一种模块化可重构及自适应控制的穿隧无人机的制作方法

1.本发明属于无人机领域，具体涉及一种模块化可重构及自适应控制的穿隧无人机。


背景技术：

2.多旋翼是近年来航空领域的一大创新性成果，在民用领域也得到了全面发展，作为高科技装备，技术已经成熟。当前社会上比较常见的有四旋翼、六旋翼、八旋翼或更多旋翼无人机，一般每个旋翼之间间隔和角度相同，采取对称方式设置，以确保无人机飞行过程的平衡稳定。
3.与固定翼无人机相比，多旋翼无人机对飞行场地要求较低，无需起降跑道，只需要数平方米的空场地就可以进行垂直起降，它的操控原理简单，操控器四个遥感操作对应飞行器的前后、左右、上下和偏航方向。在城市高楼中穿梭和在煤矿地质环境的调查，多旋翼无人机显示出了其他类型无人机无可比拟的优势。
4.目前国内大部分多轴都是三角形、正方形、正六边形和正八边形机架布局，很少有企业研究长方形机架无人机，也很少有相关的资料记载。很多企业对长方形无人机的飞行稳定性不自信，对它的行业应用领域迷茫，对长方形无人机方向灵活性有所怀疑，对长条形体积有所担忧。因为这样一个长条形空间，拓宽了多旋翼无人机的行业应用领域，但同时也提高了无人机飞行控制的难度。
5.当长方形机架无人机的机身长度呈长条形，长宽比较小时，在一定程度上提高了无人机的通过性；而且长方形的机架更加适合安装矩形任务载荷，按照对称的顺序依次安装三四个抛投箱，保证无人机重心的稳定，每个抛投箱中可以携带质量差不多的急救物质，高效地完成物资抛投工作。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种模块化可重构及自适应控制的穿隧无人机，采用长条形方案，通过一个单旋翼附加一片滑流舵的最小模块单元，拼接成一个最小飞行单元，多个最小飞行单元首尾相连或并排连接；能依据载荷的重量和尺寸需求，装卸缩放飞行器。
7.所述模块化可重构及自适应控制的穿隧无人机包括若干最小飞行单元，每个最小飞行单元由两个最小模块单元固连组成；
8.最小模块单元包括位于机身的电池槽，飞控槽，旋翼及电机，舵机，滑流舵面，连接凹槽，碳管以及脚架。
9.所述旋翼及电机固定在机身上方，电机带动旋翼高速旋转产生推力，在电机下端的机身上围绕着沿四个方向均匀分布的连接凹槽，用于安装碳管；
10.在相邻两个连接凹槽的共线底端设有一个脚架，用于支撑机身；
11.在连接凹槽下方的机身中心从上到下分别设有电池槽和飞控槽；飞控槽的下方连接滑流舵组件。滑流舵组件包括舵机和滑流舵面，舵机两侧对称安装滑流片，通过滑流片与
机身上的安装槽配合固定，下方悬空连接滑流舵面。
12.两个最小模块单元通过碳管相连，保持镜像对称组成最小飞行单元，两个旋翼分别顺时针旋转和逆时针旋转，互相抵消反扭矩。
13.具体为：两个最小模块单元的两个舵机分别提供扭力，锥齿轮传力并改变两个滑流舵面的运动方向，可以同向运动或者反向运动，从而实现横侧向的可控转动；两侧旋翼可以实现差速运动，前飞过程中，通过电机差速运动，使得两侧旋翼转速不同产生推力差从而抵消反扭距；
14.所述穿隧无人机实现模块可重构以及自适应控制，具体为：
15.1)、至少两个最小飞行单元以一字连接，形成纵向延伸；
16.具体方式为：针对每个最小飞行单元，两个最小模块单元的旋翼旋转方向均为顺-逆时针方向或者均为逆-顺时针方向；
17.则所有最小飞行单元的最小模块单元依次连接，形成按“顺-逆-顺-逆-顺-逆
……”
排序的一字布局。或者，形成按“逆-顺-逆-顺-逆-顺
……”
排序的一字布局。
18.由于各最小飞行单元通过两侧旋翼差动抵消反扭距，只需要改变两端最小飞行单元的升力以抵消整体反扭；
19.同时，只需要改变两端最小飞行单元的同步滑流舵面的运动方向，可以两端同向运动或者两端反向运动，从而实现横侧向的可控转动。
20.2)、至少两个最小飞行单元以并排连接，形成网格延伸：
21.具体方式为：
