一种基于矢量控制旋翼飞行器及其控制方法

1.本发明涉及飞行器技术领域，更具体地说，涉及一种基于矢量控制旋翼飞行器及其控制方法。


背景技术：

2.多旋翼无人机具备操作简便，垂直起降和定点悬停，不受起降场地的限制等优势，因此其在高空拍照、远距离检测、勘探、物流运输以及边防巡逻等方面有非常广阔的应用。垂直起降固定翼无人机具备垂直起降，航程远以及飞行速度快等优势，但是在使用操作方面，需要进行悬停模式和固定翼模式的切换，大幅增加对无人机飞手的要求，从而限制了其大规模的应用。
3.现有多旋翼无人机的飞行速度普遍较低(通常《20米/秒)，因此大部分多旋翼无人机无法在大风天(6-7及风，对应12-17米/秒风速)下正常运行，一旦遇到逆风飞行，将无法实现顺利返航。限制多旋翼无人机飞行速度的主要原因有两个：第一个原因是多旋翼无人机的动力和螺旋桨通常按照定点悬停的单一工况进行配置。这种动力系统的主要问题是其在高速水平飞行工况下，螺旋桨的工作效率大幅下降，导致高速水平飞行的动力不足，无法提高水平飞行速度，于此同时，耗电量会极具上升。第二个原因是现有多旋翼无人机的机臂和脚架的安装方式导致迎风面的增大，空气阻力增大，因此无法高速水平飞行。


技术实现要素：

4.1.发明要解决的技术问题
5.本发明的目的在于，针对现有技术中飞行器难以适应长时间定点悬停和高速水平飞行两种工况的技术问题，提供一种基于矢量控制旋翼飞行器及其控制方法，通过垂直螺旋桨和水平螺旋桨合理布置以及矢量调节单元的设置，以改善上述技术问题。
6.2.技术方案
7.为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
8.本发明的一种基于矢量控制旋翼飞行器，包括机架、第一垂直螺旋桨、第二垂直螺旋桨、水平螺旋桨、第一垂直矢量调节单元和第二垂直矢量调节单元；飞行器的重心、第一垂直螺旋桨、第二垂直螺旋桨和水平螺旋桨在飞行器的前进方向上共线布置；所述第一垂直螺旋桨和第二垂直螺旋桨可提供垂直方向上的升力，水平螺旋桨可提供水平方向上的推力；所述第一垂直螺旋桨设置于前进方向上飞行器重心的前部，第二垂直螺旋桨设置于前进方向上飞行器重心的后部；所述第一垂直螺旋桨和第二垂直螺旋桨分别通过第一垂直矢量调节单元和第二垂直矢量调节单元设置于机架上，第一垂直矢量调节单元和第二垂直矢量调节单元分别控制第一垂直螺旋桨和第二垂直螺旋桨绕前进方向旋转；通过水平螺旋桨与第一垂直螺旋桨以及第二垂直螺旋桨的合理布置，第一垂直螺旋桨以及第二垂直螺旋桨的使用对定点悬停工况进行支持，飞行器的重心、第一垂直螺旋桨、第二垂直螺旋桨和水平螺旋桨在飞行器的前进方向上共线布置使得飞行器在高速水平飞行时具有较小的阻力，水
平螺旋桨提供充足推力；另外第一垂直矢量调节单元和第二垂直矢量调节单元的设置使得飞行器可根据工况调节姿势，进而综合改善飞行器定点悬停与高速水平飞行双工况的作业效果。
9.优选地，所述机架为碳纤维管；该设置使得机架具有较好的强度，并且飞行器高速水平飞行工况时大幅减小空气阻力。
10.优选地，所述第一垂直螺旋桨和第二垂直螺旋桨对称设置于飞行器重心的前部和后部。
11.优选地，所述第一垂直螺旋桨和第二垂直螺旋桨在提供升力状态时，第一垂直螺旋桨和第二垂直螺旋桨桨叶旋转方向相反；该设置用于抵消飞行器第一垂直螺旋桨和第二垂直螺旋桨两者的力矩和旋转。
12.优选地，还包括水平矢量调节单元，水平螺旋桨通过水平矢量调节单元设置于机架上，水平矢量调节单元控制水平螺旋桨绕水平面上与前进方向相垂直的方向旋转；通过水平矢量调节单元的设置，使水平螺旋桨无论在什么情况的飞机姿态下都能产生有效的水平方向推力，提升了飞行效率，使续航时间、飞行速度大幅度提升。
