一种基于旋翼转速和变距协同控制的多旋翼飞行器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航空技术领域，更具体地说，本发明涉及一种多旋翼飞行器。
【背景技术】
[0002]多旋翼飞行器因为其机械简单、飞行稳定、易于操作及小型化的特征，近年来得到了广泛的应用，成为一种新兴电子消费品与工业设备。现代多旋翼飞行器采用多枚电机多发驱动，固定螺距的旋翼，采用转速控制来使旋翼产生不同大小升力实现飞行控制。这种结构决定了其控制带宽随旋翼转动机构的转动惯量的增加而减小，且由于转动惯量的存在，转速调整的响应速度有限，限制了多旋翼飞行器的飞行性能，尤其是在机动性上。
[0003]可变螺距的飞行器能够克服定固定螺距飞行器机动性上的不足，但由于大多采用定转速变距的控制方式，其旋翼能量效率不如定距旋翼。目前市场上还未有能够解决上述问题的多旋翼飞行器。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是:提供一种旋翼转速和变距协同控制的多旋翼飞行器，能够结合转速控制和变距控制的优点，提高飞行控制的响应速度以及旋翼的能量效率，实现变距飞行控制的效率最优。
[0005]本发明采用以下技术方案来实现:
一种基于旋翼转速和变距协同控制的多旋翼飞行器，其包括主机架、支架、电机安装座、飞行控制系统和变桨距系统，其中飞行控制系统根据飞行模式确定升力控制策略，同时改变螺距和转速来调整旋翼升力。
[0006]飞行控制系统首先判断当前飞行模式是高机动模式还是高能效模式，然后选择相应的升力控制策略。
[0007]在高机动模式下，利用转速-螺距升力曲线图，根据当前升力点和目标升力值所在的等升力线确定最优升力调节曲线，然后基于最优升力调节曲线所对应的转速和螺距数值，对螺旋桨转速及舵机螺距进行调整。
[0008]当舵机或电机的调速能力有限不能沿最优升力调节曲线进行升力控制时，则使舵机和电机同时执行最快调速，达到目标升力值。
[0009]在高能效模式下，利用功率-螺距升力曲线图，确定能效最高区域和最优升力调节曲线，并进而确定最优能效调节曲线;然后根据最优能效调节曲线所对应的转速和螺距数值，对螺旋桨转速及舵机螺距进行调整。
[0010]飞行控制器接收到外部的控制指令后;对外部控制指令进行解析，并将外部控制指令转化为飞行控制器的控制输入。
[0011 ]飞行控制器在每个控制周期获取包括电机和舵机在内的执行单元的实时状态以及飞行器姿态的反馈量，以此确定当前飞行器的姿态、旋翼转速和螺距。
[0012]变桨距系统包括:舵机，摇臂，连杆和旋翼夹座，机架由主机架及向外延伸出的四个支架构成，上述支架均匀间隔组成十字型，同时各支架末端均设有旋翼总成。
[0013]支架末端为电机与舵机安装座；电机转轴垂直于水平面朝上，安装在支架的最外端，构成飞行器的动力系统。
[0014]舵机与变桨距驱动机构相连，通过舵机的转动带动摇臂驱动连杆，连杆与旋翼夹座的推动盘连接，连杆上下进动带动变距机构旋转来改变旋翼的螺距，实现对旋翼产生升力和扭矩大小的控制。
[0015]本发明的有益效果是:结合了转速控制和变距控制的优点，提高了飞行控制时升力改变的响应速度以及旋翼的能量效率，实现了时间和能效最优的升力调节，提高了控制响应速度与精度，降低了控制功耗，使飞行器控制性能达到最优。
【附图说明】
[0016]图1为四旋翼飞行基本原理示意图。
[0017]图2为本发明实验数据给出的转速-螺距升力曲线图。
