专利名称：非共轴类多旋翼飞行器及其姿态控制方法
技术领域：
本发明属于航空产品技术领域，涉及一种多旋翼飞行器姿态控制方法及使用该方法的飞行器。
背景技术：
现在市场上的多旋翼飞行器的控制方法都是通过改变旋翼转速来控制飞行器姿态，这样的控制方法存在以下缺陷I.其旋翼驱动方式多适用于电机驱动，不易于设计制造重载荷、长航时的多旋翼 飞行器。2.不易于使用除电机驱动以外的驱动方式的控制，如燃油驱动。
发明内容
为解决目前多旋翼飞行器通过改变旋翼转速来控制飞行器姿态所导致的驱动方式单一、飞行器载荷小、航时短等技术问题，本发明提供一种多旋翼飞行器及其姿态控制方法。本发明的技术解决方案如下—种非共轴类多旋翼飞行器，包括机体、动力系统、传动系统、飞行控制系统、2N个旋翼组件，其中N > 2 ;所述动力系统通过传动系统驱动旋翼组件转动,所述飞行控制系统控制动力系统工作；其特殊之处在于所述每个旋翼组件包括旋翼以及用于改变旋翼桨距的桨距驱动机构，所述飞行控制系统用于控制每个桨距驱动机构的工作；所述传动系统包括依次交错分布的N个正向传动机构和N个反向传动机构；所述动力系统通过N个正向传动机构驱动N个旋翼组件的旋翼沿同一个方向旋转,所述动力系统通过N个反向传动机构驱动另外N个旋翼组件的旋翼沿反方向旋转,所述2N个旋翼组件的旋翼转速绝对值相等。上述动力系统为动力装置和减速装置,所述动力装置为电动机或发动机； 所述正向传动机构包括传动组件,所述反向传动机构包括换向组件以及与正向传动机构相同的传动组件，所述传动组件是齿轮传动组件、皮带传动组件、轴传动组件或者链传动组件；所述换向组件用于改变减速机构输出轴和传动组件输入端之间的转向关系；所述减速装置的输出轴分别与所有正向传动机构的传动组件的输入端相连，同时通过换向组件分别与所有反向传动机构的传动组件的输入端相连。上述动力系统还包括离合器，所述离合器设置在动力系统的发动机和减速装置之间或者设置在动力系统和传动系统之间。—种非共轴类多旋翼飞行器，包括机体、2N个动力系统、飞行控制系统、2N个旋翼组件，其中N > 2 ;所述动力系统驱动相应的旋翼组件转动，所述飞彳丁控制系统控制动力系统工作；其特殊之处在于
所述每个旋翼组件包括旋翼以及用于改变旋翼桨距的桨距驱动机构，所述飞行控制系统用于控制每个桨距驱动机构的工作；所述N个动力系统驱动N个旋翼组件的旋翼沿同一个方向旋转，所述另外N个反向动力系统驱动N个旋翼组件的旋翼沿反方向旋转,所述任意相邻的旋翼的旋转方向相反，所述2N个旋翼组件的旋翼转速绝对值相等。上述动力系统为动力装置和减速装置,所述动力装置为电动机或发动机；所述减速装置的输出轴分别与 相应旋翼的驱动轴相连；所述动力系统还包括离合器，所述离合器设置在动力系统的发动机和减速装置之间或者设置在动力系统和旋翼组件之间。—种非共轴类多旋翼飞行器，包括机体、N个动力系统、传动系统、飞行控制系统、2N个旋翼组件，其中NS 2 ;所述动力系统通过传动系统驱动旋翼组件转动,所述飞行控制系统控制动力系统工作；其特殊之处在于所述每个旋翼组件包括旋翼以及用于改变旋翼桨距的桨距驱动机构，所述飞行控制系统用于控制每个桨距驱动机构的工作；所述传动系统包括对角设置的正向传动机构和反向传动机构；所述动力系统设置在正向传动机构和反向传动机构的中间，所述动力系统通过正向传动机构驱动一个旋翼组件的旋翼旋转，该动力系统通过反向传动机构驱动对角设置的另外一个旋翼组件的旋翼旋转，所述任意相邻的旋翼的旋转方向相反，所述2N个旋翼组件的旋翼转速绝对值相等。