一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机

1.本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机。


背景技术：

2.目前的倾转旋翼机大部分均采用安装倾转舵机的方式实现，采用倾转舵机的方式具有如下缺点：
3.(1)具有额外的结构重量，若旋翼数量较多则也需要多个倾转舵机，成本高
4.(2)旋翼需要通过舵机驱动倾转，同时整机结构需保持一定的刚度，对结构强度要求高，结构冗余度较高。
5.(3)倾转舵机的供电电压与电机往往不同，需要额外的电源模块进行供电，造成了冗余。
6.(4)电机拉力线轴需尽可能接近倾转轴，否则需要极大扭力舵机以对抗电机产生的力矩，给旋翼机的布局设计造成了额外的限制。
7.(5)倾转舵机对抗阻力及陀螺力矩使得高速旋转的电机倾转，会产生反扭矩，这样的反扭矩加大了控制系统的难度与负担
8.(6)倾转角度收倾转舵机行程限制，限制了其灵活性的同时，也增加了控制器中的约束条件。
9.基于上述提出一种无需倾转舵机便能实现倾转的八旋翼无人机，解决上述的技术问题。


技术实现要素：

10.本发明一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机，能通过调整各个推进器的功率控制倾转平衡，采用主控制器加协控制器的方式实现与传统倾转旋翼同样的功能，同时，此倾转方式不受倾转舵机行程限制，具有极高的灵活机动性。
11.为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
12.一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机，包括主控制器、协控制器、十字形机架和四个推进机构。
13.所述主控制器配置为与所述协控制器电性连接，所述主控制器用于测量机身整体姿态，并对协控制器发布角度及拉力指令。
14.所述推进机构配置为与所述协控制器电性连接，所述协控制器用于接收来自主控制器的角度及拉力指令，控制所述推进机构。
15.所述十字形机架具有四个机臂。
16.四个所述推进机构分别可铰接地配置在四个所述机臂的末端。
17.所述推进机构包含有：第一推进器、第二推进器、悬臂和连接件。
18.所述第一推进器和第二推进器分别固定地装配在所述悬臂的两端。
19.所述连接件位于所述悬臂的中部，且所述悬臂固定地配置在所述连接件上。
20.所述机臂配置为与所述连接件转动连接，所述机臂的中轴线与所述连接件的中心线重合，所述机臂的中轴线与所述悬臂的中轴线垂直。
21.本公开实施例提供的基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机中，所述协控制器配置有四个，四个所述协控制器分别配置在四个所述推进机构上，四个所述协控制器分别与四个所述推进机构电性连接。
22.本公开实施例提供的基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机中，所述连接件包含有装配架和轴承体。
23.进一步的，所述装配架中部具有安装孔，所述轴承体装配在所述安装孔内，所述轴承体的外圈配置为与所述装配架固定连接，所述轴承体的内圈配置为与所述机臂固定连接。
24.本公开实施例提供的基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机中，所述协控制器固定地配置在所述装配架中部，所述主控制器固定地配置在所述十字形机架中部。
25.本公开实施例提供的基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机中，所述装配架底部具有连接架，所述悬臂与所述连接架固定连接。
26.本公开实施例提供的基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机中，所述十字形机架上设置有起落架，所述起落架配置为与所述十字形机架固定连接。
27.本公开实施例提供的基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机中，所述十字形机架还具有上碳纤维板、下碳纤维板和支撑块。
28.进一步的，所述支撑块配置在所述上碳纤维板和下碳纤维板之间，所述上碳纤维板、下碳纤维板和机臂均与所述支撑块固定连接。
29.本公开实施例提供的基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机中，所述悬臂的两端分别设置有的第一载板和第二载板，所述第一载板和第二载板均与悬臂固定连接，所述第一推进器和第二推进器分别装配在所述第一载板和第二载板上，所述第一推进器的中轴线和第二推进器的中轴线分别与所述第一载板和第二载板垂直。
30.本发明的有益效果为：
31.1、无需倾转舵机便实现了与传统倾转旋翼机同样的功能，甚至灵活机动性与能耗均优于传统使用舵机的倾转旋翼机
32.2、结构简单紧凑，生产加工制作简单，成本低，与一架普通无倾转功能八旋翼无人机成本近似。
33.3、飞行姿态灵活，位置与姿态实现解耦，飞行时可机身保持水平不动。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
35.图1为本发明一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机的整体结构示意图。
36.图2为本发明一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机的局部结构示意图。
