[发明专利]一种空间六自由度独立可控四旋翼无人飞行器及其控制方法

说明书

本发明公开了一种空间六自由度独立可控四旋翼无人飞行器及其控制方法，包括机身、机臂和控制器，四条机臂固定在机身上，机臂末端安装有可多自由度操纵的旋翼短舱系统，旋翼采用中心铰式桨毂，并由电机驱动，可变距、变转速。舵机控制自动倾斜器，实现旋翼总距、周期变距操纵，在舵机控制下桨盘可向任意方向倾倒；各个旋翼的总距、纵横向周期变距和转速独立控制。每副旋翼提供三个方向的力和三个方向的力矩，四副旋翼的组合协调，使飞行器在空中飞行时的六个自由度（三个线速度、三个姿态角）解耦，速度和姿态独立可控。飞行器拥有六个通道输入：前后速度、左右速度、上下速度、俯仰姿态、滚转姿态、航向姿态，分别对应飞行器飞行的六个自由度。

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，特别涉及一种多旋翼飞行器六自由度解耦控制技术，具体属于无人机飞行力学与控制技术领域。

背景技术

多旋翼飞行器利用多个旋翼，可以实现向任意方向飞行和空中悬停，能够完成多种任务。如利用多旋翼无人机搭载微型相机进行航拍，或者搭载各种测量仪器，进行高空探测或抛投物品。如今，多旋翼飞行器已经在农业、气象、电力、灾害预警和救援等多领域得到了广泛应用。

目前，大多数多旋翼无人机采用螺旋桨来提供升力，由于螺旋桨不可变距，改变拉力大小都是通过调节电机转速来实现的，且由于螺旋桨拉力方向不可相对机身倾斜，因此无论是前飞还是改变航向必然导致也必须要求机身姿态的改变，即存在速度与姿态耦合的问题。在机身需要不断倾斜的情况下，飞行的稳定性受到了影响，仪器设备工作在一个晃动的平台上，难以达到最佳的效果。为了消除这种不稳定性，一般采用增稳云台如三轴增稳云台，但是却增加了不必要的结构，而且对控制系统的要求比较高，无疑增加了飞行器的复杂程度。

目前需要一种在机械结构上实现旋翼拉力方向可变的多旋翼无人飞行器，保证飞行器在飞行过程中线速度和姿态解耦，即飞行速度与飞行姿态无关。

发明内容

针对前述背景技术，本发明提供了一种空间六自由度独立可控的无人飞行器，实现速度和姿态的解耦控制。

本发明提供的一种空间六自由度独立可控四旋翼无人飞行器，包括机身5、机臂2、控制器7、起落架3，所述机臂2有四条，呈十字形对称分布在所述机身5上，每条机臂2的末端设有旋翼短舱系统，所述旋翼短舱系统包括前旋翼短舱系统1、后旋翼短舱系统6、左旋翼短舱系统4、右旋翼短舱系统8，各个旋翼短舱系统上的旋翼分别为前旋翼、后旋翼、左旋翼、右旋翼；

每套旋翼短舱系统包括桨毂9、桨叶10、桨叶变距摇臂11、上拉杆12、自动倾斜器13、下拉杆21、舵机14、舵机摇臂15、滑道22、上轴承座24、上轴承27、旋翼轴23、下轴承座25、下轴承26、夹板19、变速器17、小齿轮18、电机16、电机座20；

所述变速器17固定在所述旋翼轴23下端，所述下轴承26与所述旋翼轴23配合，位置在所述变速器17上方，所述下轴承座25与所述下轴承26配合，并固定在所述夹板19上，所述上轴承27与所述旋翼轴23配合，所述上轴承座24与所述上轴承27配合，并固定在所述夹板19上，所述滑道22固定在所述上轴承座24上，所述自动倾斜器13有动环和不动环，动环在不动环上方，所述桨叶变距摇臂11与所述桨毂9连接，所述舵机14安装在所述夹板19上，舵机转子上安装有所述舵机摇臂15，所述上拉杆12一端与所述桨叶变距摇臂11连接，另一端与所述自动倾斜器13的动环连接，所述下拉杆21一端与所述自动倾斜器13的不动环连接，另一端与所述舵机摇臂15连接，所述电机座20安装在所述夹板19上，所述电机16安装在所述电机座20上，所述小齿轮18与所述电机16的转子连接，所述变速器17与所述小齿轮18啮合，整个旋翼短舱系统通过所述夹板19安装在每条机臂2的末端；