上述动力系统为动力装置和减速装置,所述动力装置为电动机或发动机；所述正向传动机构包括传动组件,所述反向传动机构包括换向组件以及与正向传动机构相同的传动组件，所述传动组件是齿轮传动组件、皮带传动组件、轴传动组件或者链传动组件；所述换向组件用于改变减速机构输出轴和传动组件输入端之间的转向关系；所述减速装置的输出轴分别与所有正向传动机构的传动组件的输入端相连，同时通过换向组件分别与所有反向传动机构的传动组件的输入端相连。上述动力系统还包括离合器，所述离合器设置在动力系统的发动机和减速装置之间或者设置在动力系统和传动系统之间。—种非共轴类多旋翼飞行器的姿态控制方法，其特殊之处在于包括以下步骤I多旋翼飞行器的燃油发动机驱动至少2N个旋翼同转速旋转，使多旋翼飞行器处于飞行或悬停状态，其中的N彡2 ;2飞行控制系统采用如下方式对飞行器姿态进行控制2. I悬停姿态的控制步骤如下2. I. I使所有旋翼的转速相同，相邻旋翼的旋转方向相反；2. I. 2使所有旋翼的桨距相同；2. 2上升姿态的控制步骤如下2. 2. I使所有旋翼的转速相同，相邻旋翼的旋转方向相反；2. 2. 2使所有旋翼同时增加相同的旋翼的桨叶角度；2. 3下降姿态的控制步骤如下2. 3. I使所有旋翼的转速相同，相邻旋翼的旋转方向相反；2. 3. 2使所有的旋翼同时减小相同的旋翼的桨叶角度；
2. 4俯仰姿态的控制步骤如下2. 4. I使所有旋翼的转速相同，相邻旋翼的旋转方向相反；2. 4. 2使位于X轴一侧的旋翼桨距与X轴另一侧的旋翼桨叶角度产生桨距差，X轴同一侧旋翼的桨距相同；2. 5滚转姿态的控制步骤如下2. 5. I使所有旋翼的转速相同，相邻旋翼的旋转方向相反；2. 5. 2使位于Y轴一侧的旋翼桨距与Y轴另一侧的旋翼桨距产生桨距差，Y轴同一侧旋翼的桨距相同；2. 6偏航姿态的控制步骤如下·2. 6. I使所有旋翼的转速相同，相邻旋翼的旋转方向相反；2. 6. 2使同一对角线旋转方向相同的所有旋翼的桨距同时增加且与相反旋转方向产生桨距差，即相反旋转方向的桨距不变或减小。上述发动机的数量为一台、N台或者数量与旋翼的数量一致且--对应。本发明的有益效果I、本发明非共轴类多旋翼飞行器，在使飞行器各个旋翼转速相同，相邻旋翼转速相反的条件下，通过控制旋翼桨距来调整飞行器姿态，克服了目前通过旋翼转速来进行飞行器姿态控制所导致的驱动方式单一、飞行器载荷小、航时短等技术问题。2、本发明非共轴类多旋翼飞行器的姿态控制方法，使所有旋翼的转速相同，相邻旋翼的旋转方向相反；旋翼的转速由控制系统的同一通道控制且保持始终转速相同。每个旋翼均可独立控制旋翼桨距，通过控制桨距改变而改变升力，进而可以实现飞行器的六自由度姿态和运动控制。