13.优选地，所述第一垂直矢量调节单元包括第一舵机连接件、第一矢量舵机和第一舵机驱动件，第一矢量舵机通过第一舵机连接件连接于机架上，用于驱动第一垂直螺旋桨的第一垂直电机通过第一舵机驱动件被安装于第一矢量舵机上，第一矢量舵机通过第一舵机驱动件驱动第一垂直电机绕前进方向旋转。
14.优选地，所述第二垂直矢量调节单元包括第二舵机连接件、第二矢量舵机和第二舵机驱动件，第二矢量舵机通过第二舵机连接件连接于机架上，用于驱动第二垂直螺旋桨的第二垂直电机通过第二舵机驱动件被安装于第二矢量舵机上，第二矢量舵机通过第二舵机驱动件驱动第二垂直电机绕前进方向旋转。
15.优选地，所述水平矢量调节单元包括水平舵机连接件、水平矢量舵机和水平舵机驱动件，水平矢量舵机通过水平舵机连接件连接于机架上，用于驱动水平螺旋桨的水平电机通过水平舵机驱动件被安装于水平矢量舵机上，水平矢量舵机通过水平舵机驱动件驱动水平电机绕水平面上与前进方向相垂直的方向旋转。
16.优选地，还包括起落架，起落架设置于机架上，所述起落架包括后起落架和前起落架，所述后起落架和前起落架分别设置于前进方向上飞行器重心的后部和前部。
17.优选地，机架前进方向上的前端设置有前端整流件。
18.优选地，还包括电源、导航器和控制器，其分别设置于机架上；和/或所述电源、导航器和控制器设置于飞行器的重心位置。
19.本发明的一种旋翼飞行器控制方法，所述旋翼飞行器为上述的旋翼飞行器，控制方法为：通过第一垂直矢量调节单元和第二垂直矢量调节单元分别驱动第一垂直电机和第二垂直电机，分别带动第一垂直螺旋桨和第二垂直螺旋桨在y-z轴平面内作绕x轴的旋转运动，从而控制旋翼飞行器定点悬停过程或水平巡航。
20.3.有益效果
21.采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
22.(1)本发明的一种基于矢量控制旋翼飞行器，包括机架、第一垂直螺旋桨、第二垂直螺旋桨、水平螺旋桨、第一垂直矢量调节单元和第二垂直矢量调节单元；飞行器的重心、
第一垂直螺旋桨、第二垂直螺旋桨和水平螺旋桨在飞行器的前进方向上共线布置；所述第一垂直螺旋桨和第二垂直螺旋桨可提供垂直方向上的升力，水平螺旋桨可提供水平方向上的推力；所述第一垂直螺旋桨设置于前进方向上飞行器重心的前部，第二垂直螺旋桨设置于前进方向上飞行器重心的后部；所述第一垂直螺旋桨和第二垂直螺旋桨分别通过第一垂直矢量调节单元和第二垂直矢量调节单元设置于机架上，第一垂直矢量调节单元和第二垂直矢量调节单元分别控制第一垂直螺旋桨和第二垂直螺旋桨绕前进方向旋转；通过水平螺旋桨与第一垂直螺旋桨以及第二垂直螺旋桨的合理布置，第一垂直螺旋桨以及第二垂直螺旋桨的使用对定点悬停工况进行支持，飞行器的重心、第一垂直螺旋桨、第二垂直螺旋桨和水平螺旋桨在飞行器的前进方向上共线布置使得飞行器在高速水平飞行时具有较小的阻力，水平螺旋桨提供充足推力；另外第一垂直矢量调节单元和第二垂直矢量调节单元的设置使得飞行器可根据工况调节姿势，进而综合改善飞行器定点悬停与高速水平飞行双工况的作业效果；
23.另外，上述设置使得飞行器参数配置根据定点悬停工况选配，实现大载重，长时间的定点悬停功能；与此同时，这样在飞行过程中的高速飞行工况，通过第一垂直矢量调节单元和第二垂直矢量调节单元分别控制第一垂直螺旋桨和第二垂直螺旋桨的倾转角度，控制通过第一垂直螺旋桨和第二垂直螺旋桨的气流，大幅减少了有螺旋桨气流而产生的空气阻力并保证第一垂直螺旋桨和第二垂直螺旋桨处于最佳工作效率，飞行速度将大幅提升。
24.(2)本发明的一种基于矢量控制旋翼飞行器，还包括水平矢量调节单元，水平螺旋桨通过水平矢量调节单元设置于机架上，水平矢量调节单元控制水平螺旋桨绕水平面上与前进方向相垂直的方向旋转；通过水平矢量调节单元的设置，使水平螺旋桨无论在什么情况的飞机姿态下都能产生有效的水平方向推力，提升了飞行效率，使续航时间、飞行速度大幅度提升。
