一种新型多旋翼无人机、操控方法及无人机套件与流程

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种新型多旋翼无人机、操控方法及无人机套件。

背景技术：

多旋翼无人机，是一种具有四个及以上旋翼轴的特殊的无人驾驶直升机。其通过每个轴上的电动机转动，带动旋翼，从而产生升推力。旋翼的总距固定，而不像一般直升机那样可变。通过改变不同旋翼之间的相对转速，可以改变单轴推进力的大小，从而控制飞行器的运行轨迹。

传统的多旋翼无人机，一般只设有4个，6个或者8个对称设置的水平旋桨，无人机的姿态（旋转）运动和平移运动是耦合的，无法实现无人机飞行姿态（如旋转、俯仰、翻转等姿态）和水平平移运动的独立控制。同样的，与之匹配的遥控器最多只能实现无人机四个自由度的控制。如果用遥控器去控制无人机的航向角，横滚角，俯仰角，和高度，那么水平运动会根据现在三个旋转角度的状况自由运动。如果用遥控器去控制无人机的航向角，高度和两个水平运动，那么横滚角和俯仰角就不能再独立控制，事实上，飞机的飞控系统是通过调整横滚角和俯仰角来进而影响和控制水平运动的。也就是水平运动和旋转运动是耦合在一起，也就是有因果关系的，就像速度和位移一样，不能同时独立控制。这也激发了本发明，也就是设计一款无人机，在飞行上能够实现全部6个自由度的同时调节，丰富无人机的飞行方式，同时设计一款与其对应的遥控器，实现多达6个自由度的独立调节。

技术实现要素：

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种新型多旋翼无人机，以达到无人机姿态运动和平移运动独立控制的目的。

本发明还提供一种新型多旋翼无人机的操控方法，该方法能够实现无人机姿态运动和平移运动独立操控。

本发明还提供一种无人机套件，包括遥控器，所述遥控器通过设置两个二维摇杆和多达两个的一维摇杆来控制无人机的大于四个自由度的多维度飞行，实现无人机姿态运动和平移运动的独立调节。

本发明采取的技术方案是，提供一种新型多旋翼无人机，包括机架和设于所述机架上的水平旋翼组件，在所述无人机水平静置状态下，所述水平旋翼组件所在平面与水平面平行，其特征在于，所述机架上还设有用于控制无人机水平运动的侧立旋翼组件，在所述无人机水平静置状态下，所述侧立旋翼组件包括多个侧立的旋桨组件，所述旋桨组件所在平面与水平面之间夹角为45°~135°，使得所述无人机的姿态变化和平移运动实现独立控制。优选的，该角度为90度，也就是和水平面垂直，姿态运动也就是旋转运动。

进一步的，所述侧立旋翼组件包括第一侧立旋翼组件和第二侧立旋翼组件，无人机水平静置状态下，所述第一悬臂（311）与第二悬臂（321）之间在水平面的投影的夹角为α，其中0°＜α＜180°。

优选的，所述α为45°~135°，更为优选的，所述α为90°。

进一步的，所述无人机还包括机壳，所述机壳内设有第一风道和第二风道，所述第一风道和第二风道交叉形成“x”型风道结构，所述第一侧立旋翼组件设于第一风道中，所述第二侧立旋翼组件设于第二风道中，所述第一侧立旋翼组件和第二侧立旋翼组件工作时，“x”型风道结构内形成交互通风气流，所述水平旋翼组件通过水平悬臂呈十”型交叉结构，贯穿所述机壳，与机壳的“x”型风道结构构成“米”字型交错结构。

优选的，所述侧立旋翼组件还包括中央固定板，所述第一侧立旋翼组件包括第一悬臂、固定在所述第一悬臂远端的第一旋桨组件，所述第二侧立旋翼组件包括第二悬臂以及固定在所述第二悬臂远端的第二旋桨组件，所述中央固定板与所述第一悬臂和第二悬臂的近端一体成型，所述第一悬臂与第二悬臂之间的夹角为α，其中0°＜α＜180°。优选的，所述α为45°~135°，更为优选的，所述α为90°。

