一种长轴型矢量多旋翼飞行器结构

1.本实用新型涉及无人机控制技术领域，是一种基于自抗扰算法的长轴型矢量多旋翼飞行器。

背景技术：

2.近年来，随着科学水平的不断提高，产业技术的不断变革，无人机逐渐由军用转为商用。市场上商用无人机不断涌现，展现着无人机在各种环境、不同场景下都有着不可小视的作用，无人机技术受到广泛认可。然而，现阶段的无人机在一些特殊场景下表现差强人意，存在诸多问题。
3.现阶段的商用飞行器主要包括多旋翼式无人机、固定式无人机、直升机、矢量旋翼式无人机。多旋翼无人机采用多电机驱动，虽然成本低廉，但是因体型较小、带载能力差或因体型较大、耗能巨大、续航时间短，受到了诸多限制。固定翼的飞行高度更高，滞空时间更长，但是因控制困难，需要飞手经过专门训练。同时，固定翼需要起飞和着陆的跑道，在实际应用场景中受到限制。直升机由于采用油动驱动，在一定程度上弥补前二者的缺陷，但其成本较高，后期维护价格高昂，对于飞手的整体素质要求更高。倾转翼飞行器结合了多旋翼飞行器和固定翼的诸多优点，具有垂直起降、空中悬停、高速巡检的能力，是近年来兴起的新机型，具有深远的研究意义和研究价值。
4.市场上无人机的倾转机构通常选用舵机作为执行机构，舵机系统存在超调易震荡、回中性能差、控制带延迟等问题，现阶段，自抗扰(adrc)算法拥有收敛快、无超调，抗扰动能力强的优点，因此，自抗扰算法对于整个矢量旋翼飞行器系统的研究尤为关键。