37.图3为本发明一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机的局部结构示意图。
38.图4为本发明一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机的局部结构示意图。
39.图5为本发明一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机的推进姿态图。
40.图6为本发明一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机在前向和后向运动时的姿态图。
41.图7为本发明一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机在向左和向右侧运动时的姿态图。
42.图8为本发明一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机在航向控制时的示意图。
43.图9为本发明一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机的控制方法流程图。
44.图中：
45.10、主控制器；
46.20、协控制器；
47.30、十字形机架；31、机臂；32、起落架；33、上碳纤维板；34、下碳纤维板；35、支撑块；
48.40、推进机构；41、第一推进器；42、第二推进器；43、悬臂；44、连接件；431、第一载板；432、第二载板；441、装配架；442、轴承体；443、连接架。
具体实施方式
49.下面将结合实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。
50.实施例
51.如图1至4所示，一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机，包括主控制器10、协控制器20、十字形机架30和四个推进机构40。
52.在本实施例中，主控制器10配置为与协控制器20电性连接，主控制器10用于测量机身整体姿态，并对协控制器20发布角度及拉力指令。
53.在本实施例中，推进机构40配置为与协控制器20电性连接，协控制器20用于接收来自主控制器10的角度及拉力指令，并根据角度及拉力指令控制推进机构40。协控制器20配置有四个，四个协控制器20分别配置在四个推进机构40上，四个协控制器20分别与四个推进机构40电性连接。
54.在本实施例中，十字形机架30具有四个机臂31。示例性地，机臂31采用碳纤维管。
55.在本实施例中，四个推进机构40分别可铰接地配置在四个机臂31的末端。
56.在本实施例中，推进机构40包含有第一推进器41、第二推进器42、悬臂43和连接件44。第一推进器41和第二推进器42分别固定地装配在悬臂43的两端。连接件44位于悬臂43的中部。机臂31的中轴线与连接件44的中心线重合，机臂31的中轴线与悬臂43的中轴线垂直。示例性地，第一推进器41和第二推进器42均包含有伺服电机和螺旋桨，伺服电机的输出轴与螺旋桨固定连接。
57.进一步的，悬臂43的两端分别设置有的第一载板431和第二载板432，第一载板431和第二载板432均与悬臂43固定连接，第一推进器41和第二推进器42分别装配在第一载板431和第二载板432上，第一推进器41的中轴线和第二推进器42的中轴线分别与第一载板
431和第二载板432垂直，第一载板431与第二载板432的上表面和下表面均与机臂31的中轴线平行。第一推进器41的中轴线和第二推进器42的的中轴线均与悬臂43的中轴线延伸线相交且垂直。
58.在本实施例中，连接件44包含有装配架441和轴承体442。
59.进一步的，装配架441中部具有安装孔(未图示)，轴承体442装配在安装孔内，轴承体442的外圈配置为与装配架441固定连接，轴承体442的内圈配置为与机臂31固定连接。装配架441和机臂31通过轴承体442实现铰接。
60.进一步的，协控制器20固定地配置在装配架441中部，主控制器10固定地配置在十字形机架30中部。
61.进一步的，装配架441底部具有连接架443，悬臂43与连接架443固定连接。
62.在本实施例中，十字形机架30上设置有起落架32，起落架32配置为与十字形机架30固定连接。
63.在本实施例中，十字形机架30还具有上碳纤维板33、下碳纤维板34和支撑块35。起落架32与上碳纤维板33的背面固定连接。
64.进一步的，支撑块35配置在上碳纤维板33和下碳纤维板34之间，上碳纤维板33、下碳纤维板34和机臂31均与支撑块35固定连接。
65.以下将结合附图对本公开的基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机进行进一步的阐述。
66.1、十字形机架的设计。
67.如图5所示，将其中一个机臂的指向作为机体坐标系x轴方向，四个推进机构均可绕机臂自由转动，从而提供矢量推力，四个推进机构的不同推力矢量方向结合可使得此无人机具有极强的机动性。
68.主控制器固定地配置在十字形机架中部，主控制器内置的惯性导航测量元件用于测量机身整体姿态，并通过主控制器的串级pid控制算法，计算各个推进机构需要产生的拉力及拉力方向，通过串口通信向各协控制器发布期望的拉力大小及方向信息。协控制器负责对推进机构进行控制，根据主控制器发布的拉力大小和方向，控制推进机构的两个伺服电机产生旋转差速，最后使得该推进机构快速转动至期望的方向并产生对应的拉力。至此，便不依靠倾转舵机实现了倾转。
69.由于采用了上述特殊的倾转方式，一个推进机构需≥2个推进器得以实现，一个推进机构由这两个推进器共同产生矢量推力。根据主流旋翼机控制方案，若需旋翼机控制稳定，一般需≥4个推进机构，因此，本发明采用8旋翼方案，每两个推进机构构成一个矢量的推进组，为无人机同时提供升力与控制力矩。