进一步的，所述第一旋桨组件包括第一电机固定座，安装在所述第一电机固定座上的第一电机以及由第一电机驱动转动的第一垂直旋桨，所述第二旋桨组件包括第二电机固定座，安装在所述第二电机固定座上的第二电机以及由第二电机驱动转动的第二垂直旋桨，所述第一电机固定座与所述第一悬臂的远端一体成型，所述第二电机固定座与所述第二悬臂的远端一体成型。

进一步的，所述水平旋翼组件包括多个水平悬臂和与水平悬臂匹配的多个水平旋桨组件，所述水平旋桨组件包括多向接头、第三电机以及设于所述第三电机上端的水平旋桨，所述多向接头的上侧设有多个第一接口，所述第三电机固定于第一接口，所述多向接头靠近无人机中轴的一侧还设有第二接口和第四接口，所述水平悬臂与所述第二接口和第四接口可拆卸式连接；所述多向接头的下端还设有第三接口，所述多向接头远离无人机中轴的一侧还设有第四接口，所述水平旋翼组件还包括起落架和保护支架，所述起落架固定安装于所述第三接口。本发明的水平悬臂中部中空，所述保护支架通过碳纤杆连接水平悬臂，所述碳纤杆（90）可插入水平悬臂中空的内部，与机架固定。

更为具体的，所述多向接头包括固定圆盘，所述第三电机固定安装于所述固定圆盘的上侧，所述固定圆盘的底面的中部设有第一卡合组件，以及设于所述固定圆盘的两侧，且以所述第一卡合组件为中轴对称的第二卡合组件和第三卡合组件，所述第一卡合组件的中部形成第三接口，所述第二卡合组件和第三卡合组件的中部分别形成第二接口和第四接口，所述第二卡合组件和第三卡合组件结构相近，整体呈现u型，上端开口端靠拢，上端设有横向螺纹孔，可利用螺纹件或者其他紧固件实现紧扣靠口段的卡合。

进一步的，所述水平旋翼组件包括第一水平旋翼组件、第二水平旋翼组件、第三水平旋翼组件以及第四水平旋翼组件；所述中央固定板的上侧设有第一卡位、以及设置在所述第一卡位两侧的第二卡位和第三卡位；

所述第一水平旋翼组件包括第一悬臂支架和与第一悬臂支架远端固定的第一水平旋桨组件，所述第二水平旋翼组件包括第二悬臂支架和与第二悬臂支架远端固定的第二水平旋桨组件，所述第三水平旋翼组件包括第三悬臂支架和与第三悬臂支架远端固定的第三水平旋桨组件，所述第四水平旋翼组件包括第四悬臂支架和与第四悬臂支架远端固定的第四水平旋桨组件；

所述第一悬臂支架的近端与第三悬臂支架的近端一体式连接，且固定于第一卡位上；

所述第二悬臂支架的近端固定于第二卡位中，所述第三悬臂支架的近端固定于第三卡位上；然后用上盖通过螺丝螺母和中央固定板固定在一起，把在卡位内的水平悬臂夹紧固定。

使得所述第一水平旋翼组件、第二水平旋翼组件、第三水平旋翼组件以及第四水平旋翼组件形成“十”字型的水平旋翼结构或“x”型的水平旋翼结构。传统的无人机的旋桨可以有4个，6个，8个，或者更多个。有十字型，x型，以及近似的轴对成分布。所有的构型都可以应用于本发明，来替代本发明中四个水平旋翼的设置。

所述第一悬臂支架与第三悬臂支架除了上述一体式的连接方式，也可以采用类似第二悬臂支架与第四悬臂支架类似结构，即中间断开，分别卡合在中央固定板上的固定方式，固定方式灵活多样，同样的，所述第二悬臂支架和第四悬臂支架也可采用一体式的连接方式，类似本发明指出的第一悬臂支架与第三悬臂支架一体式的连接。