25.(3)本发明的一种基于矢量控制旋翼飞行器，飞行器的重心、第一垂直螺旋桨、第二垂直螺旋桨和水平螺旋桨在飞行器的前进方向上共线布置；进一步地，所述机架为碳纤维管，且进一步机架前进方向上的前端设置有前端整流件，上述布局设置大幅减小高速飞行时的空气阻力。
附图说明
26.图1为本发明的一种基于矢量控制旋翼飞行器立体图；
27.图2为本发明的一种基于矢量控制旋翼飞行器侧视图一；
28.图3为本发明的一种基于矢量控制旋翼飞行器侧视图二；
29.图4为本发明的一种基于矢量控制旋翼飞行器俯视图；
30.图5为本发明的一种基于矢量控制旋翼飞行器前视图；
31.图6为本发明的一种基于矢量控制旋翼飞行器垂直螺旋桨处矢量舵机安装结构局部放大示意图；
32.图7为本发明的一种基于矢量控制旋翼飞行器中垂直螺旋桨处矢量舵机安装结构爆炸图；
33.图8为本发明的一种基于矢量控制旋翼飞行器中水平螺旋桨处矢量舵机安装结构结构局部放大示意图。
34.示意图中的标号说明：
35.100、机架；110、前端整流件；121、后起落架；122、前起落架；130、载荷连接件；
36.210、第一垂直螺旋桨；211、第一垂直电机；
37.220、第二垂直螺旋桨；221、第二垂直电机；
38.230、水平螺旋桨；231、水平电机；
39.310、第一垂直矢量调节单元；311、第一舵机连接件；312、第一矢量舵机；313、第一舵机驱动件；
40.320、第二垂直矢量调节单元；321、第二舵机连接件；322、第二矢量舵机；323、第二舵机驱动件；
41.330、水平矢量调节单元；331、水平舵机连接件；332、水平矢量舵机；333、水平舵机驱动件；
42.410、电源；420、导航器；430、控制器。
具体实施方式
43.为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
44.本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴；除此之外，本发明的各个实施例之间并不是相互独立的，而是可以进行组合的。
45.实施例1
46.本实施例的一种基于矢量控制旋翼飞行器，如图1所示，包括机架100、第一垂直螺旋桨210、第二垂直螺旋桨220和水平螺旋桨230，本实施例中，所述机架100为碳纤维管，其形状为杆状，该设置使得机架100具有较好的强度，并且飞行器高速水平飞行工况时大幅减小空气阻力。
47.所述飞行器的重心、第一垂直螺旋桨210、第二垂直螺旋桨220和水平螺旋桨230在飞行器的前进方向上共线布置，所述第一垂直螺旋桨210和第二垂直螺旋桨220可提供垂直方向上的升力，水平螺旋桨230可提供水平方向上的推力；所述第一垂直螺旋桨210设置于前进方向上飞行器重心的前部，第二垂直螺旋桨220设置于前进方向上飞行器重心的后部。
48.另外，本实施例中，所述第一垂直螺旋桨210和第二垂直螺旋桨220对称设置于飞行器重心的前部和后部；并且所述第一垂直螺旋桨210和第二垂直螺旋桨220在提供升力状态时，第一垂直螺旋桨210和第二垂直螺旋桨220桨叶旋转方向相反；该设置用于抵消飞行器第一垂直螺旋桨210和第二垂直螺旋桨220两者的力矩和旋转。
49.另外需要说明的是，为了更好地描述本实施例的方案，如图2、图3、图4以及图5所示，将飞行器的前进方向定义为x轴，x轴所在水平面上，与x轴相垂直的方向为y轴，垂直方向为z轴；即图中x，y，z为机体坐标系，x为飞机前进方向，y，z满足右手坐标系原则；并且xg，
yg，zg为地球坐标系。
50.本实施例中，所述飞行器还包括第一垂直矢量调节单元310和第二垂直矢量调节单元320，所述第一垂直螺旋桨210和第二垂直螺旋桨220分别通过第一垂直矢量调节单元310和第二垂直矢量调节单元320设置于机架100上，第一垂直矢量调节单元310和第二垂直矢量调节单元320分别控制第一垂直螺旋桨210和第二垂直螺旋桨220绕前进方向旋转，即绕x轴方向旋转。
