一种组合式多旋翼无人机系统及其控制方法与流程

1.本技术涉及多旋翼无人机技术的领域，尤其是涉及一种组合式多旋翼无人机系统及其控制方法。


背景技术：

2.目前，随着无人机行业飞速发展，在短程运输投送、森林消防、城市消防和应急救援等领域中，经常会选用多旋翼无人机进行物料运投。多旋翼无人机是一种具有多个旋翼的无人驾驶飞行器，多旋翼通过旋翼的旋转提供升推力，且通过改变不同旋翼之间的相对转速，可以改变单个旋翼的推进力的大小，从而改变多旋翼无人机的运行轨迹。多旋翼无人机由于小巧便携、展开迅速、成本低廉、环境适应性良好等优点，广泛应用于短途运投领域中。
3.相关技术中如授权公告号为cn211336467u的中国发明专利申请公开的多旋翼无人机，该申请提供的多旋翼无人机通过在机臂上设置用于给多旋翼无人机提供升力的升力发动机和用于控制多旋翼无人机飞行方向的转向发动机，升力发动机和转向发动机独立工作，使得升力发动机和转向发动机都以最佳转速持续工作，即升力发动机能够提供给多旋翼无人机最大升力，转向发动机能够提供给无人机最大控制力。
4.针对上述技术方案，发明人认为多旋翼无人机的载重量较小，一般适用于小型物品的短途运投，但是，随着无人机行业飞速发展，多旋翼无人机在短程运输投送、消防救援等领域的需求愈加迫切，对于多旋翼无人机的载重量需求也越来越大，因此需要提供一种载重能力较强的多旋翼无人机。


技术实现要素：

5.本技术目的一是提供一种组合式多旋翼无人机系统，具有提高载重能力的特点。
6.本技术的上述发明目的一是通过以下技术方案得以实现的：一种组合式多旋翼无人机系统，包括至少两个沿竖直方向间隔分布的无人机单元和至少一组用于固定所述无人机单元的固定组件；所述固定组件设置于相邻两个所述无人机单元之间，以维持任意一所述无人机单元的各个螺旋桨与其他所述无人机单元的各个所述螺旋桨之间的间距；所述固定组件包括有若干个用于对相邻两所述无人机单元进行限位的连接件，各个所述连接件围绕相邻两所述无人机单元之间的连线呈圆周分布。
7.通过采用上述技术方案，将多个无人机单元通过连接件进行组合固定，在竖直方向上形成叠层式的结构，构成组合式多旋翼无人机系统，使得组合式多旋翼无人机系统的载重能力为原来的单个无人机单元载重能力的数倍。连接件呈圆周分布，使各个连接件对各个无人机单元的固定和支撑更加稳定，提高组合式多旋翼无人机系统的结构稳定性。
8.可选的，各个所述无人机单元的其中一个所述螺旋桨组成一个螺桨队列，各个所述螺桨队列围绕各个所述无人机单元呈圆周分布；位于同一所述螺桨队列的各个所述螺旋
桨的转轴经过同一竖直直线。
9.通过采用上述技术方案，当各个无人机单元协同飞行时，位于同一螺桨队列的各个螺旋桨之间留有距离，从而减少相邻的两个无人机单元上的螺旋桨之间的空气动力干涉，减少效率损失，提升组合式多旋翼无人机系统的续航能力。另一方面，上下两个螺旋桨的轴线经过同一竖直直线，可使两个螺旋桨更易于达到动力平衡，以使组合式多旋翼无人机系统的飞行更加平衡可选的，所述连接件平行于所述螺旋桨的轴线。
10.通过采用上述技术方案，各个连接件平行于螺旋桨的轴线，使连接件旋转180
°
后也能适用于各个机臂，提高连接件对于不同位置的机臂的适用性。
11.可选的，所述连接件的两端均设置有用于对所述无人机单元的机臂进行限位的限位部，所述限位部与所述机臂可拆卸连接。
12.通过采用上述技术方案，当使用者需要拆卸连接件和无人机单元时，可将连接件对应的限位部和无人机单元对应的机臂拆卸开；当使用者需要固定连接件和无人机单元时，可将连接件对应的限位部和无人机单元对应的机臂组装固定。
13.可选的，所述连接件设置于同一所述螺桨队列且相邻的两个所述螺旋桨所对应的所述机臂之间。
