶数个，例如图1中所示升力旋翼40为两个，偶数个升力旋翼40以共轴反桨方式设置于同一个转轴50。共轴反桨即是指偶数个升力旋翼40设置于同一个转轴50，一半数量的升力旋翼40顺时针旋转，而另一半数量的升力旋翼40逆时针旋转，偶数个升力旋翼40可以自行平衡水平圆周方向的力，因此此方案中，每对控制旋翼30中的两个控制旋翼30的旋转方向相反。

请参阅图2，作为另一种实施方式，升力旋翼40为奇数个，例如图2中升力旋翼40仅为1个，奇数个升力旋翼40以共轴同向方式设置于同一个转轴50。共轴同向即是指奇数个升力旋翼40设置于同一个转轴50，且全部都绕同一个方向旋转。由于所有的升力旋翼40都绕一个方向旋转，因此必然会导致水平圆周方向的矩不平衡，因此在此方案中，需要借助辅助旋翼80来平衡。如图2所示，机体10的边缘还设置有至少一对辅助旋翼80，每对辅助旋翼80中的两个辅助旋翼80对称设置且旋转方向相同，且该旋转方向与升力旋翼40的旋转方向相反，以此达到水平方向力矩平衡的目的。辅助旋翼80由电机70驱动，以便于控制，辅助旋翼80在实现平衡升力旋翼40的旋转扭矩的同时，提供使无人机竖直升降的升力。如图2所示，辅助旋翼80和控制旋翼30沿机体10的边缘均匀分布，均匀分布是指将控制旋翼和辅助旋翼作为整体沿机体边缘均匀分布。

燃油马达60可以设置在机体10的一侧，此时转轴50与燃油马达60的输出轴成一定角度(如90度)。由于燃油马达60设置于机体10的一侧后会引起整个无人机的重心偏移，因此，作为较优的实施方式，燃油马达60也设置于机体10的中心轴线上。由于共轴反桨和共轴同向的设置方式都是现有技术，因此图1和2中没有对展示出燃油马达60与转轴50之间的具体连接结构，仅做了简单的连接示意。

为了提高无人机的负载力(载荷量)，升力旋翼40的尺寸可以大于控制旋翼30的尺寸。

本实施例中提供的无人机，通过将升力旋翼40设置于机体10的中心轴线，即机体10上表面的中心位置，通过共轴的方式实现了绝对的同步同速，因此可以可靠保障无人机的稳定性。

另外，相比于将升力旋翼40设置于机体10的边缘，设置于机体10中心位置还可以减小机体10的尺寸。具体的，当升力旋翼40设置于机体10边缘时，为了保障对称的两个升力旋翼40之间相互隔离以便于正常旋转，因此机体10的结构相对较大。而通过将升力旋翼40设置于机体10中心位置，且若干个升力旋翼40同轴设置，就不存在需要避让的情况，因此可以减小机体10的尺寸，降低机体10的重量，既更有利于节省能源，又有利于增加负载量。

实施例中上述两种实施方式下的无人机，升力旋翼40和控制旋翼30分别由一套控制系统独立控制。即是说，在图2所示实施方案中，控制旋翼30由第一控制系统控制，升力旋翼40由第二控制系统控制；在图2所示实施方案中，控制旋翼30由第一控制系统控制，升力旋翼40和辅助旋翼80均由第二控制系统控制。

针对于升力旋翼40为奇数个的情况，在具体控制时，第二控制系统获取升力旋翼40的转速，并根据升力旋翼40的转速控制辅助旋翼80的转速，以达到水平方向力矩平衡。但升力旋翼40实现固定速度时，燃油马达60的转速为已知参数，第二控制系统即可根据该参数控制用于驱动辅助旋翼80的电机70的转速，以实现水平方向力矩平衡。若升力旋翼40可实现变速升降，则可以通过传感器实时采集升力旋翼40或燃油马达60的转速，继而控制用于驱动辅助旋翼80的电机70的转速。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。