[发明专利]一种基于矢量推力的六自由度运动全解耦控制微小型无人机结构

说明书

一种基于矢量推力的六自由度运动全解耦微小型无人机结构，由机身、三个二自由度框架和三个共轴旋翼三部分构成。机身采用气动外形，沿机身纵向飞行时可提供气动升力。通过调整共轴旋翼的转速，以及通过二自由度框架调整共轴旋翼的二自由度倾角，可以实现无人机任意自由度的飞行。本发明通过引入二自由度可倾转共轴旋翼，能实现无人机六自由度运动的全解耦控制，完成精准起降、无偏摆侧飞、万向飞行、高精度抗扰等，结合气动外形，还能进一步提高飞行速度、载荷能力与续航时间，尤其适用于高机动平台搭载微小型无人机，为在工业和军事等空地协同领域的应用提供了重要基础。

技术领域

本发明提出一种基于矢量推力的六自由度运动全解耦微小型无人机结构，通过引入二自由度可倾转共轴旋翼，能实现微小型无人机六自由度运动的全解耦控制，完成精准起降、无偏摆侧飞、万向飞行、高精度抗扰等，结合气动外形，还能进一步提高飞行速度、载荷能力与续航时间，尤其适用于高机动平台搭载无人机，为在工业和军事等空地协同领域的应用提供了重要基础。

背景技术

垂直起降的微小型无人机的工作范围不受限于路况和地形，环境适应能力强，即便在废墟、山地中也能自由灵活地实施空中侦察、监视、打击等军事作业。但受限于体积，微小型无人机载荷、续航和通讯能力低下。相比之下，军用车辆具有强大的载荷、续航和通讯能力，将无人机搭载于军用车辆，可以极大的弥补无人机的不足，是提高无人机工作能力的有效手段，具有广阔的应用前景。

车载的垂直起降无人机必须在颠簸疾驰的机动车辆上平稳起降，即无人机必须能对车辆位姿及其速度进行高精度跟踪，这就要求无人机具备六自由度运动全解耦的结构和能力。现有的垂直起降无人机主要包括旋翼机、复合翼机无人机两大类。旋翼无人机利用螺旋桨产生升力来飞行，具有垂直起降能力，可以实现低速飞行、空中悬停等多种飞行状态。但是纯粹的旋翼无人机气动效率低下，载荷能力差、续航时间短。而且旋翼机是通过改变姿态来调整飞行方向的，质心运动和姿态运动存在耦合，无法在位姿机动车辆上实现平稳起降。复合翼无人机同时结合旋翼机和固定翼机的优点，既可以垂直起降，又有较高的气动效率，但复合翼无人机在起降时与旋翼机完全相同，质心运动和姿态运动存在类似的耦合性。因此，现有的垂直起降无人机均不适用于车载。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服目前无人机结构存在的姿态运动与质心运动耦合等问题，结合固定翼与旋翼结构的优点，用一种二自由度旋转框架机构来实现共轴旋翼的灵活倾转，并结合采用气动外形设计的机身，从而实现一种全新的六自由度运动全解耦的微小型无人机结构。

本发明的解决方案是：一种基于矢量推力的六自由度运动全解耦微小型无人机结构，由机身、三个二自由度框架和三个共轴旋翼三部分构成。机身采用底部平坦，顶部凸起的气动外形，沿机身纵向飞行时可提供垂直于底面的气动升力。

所述的二自由度框架包括外框架和内框架，外框架通过外框架电机连接机身，通过内框架电机连接内框架，内框架连接共轴旋翼，共轴旋翼通过旋翼电机连接螺旋桨。

所述共轴旋翼包含一对共轴且反向旋转的螺旋桨。

所述机身采用底部平坦，顶部凸起且周向对称的全向气动外形，沿机身任意径向飞行时均可提供垂直于底面的气动升力。

所述的外框架电机驱动内框架，改变共轴旋翼的外框架角，所述的内框架电机驱动共轴旋翼，改变共轴旋翼的内框架角，所述的旋翼电机驱动螺旋桨，并改变螺旋桨的转速。

本发明的原理是：根据所需飞行状态的不同，通过外框架电机驱动内框架，改变旋翼的外框架角，通过内框架电机驱动旋翼，改变旋翼的内框架角，通过旋翼电机驱动螺旋桨，并改变螺旋桨的转速，从而实现任意自由度的全解耦运动。

建立如图1所示正交的机体坐标系，坐标系原点O与机体质心重合，x轴指向机身右侧，与旋翼2和旋翼3的连线平行，y轴指向机身前方向，z轴指向机身竖直向上方向。