14.通过采用上述技术方案，各个连接件对各个机臂均具有支撑作用，使各个螺旋桨之间可以更加稳定地保持距离。
15.可选的，所述限位部设置有供所述机臂容纳的限位凹槽和用于阻止所述机臂脱离所述限位凹槽的锁紧部，所述锁紧部与所述限位部可拆卸连接。
16.通过采用上述技术方案，当使用者需要拆理处于组合状态的无人机单元时，可打开无人机单元的各个机臂上的各个锁紧部，然后将各个机臂从限位部中取出；当使用者需要重新组合多个无人机单元时，可将无人机单元的各个机臂放置入各个限位部中，然后将各个锁紧部重新与各个限位部锁紧。
17.可选的，所述连接件的长度能够发生改变，以改变所述连接件邻近的两个所述无人机单元之间的间距。
18.通过采用上述技术方案，在设计邻近的两个所述无人机单元之间的间距式，使用者需要兼顾空气动力的损失率以及组合式多旋翼无人机系统的整体体积，而当使用者需要改变邻近的两个所述无人机单元之间的间距时，可更换不同长度的连接件。
19.可选的，还包括能够抵触固定物以支撑各个所述无人机单元的支撑脚，所述无人机单元设置有与所述支撑脚可拆卸连接的安装位，所述支撑脚设置于位于最下方的所述无人机单元的安装位上。
20.通过采用上述技术方案，组合式多旋翼无人机系统能够通过支撑脚平稳地站立于如地面、放置台等固定物上。安装位于支撑脚可拆卸连接，以使当任意一个无人机单元位于最下方时，均可以安装支撑脚。
21.本技术目的二是提供一种组合式多旋翼无人机系统的控制方法，应用于上述任意一项组合式多旋翼无人机系统，所述方法包括：无人机单元实时获取模式选定指令，根据获得的模式选定指令选定飞行控制模式；其中，飞行控制模式包括单飞控模式和多飞控模式；
若确定飞行控制模式为多飞控模式，则处于多飞控模式的各个无人机单元实时获取飞行控制指令，根据获取的飞行控制指令协同飞行；若确定飞行控制模式为单飞控模式，则处于单飞控模式的无人机单元实时获取飞行控制指令，根据获取的飞行控制指令独立执行飞行动作。
22.可选的，在处于多飞控模式的各个无人机单元实时获取飞行控制指令，根据获取的飞行控制指令协同飞行的具体方法中，包括：处于多飞控模式的无人机单元实时获取分配指令，根据获取的分配指令确定主控单元和从属单元；其中，所有从属单元均对应有且仅有一个主控单元；主控单元和与其对应的所有从属单元之间建立通讯；主控单元实时获取飞行控制指令，并向对应的所有从属单元发送飞行控制指令；主控单元和从属单元均根据自身获取的飞行控制指令执行飞行任务。
附图说明
23.图1是本技术实施例中一种组合式多旋翼无人机系统的结构示意图。
24.图2是组合式多旋翼无人机系统由于空气动力干涉引起的效率下降的仿真结果图。
25.图3是连接件、限位部和锁紧部的结构示意图，其中限位部和锁紧部处于锁紧状态。
26.图4是组合式多旋翼无人机系统的控制方法的流程示意图。
27.图中，1、无人机单元；11、螺旋桨；12、机臂；13、安装位；2、固定组件；3、连接件；4、限位部；41、安装筒；42、限位凹槽；43、锁紧部；5、支撑脚；51、连接部；52、撑地部。
具体实施方式
28.目前，多旋翼无人机已经广泛应用于应急行业的短途投运物料中，但是多旋翼无人机的工作效率受限于自身的载重能力。为了提高多旋翼无人机的载重能力，市面上已经涌现出多种技术，最主要的就是增大无人机的动力单元数量和尺寸，即增加螺旋桨的尺寸和数量。现有的多旋翼载重无人机，多数为具有12旋翼/16旋翼的共轴双桨模式，这种模式的特点是结构紧凑，但是由于相邻双螺旋桨之间的距离较小，螺旋桨的效率损失较大，导致续航时间大幅度下降。另外的，这种多旋翼载重无人机重量和体积都较大，且不易于拆装携行，需要使用更大的运载车辆，降低了对应急行业的机动性应用的适应性。
29.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