22.将最小飞行单元a中的顺(逆)时针方向旋转的最小模块单元与最小飞行单元b的逆(顺)时针方向旋转的最小模块单元连接，最多可以连接三个最小飞行单元b，形成“顺-逆”间隔交叉的方块布局，与常见“四旋翼”相似，控制方法相同。
23.同理，可根据实际需要，自行设定纵向延伸的最小飞行单元数量，实现自适应控制；纵向延伸和网格延伸的布局由任意数量的最小飞行单元连接组成。
24.本发明的优点在于：
25.(1)一种模块化可重构及自适应控制的穿隧无人机，通过旋翼反向旋转以抵消自转扭矩；旋翼差速控制俯仰；滑流舵面控制横侧向变化，控制简单。
26.(2)一种模块化可重构及自适应控制的穿隧无人机，纵向延伸方案能依据载荷的重量和尺寸需求装卸缩放飞行器，只需要改变两端最小飞行单元的升力以抵消整体反扭、控制整体俯仰；两端最小飞行单元的同步滑流舵面控制横侧向变化，控制简单，可以提高无人机最大载重，可应用于高负重应用场景。
27.(3)一种模块化可重构及自适应控制的穿隧无人机，网格延伸方案与常见“多旋翼”控制方法相同。能依据载荷的重量和尺寸需求装卸缩放飞行器，也可以提高无人机最大载重，可应用于高负重应用场景。
28.(4)一种模块化可重构及自适应控制的穿隧无人机，由于飞行单元模块化，生产成本降低，通用性增加。
附图说明
29.图1为本发明最小模块单元的示意图；
30.图2为本发明最小飞行单元的示意图；
31.图3为本发明纵向延伸方案的示意图；
32.图4为本发明网格延伸方案的示意图；
33.图5为本发明纵向延伸方案的旋翼转向示意图；
34.图6为本发明网格延伸方案的旋翼转向示意图；
35.图中：1-电池槽；2-飞控槽；3-旋翼及电机；4-舵机；5-滑流舵面；6-连接凹槽；7-碳管；8-脚架；9-最小飞行单元a；10-最小飞行单元b；
具体实施方式
36.下面结合附图，对本发明的实施方式做详细、清楚的描述。
37.本发明公开了一种模块化可重构及自适应控制的穿隧无人机，通过一个单旋翼附加一片滑流舵组成最小模块单元，两个模块单元拼接成一个最小飞行单元，多个飞行单元可以首尾相连或并排连接，形成串联飞行器，特点是机身横截面小与机身长度可装卸改变。本发明能依据载荷的重量和尺寸需求装卸缩放飞行器，具有穿越狭小窗口、穿行狭长隧道完成侦察运载的能力。
38.如图1所示，最小模块单元包括机身、动力组件、控制组件、连接组件和起降组件；具体包括：电池槽1，飞控槽2，旋翼及电机3，舵机4，滑流舵面5，连接凹槽6，碳管7以及脚架8。
39.动力组件为位于机身上方的单个旋翼及电机，控制组件为位于机身下方的舵机和单片滑流舵面；连接组件为环绕机身、分别朝向前后左右四个方向的连接凹槽及可装卸的连接碳管；起降组件为环绕机身、分别朝向左前、左后、右前、右后并向下延伸的脚架，确保滑流舵面不触地。
40.旋翼及电机固定在机身上方，主要提供升力；电机选用直流电机，带动旋翼高速旋转产生推力，在电机下端的机身上围绕着沿四个方向均匀分布的连接凹槽，用于安装碳管；
41.在相邻两个连接凹槽的共线底端设有一个脚架，用于支撑机身；
42.在连接凹槽下方的机身中心从上到下分别设有电池槽和飞控槽；飞控槽的下方连接滑流舵组件。滑流舵组件包括舵机和滑流舵面，舵机两侧对称安装滑流片，通过滑流片与机身上的安装槽配合固定，下方悬空连接滑流舵面。
43.如图2所示，两个最小模块单元通过碳管相连，保持镜像对称组成最小飞行单元，并分散受力保证结构的可靠性，两个旋翼分别顺时针旋转和逆时针旋转，互相抵消自转扭矩；通过旋翼的差速控制飞行单元的俯仰，通过滑流舵面控制飞行单元的横侧向变化。
44.碳管为中空的连接杆，可与其中放置线路，用于连接其他模块单元。
45.具体为：两个最小模块单元的两个舵机分别提供扭力，锥齿轮传力并改变两个滑流舵面的运动方向，可以同向运动或者反向运动，从而实现横侧向的可控转动；两侧旋翼可以实现差速运动，前飞过程中，通过电机差速运动，使得两侧旋翼转速不同产生推力差从而抵消反扭距；保证发明运动设计的可行性。