51.由此，通过水平螺旋桨230与第一垂直螺旋桨210以及第二垂直螺旋桨220的合理布置，第一垂直螺旋桨210以及第二垂直螺旋桨220的使用对定点悬停工况进行支持，飞行器的重心、第一垂直螺旋桨210、第二垂直螺旋桨220和水平螺旋桨230在飞行器的前进方向上共线布置使得飞行器在高速水平飞行时具有较小的阻力，水平螺旋桨230提供充足推力；另外第一垂直矢量调节单元310和第二垂直矢量调节单元320的设置使得飞行器可根据工况调节姿势，进而综合改善飞行器定点悬停与高速水平飞行双工况的作业效果。
52.如图6和图7所示，具体的，所述第一垂直矢量调节单元310包括第一舵机连接件311、第一矢量舵机312和第一舵机驱动件313，第一矢量舵机312通过第一舵机连接件311连接于机架100上，用于驱动第一垂直螺旋桨210的第一垂直电机211通过第一舵机驱动件313被安装于第一矢量舵机312上，第一矢量舵机312通过第一舵机驱动件313驱动第一垂直电机211绕前进方向旋转，即绕x轴方向旋转。
53.与第一垂直矢量调节单元310类似，所述第二垂直矢量调节单元320包括第二舵机连接件321、第二矢量舵机322和第二舵机驱动件323，第二矢量舵机322通过第二舵机连接件321连接于机架100上，用于驱动第二垂直螺旋桨220的第二垂直电机221通过第二舵机驱动件323被安装于第二矢量舵机322上，第二矢量舵机322通过第二舵机驱动件23驱动第二垂直电机221绕前进方向旋转，即绕x轴方向旋转。
54.需要说明的是，本实施例中虽然仅设置有两个垂直螺旋桨，但是其是至少两个垂直螺旋桨，如果在飞行器重心的前部和后部设置分别设置1个以上数量的垂直螺旋桨，即超过2个数量的垂直螺旋桨，也可以达到与本方案类似的技术效果。
55.另外本实施例中，还包括水平矢量调节单元330，水平螺旋桨230通过水平矢量调节单元330设置于机架100上，水平矢量调节单元330控制水平螺旋桨230绕水平面上与前进方向相垂直的方向旋转；通过水平矢量调节单元330的设置，使水平螺旋桨230无论在什么情况的飞机姿态下都能产生有效的水平方向推力，提升了飞行效率，使续航时间、飞行速度大幅度提升。
56.如图8所示，所述水平矢量调节单元330包括水平舵机连接件331、水平矢量舵机332和水平舵机驱动件333，水平矢量舵机332通过水平舵机连接件331连接于机架100上，用于驱动水平螺旋桨230的水平电机231通过水平舵机驱动件333被安装于水平矢量舵机332上，水平矢量舵机332通过水平舵机驱动件333驱动水平电机231绕水平面上与前进方向相垂直的方向旋转。
57.本实施例中上述第一矢量舵机312、第二矢量舵机322和水平矢量舵机332均为矢量双轴舵机。
58.本实施例中，还包括起落架，起落架设置于机架100上，所述起落架包括后起落架121和前起落架122，所述后起落架121和前起落架122分别设置于前进方向上飞行器重心的
后部和前部。
59.机架100前进方向上的前端设置有前端整流件110，进而，飞行器的重心、第一垂直螺旋桨210、第二垂直螺旋桨220和水平螺旋桨230在飞行器的前进方向上共线布置，且本实施例所述机架100为碳纤维管，且进一步机架100前进方向上的前端设置有前端整流件110，上述布局设置大幅减小高速飞行时的空气阻力。
60.还包括电源410、导航器420和控制器430，其分别设置于机架100上。电源410可以为飞行器上所有需要用电的部件进行供电；导航器420对飞行器的位置进行定位。
61.所述控制器430可以为pid控制器，本实施例中其与第一矢量舵机312、第二矢量舵机322、水平矢量舵机332、第一垂直电机211、第二垂直电机221以及水平电机231电连接，用于对上述部件进行控制。
62.另外，本实施例中，所述电源410、导航器420和控制器430设置于飞行器的重心位置。
