[发明专利]多旋翼无人机及其控制方法

说明书

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，具体提供一种多旋翼无人机及其控制方法。

背景技术

多旋翼无人机由于其机动性好，结构简单，成本较低等优点，近些年来得以快速发展，在影视航拍、军事侦查、灾害搜救、环境监测、飞行表演等领域表现出巨大的应用潜力。

由于多旋翼无人机是一个欠驱动的系统，一般通过设计双环控制系统完成位置运动与姿态运动，但这种方法存在诸多问题。

比如，图1a、1b是现有四旋翼无人机的平飞运动受力示意图，传统的四旋翼无人机在平飞运动中包含如图1a所示的由悬停到前进和如图1b所示的由前进到悬停两部分。在启动过程中，如图1a所示，由于推进力必须由升力在水平方向的分力F提供，无人机需要前倾来产生推动力，四旋翼会产生姿态变化：在这个变化过程中，无人机的前倾会在高度通道上产生一定的下落，而后上升，保持姿态角度，实现平飞。在制动过程中，如图1b所示，制动力同样必须由升力在水平的分力F提供，无人机需要后倾来产生制动力，四旋翼会产生姿态变化：在这个变化过程中，后倾同样在高度通道上产生一定的下落，而后上升，制动，悬停。

如上所述，在一次水平运动中的水平启动和水平制动，无人机的姿态和高度就需要改变两次，使得整个系统无法精准控制。此外，由于无人机的俯仰角是被限制的，升力所能产生的水平分力非常有限，使得传统的多旋翼无人机无法产生较高的加速度与速度，进而影响了整个系统的机动性。

当前针对多旋翼无人机上述问题的研究一般停留在机械机构，少有控制系统的改进。大体分为以下三类：

一、倾转式无人机，在固定翼的机翼上增加两个可以绕机翼转动的旋翼，这种结构的无人机可以实现垂直起降，并可以得到较大的速度，但由于固定翼飞行器本身的特性，机动性低，且模型过于复杂，给控制造成了很大的问题；

二、多旋翼附加到固定翼飞行器上，构成组合飞行器，这类飞行器模型简单，续航时间比较长，但受制于固定翼的特性，机动性低，不能实现精准控制；

三、在多旋翼飞行器尾部增加一个或者两个辅助旋翼来产生较大的动力，但将推进旋翼设置到尾部，使得整个飞行器质心不在中心，使得飞行器的运行状态非平稳状态。并且，机尾的动力器会通过机体产生俯仰扭矩，影响飞行器姿态稳定，给飞行器控制造成很大的麻烦。

因此，现有技术中缺乏一种飞行器姿态稳定性好、机动性强、动态响应好的多旋翼无人机，也缺乏一种合适的位置姿态分离控制方法，来实现无人机各个通道的独立精准控制。

相应地，本领域需要一种新型多旋翼无人机及其控制方法来解决上述问题。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提供一种多旋翼无人机，该无人机姿态平稳、结构简单合理，机动性强，能够实现高速飞行，可快速启动和制动。

本发明还提供了一种多旋翼无人机的控制方法，根据实际需要提供给姿态旋翼和/或推进旋翼相应的力，实现不同位置与姿态的分离控制，独立精准。

为实现上述目的，本发明的多旋翼无人机包括机架主体和姿态控制机构，所述姿态控制机构固定到所述机架主体或者与所述机架主体一体制成，其特征在于，所述多旋翼无人机还包括固定到所述机架主体或者与所述机架主体一体制成的推进机构，所述推进机构包括相对于所述机架主体对称设置的两个推进单元，每个推进单元包括从所述机架主体延伸的推进机臂以及设置在所述推进机臂上的推进旋翼和推进旋翼驱动装置，所述推进旋翼驱动装置连接到所述推进旋翼，用于驱动所述推进旋翼转动。

在上述多旋翼无人机的优选实施方式中，所述姿态控制机构包括绕所述机架主体沿周向均匀设置的多个姿态控制单元，每个姿态控制单元包括从所述机架主体延伸的姿态机臂以及设置在所述姿态机臂上的姿态旋翼和姿态旋翼驱动装置，所述姿态旋翼驱动装置连接到所述姿态旋翼，用于驱动所述姿态旋翼转动。

在上述多旋翼无人机的优选实施方式中，所述姿态控制机构包括4个姿态控制单元，每个相邻姿态控制单元的姿态机臂之间的夹角为90度。

在上述多旋翼无人机的优选实施方式中，在工作过程中，每个推进旋翼驱动装置驱动对应的推进旋翼沿着与另一个推进旋翼相反的方向转动。

在上述多旋翼无人机的优选实施方式中，在工作过程中，所述两个推进旋翼驱动装置都能够沿相反的方向转动。

在上述多旋翼无人机的优选实施方式中，所述推进旋翼驱动装置和所述姿态旋翼驱动装置都采用无刷电机，每个所述无刷电机上都设置有电子调速计。