[发明专利]一种六自由度独立可控飞行器及其控制方法

说明书

本发明公开了一种六自由度独立可控飞行器及其控制方法，飞行器包括机身、一级转动装置、二级转动装置、动力系统、U形机臂、动力系统安装臂、飞行控制系统；一级转动装置固定在机身上，其转动端通过特定机构与U形机臂连接，可以驱动U形机臂相对于机身以转动。二级转动装置安装在U形机臂上，可以驱动动力系统相对于U形机臂转动。动力系统可以相对于机身发生任意方向的转动，提供任意方向的力和力矩，使得飞行器的六个自由度解耦，可以独立控制。飞行控制系统包含传感器和通信模块。通过飞行控制系统控制一级转动装置、二级转动装置和动力系统进行配合，飞行器可以独立地产生空间六个自由度的力和力矩，实现六自由度独立控制。

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，具体一种六自由度独立可控飞行器及其控制方法。

背景技术

传统多旋翼无人机稳定性好、易操控，现已经广泛应用于航拍、搜救等各个领域。然而传统无人机是欠驱动系统，无法实现六个自由度的独立控制，这大大限制了其与物理环境交互的能力，很难实现全地形起降、目标识别跟踪等复杂任务目标。

飞行器始终向着高机动性、高灵活性、高稳定性的方向发展，现需要一种结构简单、保留传统无人机悬停能耗低优势并能六自由度独立控制的飞行器。

已有的相关专利中，中国发明专利公开号CN106892094A中公开了一种六自由度独立可控四旋翼飞行器，使用旋翼短舱和桨毂等机构实现旋翼总距、周期变距操纵，从而使得六自由度独立操控的能力，但是这种结构旋翼倾转范围非常有限，机身姿态角只能保持在一个很小范围内。中国实用新型专利公告号CN208036614U中公开了一种全向飞行器，机架可以相对机身发生转动，但是其结构决定四个电机只能以相同角度同步倾转，而且转动角度有限，只有悬停，飞行和偏航三种飞行模式，不能独立控制机身俯仰和滚转角。中国发明专利公开号CN108515822A中公开了一种陆空两栖全向机器人，旋翼安放在弧形支架上并可以发生倾转，实现了机器人在空中以任意姿态悬停以及在三维空间中朝任意方向运动，但是其旋翼系统分布于空间正四面体的四个顶点，且包含在一个外壳内部，体积较大，失去了四旋翼体积小，结构简单的优势。相关期刊文献中，Ryll M,Bulthoff H H,Giordano P R.ANovel Overactuated Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle:Modeling,Control,andExperimental Validation[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology,2015,23(2):540-556.和Kamel M,Verling S,Elkhatib O,et al.The VoliroOmnidirectional Hexacopter:An Agile and Maneuverable Tiltable-Rotor AerialVehicle[J].IEEE RoboticsAutomation Magazine,2018:1-1.分别公开了旋翼可以绕机臂倾转的四旋翼和六旋翼，实现了六自由度独立控制，但是由于旋翼只能单独方向倾转，存在解算奇异性以及较大的内力抵消。Segui-Gasco P,Al-Rihani Y,Shin H S,et al.ANovel Actuation Concept for a Multi Rotor UAV[C]//International Conference onUnmanned Aircraft Systems.IEEE,2013.中公开了电机具有两个自由度倾转的四旋翼结构，但是同样旋翼转动范围非常有限，不能很好地独立控制六个自由度运动。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种六自由度独立可控飞行器及其控制方法，以解决常规飞行器不能实现全向姿态与位置独立控制的问题，以及现有全向飞行器中旋翼倾转范围有限，倾斜姿态下悬停能耗高的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种六自由度独立可控飞行器，包括机身、一级转动装置、二级转动装置、动力系统、U型机臂、动力系统安装臂及飞行控制系统；