技术实现要素：

5.基于以上技术的不足，本文公开了一种长轴型矢量多旋翼飞行器，利用倾转式结构，有效结合了多旋翼可悬停和固定翼长续航的优点。机身主杆上的四个主升电机5能够提供主要飞行升力，确保其获得较大的带载能力。同时，机身前后搭载具有倾转结构的对桨倾转电机1，不但可以进一步的提升无人机的滞空时间，还可以通过舵机的倾转迅速调整飞行器的航向保证了飞行器的稳定性和灵活性。
6.本实用新型的技术方案包括：一种长轴型矢量多旋翼飞行器结构，包括倾转电机1、降落管套2、灯带3、旋翼4、主升电机5、电机固定板6、降落碳管7、电调9、主控板10、上层夹板11、主杆12、下层夹板13、斜三通14、夹板管夹15、斜脚架16、正三通17、落地碳杆18、舵机轴夹臂20、轴承21、舵机22、倾转碳杆23；飞行器通过夹板管夹15将上层夹板11和下层夹板13连接在一起，主杆12位于夹板管夹15中间；主升电机5通过电机固定板6均匀分布在主杆12上，为旋翼4提供动力；主控板10位于上层夹板11上侧正中间，两个电调9等间距分布在主控板10左右两边，为主升电机5和倾转电机1提供能源，灯带3紧靠主控板10左侧，为用户提供飞行器可视化状态信息；倾转动力系统位于上层夹板11和下层夹板13前后两侧，由倾转电机1、舵机轴夹臂20、轴承21、舵机22和倾转碳杆23组成，其中舵机22通过舵机轴夹臂20传
输倾转动力给倾转碳杆23，倾转碳杆23通过轴承21分担径向力于上层夹板11和下层夹板13，倾转电机1位于倾转碳杆23末端，提供倾转动力；斜脚架16通过斜三通14连接下层夹板13，落地碳杆18和降落碳管7分别通过正三通17连接于斜脚架16末端，降落管套2嵌套于落地碳杆18前后两侧，为飞行器下降提供缓冲。
7.进一步，还包括动力单元，为一个24v的锂电池，经由一个分电板19，产生多路24v的直流电通过电调9给主升电机5和倾转电机1提供能源，并通过电源管理模块稳压到5v给主控板10供电，其中，主控板10上还搭载了asm1117线性稳压芯片，把传递到主控板10的5v电降压到3.3v，以满足飞控板上其他传感器和主控芯片的供电需求。
8.进一步，主控板10用于控制整个矢量旋翼飞行器，采用stm32f4系列芯片为控制器，主控板10上同时配备了多种功能各异的传感器模块接口并采用集成化设计，包括imu姿态估计模块bmi088、磁力计模块rm3100、人机交互模块、电源管理模块；
9.人机交互模块包括高亮度rgb指示灯、无源蜂鸣器；电源管理模块为线性电源asm1117。
10.综上所述，本实用新型公开了一种基于自抗扰控制的矢量旋翼飞行器。
11.直线型飞行器结构，多传感器融合实现了飞行器的状态估计，再通过自抗扰算法控制算法实现飞行器的稳定飞行。对比传统的无人机如x型多旋翼飞行器、直线型多旋翼无人机，本实用新型特点在于：
12.(1)本实用新型通过倾转机构的运动实现无人机的飞行模式的转变和动力装置的重新分布，避免了传统直线型多旋翼无人机需要姿态调整杆的结构冗余。
13.(2)本实用新型倾转结构采用对桨结构提高姿态调整动力，提高矢量旋翼飞行器飞行的稳定性。
14.(3)本实用新型采用了双直线轴承的分支设计，将绝大部分径向的力量作用于飞行器机身上，有效的保护了舵机的输出轴，延长了舵机的使用寿命。
15.(4)通过使用自抗扰控制算法来进行飞行的本体控制。利用微分跟踪器对输入信号行进跟踪控制同时给出合适的微分信号，然后利用比例微分控制器得到相应控制信号反馈给执行机构。
16.(5)本实用新型增加灯带作为状态指示，方便用户实时获取矢量旋翼飞行器当前状态的信息，防止使用者操作不当带来的不良后果。
17.(6)本实用新型结构多采用碳纤维等环保材料，重量较轻，可重复利用。
18.(7)本实用新型对矢量旋翼飞行器动力学模型进行具体分析，同时给出舵机、电机的控制方案。
附图说明
19.附图1为矢量旋翼飞行器电力分配图；
20.附图2为矢量旋翼飞行器倾转机构示意图；
21.附图3为矢量旋翼飞行器俯视图；
22.附图4为矢量旋翼飞行器侧视图；
23.附图5为矢量旋翼飞行器仰视图；
24.附图6为参数标注俯视图；
25.附图7为参数标注正视图；
26.附图8为软件系统框架图；
27.附图9为姿态环控制框图；
28.图3中，1-倾转电机、2-降落管套、3-灯带、4-旋翼、5-主升电机、6-电机固定板、7-降落碳管、8-倾转舵机结构、9-电调、10-主控板、11-上层夹板、12-主杆。
29.图4中，13-下层夹板、14-斜三通、15-管夹、16-斜脚架、17-正三通、18-落地碳杆。
30.图5中，19-分电板、20-舵机轴夹臂。
31.图2中，21-轴承、22-舵机、23-倾转碳杆。
具体实施方式
32.下面结合附图和实例对本实用新型作更进一步的说明。
