[发明专利]一种螺旋桨稳定调速无人机及其控制方法

说明书

本发明所采用的技术方案是，一种螺旋桨稳定调速无人机，包括无人机本体，中央飞控控制器，所述无人机本体上设置有n个螺旋桨动力单元，所述每个螺旋桨动力单元分别通过各自的解耦控制器与中央飞控控制器电连接，所述每个螺旋桨动力单元都包括q个负载螺旋桨和m个调速螺旋桨，其中，n、m和q为正整数；所述负载螺旋桨使用大尺寸螺旋桨，所述调速螺旋桨使用小尺寸螺旋桨。负载螺旋桨负责为无人机提供主要升力，但是由于尺寸大，响应速度较慢，调速螺旋桨为无人机提供辅助升力，由于尺寸较小，响应速度极快。负载螺旋桨通过其大尺寸螺旋桨的优势为系统提供充足的升力以及极高的效率，保证了系统的经济性。调速螺旋桨则通过其快速响应的特性来补偿负载螺旋桨在响应速度上的不足，为系统提供足够的响应性能。通过两套螺旋桨的配合输出，本系统能够提供最佳的经济性和响应性能。

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其是涉及一种螺旋桨稳定调速无人机及其控制方法。

背景技术

现有旋翼无人机采用螺旋桨调速来实现推力控制，进而实现对机体姿态的调节。由于螺旋桨在旋转时受到气动阻力作用和自身旋转惯量的影响，螺旋桨调速系统不能够快速地对转速/推力控制信号进行响应，这一点在使用大尺寸螺旋桨的大推力螺旋桨调速系统中尤其明显。

对于无人机而言，低响应性能的螺旋桨调速系统会降低无人机姿态的稳定性，进而影响无人机安全运行。飞控系统为了消除螺旋桨的低响应的问题，需要引入更加复杂的控制办法来实现螺旋桨的控制，这极大地增加了飞控系统的开发难度。另一方面，通过增加旋翼数量，或则采用纵列式布局能够部分提升螺旋桨调速系统的响应性能，但是系统效率会极大地降低。无人机系统随着载重需求的增加，系统对单个旋翼所能够提供的升力的需求也随之上升，为了解决该问题，一般包括提升螺旋桨尺寸和增加旋翼数量两种方案。

其中，提升螺旋桨尺寸(大螺旋桨思路)是最经济有效的办法，增加螺旋桨尺寸将会直接带来升力的增加，同时大尺寸螺旋桨的力效更好，整体系统的经济性更强。

另外，还可以通过增加旋翼数量(小螺旋桨思路)来增加系统整体升力，并且在获得相当升力的同时保证螺旋桨尺寸不变，进而使得调速系统响应性能保持不变。

而在提高螺旋桨调速系统的性能方面，多采用优化螺旋桨和优化电机控制器两种办法。

第一，优化螺旋桨，通过采用更轻的材料和更好的气动外形从而使得螺旋桨在运行时气动阻力更低、转动惯量更好。

第二，优化电机控制器

现有的无人机动力系统中(仅以电动螺旋桨调速系统为例)，存在两种电机控制方式，

(1)直流无刷控制(BLDC-Brushless DC)，优点是速度响应快，输出能力强，缺点是噪音大，效率低，对外界突变情况适应差(开环控制)，输出能力随电池电压降低同比降低

(2)磁场定向控制/(FoC-Field Oriented Control)，优点是噪音低，效率高，单体抗干扰能力强(闭关转速控制)，性能几乎不随电池电压降低而发生变化，缺点是动态变速能力相对较弱。

上述二种控制方法在优化后均能够一定程度上提高螺旋桨调速系统的性能。针对无人机动态响应性能，更多的优化集在于对于电机控制器(又称电调)本生的响应速度，螺旋桨减重，以及飞控PID参数的整定。

采用大螺旋桨思路的无人机虽然在单个旋翼上有着很高的力效和经济性，但是由于螺旋桨尺寸的增大，整体气动阻力和转动惯量会随之增加，调速响应性能下降。虽然可以通过对电机驱动算法的优化来补偿大尺寸螺旋桨带来的影响，但是由于物理性质的限制，在电机控制器端的参数优化调节对于响应速度的提升非常有限。其次，螺旋桨减重也受制于螺旋桨本身的尺寸大小和材料约束，效果不明显；气动外形优化则需要大量的计算和实验，成本高昂。