30.另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，如无特殊说明，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
31.下面结合说明书附图1
‑
4对本技术实施例作进一步详细描述。
32.实施例一
本技术实施例提供一种组合式多旋翼无人机系统。
33.参照图1，组合式多旋翼无人机系统包括有至少两个无人机单元1和至少一组固定组件2，其中，各个无人机单元1沿竖直方向分布；固定组件2安装于两个邻近的无人机单元1之间，以使各个无人机单元1相对固定，从而组成叠层组合式的无人机系统。可以理解的是，叠层组合式的无人机系统整体的载重能力和抗风能力均为单个无人机单元1的数倍，因此适用于重量较重的物体的投运。在本实施例中，无人机单元1的数量为固定组件2的数量的两倍，且无人机单元1的数量为2；无人机单元1优选为多旋翼无人机，其中无人机单元1的机臂12的数量可以为4，也可以为6，也可以为8，也可以为12，本实施例中以六旋翼无人机为示例。
34.参照图1，当各个无人机单元1协同飞行时，相邻的两个无人机单元1上的螺旋桨11之间发生空气动力干涉，导致对无人机单元1的飞行效率造成损失，尤其是对位于下方的无人机单元1。为了降低空气动力干涉，从而减少效率损失，相邻两个无人机单元1之间留有安全间距，以使各个无人机单元1之间间隔设置，还使相邻两个无人机单元1之间还形成了可供固定组件2安装的安装空间。
35.参照图1，进一步的，为了使各个无人机单元1上的各个螺旋桨11在飞行时更易于实现动力平衡或扭力平衡，相邻无人机单元1上的各个螺旋桨11的分布一致，以任意一无人机单元1上的一个螺旋桨11会与其他各个无人机单元1上的其中一个螺旋桨11同轴。
36.参照图1，具体的，转轴经过同一竖直直线的两个螺旋桨11能够组成一组螺桨队列，共组成6组螺桨队列。各个螺桨队列围绕任意一无人机单元1呈圆周分布，且螺桨队列内的两螺旋桨11沿竖直方向间隔设置，从而使所有螺旋桨11呈圆周叠层式分布，一方面使上下两层螺旋桨11更易于达到动力平衡，以使组合式多旋翼无人机系统的飞行更加平衡，另一方面可以减少上下两层螺旋桨11之间的空气动力干涉，提升组合式多旋翼无人机系统的续航能力。
37.参照图1和图2，本实施例中提供由仿真计算得到的关于组合式多旋翼无人机系统由于空气动力干涉引起的效率下降计算实例：其中，无人机单元1均为32in六旋翼无人机，曲线a为上下两层螺旋桨11之间距离为0.5米时的功率差；曲线b为上下两层螺旋桨11之间距离为1.0米时的功率差。
38.在螺旋桨11的转速为2000转/每分钟，上下两层螺旋桨11之间距离为1.0米时，螺旋桨11效率下降约为28%，整体下降为：100% ̶
（100% 72%）
÷
2=14%；在螺旋桨11的转速为2000转/每分钟，上下两层螺旋桨11之间距离为0.5米时，螺旋桨11效率下降约为29.5%，整体下降为：100% ̶
（100% 70.5%）
÷
2=14.75%。
39.在螺旋桨11的转速为3000转/每分钟，上下两层螺旋桨11之间距离为0.5米时，螺旋桨11效率下降约为30%，整体下降为：100% ̶
（100% 70%）
÷
2=15%。
40.根据实际测试，以上理论仿真结果跟实际测试误差为10%以内。
41.参照图1，值得注意的是，由于本实施中的各个无人机单元1规格一致，因此上下两层螺旋桨11之间距离与安全间距一致。理论上，当安全间距足够大时，相邻两个无人机单元1之间的空气动力损失接近为0，使组合式多旋翼无人机系统的续航时间与单个无人机单元1的续航接近一致。但是，随着安全间距越大，组合式多旋翼无人机系统整体的体积也会越大。因此，在设计组合式多旋翼无人机系统的安全间距时，应兼顾空气动力损失较小和整体