33.图1是矢量旋翼飞行器电力分配图。除了必要的执行机构外，机身还带载了电源管理模块，舵机控制模块(ubec)。本设计的动力单元为一个24v的锂电池，经由一个分电板19，产生多路24v的直流电给电机提供能源，并通过电源管理模块稳压到5v给主控板10供电。其中，主控板10上还搭载了asm1117线性稳压芯片，把传递到主控板10的5v电降压到3.3v，以满足飞控板上其他传感器和主控芯片的供电需求。
34.上述主升电机5和倾转电机1采用无刷电机。
35.图2是矢量旋翼飞行器倾转机构示意图。考虑到旋翼的动态倾转扭矩较大，容易损坏舵机22的输出轴，本设计采用了双直线轴承的分支设计，将绝大部分径向的力量作用于飞行器机身上，有效的保护了舵机22的输出轴，延长了舵机22的使用寿命。倾转舵机结构8(舵机轴夹臂，舵机，倾转碳杆)为利用管夹15将舵机22和轴承21固定在上层夹板11和下层夹板13之间，同时在舵机22的输出轴上利用两个定制的舵机轴夹臂20将舵机和倾转碳杆23连接起来，将舵机的转动效果作用在连接的倾转碳杆23上，最后利用管夹15和电机固定板6将电机固定在可以转动的倾转碳杆23上，以此完成可控倾转电机的设计。
36.图3-5是本实用新型的基础结构的俯视、侧视、仰视图。上层夹板11和下层夹板13之间通过管夹15固定；灯带3、电调9、主控板10通过螺丝和尼龙柱固定于上层夹板11；中间部分固定有24v锂电池；分电板19、斜三通14通过螺丝固定于下层夹板。单个电调9可以驱动四个电机。飞行器的起落架由降落碳管2、降落管套7、落地碳杆18、正三通17组成。管套的海绵结构可有效缓冲飞行器降落的冲击，减少对机体的损害。
37.接下来，具体阐述矢量旋翼飞行器的控制算法实现。
38.图6和图7为矢量旋翼飞行器参数标注图。
39.本文采用欧拉角来描述飞行器的姿态，即用机体坐标系与大地坐标系之间的夹角来描述矢量旋翼飞行器的相关飞行状态，有俯仰角θ、翻滚角φ、偏航角ψ。机体坐标系采用右前上坐标系，原点选为矢量旋翼飞行器的重心，x轴平行于主杆指向机身右方，y轴垂直于主杆指向机身前方，z轴垂直于机身平面指向机身上方。设矢量旋翼飞行器的质量为m
vf
，长轴上的主升电机距矢量旋翼飞行器重心的距离分别为l1、l2,倾转共轴电机距重心的距离为l3，前后舵机偏离机体坐标系z轴的角度分别为φf、φb(沿正y方向观察，顺时针旋转方向为正)。
40.设矢量旋翼飞行器电机的升力为
41.f
motor
＝[f
fu f
fd f
bu f
bu f
l2 f
l1 f
r1 f
r2
]
t
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0042]
式(1)中f
fu
、f
fd
、f
bu
、f
bd
、f
l2
、f
l1
、f
r1
、f
r2
分别表示前上、前下、后上、后下、左2、左1、右1、右2电机升力。
[0043]
本文对基于机体坐标系的三轴扭矩t＝[t
θ t
φ t
ψ
]
t
和垂直升力fz进行动力学分析，得到飞行器的扭矩矩阵t：
[0044][0045]
其中式(2)中k
torque
表示空气反扭矩系数，反应了旋翼转动产生的升力和空气摩擦产生的反扭矩之间的关系。
[0046]
考虑到工程实际控制的简便和简化模型的需求，添加了约束条件。整理得到旋翼飞行器的正向动力学模型：
[0047][0048]
其中，j
θ
、j
φ
、j
ψ
为绕x、y、z轴旋转的转动惯量。为机体坐标系下绕x、y、z轴旋转的角速度。为大地坐标系下z轴的加速度。通过得到的飞行器的正向动力学模型为系统的软件设计和实验提供了基础。
[0049]
图8是矢量旋翼飞行器的软件系统框架图，主要包括系统和各传感器初始化、传感器数据采集与数据处理、飞行器自检、控制算法的应用。整个系统的执行步骤为：
[0050]
①
主控芯片初始化，外接传感器初始化。
[0051]
②
飞行器自检，若自检不正常则通过灯带显示报警。
[0052]
③
使用遥控器解锁，让飞行器从自锁状态切换到等待状态。
[0053]
④
利用遥控器的其他信号指示飞行器进行任务切换，任务具体为姿态模式、定高模式、定点模式以及自主降落模式。
[0054]
图9是矢量旋翼飞行器的姿态环控制框图，显示的是基于自抗扰算法的高度控制器，采用了位置和线速度的串级双闭环，由于自抗扰控制器相关参数较多，出于简化调参的目的，本文采用了外环pid控制，内环adrc控制，简化了外环的调参过程。adrc控制器是利用微分跟踪器对输入信号行进跟踪控制同时给出合适的微分信号，然后利用比例微分控制器得到相应控制信号反馈给执行机构，执行结构完成相应动作后，测量相应传感器的数据并与之前的控制信号一同反馈给扩张状态观测器观测总扰动并加以补偿。
[0055]
本实用新型可应用于农业植保、地形探测、通讯中继等不同场景。在农业植保上，因为长轴式的飞行器结构，主杆上均匀分布的电机旋翼确保了飞行器下方稳定的下压风场，在增加喷幅的同时确保了农药喷洒在作物上的有效性；在地形探测上，相比于一些小型机，本实用新型有着更长的续航，长直型的结构加倾转机构可快速灵活地穿梭狭窄的地形。

