[发明专利]一种三旋翼飞行器及其控制方法

说明书

本发明提供了一种三旋翼飞行器及其控制方法，属于飞行器设计领域。飞行器包括机体、三根机臂和三个旋翼。所述三个旋翼均匀分布于机身外围，所述机臂连接与机身于旋翼之间。该三旋翼飞行器在飞行时，三根机臂在力和力矩的作用下可以发生变形扭转，从而使旋翼发生自适应偏转，产生三个水平分力，三个水平分力合成的效果来抵消三个旋翼的反扭矩，从而解决三旋翼飞行器的扭矩问题。

技术领域

本发明属于飞行器设计领域，具体地，涉及一种三旋翼飞行器的设计及其控制方法。

背景技术

目前市场上的多旋翼飞行器中，四旋翼、六旋翼飞行器发展最为成熟。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，三旋翼飞行器的一个固有问题是，旋翼旋转产生的扭矩无法互相抵消，机身受扭矩作用会发生自旋，从而使偏航方向不稳定。为此，三旋翼飞行器一般会通过一个侧向的力产生力矩与扭矩平衡。其中最常见的方案是，在机臂上加装舵机，通过舵机扭转使旋翼提供平行于机身方向的分力，从而达到平衡扭矩的目的。但这种做法一方面需要额外携带一个舵机，导致重量和生产成本增加，另一方面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。

此外，由于这个水平分力的存在，机身整体会有向该方向运动的趋势，又需要使机身朝着该反方向倾转来抵消。这就导致了，机身完全水平时，飞行器不能定点悬停；飞行器定点悬停时，机身存在倾角。当然，除了对水平要求特别高或者尺寸很小的飞行器，这个倾角还是可以接受的。而这一水平分力也可以被飞控当成外力干扰处理，通过PID增稳能实现飞行器的稳定飞行。但必须承认，这种效应无论是对控制的复杂度还是飞行器的稳定性来说都是不利的。

综上，常规三旋翼飞行器在解决扭矩问题时，都在一定程度上牺牲了三旋翼本身的优势，从而使这种三旋翼飞行器使用价值降低，得不到推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高度简化的三旋翼飞行器，通过结构的自适应代替复杂的机构来解决现有奇数翼飞行器的扭矩问题，充分发挥三旋翼的优势。

本发明的另一个目的在于，提出一种基于等效模型的飞行器控制方法。

本发明提供的一种三旋翼飞行器，通过旋翼倾转产生水平分力，所有水平分力合成的力矩，与旋翼产生的扭矩相平衡，从而抑制机身的自旋。

本发明提供的一种三旋翼飞行器，三个旋翼同时绕机臂的方向倾转，从而保证三个水平方向分力的合力为零，故倾转不会引起水平运动的变化。

本发明提供的一种三旋翼飞行器，倾转产生的三个水平分力的作用点分布在以机身几何中心为圆心，轴距为直径的圆上，互成120°，产生的力矩效应相同且能互相叠加。倾转不会影响飞行器的对称性。

本发明提供的一种三旋翼飞行器，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。

本发明提供的自适应倾转方案，不需要依靠舵机控制，而是通过结构的自适应完成。

本发明提供的一种三旋翼飞行器，是通过机臂材料发生自适应的扭转，旋翼旋转平面逐渐发生偏转，随之产生一个与机身自旋方向相反的扭矩，渐渐抵消机身自旋来实现的。

为实现上述目的，本发明提供的一个结构上的技术方案是：

一种三旋翼飞行器，包括机身、机臂以及旋翼。

所述三个旋翼互成120°均匀分布于机身外围，通过电机座固定在各个机臂末端。

本发明提供的一种三旋翼飞行器，进一步的，所述机身是指飞行器中间部分，其结构和功能与普通多旋翼相似。