图I为变桨距机构示意图；图2为可变桨距的旋翼组件机构示意图；图3为四旋翼飞行器的旋翼分布结构图；图4为四旋翼飞行器的旋翼旋转示意图；图5为四旋翼飞行器处于垂直姿态控制的旋翼状态图；图6为四旋翼飞行器处于俯仰/滚动姿态控制的旋翼状态图；图7为四旋翼飞行器处于偏航姿态控制的旋翼状态具体实施例方式一种多旋翼飞行器，包括机体、飞行控制系统、安装于机体上的动力驱动系统及2N个旋翼组件，其中N > 2，旋翼组件安装于机体上方且均布于以机架为中心的圆周上。动力传动机构包括设置在减速机构和旋翼组件之间的动力分配机构和反转机构，动力分配机构的数量与旋翼组件的数量一致，反转机构的数量是旋翼组件数量的一半；动力分配机构按照飞行控制系统的姿态控制信号将减速机构输出的动力直接分配至相应的旋翼组件或者通过反转机构再分配至相邻的旋翼组件，减速机构用于将发动机输出的转速减小，减速机构的输出转速通过多个动力传动机构传递给多个可变桨距的旋翼组件，动力传动机构分为正向动力传动机构和反向动力传递机构，正向动力传动机构输出的转速与减速机构的输出转速同向，反向动力传动机构输出的转速与减速机构的输出转速反向向，反向传动机构和正向传动机构间隔设置，动力传动机构可通过传动轴2传动。每个旋翼组件均包括一个变桨距组件3，变桨距组件3的输入端与飞行控制系统连接，输出端与旋翼连接。飞行控制系统包括伺服机构(包括桨距、油门)、多种传感器(包括转速、气压高度、GPS、空速传感器)、基于MEMS (微机械系统)的惯性测量单元三轴姿态MU、三轴加速度计、三轴数字罗盘、姿态控制计算机、导航控制计算机。无线通讯数据链路包括上下行数传、图传电台及发射接收天线系统；还包括地面站及遥控器。飞行器可搭载各种可用于飞行器挂载的任务载荷，如可见光、红外、合成孔径雷达等成像设备；农药、化肥、电子干扰设备、通讯中继设备；各种可用于飞行器挂载的武器装 奋寺寺。为了更清晰的了解多旋翼飞行器的姿态控制方法，以下将结合
，以四旋翼I台发动机驱动为例(通过机械传动将发动机动力同步传给四个旋翼，使它们等速旋转)。如图4，首先将四个旋翼I分为顺时针和逆时针两组，位于同一对角线的两个旋翼为同组，即旋翼1、3—组，2、4 一组。四只旋翼的转速由控制系统的同一通道控制且保持始终转速相同。四只旋翼均可独立控制旋翼桨距。通过四个旋翼控制桨距改变而改变升力，进而可以实现飞行器的六自由度姿态和运动控制。如图5所示，在一定转速下，四只旋翼桨距相同时，反扭力两两相互抵消，飞行器可以悬停；同时增加或减小桨距角度可以实现飞行器垂直上升、下降运动。如图6所示，在一定转速下，仅旋翼I增加桨距，旋翼3桨距不变或减小，则飞行器产生绕Y轴的俯仰运动，并可产生相应方向的平移，反之亦然。在一定转速下，仅旋翼2增加桨距，旋翼4桨距不变或减小，则飞行器产生绕X轴的滚转运动，并可产生相应方向的平移，反之亦然。如图7所示，在一定转速下，等量增加或减小同一组旋翼桨距，比如旋翼(1、3)同时增加，而旋翼(2、4)桨距不变或减小，则飞行器因产生反扭力而引起绕Z轴的偏航运动，反之亦然。此变桨距控制多旋翼的姿态和运动的方法，适用于十字型布局四旋翼飞行器。通过对不同旋翼的耦合控制算法也适用于X型布局的四旋翼飞行器，同时可以扩展到包括三旋翼、六旋翼、八旋翼......N旋翼等布局的飞行器上。如使用两台发动机驱动，则分别用一台发动机通过机械传动驱动同一对角线的同组旋翼。同时需要使用两组转速传感器分别监测这两组旋翼的转速，并通过控制回路调整油门量以使两组旋翼保持相同转速。如使用四台及以上的发动机驱动多旋翼布局的飞行器，则分别由一台发动机驱动一个旋翼(可直接驱动，也可由机械传动驱动)，同时需要给每一个旋翼安装转速传感器监测该旋翼转速，并通过控制回路调整油门量以使所以旋翼保持相同转速。此种变桨距控制方法也适用于电动机驱动的多旋翼飞行器。对于此类多旋翼飞行器的控制信号，可以由遥控接收机或飞控计算机等产生。
