[发明专利]一种多形态无人机及其飞行控制方法

摘要

本发明提供了一种多形态无人机，包括：动力单元、副机臂、机臂固定件、主机臂和机身连接件，两根副机臂平行间隔设置，主机臂通过机臂固定件固定在两根副机臂之间，机身连接件固定在主机臂的中心，所述机身连接件上设置有卡扣，四个动力单元分别安装在两根副机臂的前后两端，所述四个动力单元的结构相同，均包括旋翼、无刷电机和电机转向轴。本多形态无人机采用简单的套件组装方式，只需要简单的更换飞行套件，可实现无人机在多旋翼、固定翼、飞艇等各种形态的变换。本发明还提供了一种多形态无人机飞行控制方法，通过控制前述无人机中四个动力单元，实现无人机的精确飞行。

主权项

1.一种多形态无人机飞行控制方法，多形态无人机包括：动力单元、副机臂、机臂固定件、主机臂和机身连接件，两根副机臂平行间隔设置，主机臂通过机臂固定件固定在两根副机臂之间，机身连接件固定在主机臂的中心，所述机身连接件上设置有卡扣，四个动力单元分别安装在两根副机臂的前后两端，所述四个动力单元关于主机臂的中心呈中心对称分布，所述四个动力单元的结构相同，均包括旋翼、无刷电机和电机转向轴，所述电机转向轴与副机臂固定连接，电机转向轴内部安装有快速舵机，无刷电机固定于电机转向轴的连接法兰盘上，电机转向轴通过快速舵机调整朝向，旋翼固定在无刷电机的电机轴上；其特征在于：通过控制所述四个动力单元，实现无人机的精确飞行，具体包括以下步骤：S1、飞行姿态获取，通过三轴陀螺仪和三轴加速度计分别读取安装在四个动力单元中无刷电机的数据，通过计算得到无人机飞行过程中的俯仰角横滚角β和方位角λ，具体计算过程如下：S11，根据欧拉角的定义和余弦矩阵，得重力加速度，公式1中，G为无人机的重力加速度，A为无人机的旋转扭矩，其中旋转扭矩的卡斯曼表达式为：H(m，n，s，r)＝m+ni+sj+rk   (公式2)根据卡斯曼旋转矩阵可知：将公式3代入公式1简化后得出重力加速度为：其中：m、n、s、r分别为卡斯曼四元数的四个系数，其数值可根据三轴陀螺仪和三轴加速度计的测定参数得到；S12，用重力加速度纠正陀螺仪积分姿态的漂移：设测得的加速度值a＝(a_x a_y a_z)，用向量积来表示加速度向量a和重力加速度向量G之间的误差向量f，即陀螺积分后的姿态和加速度计测量的姿态之间的误差，具体计算公式如下：S13，求解卡斯曼的微分方程：设q_x，q_y，q_ｚ分别为三轴陀螺仪的实际角速度，采用一阶龙塔库塔求解卡斯曼的微分方程：L(t+i)＝L(t)+iK   (公式6)K＝0.5·q(t)·L(t)   (公式7)其中卡斯曼的微分方程为：将公式6和公式7代入公式8后计算得到公式9：S14，卡斯曼方程转换成欧拉角，首先要对卡斯曼方程进行标准化处理，为标准化后的卡斯曼方程：结合公式4、公式5、公式9和公式10，最后将卡斯曼方程转换成欧拉角得：控制器内的控制单元通过获取无人机飞行过程中的俯仰角横滚角β和方位角λ确定无人机的飞行姿态；S2、无人机飞行控制，控制器内的控制单元在不同的飞行指令下根据获得的俯仰角横滚角β和方位角λ自动调整四个动力单元中电机转向轴的位置，具体步骤如下：S21、起飞，控制单元控制尤人机副机臂前端的两电机转向轴朝上，副机臂后端的两电机转向轴朝下，无人机启动后，四个旋翼同时产生向下的气流，无人机在气流反作用力下起飞；S22、前进，控制单元控制副机臂后端的两电机转向轴朝后，电机转向轴朝后的角度根据步骤S1计算得到，同时增强副机臂前端两无刷电机的转速，无人机向前飞行；S22、后退，控制单元控制副机臂前端的两电机转向轴朝前，电机转向轴朝前的角度根据步骤S1计算得到，同时增强副机臂后端两无刷电机的转速，无人机向后飞行；S23、左飞，控制单元控制右方两无刷电机加速，推动无人机左倾斜，旋翼产生向右的分力，无人机左飞；S24、右飞，控制单元控制左方两无刷电机加速，推动无人机向右倾斜，旋翼产生向左的分力，无人机右飞。