多旋翼飛行器及其控制方法
【專利說明】多旋翼飛行器及其控制方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及飛行技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種多旋翼飛行器及其控制方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 多旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)趨于簡單，成本較為低廉，性能以及飛行控制技術(shù)越來越完 善，具有廣闊的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為國際上的一大流行熱點(diǎn)。
[0003] 多旋翼飛行器的動力系統(tǒng)主要包括電池，電機(jī)，螺旋槳以及電子調(diào)速器，再配合各 種傳感器和飛控軟件，通過電子調(diào)速器調(diào)節(jié)電機(jī)的電流大小，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得螺 旋槳產(chǎn)生的拉力和各個方向的力矩能實(shí)現(xiàn)多旋翼飛行器的起飛、降落以及其他飛行姿態(tài)的 控制。
[0004] 目前，多旋翼飛行器，無論是4旋翼，6旋翼或是8旋翼，結(jié)構(gòu)大同小異。單個飛行 器基本都采用同樣規(guī)格的電子調(diào)速器，電機(jī)和螺旋槳，從現(xiàn)有的飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計和動力系 統(tǒng)搭配而言，對于其性能如最大負(fù)載，可操控性，穩(wěn)定性，機(jī)動性，續(xù)航時間和安全性能等方 面的總體提升遇到瓶頸，不足以滿足越來越高的性能要求。
[0005] 以現(xiàn)有的一種4旋翼飛行器為例，4個電機(jī)分布在四頂角，且位于同一平面，中心 對稱，規(guī)格一致，通過4個一致化的獨(dú)立的電子調(diào)速器來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，驅(qū)動同樣尺寸和螺 距但順反不同的螺旋槳產(chǎn)生升力。相鄰的螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向相反來保證水平面上的扭矩平 衡。通過各種傳感器（如加速度感應(yīng)器，陀螺儀等）測出即時姿態(tài)參數(shù)，飛控軟件通過計算 姿態(tài)參數(shù)后輸出信號給電子調(diào)速器，以調(diào)節(jié)電流來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，從而產(chǎn)生拉力和 力矩的變化，最終控制飛行器的各個姿態(tài)。其他多旋翼飛行器例如6旋翼、8旋翼飛行器的 姿態(tài)控制均類似。
[0006] 負(fù)載：
[0007] 根據(jù)螺旋槳的拉力計算公式得知，螺距不變的情況下，螺旋槳轉(zhuǎn)速越快，直徑越 長，面積越大，拉力越大。對于選定規(guī)格的螺旋槳，只有提高轉(zhuǎn)速才能使得拉力提高。但由 于電機(jī)的效率與螺旋槳的轉(zhuǎn)速并不是簡單的線性關(guān)系，隨著轉(zhuǎn)速提高，拉力雖然也增加，但 幅度下降，也即效率沒有同等程度的提升，反而會下降，同時溫度急劇升高，對于飛行器的 操控性，安全性，電池續(xù)航能力等其他性能都產(chǎn)生不利影響。
[0008] 提升電機(jī)效率的簡單有效方法就是加大軸距，選擇直徑更長的槳葉，同時選擇更 大規(guī)格的電機(jī)如盤式電機(jī)，在提供同樣升力的情況下，效率大大提高。但電機(jī)重量也隨之增 加，同時槳葉強(qiáng)度要求更高，重量更大，會導(dǎo)致可操控性和機(jī)動性等其他方面的性能大大降 低而不能滿足要求。
[0009] 可操控性：