70.机臂的中轴线与悬臂的中轴线垂直，推进机构的倾转轴即为机臂，因此，每个推进机构可持续产生垂直于机臂的矢量拉力，矢量方向可360
°
旋转，无行程限制。假设四个推进机构产生的拉力大小分别为f1～f4，假设十字形机架的坐标系z轴垂直于各机臂方向指向下方，则各推进机构其在十字形机架坐标系下产生的加速度为：
[0071][0072]
其中，m为无人机质量，a
x
与ay分别为无人机在机体坐标系下的加速度，αi,βi,i＝1…
4分别为四个推进机构产生的拉力与十字形机架坐标系-z轴和x轴的夹角。结合式(1)与此无人机的运动方式可得，当无人机向前飞行时，此旋翼机机身可保持姿态不变，当给定前向加速度值且侧向加速度为0时，为使效率最高，令式(1)的j＝|f1|+|f2|+|f3|+|f4|最小，则需：
[0073][0074]
β2＝β4＝0
°
[0075]
即2号及4号推进机构保持水平不倾转，由1号和3号推进机构产生横向加速度，也即，采用十字型机架以获得比传统旋翼机x型机架更高的推进效率。
[0076]
综上所述，本公开的基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机结构简单轻便，制作难度低，成本低，仅对普通旋翼机机架进行简单改造，即可实现倾转旋翼机的所有功能，且具有更高的灵活性与更高的飞行效率。
[0077]
2、推进机构的设计。
[0078]
仅用两个深沟球轴承与装配架形成了可倾转的结构，两个轴承能保证装配架在沿机臂转动时的刚性，能自由绕机臂旋转。悬臂通过连接架与装配架固定，在装配架上安装低成本协控制器，负责通过串口接收来自主控制器的角度及拉力指令，控制悬臂上两个伺服电机，使悬臂快速转动至期望倾转角并产生对应的拉力，整个倾转结构重量较轻。
[0079]
当电机运转时，需保证螺旋桨产生的滑流不干扰其余相邻动力组，需对悬臂的长度进行设计，设悬臂半长为l，十字形机架半展为l，螺旋桨半径为r，装配架宽为s，则悬臂长度需满足以下约束：
[0080]
a)螺旋桨不与装配架干涉，则有：
[0081][0082]
b)相邻螺旋桨不出现干涉，则有：
[0083][0084]
c)螺旋桨滑流不干扰相邻螺旋桨，则有:
[0085]
l+r＜l-r；
ꢀꢀ
(5)
[0086]
以上三个式子中，r为10寸螺旋桨半径＝0.254m，l＝0.5m，s＝0.06m，综合上述3个约束，设计旋翼长度为2l＝0.41m。
[0087]
3、主控制器的控制策略。
[0088]
为提高此无人机控制效率，采用十字形无人机的控制逻辑，如图9所示。示例性地：
[0089]
如图6所示，当无人机向前或向后运动时，沿着yb轴的机臂上的推进机构向前/向后倾转，产生前向/后向加速度，同时主控制器的控制分配算法加以补偿，保证-zb方向的升力不随倾转的变化而变化。
[0090]
如图7所示，当无人机向左右侧运动时沿xb轴的机臂上的推进机构向左右两侧倾斜，提供横向的加速度，使得无人机朝左右运动。
[0091]
当无人机进行航向运动时，四个推进机构同时以同样的角度进行倾转，在产生航向控制力矩的同时而不附加产生其余方向的加速度；如图8所示，相比于普通八旋翼无人
机，此方法可以产生较大的航向控制力矩，使得航向控制响应速度更快，航向控制能力更强。
[0092]
无人机采用基于拉力向量的级联控制策略得以实现，如图9所示，位置环与姿态环控制器采用与普通旋翼机类似的串级pid控制器，由姿态换pid控制器输出三轴期望力矩和三轴期望拉力，设期望力矩为期望加速度为则可按照动力组写出控制效率模型
[0093]
f1×
l1+f2×
l2+f3×
l3+f4×
l4＝md[0094]
f1+f2+f3+f4＝fd；
ꢀꢀ
(6)
[0095]
其中，fi＝[f
ix f
iy f
iz
]
t
为第i各铰接动力组在机体坐标系下的拉力矢量，li为第i个铰接动力组中心在机体坐标系下的位置矢量,具体为：
[0096]
l1＝[0 l 0]
[0097]
l2＝[l 0 0]
[0098]
l3＝[0
ꢀ‑
l 0]
[0099]
l4＝[-l 0 0]；
ꢀꢀ
(7)
[0100]
进一步将式(6)改写为：
[0101][0102]
其中，表示位置矢量li对应的反对称阵，例如
[0103][0104]
因此，可将式(8)进一步改写为：
[0105][0106]
则可通过伪逆法解出各铰接动力组的拉力向量：
[0107][0108]
根据式(11)解出各铰接动力组的期望拉力后，可根据式(12)解算出各铰接组的倾转角度及期望拉力：
[0109][0110]
进一步，将式(12)解算出的αi与βi输入第i个协控制器中，由第i个协控制器根据集成的imu测量单元所给出的倾转角度，控制该铰接动力组的倾转角度及产生的总拉力。其中，倾转角度αi通过串级pid控制器进行控制得出期望力矩，即：
[0111][0112]
式(13)中，pi为第i个铰接动力组的转动角速度，mi为驱动第i个动力组转动的力矩。此转动力矩需要动力组中的两个电机调整转速差实现，因此，基于这个力矩值，可写出控制效率模型为：
[0113][0114]
进一步写成矩阵形式：
[0115][0116]
则根据式(15)可解算出：
[0117][0118]
将第i个铰接动力组的两个电机的期望拉力与通过离线辨识的拉力模型转换为pwm信号，实时输入至各电调即可，至此，对于此被动铰接的旋翼机控制方案完成。
[0119]
尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内；除非明确说明，否则本文中使用的任何元件、动作或指令都不应解释为关键或必要的。