本发明中的旋翼也成为螺 旋桨。
权利要求
1.一种非共轴类多旋翼飞行器，包括机体、动力系统、传动系统、飞行控制系统、2N个旋翼组件，其中NS 2 ;所述动力系统通过传动系统驱动旋翼组件转动,所述飞行控制系统控制动力系统工作； 其特征在于 所述每个旋翼组件包括旋翼以及用于改变旋翼桨距的桨距驱动机构，所述飞行控制系统用于控制每个桨距驱动机构的工作； 所述传动系统包括依次交错分布的N个正向传动机构和N个反向传动机构；所述动力系统通过N个正向传动机构驱动N个旋翼组件的旋翼沿同一个方向旋转,所述动力系统通过N个反向传动机构驱动另外N个旋翼组件的旋翼沿反方向旋转,所述2N个旋翼组件的旋翼转速绝对值相等。
2.根据权利要求I所述的非共轴类多旋翼飞行器，其特征在于 所述动力系统为动力装置和减速装置，所述动力装置为电动机或发动机； 所述正向传动机构包括传动组件，所述反向传动机构包括换向组件以及与正向传动机构相同的传动组件，所述传动组件是齿轮传动组件、皮带传动组件、轴传动组件或者链传动组件；所述换向组件用于改变减速机构输出轴和传动组件输入端之间的转向关系； 所述减速装置的输出轴分别与所有正向传动机构的传动组件的输入端相连，同时通过换向组件分别与所有反向传动机构的传动组件的输入端相连。
3.根据权利要求2所述的非共轴类多旋翼飞行器，其特征在于所述动力系统还包括离合器，所述离合器设置在动力系统的发动机和减速装置之间或者设置在动力系统和传动系统之间。
4.一种非共轴类多旋翼飞行器，包括机体、2N个动力系统、飞行控制系统、2N个旋翼组件，其中N > 2 ;所述动力系统驱动相应的旋翼组件转动,所述飞行控制系统控制动力系统工作； 其特征在于 所述每个旋翼组件包括旋翼以及用于改变旋翼桨距的桨距驱动机构，所述飞行控制系统用于控制每个桨距驱动机构的工作； 所述N个动力系统驱动N个旋翼组件的旋翼沿同一个方向旋转,所述另外N个反向动力系统驱动N个旋翼组件的旋翼沿反方向旋转，所述任意相邻的旋翼的旋转方向相反，所述2N个旋翼组件的旋翼转速绝对值相等。
5.根据权利要求4所述的非共轴类多旋翼飞行器，其特征在于 所述动力系统为动力装置和减速装置，所述动力装置为电动机或发动机； 所述减速装置的输出轴分别与相应旋翼的驱动轴相连； 所述动力系统还包括离合器，所述离合器设置在动力系统的发动机和减速装置之间或者设置在动力系统和旋翼组件之间。
6.—种非共轴类多旋翼飞行器,包括机体、N个动力系统、传动系统、飞行控制系统、2N个旋翼组件，其中NS 2 ;所述动力系统通过传动系统驱动旋翼组件转动,所述飞行控制系统控制动力系统工作； 其特征在于 所述每个旋翼组件包括旋翼以及用于改变旋翼桨距的桨距驱动机构，所述飞行控制系统用于控制每个桨距驱动机构的工作； 所述传动系统包括对角设置的正向传动机构和反向传动机构；所述动力系统设置在正向传动机构和反向传动机构的中间，所述动力系统通过正向传动机构驱动一个旋翼组件的旋翼旋转，该动力系统通过反向传动机构驱动对角设置的另外一个旋翼组件的旋翼旋转，所述任意相邻的旋翼的旋转方向相反，所述2N个旋翼组件的旋翼转速绝对值相等。