46.计算公式为：
47.w
a1
和w
a2
分别为两个电机的输出功率，p
out
为目标俯仰角速度对应的电机输出量，
δ
throttle
代表目标升降速度对应的电机输出量。
48.所述穿隧无人机实现模块可重构以及自适应控制，具体为：
49.1)、至少两个最小飞行单元以一字连接，形成纵向延伸；
50.具体方式为：针对每个最小飞行单元，两个最小模块单元的旋翼旋转方向均为顺-逆时针方向或者均为逆-顺时针方向；
51.则将前边最小飞行单元a中的逆时针方向旋转的最小模块单元与后一最小飞行单元b的顺时针方向旋转的最小模块单元连接，依次类推，所有最小飞行单元的最小模块单元依次连接，形成按“顺-逆-顺-逆-顺-逆
……”
排序的一字布局；或者，形成按“逆-顺-逆-顺-逆-顺
……”
排序的一字布局。
52.由于各最小飞行单元通过两侧旋翼差动抵消反扭距，只需要改变两端最小飞行单元的升力以抵消整体反扭；
53.同时，最小飞行单元的滑流舵的控制可以视为同步滑流舵，同向运动。只需要改变两端最小飞行单元的同步滑流舵面的运动方向，可以两端同向运动或者两端反向运动，从而实现横侧向的可控转动。
54.2)、至少两个最小飞行单元以并排连接，形成网格延伸：
55.具体方式为：
56.将最小飞行单元a中的顺(逆)时针方向旋转的最小模块单元与最小飞行单元b的逆(顺)时针方向旋转的最小模块单元连接，最多可以连接三个最小飞行单元b，形成“顺-逆”间隔交叉的方块布局，与常见“四旋翼”相似，控制方法相同。
57.同理，可根据实际需要，自行设定纵向延伸的最小飞行单元数量，实现自适应控制；纵向延伸和网格延伸的布局由任意数量的最小飞行单元连接组成。
58.实施例：
59.如图3所示，为纵向延伸方案的示意图；最小飞行单元a与最小飞行单元b由一根连接碳管组成，形成一字连接；其中，将单元a中的顺时针方向旋转的模块单元与单元b中的逆时针方向旋转的模块连接，四个最小模块单元的旋转方向依次形成“顺-逆-顺-逆”的一字布局，该布局可以由任意数量的最小飞行单元连接组成，例如：三个最小飞行单元组成“顺-逆-顺-逆-顺-逆”的布局、四个最小飞行单元组成“顺-逆-顺-逆-顺-逆-顺-逆”的布局，以此类推。
60.纵向延伸方案旋翼转向示意图如图5所示。
61.控制时，通过连接碳管两侧的旋翼及电机的升力差控制飞行单元的俯仰；将单元a的两个滑流舵面设定为同步同向，单元b的两个滑流舵面设定为同步同向，两侧舵面同向偏转造成飞行单元的滚转、反向偏转造成飞行单元的偏航。
62.以图3为例，从右到左的模块单元编号分别为a1、a2、b1、b2，四个电机的控制输出公式如下：
[0063][0064]
飞行单元的横侧向控制由滑流舵面完成，如下：
[0065][0066]
h为滑溜舵面的输出舵量，q
out
代表目标滚转角速度对应的电机输出量，r
out
代表目标偏航角速度对应的电机输出量。
[0067]
通过上述设计，该无人机可以由任意数量的最小飞行单元连接组成，两端的飞行单元的旋翼升力差控制俯仰，其他旋翼提供升力；两端的飞行单元的同步滑溜舵面控制横侧向，其他滑溜舵面保持中位不需控制。依据载荷的重量和尺寸需求装卸缩放飞行器，控制方式相同，在机身横截面小的同时兼顾高载荷。
[0068]
如图4所示，为网格延伸方案的示意图；最小飞行单元a与最小飞行单元b由两根连接碳管组成，并排连接。将单元a中的顺时针方向旋转的模块单元与单元b的逆时针方向旋转的模块单元连接，将单元a中的逆时针方向旋转的模块单元与单元b的顺时针方向旋转的模块单元连接，形成顺时针方向“顺-逆-顺-逆”的方块布局，该布局可以由任意数量的最小飞行单元连接组成，例如：三个最小飞行单元组成“六旋翼”、四个最小飞行单元组成“八旋翼”的布局，以此类推。
[0069]
