共轴对转双旋翼飞行器及其控制方法与流程

本发明涉及无人飞行器，具体涉及一种共轴对转双旋翼飞行器及其控制方法。

背景技术：

1、共轴对转双旋翼飞行器因结构紧凑、气动效率高而具有广泛的应用前景。在姿态控制方面，传统方案通常依赖自动倾斜器实现周期变距，以同时控制俯仰和横滚，但自动倾斜器结构复杂、零部件多、维护成本高。另一些方案采用整体倾转旋翼组的方式，通过二自由度倾转机构（如万向节）使旋翼组绕两个水平轴倾斜，利用拉力矢量在俯仰和横滚方向的分量进行控制，这同样需要较为复杂的多轴倾转机构。

2、为简化机械结构，一些方案尝试将横滚控制与偏航控制共享同一执行器，但此类方案往往存在通道耦合和控制奇点等问题，在特定姿态下横滚控制能力不足，需要额外的补偿手段。还有一些方案采用变质心方式，通过移动质量块改变飞行器的质心位置，利用拉力与重力构成的偏心力矩实现姿态控制；但此类方案通常需要在机体内布置导轨、滑块等直线运动机构，空间代价较大，且多以变质心同时兼顾滚转与俯仰两轴姿态，通道间存在耦合，对于棒状机体和管状收贮的应用场景适应性差。

3、此外，对于需要单兵携行、管状储运或机载投放的微型飞行器而言，不仅要求飞行器具备稳定可靠的三轴姿态控制能力，还对其结构紧凑性、存储体积提出了极为苛刻的要求。现有方案难以在结构极简与全姿态可控之间取得良好平衡。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种共轴对转双旋翼飞行器及其控制方法，以极简的机械结构实现近似解耦的四通道控制，同时满足极小空间占用和管状收贮的需求。

2、根据本发明的一方面，提供一种共轴对转双旋翼飞行器，包括：

3、棒状机体；

4、共轴对转双旋翼组，设置于所述棒状机体的顶端；

5、单自由度倾转机构，连接在所述棒状机体与所述共轴对转双旋翼组之间，用于驱动所述共轴对转双旋翼组绕一水平轴线倾转，以产生俯仰力矩；

6、差动驱动单元，用于驱动所述共轴对转双旋翼组中的上旋翼和下旋翼以不同转速旋转，以产生净反扭矩，该净反扭矩用于提供偏航力矩；

7、质心调节机构，设置在所述棒状机体上，用于使整机质心在与横滚轴垂直的平面内发生偏移，使得旋翼总拉力的作用线与偏移后的整机质心之间形成垂直于拉力方向的横向间距，从而产生绕横滚轴的横滚力矩；

8、控制单元，与所述单自由度倾转机构、所述差动驱动单元和所述质心调节机构连接，用于分别控制所述共轴对转双旋翼组的总拉力、所述单自由度倾转机构的倾转角、所述差动驱动单元的净反扭矩以及所述质心调节机构的质心偏移量，以实现垂向、俯仰、偏航和横滚的四通道独立控制；

9、其中，所述飞行器的整机质心位于所述共轴对转双旋翼组的拉力作用点的下方。

10、进一步地，所述棒状机体包括上段机体和下段机体，所述上段机体与所述下段机体之间通过枢转连接结构连接，所述枢转连接结构的轴线平行于所述飞行器的横滚轴；所述质心调节机构包括驱动所述下段机体绕所述枢转连接结构相对于所述上段机体偏转的舵机；所述控制单元通过控制所述舵机驱动所述下段机体偏转，使整机质心在与横滚轴垂直的平面内发生偏移。

11、进一步地，所述单自由度倾转机构仅具有一个旋转自由度，其旋转轴线水平布置。

12、进一步地，所述差动驱动单元包括两组独立控制的电机，分别驱动所述上旋翼和下旋翼。

13、进一步地，所述共轴对转双旋翼组的桨叶能够折转收贮，以使所述飞行器能被容纳于管状容器中。

14、根据本发明的另一方面，提供一种共轴对转双旋翼飞行器的控制方法，所述飞行器包括棒状机体、设置在棒状机体顶端的共轴对转双旋翼组、驱动所述共轴对转双旋翼组绕单一水平轴倾转的单自由度倾转机构、调节上下旋翼转速差的差动驱动单元、以及使整机质心沿垂直于横滚轴的方向偏移的质心调节机构，且飞行器的整机质心位于旋翼拉力作用点下方；所述控制方法包括：