7.根据权利要求6所述的非共轴类多旋翼飞行器，其特征在于 所述动力系统为动力装置和减速装置，所述动力装置为电动机或发动机； 所述正向传动机构包括传动组件，所述反向传动机构包括换向组件以及与正向传动机构相同的传动组件，所述传动组件是齿轮传动组件、皮带传动组件、轴传动组件或者链传动组件；所述换向组件用于改变减速机构输出轴和传动组件输入端之间的转向关系； 所述减速装置的输出轴分别与所有正向传动机构的传动组件的输入端相连，同时通过换向组件分别与所有反向传动机构的传动组件的输入端相连。
8.根据权利要求7所述的非共轴类多旋翼飞行器，其特征在于所述动力系统还包括离合器，所述离合器设置在动力系统的发动机和减速装置之间或者设置在动力系统和传动系统之间。
9.一种非共轴类多旋翼飞行器的姿态控制方法，其特征在于包括以下步骤 .1多旋翼飞行器的燃油发动机驱动至少2N个旋翼同转速旋转，使多旋翼飞行器处于飞行或悬停状态，其中的N彡2 ； .2飞行控制系统采用如下方式对飞行器姿态进行控制 .2.I悬停姿态的控制步骤如下 . 2.I. I使所有旋翼的转速相同，相邻旋翼的旋转方向相反； .2.I. 2使所有旋翼的桨距相同； .2.2上升姿态的控制步骤如下 .2.2. I使所有旋翼的转速相同，相邻旋翼的旋转方向相反； .2.2. 2使所有旋翼同时增加相同的旋翼的桨叶角度； .2.3下降姿态的控制步骤如下 .2.3. I使所有旋翼的转速相同，相邻旋翼的旋转方向相反； .2.3. 2使所有的旋翼同时减小相同的旋翼的桨叶角度； .2.4俯仰姿态的控制步骤如下 .2.4. I使所有旋翼的转速相同，相邻旋翼的旋转方向相反； .2.4. 2使位于X轴一侧的旋翼桨距与X轴另一侧的旋翼桨叶角度产生桨距差，X轴同一侧旋翼的桨距相同； .2.5滚转姿态的控制步骤如下 .2.5. I使所有旋翼的转速相同，相邻旋翼的旋转方向相反； .2.5. 2使位于Y轴一侧的旋翼桨距与Y轴另一侧的旋翼桨距产生桨距差，Y轴同一侧旋翼的桨距相同； .2.6偏航姿态的控制步骤如下 .2.6. I使所有旋翼的转速相同，相邻旋翼的旋转方向相反； .2.6. 2使同一对角线旋转方向相同的所有旋翼的桨距同时增加且与相反旋转方向产生桨距差，即相反旋转方向的桨距不变或减小。
10.根据权利要求9所述的多旋翼飞行器姿态控制方法，其特征在于所述发动机的数量为一台、N台或者数量与旋翼的数量一致且--对应。
全文摘要
本发明涉及一种非共轴类多旋翼飞行器，包括机体、动力系统、传动系统、飞行控制系统、2N个旋翼组件，其中N≥2；动力系统通过传动系统驱动旋翼组件转动，飞行控制系统控制动力系统工作；每个旋翼组件包括旋翼以及用于改变旋翼桨距的桨距驱动机构，飞行控制系统用于控制每个桨距驱动机构的工作；传动系统包括依次交错分布的N个正向传动机构和N个反向传动机构；动力系统通过N个正向传动机构驱动N个旋翼组件的旋翼沿同一个方向旋转。本发明解决了目前多旋翼飞行器通过改变旋翼转速来控制飞行器姿态所导致的驱动方式单一、飞行器载荷小、航时短等技术问题。
文档编号B64C11/30GK102951290SQ201210429709
公开日2013年3月6日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者王辉 申请人:西安韦德沃德航空科技有限公司