[0010] 可操控性的影響因素主要包括飛控軟件、電子調(diào)速器、螺旋槳和電機(jī)等的響應(yīng)速 度。由于前兩者的響應(yīng)速度基本都是毫秒級，因此飛行器的操控性主要取決于電機(jī)和螺旋 槳的響應(yīng)速度。電機(jī)越大越重，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量越大，螺旋槳亦然，而角加速度和轉(zhuǎn)動慣量 成反比，越大的電機(jī)和槳葉響應(yīng)速度越慢，對于操控性都有負(fù)面的影響。配有15寸乃至更 長的槳葉和大型盤式電機(jī)的大型6旋翼，8旋翼飛行器的操控性大大低于配有9寸槳葉和小 尺寸電機(jī)的小型4旋翼飛行器。
[0011] 穩(wěn)定性：
[0012] 飛行器的穩(wěn)定性取決于兩個方面，一個是其自身的轉(zhuǎn)動慣量，一個是其在環(huán)境干 擾影響其穩(wěn)定性的情況下，其負(fù)反饋調(diào)節(jié)的能力。小型飛行器軸距小，質(zhì)量小，轉(zhuǎn)動慣量小， 容易受到環(huán)境干擾，但其操控性好，負(fù)反饋調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度快，但由于小型飛行器的總功率 較小，電池容量也小，大大影響負(fù)反饋調(diào)節(jié)的極限能力，總體而言，穩(wěn)定性較差。大型多旋翼 飛行器軸距大，質(zhì)量大，轉(zhuǎn)動慣量較大，抗環(huán)境干擾能力優(yōu)于小型飛行器，但其操控性差，負(fù) 反饋調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度較慢，對于飛行環(huán)境的抗干擾性總體上來講也不太強(qiáng)。
[0013] 機(jī)動性：
[0014] 小型飛行器的電機(jī)和螺旋槳轉(zhuǎn)動慣量小，反應(yīng)迅速，而且整機(jī)體積小，重量輕，機(jī) 身的各個方向的轉(zhuǎn)動慣量都小，因此機(jī)動性非常好；大型無人機(jī)的機(jī)動性則相對低的多，特 別的對于穩(wěn)定性有強(qiáng)烈要求的專業(yè)航拍大型8軸飛行器，機(jī)動性相當(dāng)差。
[0015] 續(xù)航時間：
[0016] 電子調(diào)速器調(diào)控電機(jī)的轉(zhuǎn)速，類比汽車的加減速過程。從0-100碼加速，可以小油 門慢慢加速，也可以大油門迅速加速；從100-0碼的減速，可以輕柔剎車慢慢減速，也可以 重踩剎車，迅速減速。由于響應(yīng)速度的需求，當(dāng)需要轉(zhuǎn)速迅速增加的時候，電機(jī)需要更大的 電流，好比汽車急速加速導(dǎo)致油耗突然增大一樣，電機(jī)的瞬間電耗迅速增大；類似的，需要 轉(zhuǎn)速迅速下降的時候，電流迅速減小，但電機(jī)和螺旋槳由于轉(zhuǎn)動慣量的因素，減速較慢，這 種速度差造成的"剎車效果"亦會產(chǎn)生不必要的電耗損失。因此，無論加速和減速，電耗都 在大大增加。多旋翼飛行器的任何姿態(tài)調(diào)整都需要調(diào)節(jié)電流來調(diào)控電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種方式 雖然使得飛行器的結(jié)構(gòu)簡單化，但極其耗電。并且越大型的飛行器，為了減少對于姿態(tài)調(diào)整 的響應(yīng)時間，其所耗費(fèi)的電量就越大。由此飛行器的實(shí)際使用的時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理想狀態(tài) (海平面附近上方且無風(fēng)環(huán)境下）的懸停的時間，大約只有理想狀態(tài)懸停時間的40%左右。
[0017] 很多小型4旋翼飛行器由于電機(jī)效率不高，拉力較小，最大起飛重量小，電池已經(jīng) 占了總重量的25%以上，無法承載更大容量電池，在無風(fēng)靜止懸停的工況下，懸停時間約為 20分鐘。而若在實(shí)際使用過程中如果機(jī)動時間較長或者風(fēng)大的情況下，懸停時間則更短，甚 至不到10分鐘，極大的限制飛行器的應(yīng)用。6旋翼，8旋翼飛行器雖然可采用效率高的大型 電機(jī)和槳葉，提高拉力以承載更多的設(shè)備和電池，但為了實(shí)現(xiàn)較佳的穩(wěn)定性和機(jī)動性，大型 多旋翼飛行器操控起來極其耗電，實(shí)際使用時間相對小型飛行器并無較大提高。
