[发明专利]一种非平面式八旋翼全向飞行器及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，特别涉及一种非平面式八旋翼全向飞行器及控制方法。

背景技术

无人机正在迅速成为一种成熟的技术，已经成功应用于各种工作，包括监视，检查，制图和搜救。由于其灵活性和机械简单性，使用诸如四旋翼无人机来执行这些任务。然而，这些传统的平面式多旋翼无人机是欠驱动的，即不能在六个自由度上独立地控制它们的推力和扭矩。传统的多旋翼无人机无力在任何方向上独立地控制其推力和扭矩向量，这限制了组合它们的可行位置和姿态轨迹，以及限制了它们与飞行环境相互作用和执行复杂的操纵任务的能力，因此要求无人机能够瞬时抵抗任意的力和扭矩干扰。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提出一种非平面式八旋翼全向飞行器及控制方法，能够实现任何期望的升力和扭矩组合，并且能够以任何姿态在任何方向上悬停和加速，具有高度姿态可控性和稳定性飞行器的合力及合力矩在空间六个自由度分别可控，因此可以实现对运动方向和姿态进行单独调节，实现运动和姿态的完全解耦。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种非平面式八旋翼全向飞行器，包括机身、一端安装在机身上的八根支撑臂、分别设置在支撑臂中部的八个转子和安装于机身中与各转子连接的控制系统，八根支撑臂的另一端空间位置位于一以机身为中心的正方体的顶点，所述控制系统包括位置控制器和姿态控制器。

进一步地，所述转子包括旋翼和直接驱动旋翼的可逆电机。

进一步地，所述旋翼的方向垂直于它的位置向量排列。

进一步地，每个旋翼执行器质心与机身中心距离相等。

进一步地，所述支撑臂采用碳纤维材质。

进一步地，所述支撑臂能在六个平面上组成起落架。

进一步地，八个旋翼的位置矩阵P和方向矩阵X如下：

其中，

基于上述的非平面式旋翼全向飞行器的控制方法，飞行器通过位置控制器计算所需的力为：

其中，m为飞行器质量，R(q)为合力矩阵，g为重力加速度，为理论上质心加速度，p_err为位置误差，p_err＝p_des-p，p_des为飞行器的位置，p为飞行器的实际位置，为位置误差的变化率，τ为时间常数，ζ为阻尼比，k_i是为减少干扰稳态所设定的增益系数；

飞行器通过姿态控制器计算所需的力矩为：

其中，τ_ω为时间常数，J为飞行器转动惯量，ω为实际机身角速度，ω_des为理论机身角速度，q_err为姿态误差，τ_att为时间常数，ω_ff为反馈的机身角速度，姿态误差q_err＝q^-1·q_des，q_des为理论姿态误差，是其变化率。

飞行器所需合力和合力矩分配到各个旋翼上的升力采用如下算法得出：其中M⁺＝M^T(MM^T)^-1，M是将旋翼f_prop映射到力矩和矩阵y＝(f,t)的矩阵。

进一步地，飞行器转子产生的力和力矩分别为：

其中，f_prop,i为第i个旋翼上的升力，x_i为第i个旋翼产生升力的方向单位向量,p_i为第i个旋翼的位置,κ为由气动干扰引起的阻力系数，κf_prop,ix_i为旋翼的气动阻力产生的力矩。

与现有技术相比，本发明具有有益效果：非平面的八个旋翼配置，可以单独控制其转速使机身合力扭矩为零，旋翼平面方向与机身的夹角使八个旋翼对飞行器的合力及合力矩在空间六个自由度分别可控，可以实现对运动方向和姿态进行单独调节，实现了运动和姿态的完全解耦。

附图说明

图1是本发明一种非平面式八旋翼全向飞行器的结构示意图；

图2是本发明一种非平面式八旋翼全向飞行器的旋翼执行器位置图；

图3是本发明一种非平面式八旋翼全向飞行器的控制框图；

图4是本发明一种非平面式八旋翼全向飞行器各旋翼产生的升力模型。

具体实施方式