技术特征：

1.一种长轴型矢量多旋翼飞行器结构，其特征在于，包括倾转电机(1)、降落管套(2)、灯带(3)、旋翼(4)、主升电机(5)、电机固定板(6)、降落碳管(7)、电调(9)、主控板(10)、上层夹板(11)、主杆(12)、下层夹板(13)、斜三通(14)、夹板管夹(15)、斜脚架(16)、正三通(17)、落地碳杆(18)、舵机轴夹臂(20)、轴承(21)、舵机(22)、倾转碳杆(23)；飞行器通过夹板管夹(15)将上层夹板(11)和下层夹板(13)连接在一起，主杆(12)位于夹板管夹(15)中间；主升电机(5)通过电机固定板(6)均匀分布在主杆(12)上，为旋翼(4)提供动力；主控板(10)位于上层夹板(11)上侧正中间，两个电调(9)等间距分布在主控板(10)左右两边，为主升电机(5)和倾转电机(1)提供能源，灯带(3)紧靠主控板(10)左侧，为用户提供飞行器可视化状态信息；倾转动力系统位于上层夹板(11)和下层夹板(13)前后两侧，由倾转电机(1)、舵机轴夹臂(20)、轴承(21)、舵机(22)、倾转碳杆(23)组成，其中舵机(22)通过舵机轴夹臂(20)传输倾转动力给倾转碳杆(23)，倾转碳杆(23)通过轴承(21)分担径向力于上层夹板(11)和下层夹板(13)，倾转电机(1)位于倾转碳杆(23)末端，提供倾转动力；斜脚架(16)通过斜三通(14)连接下层夹板(13)，落地碳杆(18)和降落碳管(7)分别通过正三通(17)连接于斜脚架(16)末端，降落管套(2)嵌套于落地碳杆(18)前后两侧，为飞行器下降提供缓冲。2.根据权利要求1所述的一种长轴型矢量多旋翼飞行器结构，其特征在于，还包括动力单元，为一个24v的锂电池，经由一个分电板(19)，产生多路24v的直流电通过电调(9)给主升电机(5)和倾转电机(1)提供能源，并通过电源管理模块稳压到5v给主控板(10)供电，其中，主控板(10)上还搭载了asm1117线性稳压芯片，把传递到主控板(10)的5v电降压到3.3v，以满足飞控板上其他传感器和主控芯片的供电需求。3.根据权利要求2所述的一种长轴型矢量多旋翼飞行器结构，其特征在于，主控板(10)用于控制整个矢量旋翼飞行器，采用stm32f4系列芯片为控制器，主控板(10)上同时配备了多种功能各异的传感器模块接口并采用集成化设计。

技术总结

本实用新型公开了一种长轴型矢量多旋翼飞行器结构，包括倾转电机1、降落管套2、灯带3、旋翼4、主升电机5、电机固定板6、降落碳管7、后倾转舵机结构8、电调9、主控板10、上层夹板11、主杆12、下层夹板13、斜三通14、夹板管夹15、斜脚架16、正三通17、落地碳杆18、舵机轴夹臂20、轴承21、舵机22、倾转碳杆23；本实用新型通过倾转机构的运动实现无人机的飞行模式的转变和动力装置的重新分布，避免了传统直线型多旋翼无人机需要姿态调整杆的结构冗余。无人机需要姿态调整杆的结构冗余。无人机需要姿态调整杆的结构冗余。