技术特征：
1.一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机，其特征在于，包括：主控制器、协控制器、十字形机架和四个推进机构；所述主控制器配置为与所述协控制器电性连接，所述主控制器用于测量机身整体姿态，并对协控制器发布角度及拉力指令；所述推进机构配置为与所述协控制器电性连接，所述协控制器用于接收来自主控制器的角度及拉力指令，控制所述推进机构；所述十字形机架具有四个机臂；四个所述推进机构分别可铰接地配置在四个所述机臂的末端；其中，所述推进机构包含有：第一推进器、第二推进器、悬臂和连接件；所述第一推进器和第二推进器分别固定地装配在所述悬臂的两端；所述连接件位于所述悬臂的中部，且所述悬臂固定地配置在所述连接件上；所述机臂配置为与所述连接件转动连接，所述机臂的中轴线与所述连接件的中心线重合，所述机臂的中轴线与所述悬臂的中轴线垂直。2.根据权利要求1所述的一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机，其特征在于，所述协控制器配置有四个，四个所述协控制器分别配置在四个所述推进机构上，四个所述协控制器分别与四个所述推进机构电性连接。3.根据权利要求1所述的一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机，其特征在于，所述连接件包含有装配架和轴承体；所述装配架中部具有安装孔，所述轴承体装配在所述安装孔内，所述轴承体的外圈配置为与所述装配架固定连接，所述轴承体的内圈配置为与所述机臂固定连接。4.根据权利要求3所述的一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机，其特征在于，所述协控制器固定地配置在所述装配架中部，所述主控制器固定地配置在所述十字形机架中部。5.根据权利要求3所述的一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机，其特征在于，所述装配架底部具有连接架，所述悬臂与所述连接架固定连接。6.根据权利要求1所述的一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机，其特征在于，所述十字形机架上设置有起落架，所述起落架配置为与所述十字形机架固定连接。7.根据权利要求1所述的一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机，其特征在于，所述十字形机架还具有上碳纤维板、下碳纤维板和支撑块；所述支撑块配置在所述上碳纤维板和下碳纤维板之间，所述上碳纤维板、下碳纤维板和机臂均与所述支撑块固定连接。8.根据权利要求6所述的一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机，其特征在于，所述悬臂的两端分别设置有的第一载板和第二载板，所述第一载板和第二载板均与悬臂固定连接，所述第一推进器和第二推进器分别装配在所述第一载板和第二载板上，所述第一推进器的中轴线和第二推进器的中轴线分别与所述第一载板和第二载板垂直。

技术总结
本发明涉及无人机技术领域，具体工开一种基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机，包括主控制器、协控制器、十字形机架和四个推进机构；所述主控制器用于测量机身整体姿态，并对协控制器发布角度及拉力指令；所述协控制器用于接收来自主控制器的角度及拉力指令，控制所述推进机构；所述十字形机架具有四个机臂；四个所述推进机构分别可转动地配置在四个所述机臂的末端；所述推进机构包含有第一推进器、第二推进器、悬臂和连接件；所述第一推进器和第二推进器分别固定地装配在所述悬臂的两端；该基于被动铰接的可倾转八旋翼无人机能通过调整推进器的功率实现控制整体的倾转平衡，同时这种倾转方式受到的行程限制较少，具有极高的灵活机动性。机动性。机动性。


技术研发人员：刘昆 秦梓杰 魏静波 李昕亮
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/6/12