体积较小的要求，并根据螺旋桨11的转速合理设计。
42.参照图1，具体的，无人机单元1均内置有控制模块和通信模块，通信模块与控制模块电性连接，其中各个无人机单元1之间可通过各个通信模块建立通讯连接。在本实施例中，每一个无人机单元1均具有独立的动力系统，且每一个无人机单元1均可兼容多种飞行控制模块，其中飞行控制模块包括有单飞控模式和多飞控模式。在单飞控模式下，无人机单元1可作为单独的无人机正常执行飞行任务；在多飞控模式下，组成组合式多旋翼无人机系统的各个无人机单元1之间通过通信模块相互传输飞行控制指令，实现多个无人机单元1协同飞行。
43.参照图1，使用者可通过无人机单元1配置的遥控设备，控制对应的无人机单元1切换不同的飞行控制模式；当无人机单元1正常单独飞行时，则切换至单飞控模式；当各个无人机单元1需要协同飞行时，则切换至多飞控模式。优选的，固定组件2与各个无人机单元1可拆卸连接，使各个无人机单元1可实现快速拆装，即在拆解后，组合式多旋翼无人机系统形成多个独立工作的无人机单元1；在组装后，多个独无人机单元1构成组合式多旋翼无人机系统。
44.参照图1，每一组固定组件2均包括有若干个整体呈圆杆状的连接件3，各个连接件3围绕一经过任意两无人机单元1的几何中心的连线呈圆周分布；各个连接件3通过连接相邻两无人机单元1的各个机臂12，使两个无人机单元1的相对固定。可以理解的是，连接件3的长度大小决定了相邻两无人机单元1的安全间距大小，因此，当使用者需要使用不同安全间距的组合式多旋翼无人机系统时，可拆除原有的连接件3，在保留原有无人机单元1的基础上，更换对应长度的连接件3即可，方便使用者对安全间距进行调整。
45.参照图1，优选的，连接件3的数量与无人机单元1的机臂12的数量一致，各个连接件3的分布与各个机臂12的分布一致，以使无人机单元1的各个机臂12均可与其中一个连接件3连接，从而使同一螺桨队列且相邻的两个螺旋桨11之间均至少具有一个连接件3作为支撑，使组合式多旋翼无人机系统的飞行更加安全平稳。
46.参照图1和图3，具体的，各个连接件3平行于螺旋桨11的轴线，以使任意一个连接件3通用于各个机臂12，且连接件3旋转180
°
后也能适用于各个机臂12。连接件3的两端均设置有安装有限位部4，两限位部4呈对称分布，限位部4一体成型有供连接件3插入并固定连接的安装筒41；安装筒41与连接件3端部的固定方式可以为焊接、栓接、螺纹连接或过盈配合，在本实施例中优选为焊接。限位部4远离安装筒41的一面呈弧形弯曲形成有限位凹槽42，限位凹槽42的槽口背离连接件3，机臂12可容纳于限位凹槽42中。
47.参照图1和图3，限位部4的一端为活动端，活动端连接有用于阻止机臂12脱离限位凹槽42的锁紧部43，锁紧部43整体呈弧形，锁紧部43能够与限位部4配合形成箍紧机臂12的环状结构，以使连接件3与机臂12相对固定。活动端与锁紧部43端部之间可以为可拆卸连接，也可以为铰接，在本实施例中优选为铰接；限位部4远离活动端的一端与锁紧部43的端部之间可以为栓接、卡接或过盈配合等可拆卸连接的方式，在本实施例中优选为栓接。进一步的，机臂12远离螺旋桨11的一端还凹设有供限位部4和锁紧部43嵌入的环状安装槽（图中未示出）。
48.参照图1和图3，当多个无人机单元1组成组合式多旋翼无人机系统时，各个限位部4和各个锁紧部43分别抵紧于各个机臂12，以维持组合式多旋翼无人机系统的结构稳定性。
当使用者需要拆理处于组合状态的无人机单元1时，可打开无人机单元1的各个机臂12上的各个锁紧部43，然后将各个机臂12从限位部4中取出；当使用者需要重新组合多个无人机单元1时，可将无人机单元1的各个机臂12放置入各个限位部4中，然后将各个锁紧部43重新与各个限位部4锁紧。