且本发明的第一悬臂支架、第三悬臂支架、第二悬臂支架以及第四悬臂支架优选碳纤杆材质，其形状可以是圆形碳纤杆也可以是方形碳纤杆，相应的卡位形状能实现匹配即可，同样的，多向接头的接口位置的形状也根据碳纤杆的形状适应性调整即可。

本发明还提供一种新型多旋翼无人机的飞行操控方法，利用上述无人机实现，所述操控方法为：通过分别调节所述水平旋翼组件和所述侧立旋翼组件，实现所述无人机六个自由度的独立调节。

本发明里的四个水平旋翼组件，可以当作十字型构型或者x型构型来使用，没有任何影响，也就机头的方向可以任意设置的。所述四个旋翼组件，分为两组，其中互相对应的作为一组。每一组的两个旋翼组件的转速的差分分量（也就是每一组的水平旋翼组件提供的升力的差值）影响飞机在这个轴方向的倾斜，这样，两组旋翼组件各自的差值，决定了俯仰角和横滚角。然后两组旋翼组件之间的差值，决定了飞机的扭动，也就是决定了航向角。然后两组（也就是全部）旋翼组件的共模分量在垂直水平面方向的投影，决定了在垂直方向上的力，这个力和重力合成后，是飞机最终在水平方向上的力，进而影响高度方向的变化。两组侧立旋翼组件的力，在水平面方向的投影，影响飞机在水平方向的运动。因为，两个侧立旋翼组件的力可以独立调节，进而，可以独立调节在水平面x，y方向的力的分量，所以，飞机的水平运动可以独立调节。两个侧立旋翼组件在垂直方向上的投影的力的分量，当作扰动，由飞机在垂直水平面方向上的力抵消。所述无人机俯视飞行的操控方法为：调整2个侧立旋翼的转速，来控制水平方向的运动。然后调整水平旋翼组件的平均速度，来控制高度方向的运动，并且抵消重力和侧立螺旋桨带来的影响。然后侧翼组件分为两组，两组之间的差异，决定了航向，每组内部的差异，决定了俯仰和横滚（俯仰和横滚的定义决定于机头的定义，机头怎么设定其实没有关系）

进一步的，本发明还提供一种新型多旋翼无人机套件，包括权利要求1~8中任一项所述无人机，所述无人机套件还包括遥控器，所述遥控器上设有两个二维摇杆和两个一维摇杆，通过其中一个所述二维摇杆给出无人机水平平移运动的命令，通过另一个所述二维摇杆和两个一维摇杆给出无人机旋转运动和高度运动的命令，实现六个摇杆给出所有的平移运动和旋转运动的命令；所述平移运动包括水平飞行运动以及上下高度调节运动；所述旋转运动包括俯仰运动、横滚运动以及航向角度调节运动；从而实现无人机旋转和平移运动的独立控制。其中横滚角度可以缺省设置一直为0，这样可以节省一个一维摇杆。

所述遥控器上设有两个二维摇杆和两个一维摇杆（总共六个自由度），通过所述摇杆给出无人机的平移运动（水平飞行和高度速度）以及旋转运动（俯仰角度，横滚角度和航向角度）的命令。实现无人机旋转和平移运动的独立控制。其中一个二维摇杆用于给出两个水平方向平移运动的速度命令。其余的两个二维摇杆和两个一维摇杆用于给出如下命令：1.高度速度，2.航向角速度，3.俯仰角速度或者角度，4.横滚角速度或者角度。其中的组合可以任意设置。如果摇杆控制角度的话，那么摇杆要使用不自动回中的，也就是摇杆的偏移直接对应理想的角度设定。如果摇杆控制的是角速度，那么摇杆可以使用自动回中（也就是没有外力的话，摇杆回中，对应的角速度是0）也可以不使用自动回中的，但都是在中点的话说明角速度为0。平移运动都是控制速度。其中横滚角度可以缺省设置一直为0，这样可以节省一个一维摇杆。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）本发明同时设置了水平旋翼组件和侧立旋翼组件，实现了无人机飞行姿态和水平运动实现独立控制，水平旋翼组件的调节用于控制无人机的不同飞行姿态，包括俯仰，横滚和航向以及飞行高度的调节，而侧立旋翼组件的调节用于控制无人机的水平运动，把飞机的姿态引动和水平运动解耦合，实现无人机6个自由度的同时调节，且本发明也提供相对应的多于4自由度的遥控器方案。

