[发明专利]一种双旋翼无人机

说明书

技术领域

本发明涉及一种双旋翼无人机，特别是一种采用了半刚性桨叶和单自由度自动倾斜器的非共轴双旋翼无人机。

背景技术

本发明专利是基于四旋翼无人机飞行控制原理和常规直升机倾斜器周期变距原理、旋翼挥舞而设计提出的新型无人机，目的是以更简单的机构、更方便易行的控制系统解决当前双旋翼飞行器控制操纵复杂的问题。

现有常见的非共轴双旋翼飞行器(如CH-47“支奴干”直升机、V-22“鱼鹰”倾转旋翼机等)，其自动倾斜器有三个自由度，即沿z轴上下移动控制总距、绕x轴和y轴的旋转控制周期，且总距和周期同时基于自动倾斜器实现，这使得不同问题耦合在一起，令问题的研究大大复杂化了。因此这类飞行器往往设计困难、机构复杂，未经训练的操作人员难以驾驭。当使用自动控制技术研制此类的无人机时，需要花费大量精力进行深入的空气动力学问题研究，才能获得足够的飞行品质、保证其自动化水平。这不利于控制模型的简化，也增大了问题研究的难度。

同时，本发明又注意到当前技术发展极快的四旋翼无人机。这类无人机操作简单、研发容易，采用了简单的结构设计和成熟的控制技术，具有非常鲜明的技术特点。尤其可以在不依赖精确动力学模型的情况下达成飞行操纵目的，且具有较高的飞行品质。这使得问题的研究大幅简化，因此具有很高的发展潜力和研究价值，近年来研究成果不断。随着更多先进控制技术的应用，这类无人机的研发水平仍在不断提高。

而这种方便实现、易于研究、发展潜力大的特点又是传统的双旋翼飞行器所不具备的。

发明内容

本发明融合了以上两种设计方案的技术特点，借鉴传统直升机自动倾斜器的周期变距原理、旋翼的桨毂设计，以及四旋翼无人机飞控系统鲁棒性好、适应性强的优点，发展出一种新型的双旋翼无人机。可以像四旋翼无人机一样在不需要精确动力学模型的前提下完成非共轴双旋翼无人机的飞行控制。其具体技术方案为：

以嵌入式芯片作为主控制器；以气压计、三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计等传感器组成姿态测量系统；以遥控器或无人机地面站与无线电通信模块作为指令系统；以电子调速器、舵机、电机和旋翼挥舞铰作为执行机构。

采用两套旋向相反的旋翼为无人机提供升力；采用两只无刷电机为无人机提供动力；采用桨距可调，且仅有挥舞运动和没有摆振运动的半刚性旋翼；采用单自由度的倾斜器对旋翼进行周期变距；以电位计测量周期变矩器的转角并加以精确控制，解决曲柄连杆机构控制桨距的精度问题。

旋翼系统支座由机架与机身固连，机身上布置有设备舱，用以安放锂电池、航姿传感器组、电子调速器和控制电路。与四旋翼无人机类似，本发明中的双旋翼无人机本质上并无横列式与纵列式区别。但为方便说明，此处设定无人机为横列式双旋翼布局。

为实现无人机的完全可控，必须对无人机的俯仰角、航向角、滚转角和高度进行控制。其执行方法为：采用沿俯仰轴转动的单自由度自动倾斜器同向同角度转动对无人机的俯仰角进行控制；采用倾斜器反向同角度转动和仅具有挥舞运动而无摆振运动的半刚性可变距旋翼对无人机的航向角进行控制；采用旋翼转速差对无人机的滚转角进行控制；采用旋翼转速等量增减对无人机的高度进行控制。以上四个控制通道均为独立控制，每个控制通道均是对航姿传感器组解算出的实际姿态和指令系统给出的期望姿态进行比较，并做PID随动控制，控制量为四通道PID算法在每个执行机构上输出的控制量的线性叠加。

由此可完成无人机完整的飞行操纵。

相比现有的设计，本发明具有以下明显的有益效果：

(1)相比现有的双旋翼直升机，机构复杂性和对空气动力学问题研究的精度要求均明显下降。

(2)相比现有使用空气舵进行操纵的双涵道飞行器具有操纵效率高、升力大、结构设计受限小等方面的优势。

(3)与当前发展迅猛的四旋翼无人机采用类似的控制技术，可以以较小的研究代价获得较高的飞行品质，实现性强。

(4)与四旋翼无人机具有技术共通性，可伴随当今四旋翼无人机技术的迅猛发展，方便地引入高水平的控制算法的潜力，具有很高的研究价值。

(5)具有一定的拓展能力，譬如具有基于本发明研制出相应的倾转旋翼无人机的能力。

附图说明

图1是本发明外观示意图及载体坐标系示意图。

图2是本发明旋翼系统旋向示意图。

图3是本发明旋翼系统分解示意图。

图4是本发明旋翼系统局部放大图。

图5是本发明俯仰和滚转操纵的刚体动力学示意图。