[发明专利]一种共轴双旋翼无人飞行器

说明书

本发明公开了一种共轴双旋翼无人飞行器，属于无人机技术领域。采用竖直圆柱形机身，共轴双桨提供动力，通过改变拉力方向及双旋翼转速差实现飞行器的控制。本发明还可以采用GNSS定位设备与视觉定位设备，分别与IMU融合组成惯性卫星组合导航以及视觉‑惯导同步定位与建图VI‑SLAM导航定位系统，无论在有GNSS覆盖的空旷环境，还是在密闭和GNSS拒止的环境，均可实现自主飞行。飞行器具备通用化、信息化、自主化、智能化等属性，并且结构简单、成本低、效费比高、坚固耐用、携带方便，可提供街道、室内、丛林等“进不去、够不着、看不见”部位的全局态势信息，完成城市、丛林、室内等密闭与遮挡空间探测或搜救任务。

技术领域

本发明属于无人机技术领域，更具体地，属于微小型无人飞行器技术领域，提供一种共轴双旋翼无人飞行器。

背景技术

微小型无人飞行器具有低成本、小尺寸、高机动等特点，过去二三十年中在世界范围内受到普遍关注和重视，在军事与民用领域都有大量的应用。在军事领域，使用大量各种型号的无人飞行器系统来完成战场侦察、监视、诱惑、骚扰、目标搜索和定位、火力与战果评估、反辐射、攻击等各种作战使命，并取得令人瞩目的战果。在民用领域，无人飞行器可应用于航拍制作、遥感测绘、货物运输、交通监控、环境监测、农业植保等领域。可以看到，微小型无人飞行器技术作为又一种新兴技术，它将是一项具有良好发展前途和广阔应用前景的具有高科技含量的新技术。随着许多相关领域的飞速发展，如传感器技术、制造技术、通讯技术等，微小型无人飞行器正变得比以往更加智能，渐渐成为人类不可或缺的帮手。

近年来，共轴双旋翼无人机因其独特的性能，被广泛应用于军事和民用领域。和常规无人机相比，共轴双旋翼无人机具有结构紧凑、气动特性对称、负载能力强、悬停效率高等优点，因而具有广泛的应用前景。但从目前国内外研究成果来看，大部分共轴无人机整体尺寸和重量较大，便携性较差。因此，研究和设计一款低成本，多用途，紧凑便携，使用简单的微小型共轴双旋翼无人飞行器具有必要性。

为了能使无人机在未知结构的室内环境中实现自主导航，同步定位和构图算法(simultaneous localization and mapping，SLAM)开始被应用在无人机上。通过SLAM算法的辅助定位和绘图，可以使无人机在未知结构的室内环境中边定位边绘制室内环境的地图，实现真正的自主导航。清华大学在四旋翼平台上，以激光雷达为传感器，将SLAM和惯性导航系统(INS，Inertial Navigation System) 进行数据融合，获得无人机的位置估计和环境地图的构建，并成功在室内实现自主飞行，具有较高的定位精度。

此外，比例-积分-微分控制器(PID)在飞行器控制中占据主导地位。PID 控制原理是基于误差来生成消除误差的控制策略：用误差的过去、现在和变化趋势的加权和控制策略。PID的缺点：①误差的取法；②由误差e提取de/dt的办法；③“加权和”策略不一定最好；④积分反馈有许多副作用。本发明探讨更好的控制策略，这种策略的宗旨是保留PID的优点，克服其缺点。

发明内容

本发明为一种共轴双旋翼无人飞行器，要解决的技术问题包括共轴双桨动力系统设计、矢量控制伺服控制平台设计、紧凑空间机体结构设计、共轴双桨矢量控制技术以及无全球导航卫星系统(GNSS，Global Navigation Satellite System，)情况下的未知环境定位与导航系统。

一种共轴双旋翼无人飞行器，主要包括共轴双桨动力系统和矢量控制伺服控制系统；

所述共轴双桨动力系统为采用上下两个外转子电机共轴反转提供动力源，包括上旋翼、上旋翼桨毂、上电机、下旋翼、下旋翼桨毂和下电机；上电机和下电机旋转方向相反，共同组成共轴双桨电机，上电机的定子、耳片盘、下电机的定子由上至下依次固定相连，上电机的外转子通过下旋翼桨毂与下旋翼相连，下电机的外转子输出轴穿过上电机中空的通道，通过上旋翼桨毂与上旋翼相连。如此，上电机驱动下旋翼，下电机驱动上旋翼。