（2）侧立旋翼组件的转速调节除了大小也包括方向，也就是每一个侧立旋翼组件都能控制正反转。本发明通过调节第一侧立旋翼组件和第二侧立旋翼组件上螺旋桨的转动方向和转速，通过调节二者的旋转方向和转速，能够形成不同方向的力，从而推进无人机朝指定方向水平飞行，且0°＜α＜180°，使得水平力的方向可在0~360°之间调节，进而实现无人机在水平方向的全角度调节。

（3）本发明通过设置“x”型风道结构，同时机架内部贯穿“x”型水平旋翼组件结构，使得无人机整体呈现“米”字型交错结构，便于侧立旋翼的进风和出风气流与水平旋翼形成的气流隔离开来，减少互相影响。

（4）本发明侧立旋翼组件和中央连接件的一体化设计，使得结构更加稳定，减少相关连接件的设置，更加轻便。

（5）本发明多向接头的设计，便于多个元器件的整体拆装，方便组装和后期的维护。多向接头可以同时连接电机，水平悬臂，起落架杆，减少连接件的数目。

（4）本发明设置可选的连接到中空的水平悬臂的内部的保护支架，能够避免撞到物体损坏螺旋桨，或者螺旋桨转动伤到人，提高无人机的安全性。且所述保护支架为弧形，所述水平悬臂贯穿机壳的侧面呈内凹的弧形，使得所述保护支架的弧形与所述机壳内凹的弧形形成近似圆形的保护区，更好的保护旋桨，同时降低人员误操作的危险性。

（5）本发明采用中空的机壳，便于整个无人机内部的散热，且利用了侧立旋翼的进风和出风气流，进一步加速无人机控制主板的散热速度，增加电子系统的稳定性，使得无人机运行更加稳定。

附图说明

图1为本发明无人机机架俯视结构示意图。

图2为本发明无人机机架立体结构示意图。

图3为本发明无人机整体俯视结构示意图。

图4为本发明中央固定板结构示意图。

图5为本发明无人机整体仰视立体结构示意图。

图6为本发明多向接头立体结构示意图。

图7为本发明无人机机架又一俯视结构示意图。

图8为本发明无人机两侧立旋翼组件夹角α呈60°的俯视图。

图9为本发明无人机两侧立旋翼组件夹角α呈120°的俯视图。

图10为本发明无人机旋翼组件的旋桨与水平面夹角γ呈60°的俯视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

实施例1

一种新型多旋翼无人机，包括机架1和设于所述机架1上的水平旋翼组件2，在所述无人机水平静置状态下，所述水平旋翼组件2所在平面与水平面平行，所述机架1上还设有用于控制无人机水平运动的侧立旋翼组件3，在所述无人机静置状态下，所述侧立旋翼组件3包括多个侧立的旋桨组件，所述旋桨组件所在平面与水平面之间夹角为45°~135°，使得所述无人机的姿态变化和平移运动实现独立控制。优选的，本实施例中，所述旋桨组件所在平面与水平面之间夹角为90°。