[0018] 安全性：
[0019] 多旋翼飛行器的安全飛行依賴從感應(yīng)器，到飛控系統(tǒng)，到電調(diào)，電機(jī)和螺旋槳的所 有硬軟件的正常工作，其中任何一個部件或者過程出現(xiàn)問題，多旋翼飛行器就無法做到安 全飛行，甚至發(fā)生墜毀。從目前多旋翼飛行器的使用情況反饋得知，一旦任意一個螺旋槳的 方向因?yàn)楣收蠌亩鲃拥厥恿蛘弑粍拥谋磺袛鄤恿?，則飛行器的有效控制性能大幅 下降。對于4旋翼飛行器而言，任意一個旋翼的動力失效，基本上就無法進(jìn)行有效的控制； 對于6或8旋翼飛行器而言，由于動力冗余較大，剩下可調(diào)節(jié)的方向較多，還可以通過飛控 軟件進(jìn)行升力和扭矩的再分配和再平衡來勉強(qiáng)維持對飛行器的控制，直至降落，但如果更 多的軸方向出現(xiàn)故障，亦基本無法對飛行器進(jìn)行有效控制。
[0020] -些現(xiàn)有的技術(shù)中，例如中國專利申請公開第CN103895870A號，提供一種使飛行 器能在動力系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下安全著落的方案，其采用的是提供降落傘包來使得失控 的飛行器停止動力輸出后再安全著落。但降落傘系統(tǒng)在正常飛行狀態(tài)下是個完全多余的系 統(tǒng)，大大增加了飛行器的重量，也增加了飛行器飛行的阻力，對飛行器的操控性帶來很大的 負(fù)面影響。此外，降落傘使用的時候，必須停止所有的動力輸出，以免發(fā)生降落傘索被槳葉 攪住或者切斷，此時飛行器只能在失去動力的情況下進(jìn)行著落，完全無法控制著陸區(qū)域，依 然對于地面有很大的危險。
[0021] 終上所述，小型飛行器和大型飛行器，因?yàn)檩S距和體積不同，且采用了不同規(guī)格的 電機(jī)和螺旋槳，造成了電機(jī)效率，載重，操控性，穩(wěn)定性，機(jī)動性和使用時間的差異。由于不 同大小電機(jī)和螺旋槳本身的性能的變化產(chǎn)生的各種優(yōu)缺點(diǎn)，使得飛行器無法同時優(yōu)化所有 性能：小型飛行器的電機(jī)效率低，載重小，穩(wěn)定性差和使用時間短，但操控性和機(jī)動性強(qiáng)； 大型飛行器操控性和機(jī)動性差，但電機(jī)效率高，穩(wěn)定性很好，載重大，使用時間也可以通過 增加電池容量來改善。
[0022] 另外，除了常見的4、6、8旋翼飛行器外，還有特殊結(jié)構(gòu)的2、3旋翼飛行器。
[0023] 2旋翼飛行器兩個螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置相反，通過抵消扭矩可以保證水平面上 不自旋，但質(zhì)量和力矩的分布基本在一條直線上，容易側(cè)翻，總體來說沒有4,6,8旋翼飛行 器穩(wěn)定。垂直方向上的運(yùn)動可以通過調(diào)節(jié)電機(jī)的拉力來實(shí)現(xiàn)，但縱向（俯仰）和橫向（滾 轉(zhuǎn)）運(yùn)動，前后飛行等則需要通過方向舵或者電機(jī)所在軸本身扭轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，而不是類似4旋 翼飛行器等直接通過獨(dú)立電子調(diào)速器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。同時由于電機(jī)數(shù)目少，總體拉 力較小，最大負(fù)載和使用時間有極大限制。
[0024] 3旋翼飛行器由于是奇數(shù)電機(jī)，扭矩平衡需要特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，同樣也多采用方向舵 或者轉(zhuǎn)動電機(jī)軸的方式來實(shí)現(xiàn)各個方向的運(yùn)動。
[0025] 總體而言，小于4旋翼的多旋翼飛行器，都需要非電子調(diào)速器的輔助裝置來完成 其平衡性和可操控性，既增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，一旦輔助裝置失效，飛行器極有可能失控 并墜毀。同時由于軸數(shù)小