49.参照图1，利用各个可拆卸安装的连接件3，能够实现不同无人机单元1之间的快速组装和组合式多旋翼无人机系统的快速拆解。使用者在运输组合式多旋翼无人机系统时，可将其拆解呈多个独立的无人机单元1，节省运输空间，方便携带。
50.参照图1，为了使组合式多旋翼无人机系统能够更加平稳地站立于如地面、放置台等固定物上，位于最下方的无人机单元1可拆卸连接有两个支撑脚5。两支撑脚5对称设置，每一个支撑脚5均由一对连接部51和一条撑地部52组成，其中撑地部52平行于水平面；连接部51整体弯曲设置，连接部51的两端分别连接于撑地部52和无人机单元1；设置于同一无人机单元1上的各个连接部51形成整体呈拱形的支撑结构。
51.参照图1，优选的，各个无人机单元1的下部均设置有供连接件3插接的安装位13，以使任意一无人机单元1在组合状态且处于最下方的位置时，均可以通过安装位13安装支撑脚5。安装位13于连接部51之间的固定方式可以为栓接，也可以为卡接，也可以销连接，本实施例中优选为栓接。
52.参照图1，为方便理解，下文以两组满足设要求的组合式多旋翼无人机系统为例：其一的设计要求为：组合式多旋翼无人机系统的载重为30kg时，续航时间大于等于30min。
53.若确定无人机单元1的数量为2，则单个无人机单元1至少可载重15kg，且在载重15kg时续航时间大于30min。无人机单元1可选用现有的kwt
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x6l
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15型六旋翼无人机。
54.对无人机单元1的飞行控制系统进行改造，使其兼容多飞控模式，并建立各个无人机单元1之间的通信，以实现对于组合式多旋翼无人机系统的逻辑控制。
55.考虑到上下两层螺旋桨11之间的空气动力干涉，以及考虑各个无人机单元1组合后的体积，设计安全间距，可设计为50cm~100cm。
56.在各个无人机单元1之间利用连接件3进行固定，并在位于最下方的无人机单元1的安装位13中安装支撑脚5。
57.其一的设计要求为：组合式多旋翼无人机系统的载重为50kg时，续航时间大于等于30min。
58.若确定无人机单元1的数量为2，则单个无人机单元1至少可载重25kg，且在载重25kg时续航时间大于30min。无人机单元1可选用现有的kwt
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x8l
‑
25八旋翼无人机。
59.对无人机单元1的飞行控制系统进行改造，使其兼容多飞控模式，并建立各个无人机单元1之间的通信，以实现对于组合式多旋翼无人机系统的逻辑控制。
60.考虑到上下两层螺旋桨11之间的空气动力干涉，以及考虑各个无人机单元1组合后的体积，设计安全间距，可设计为60cm~80cm。
61.在各个无人机单元1之间利用连接件3进行固定，并在位于最下方的无人机单元1的安装位13中安装支撑脚5。
62.本技术实施例一：将多个无人机单元1通过连接件3进行组合固定，在竖直方向上形成叠层式的结构，构成组合式多旋翼无人机系统，使得组合式多旋翼无人机系统的载重
能力为原来的单个无人机单元1载重能力的数倍。其中，无人机单元1的叠层数量可根据实际使用场景进行设计，以使组合式多旋翼无人机系统的载重能力得到更加充分的利用。