[0018]图3为本发明实验数据给出的功耗-螺距升力曲线图。
[0019]图4为本发明多旋翼飞行器的总体系统结构示意图。
[0020]图5为本发明多旋翼飞行器的变距系统与动力系统结构示意图。
[0021]图6为本发明多旋翼飞行器的变距系统与动力系统结构分解示意图。
[0022]图7为本发明多旋翼飞行器的转速-螺距协同控制流程示意图。
【具体实施方式】
[0023]现结合附图对技术方案作进一步描述:
从飞行原理的角度看，变距和转速控制方法的原理都是通过改变旋翼提供的升力来实现对飞行器姿态的改变，特别需要指出的是，可变距旋翼可以通过将螺距变为负螺距来提供负升力，这是定距旋翼在不改变旋向的前提下无法实现的。因此，采用可变螺距旋翼的多旋翼飞行器与定距多旋翼飞行器相比多一个升力控制的自由度，系统的控制性能优于定距多旋翼飞行器。由于变距多旋翼多采用单发动力配置，因此其控制方法多为定转速变螺距。本发明提出的转速与螺距协同控制，适用于采用多发的小型多旋翼飞行器，实现变距的机动优势，同时保证了旋翼的能量效率。
[0024]实施例1
飞行控制的主要目标之一是实现飞行器的自稳，即在稳态下，飞行器可以对系统自身的稳态误差和外界扰动进行自动修正来保持飞行姿态稳定。以四旋翼为例，如图1中所示，四旋翼的四个旋翼分别用A，B，C，D来表示。其中，对角线上的一对旋翼(A、D，B、C)旋向相同，相邻的旋翼旋向相反。通过相反旋向的旋翼，使旋翼在相同螺距和转速下受到的空气作用反扭之和为零，稳态下保证飞行器的航向稳定。当四个旋翼螺距、转速相同且提供的升力等于机体自身重量时，即可实现悬停。通过改变旋翼的螺距/转速，调整各旋翼产生的升力，可以实现俯仰、滚转、偏航等飞行器姿态的控制。
[0025]变距与转速协同控制方法的核心是，同时调整螺距与转速，改变旋翼产生的升力，实现飞行姿态控制。其原理是:在变距飞行器的动力学模型中，旋翼产生的升力由螺距和转速共同决定。例如，在给定转速下，旋翼螺距增大(在失速范围内)，升力增大，反之，升力减小；类似地，在给定螺距下(正螺距，在失速范围内)，升力随转速正向变化。这表明，相同升力可以通过旋翼不同的转速和螺距角度组合得到。
[0026]基于此，如附图2所示，通过实验可以得到一组旋翼升力曲线，每一条曲线表示一个不同的升力值，曲线上的每一点表示提供该升力的不同的转速和螺距的组合。图中，2000、4000、6000、8000、10000 等整数数值所标注曲线表示转速，0.61285、1.2257、1.8385、2.4514,3.0642等数值标注曲线表示等升力线，横坐标为螺距，纵坐标为电机电压(正比于电机转速)。从该组曲线中，可以得到一条与所有升力线垂直的曲线，该曲线是最优升力调节曲线，沿着最优升力调节曲线调整升力，可获得最佳升力调节性能。
[0027]由于同样大小的升力可以通过转速和螺距的不同组合来实现，但不同的转速和螺距的组合消耗的功率大小不同，因此，需要给出每一条升力线的功率消耗，从而实现能量效率最高的控制。如图3所示，纵坐标为功率，横坐标为螺距，2000,4000,6000、8000、10000等整数数值所标注曲线表示转速，0.61285、1.2257、1.8385、2.4514、3.0642等数值标注曲线表示等升力线，每一条升力线的功耗通过实验给出，可以看出，每一条升力线功耗最低的区域出现在低转速高螺距的区域，这个区域即旋翼能量效率最高区域。能效最高区域与最优升力调节曲线结合，即可得到最优能效调节曲线。通过螺距与转速的