所述水平旋翼组件2是无人机起飞和降落的主要动力元件，通过调节所述水平旋翼组件2的转速，实现无人机的水平状态下的上升和下降，所述侧立旋翼组件3的设置，是让无人机飞行姿态和水平运动实现独立控制，即水平旋翼组件2的调节用于控制无人机的不同飞行姿态，包括俯仰，横滚和航向以及飞行高度的调节，而侧立旋翼组件3的调节用于控制无人机的水平运动，把飞机的姿态引动和水平运动解耦合，实现无人机不同维度的同时调节。

如图2所示，所述侧立旋翼组件3包括第一侧立旋翼组件31和第二侧立旋翼组件32，所述第一侧立旋翼组件31和第二侧立旋翼组件32之间的夹角为α，所述α为90°。

本发明设置两个侧立的第一侧立旋翼组件31和第二侧立旋翼组件32，二者之间的夹角呈90°，当多旋翼无人机保持水平姿态时，所述第一侧立旋翼组件31和第二侧立旋翼组件32分别垂直于水平面，二者的螺旋桨转动形成的气流平行于水平面，而水平旋翼组件2的螺旋桨转动形成的气流垂直于水平面，因此，二者之间的气流不会相互干扰，进一步保证了无人机飞行的稳定性。

结合图3所示，所述无人机还包括机壳4，所述机壳4内设有第一风道10和第二风道20，所述第一风道10和第二风道20交叉形成“x”型风道结构，所述第一侧立旋翼组件31设于第一风道10中，结合图1所示，所述第二侧立旋翼组件32设于第二风道20中，所述第一侧立旋翼组件31和第二侧立旋翼组件32工作时，“x”型风道结构内形成交互通风气流，所述水平旋翼组件2通过水平悬臂21呈“十”字型交叉结构，贯穿所述机壳4，与机壳4的“x”型风道结构构成“米”字型交错结构。

所述机壳的顶部可以开设活动式天窗，组装完成后可以安装相应的外壳或者用外壳封住，保证x行风道整体上在上部和下部是个封闭结构。

本发明的无人机设有中空的机壳4，内部设有“x”型风道结构，当所述第一侧立旋翼组件31和第二侧立旋翼组件32工作时，会形成“x”型的交叉气流，所述水平旋翼组件2呈“十”字型交叉结构，贯穿所述机壳4，使得无人机的俯视图整体呈现“米”字型交错结构，使得侧立旋翼的进风和出风气流与水平旋翼形成的气流隔离开来，减少互相影响。

本发明的无人机控制主板设安装在机壳内部，本发明采用中空的机壳，便于整个无人机内部的散热，且利用了侧立旋翼的进风和出风气流，进一步加速无人机控制主板的散热速度，使得无人机运行更加稳定。

结合图2和图4所示，所述侧立旋翼组件3还包括中央固定板33，所述第一侧立旋翼组件31包括第一悬臂311、固定在所述第一悬臂311远端的第一旋桨组件312；所述第二侧立旋翼组件32包括第二悬臂321以及固定在所述第二悬臂321远端的第二旋桨组件322，所述中央固定板33与所述第一悬臂311和第二悬臂321的近端一体成型，所述第一悬臂311与第二悬臂321之间的夹角为α，其中α为90°。

如图4所示，所述第一旋桨组件312包括第一电机固定座100，安装在所述第一电机固定座100上的第一电机101以及由第一电机101驱动转动的第一垂直旋桨102，所述第二旋桨组件322包括第二电机固定座200，安装在所述第二电机固定座200上的第二电机201以及由第二电机201驱动转动的第二垂直旋桨202，所述第一电机固定座100与所述第一悬臂311的远端一体成型，所述第二电机固定座200与所述第二悬臂321的远端一体成型。

如图3所示，所述水平旋翼组件2包括多个水平悬臂21和与水平悬臂21匹配的多个水平旋桨组件22，结合图5所示，所述水平旋桨组件22包括多向接头221、第三电机222以及设于所述第三电机222上端的水平旋桨223，结合图6所示，所述多向接头221的上侧设有第一接口30，所述第三电机222固定于第一接口30，所述多向接头221靠近无人机中轴的一侧还设有第二接口40，所述多向接头221远离无人机中轴的一侧还设有第四接口60，所述水平悬臂21与所述第二接口40和第四接口60可拆卸式连接。