63.利用连接件3拆卸安装的性质，多个无人机单元1之间可以实现快速拆解或快速组合，一方面方便使用者搭建不同叠层数量的组合式多旋翼无人机系统，另一方面方便使用者进行携带，适应于使用环境中快速展开的需求，并且不增加整个系统的横向平面尺寸。由于每一个无人机单元1均具有独立的动力系统，并且兼容不同的飞行控制模块，因此无人机单元1在拆解后还可以作为单独的无人机单元1执行任务。
64.实施例二：本技术实施例公开一种组合式多旋翼无人机系统的控制方法。
65.参照图4，组合式多旋翼无人机系统的控制方法的具体步骤包括：s1、无人机单元实时获取模式选定指令，根据获得的模式选定指令选定飞行控制模式。
66.其中，模式选定指令可由无人机单元配置的遥控设备发出，无人机单元在接收到模式选定指令后，会根据模式选定指令选定自身的飞行控制模式。飞行控制模式包括单飞控模式和多飞控模式，在单飞控模式下，单个无人机单元独立执行飞行任务，适用于载重量要求较小的工作环境；在多飞控模式下，处于同模式的多个无人机单元能够协同执行飞行任务，适用于载重量要求较大的工作环境。在组合式多旋翼无人机系统处于正常工作状态时，组合式多旋翼无人机系统内的各个无人机单元应选用多飞控模式。
67.s2、判断飞行控制模式是否为单飞控模式，若是则执行s3；若否则执行s4。
68.其中，飞行控制指令用于控制无人机单元的各个螺旋桨进行加速/减速，以使无人机单元完成俯仰前进、俯仰后退、横滚向右运动、横滚向左运动、航向右转、航向左转、上升和下降等飞行动作。
69.在单飞控模式下，各个无人机单元单独进行自身的飞行任务；在多飞控模式下，多个无人机单元协同飞行。
70.s3、处于单飞控模式的无人机单元实时获取飞行控制指令，根据获取的飞行控制指令独立执行飞行动作。
71.其中，使用者可通过与无人机单元通讯连接的遥控设备发出飞行控制指令，无人机单元接收到飞行控制指令后，作出对应的飞行动作以执行飞行任务。
72.s4、处于多飞控模式的各个无人机单元实时获取飞行控制指令，根据获取的飞行控制指令协同飞行。
73.其中，使用者可通过与无人机单元通讯连接的遥控设备发出飞行控制指令，多个无人机单元接收到对应的飞行控制指令后，作出对应的飞行动作以协同飞行。
74.s41、处于多飞控模式的无人机单元实时获取分配指令，根据获取的分配指令确定主控单元和从属单元。
75.其中，组成同一组合式多旋翼无人机系统的各个无人机单元中，其中一个无人机单元为主控单元，其他的各个无人机单元均为从属单元，所有从属单元均对应有且仅有一个主控单元。分配指令用于在各个无人机单元中指定主控单元/从属单元。使用者可通过与无人机单元通讯连接的遥控设备发出分配指令，无人机单元根据自身接收的分配指令，作为主控单元或者作为与主控单元相绑定的从属单元。
76.s42、主控单元和与其对应的所有从属单元之间建立通讯。
77.其中，当各个从属单元均与主控单元绑定后，从属单元与主控单元之间建立通讯以相互传输信号。
78.s43、主控单元实时获取飞行控制指令，并向对应的所有从属单元发送飞行控制指令。
79.其中，使用者可通过与主控单元通讯连接的遥控设备发出飞行控制指令；主控单元接收到飞行控制指令后，会将飞行控制指令发送给绑定的各个从属单元。可以理解的是，使用者通过操纵一台遥控设备即可控制整个组合式多旋翼无人机系统执行飞行任务。
80.s44、主控单元和从属单元均根据自身获取的飞行控制指令执行飞行任务。
81.其中，当主控单元和从属单元均接收到飞行控制指令后，主控单元和从属单元共同执行飞行动作，以实现协同飞行。
82.本技术实施例二的实施原理为：组合式多旋翼无人机系统的各个无人机单元即支持单飞控模式，也支持多飞控模式。在单飞控模式下，单个无人机单元独立执行飞行任务，适用于载重量要求较小的工作环境；在多飞控模式下，处于同模式的多个无人机单元能够协同执行飞行任务，适用于载重量要求较大的工作环境，使用者可根据实际需求切换不同的飞控模式。