63.另外，本实施例中，机架100上还设置有载荷连接件130，其可以使得飞行器上负载外部物体。
64.本实施例的一种旋翼飞行器控制方法，所述旋翼飞行器为上述的旋翼飞行器，控制方法为：通过第一垂直矢量调节单元310和第二垂直矢量调节单元320分别驱动第一垂直电机211和第二垂直电机221，分别带动第一垂直螺旋桨210和第二垂直螺旋桨220在y-z轴平面内作绕x轴的旋转运动，从而控制旋翼飞行器定点悬停过程或水平巡航。
65.本实施例具体的飞行器在工作过程的工作方式为：
66.垂直起飞过程，通过第一垂直电机211和第二垂直电机221分别驱动第一垂直螺旋桨210和第二垂直螺旋桨220旋转提供竖直方向的推力来实现垂直起飞。两个螺旋桨转动方向相反，用于抵消整机在z轴的力矩和旋转。
67.定点悬停过程，第一矢量舵机312和第二矢量舵机322分别驱动第一垂直电机211和第二垂直电机221，是两者分别带动第一垂直螺旋桨210和第二垂直螺旋桨220在y-z轴平面内作绕x轴的旋转运动。从而通过第一矢量舵机312和第二矢量舵机322控制第一垂直螺旋桨210和第二垂直螺旋桨220绕x轴的同向转动来实现整机绕x轴的转动平衡。并且可以通过第一垂直螺旋桨210和第二垂直螺旋桨220的差速来实现绕y轴的转动平衡。且可以通过第一矢量舵机312和第二矢量舵机322控制第一垂直螺旋桨210和第二垂直螺旋桨220绕x轴的异向转动和第一垂直螺旋桨210和第二垂直螺旋桨220的差速来实现整机绕z轴的转动平衡。同时根据飞机的姿态和位置，调整水平矢量舵机332的旋转角度使水平螺旋桨230产生的推力保持水平，调整水平螺旋桨230的转速用来抗风，整个平衡稳定过程通过控制器430即pid控制器来调节。
68.水平巡航过程：通过第一垂直螺旋桨210和第二垂直螺旋桨220的差速来实现绕y轴的整机转动，第一垂直螺旋桨210和第二垂直螺旋桨220将提供部分前进的推力，与此同时，通过水平矢量舵机332旋转提供水平推力来实现水平巡航。水平矢量舵机332驱动水平舵机驱动件333，水平舵机驱动件333驱动水平电机231带动水平螺旋桨230在x-z轴平面内作绕y轴的旋转运动。从而通过水平矢量舵机332来控制水平螺旋桨230提供的推力始终保持水平方向，实现无人机延地面坐标系xg方向的高速移动。
69.巡航过程，通过第一矢量舵机312和第二矢量舵机322分别控制第一垂直螺旋桨
210和第二垂直螺旋桨220绕x轴的同向转动来实现整机绕x轴的转动平衡，实现无人机沿地面坐标系y方向的移动，通过第一矢量舵机312和第二矢量舵机322控制第一垂直螺旋桨210和第二垂直螺旋桨220绕x轴的异向转动和第一垂直螺旋桨210和第二垂直螺旋桨220的差速来实现整机绕z轴的转动平衡以及实现空中转弯。整个平衡稳定过程通过控制器430即pid控制器来调节。
70.垂直降落过程，通过减少第一垂直螺旋桨210和第二垂直螺旋桨220在竖直方向的推力来实现垂直降落。
71.在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本技术和本发明的应用领域。
72.更具体地，尽管在此已经描述了本发明的示例性实施例，但是本发明并不局限于这些实施例，而是包括本领域技术人员根据前面的详细描述可认识到的经过修改、省略、例如各个实施例之间的组合、适应性改变和/或替换的任何和全部实施例。权利要求中的限定可根据权利要求中使用的语言而进行广泛的解释，且不限于在前述详细描述中或在实施该申请期间描述的示例，这些示例应被认为是非排他性的。在任何方法或过程权利要求中列举的任何步骤可以以任何顺序执行并且不限于权利要求中提出的顺序。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由上文给出的说明和示例来确定。