网格延伸方案旋翼转向示意图如图6所示。
[0070]
控制时，与常见“四旋翼”相似，控制方法相同。以图4为例，从右上开始逆时针方向的模块单元编号分别为a1、a2、b1、b2，电机控制输出公式如下：
[0071][0072]
飞行单元的滑流舵面辅助完成侧向控制，具体如下：
[0073][0074]
本发明在前飞时机身横截面小，机身长度可装卸改变且控制方法简单。旋翼提供升力和前飞的水平方向力，俯仰由两侧的旋翼的差速控制，横侧向变化由滑溜舵控制，实现穿越狭小窗口和狭长隧道。

技术特征：
1.一种模块化可重构及自适应控制的穿隧无人机，其特征在于，包括若干最小飞行单元，每个最小飞行单元由两个最小模块单元通过碳管固连，保持镜像对称；两个旋翼分别顺时针旋转和逆时针旋转，互相抵消反扭矩；模块化可重构以及自适应控制具体为：1)、至少两个最小飞行单元以一字连接，形成纵向延伸；具体方式为：针对每个最小飞行单元，两个最小模块单元的旋翼旋转方向均为顺-逆时针方向或者均为逆-顺时针方向；则所有最小飞行单元的最小模块单元依次连接，形成按“顺-逆-顺-逆-顺-逆
……”
排序的一字布局；或者，形成按“逆-顺-逆-顺-逆-顺
……”
排序的一字布局；由于各最小飞行单元通过两侧旋翼差动抵消反扭距，只需要改变两端最小飞行单元的升力以抵消整体反扭；同时，只需要改变两端最小飞行单元的同步滑流舵面的运动方向，可以两端同向运动或者两端反向运动，从而实现横侧向的可控转动；2)、至少两个最小飞行单元以并排连接，形成网格延伸：具体方式为：将最小飞行单元a中的顺/逆时针方向旋转的最小模块单元与最小飞行单元b的逆/顺时针方向旋转的最小模块单元连接，最多连接三个最小飞行单元b，形成“顺-逆”间隔交叉的方块布局，与常见“四旋翼”相似，控制方法相同；同理，可根据实际需要，自行设定纵向延伸的最小飞行单元数量，实现自适应控制；纵向延伸和网格延伸的布局由任意数量的最小飞行单元连接组成。2.如权利要求1所述的一种模块化可重构及自适应控制的穿隧无人机，其特征在于，所述最小模块单元包括位于机身的电池槽，飞控槽，旋翼及电机，舵机，滑流舵面，连接凹槽，碳管以及脚架；所述旋翼及电机固定在机身上方，电机带动旋翼高速旋转产生推力，在电机下端的机身上围绕着沿四个方向均匀分布的连接凹槽，用于安装碳管；在连接凹槽下方的机身中心从上到下分别设有电池槽和飞控槽；飞控槽的下方连接滑流舵组件；滑流舵组件包括舵机和滑流舵面，舵机两侧对称安装滑流片，通过滑流片与机身上的安装槽配合固定，下方悬空连接滑流舵面。3.如权利要求1所述的一种模块化可重构及自适应控制的穿隧无人机，其特征在于，所述在相邻两个连接凹槽的共线底端设有一个脚架，用于支撑机身。4.如权利要求1所述的一种模块化可重构及自适应控制的穿隧无人机，其特征在于，所述两个最小模块单元的两个舵机分别提供扭力，锥齿轮传力并改变两个滑流舵面的运动方向，可以同向运动或者反向运动，从而实现横侧向的可控转动；两侧旋翼可以实现差速运动，前飞过程中，通过电机差速运动，使得两侧旋翼转速不同产生推力差从而抵消反扭距。

技术总结
本发明公开了一种模块化可重构及自适应控制的穿隧无人机，属于无人机领域；具体包括：一个单旋翼附加一片滑流舵的最小模块单元，最小模块单元包括机身、动力组件、控制组件、连接组件和起降组件；两个模块单元通过连接杆拼接成一个最小飞行单元，多个飞行单元可以首尾相连或并排连接；通过连接杆两侧的旋翼反向旋转以抵消自转扭矩；通过旋翼的差速控制飞行单元的俯仰；飞行单元的横侧向变化由滑流舵面控制，本发明能依据载荷的重量和尺寸需求装卸缩放飞行器，具有穿越狭小窗口、穿行狭长隧道完成侦察运载的能力。成侦察运载的能力。成侦察运载的能力。


技术研发人员：王松 谢嘉轩 赵亦涵 莫竣然 吴珂帆 唐嘉鑫 张楠
受保护的技术使用者：北京创衡控制技术有限公司
技术研发日：2023.02.10
技术公布日：2023/4/25