15、响应垂向控制指令，调节所述共轴对转双旋翼组的总转速以控制总拉力，实现垂向升降控制；

16、响应俯仰控制指令，通过所述单自由度倾转机构改变倾转角，使旋翼拉力产生水平分量，绕所述质心形成俯仰力矩，实现俯仰控制；

17、响应偏航控制指令，通过所述差动驱动单元产生净反扭矩，该净反扭矩沿旋翼轴方向产生偏航力矩，实现偏航控制；

18、响应横滚控制指令，通过所述质心调节机构使整机质心在与横滚轴垂直的平面内发生偏移，利用拉力与重力构成的偏心力矩实现横滚控制。

19、进一步地，所述质心调节机构包括将所述棒状机体分为上段机体和下段机体的枢转连接结构，以及驱动所述下段机体绕所述枢转连接结构偏转的舵机；所述通过质心调节机构使整机质心在与横滚轴垂直的平面内发生偏移的步骤，包括：向所述舵机发出偏转指令，驱动所述下段机体相对于所述上段机体偏转预设角度。

20、本发明具有以下有益效果：

21、1. 通过为俯仰、偏航和横滚通道分别配置独立的执行机构，实现了四通道的近似解耦控制，各通道干扰小，控制律设计极为简化，系统鲁棒性强；

22、2. 倾转机构仅需单自由度，无需万向节或双轴倾转机构，机械结构大幅简化，零件数量少，可靠性高；

23、3. 横滚力矩由质心偏移使旋翼拉力作用线偏离质心而产生的偏心力矩提供，在悬停工况下其大小等于质心偏移量与整机重力的乘积（小倾转角近似），无需额外的气动舵面，控制原理简单；

24、4. 整机质心位于拉力作用点下方，有利于姿态稳定设计；机械式质心调节响应速度满足横滚控制要求；

25、5. 采用下段机体偏转方案实现质心调节，无需在细长机体内布置导轨和滑块，结构紧凑，空间利用率极高，尤其适合棒状机体和管状收贮的应用场景；

26、6. 桨叶可折转收贮，使飞行器能收缩成细长杆状，可滑入管状容器中，便于单兵携行、机载投放和物资补给等任务。

1.一种共轴对转双旋翼飞行器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的共轴对转双旋翼飞行器，其特征在于，所述棒状机体包括上段机体和下段机体，所述上段机体与所述下段机体之间通过枢转连接结构连接，所述枢转连接结构的轴线平行于所述飞行器的横滚轴；

3.根据权利要求1所述的共轴对转双旋翼飞行器，其特征在于，所述单自由度倾转机构仅具有一个旋转自由度，其旋转轴线水平布置。

4.根据权利要求1所述的共轴对转双旋翼飞行器，其特征在于，所述差动驱动单元包括两组独立控制的电机，分别驱动所述上旋翼和下旋翼。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的共轴对转双旋翼飞行器，其特征在于，所述共轴对转双旋翼组的桨叶能够折转收贮，以使所述飞行器能被容纳于管状容器中。

6.一种共轴对转双旋翼飞行器的控制方法，其特征在于，所述飞行器包括棒状机体、设置在棒状机体顶端的共轴对转双旋翼组、驱动所述共轴对转双旋翼组绕单一水平轴倾转的单自由度倾转机构、调节上下旋翼转速差的差动驱动单元、以及使整机质心在与横滚轴垂直的平面内偏移的质心调节机构，且飞行器的整机质心位于旋翼拉力作用点下方；所述控制方法包括：

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述质心调节机构包括将所述棒状机体分为上段机体和下段机体的枢转连接结构，以及驱动所述下段机体绕所述枢转连接结构偏转的舵机；