[发明专利]一种新型飞行器及其控制方法

说明书

本发明提供了一种新型飞行器及其控制方法，属于无人机技术领域。新型飞行器包括机身、机翼以及旋翼。所述机翼均匀分布于机身外围，所述旋翼通过电机座固定在各个机翼末端。该新型飞行器在飞行时绕中心轴稳定旋转，并通过机翼提供额外升力。本发明提供的控制方法能在机体偏航不稳定时实现对其它五个自由度的控制。

技术领域

本发明属于无人机技术领域，更具体地，涉及一种新型自旋飞行器的结构及其控制方法。

背景技术

目前市场上的多旋翼飞行器中，四旋翼、六旋翼发展最为成熟。偶数个旋翼的飞行器可以通过电机推力的变化来控制飞行器的姿态和位置，并使力矩之间相互平衡。相比而言，三旋翼飞行器具有结构紧凑、耗材少、可控性好等优点，且一般能耗较少、成本低，尤其适合微小型飞行器制作。但是，三旋翼的扭矩问题一直得不到很好的解决。

目前国内外对三旋翼飞行器的研究较少，且主要集中在智能控制研究非线性鲁棒控制研究等方面，在机体设计和控制方法上没有明显进展。目前三旋翼机主要采用以下两种方案。一种最直接的方法是在机臂上加装舵机，通过舵机扭转使桨叶提供平行于机身方向的分力，从而达到平衡力矩的目的。但这种做法一方面需要额外携带一个舵机，另一方增加了需要控制的变量，且破坏了多旋翼的对称性，需要飞控系统解耦，计算复杂度大大增加。还有一种典型的解决方案是采用共轴反桨设计，在每个方向安装正反两个旋翼互相抵消力矩。但这样的飞行器实际上有六个旋翼，结构变得复杂，三旋翼固有的优势被削弱。

理论上，至少需要四个电机或者舵机才能实现对空间六自由度物体的有效控制，因此现有多旋翼的电机和舵机数量之和都不会小于四，这也解释了为什么三旋翼需要通过附加的机构来实现稳定控制。

如果仅使用少于四个的电机对飞行器进行控制，必须抛弃传统的控制观念，放弃对其中某一自由度的控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高度简化的新型飞行器，以尽可能低的代价解决现有奇数翼飞行器的偏航问题，并实现其稳定可控，谋求多旋翼飞行器在低成本、低能耗、稳定性和安全性方面的突破。

本发明的另一个目的在于提出一种基于周期变换的新型飞行器控制方法。

本发明提供的一种新型飞行器，是一款由多旋翼飞行器发展而来，抛弃传统意义上的偏航控制的新型飞行器。以下简称为自旋飞行器。

本发明提供的一种新型飞行器，飞行方式为空中可控自旋。

本发明提供的一种新型飞行器，一个重要特征是：旋翼旋转与空气发生作用产生的力矩之和不等于零，使机身朝着反方向开始自旋；随着转速的增大，机身受到的空气阻力增大，当转速增大到一定程度后，机身受到的阻力矩与所有旋翼产生的力矩之和大小相等，达到一种平衡的状态，飞行器以较稳定的转速自旋。

本发明提供的一种新型飞行器，在结构上高度对称，机体的几何中心、机体重心均与机体坐标系的原点重合。

本发明提供的一种新型飞行器，区别于普通多旋翼的另一个可选特征是，自旋飞行器的机臂被设计成机翼的形状，从而可以通过自旋时与气流的相对作用产生额外的升力，从而使自旋飞行器的气动性能优于普通飞行器。

本发明提供的一种新型飞行器，所有旋翼完全等效，基于高速自旋的特点，当某个旋翼发生空中停车导致飞行器往该方向倾转时，其它旋翼可以通过旋转快速到达该位置形成动力补充，并将振动限制在可接受的范围内。此外，依靠机身自旋的惯性，飞行器的机翼提供的升力仍将存在较长的一段时间。因此，自旋飞行器在发生空中停车的情况下仍可安全着陆。

为实现上述目的，本发明提供的一个结构上的技术方案是：

一种新型飞行器，包括机身、机翼以及旋翼。所述机翼均匀分布于机身外围，所述旋翼通过电机座固定在各个机翼末端。