所述多向接头221的下端还设有第三接口50，，结合图5所示，所述水平旋翼组件2还包括起落架70和保护支架80，所述起落架70固定安装于所述第三接口50，所述保护支架80通过碳纤杆90固定安装于中空的水平悬臂21的内部。

所述保护支架80主要避免撞到物体损坏螺旋桨，或者螺旋桨转动伤到人，提高无人机的安全性。所述保护支架为弧形，所述水平悬臂21贯穿机壳4的侧面呈内凹的弧形，使得所述保护支架80的弧形与所述机壳4内凹的弧形形成近似圆形的保护区，更好的保护旋桨，同时降低人员误操作的危险性；所述起落架选用碳纤杆为材质，同样所述保护支架可以通过碳纤杆与多向接头221固定，能够降低无人机的质量，降低能耗。

结合图5和图6所示，所述多向接头221包括固定圆盘300，所述第三电机222固定安装于所述固定圆盘300的上侧，所述固定圆盘300的底面的中部设有第一卡合组件400，以及设于所述固定圆盘300的两侧，且以所述第一卡合组件400为中轴对称的第二卡合组件500和第三卡合组件600，所述第一卡合组件400的中部形成第三接口50，所述第二卡合组件500和第三卡合组件600的外侧分别形成第二接口40和第四接口60。

如图7所示，所述水平旋翼组件2包括第一水平旋翼组件23、第二水平旋翼组件24、第三水平旋翼组件25以及第四水平旋翼组件26；所述中央固定板33的上侧设有第一卡位331、以及设置在所述第一卡位331两侧的第二卡位332和第三卡位333；

本发明通过多个卡位的设置，便于多个旋翼组件的安装和拆解，同时还便于检修和零部件的更换，提高无人机整体的使用寿命。

所述第一水平旋翼组件23包括第一悬臂支架231和与第一悬臂支架231远端固定的第一水平旋桨组件232，所述第二水平旋翼组件24包括第二悬臂支架241和与第二悬臂支架241远端固定的第二水平旋桨组件242，所述第三水平旋翼组件25包括第三悬臂支架251和与第三悬臂支架251远端固定的第三水平旋桨组件252，所述第四水平旋翼组件26包括第四悬臂支架261和与第四悬臂支架261远端固定的第四水平旋桨组件262；

所述第一悬臂支架231的近端与第三悬臂支架251的近端一体式连接，且固定于第一卡位331上；

所述第二悬臂支架241的近端固定于第二卡位332中，所述第三悬臂支架251的近端固定于第三卡位333上；

使得所述第一水平旋翼组件23、第二水平旋翼组件24、第三水平旋翼组件25以及第四水平旋翼组件26形成“十”字型的水平旋翼结构或“x”型的水平旋翼结构。

实施例2

如图8所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，所述第一侧立旋翼组件31和第二侧立旋翼组件32之间的夹角为α，所述α为60°。

实施例3

如图9所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，所述第一侧立旋翼组件31和第二侧立旋翼组件32之间的夹角为α，180°-α=β，β为60°。

实施例4

如图10所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，所述旋桨组件所在平面与水平面之间夹角γ为60°。

实施例5

本实施例提供一种新型多旋翼无人机的飞行操控方法，利用实施例1~4任一项所述无人机实现，所述操控方法为：通过分别调节所述水平旋翼组件2和所述侧立旋翼组件3，实现所述无人机六个自由度的独立调节。

实施例6

本实施例提供一种用于控制实施例1~4任一项无人机的遥控器，所述遥控器上设有两个二维摇杆和两个一维摇杆（总共六个自由度），通过所述一维摇杆给出无人机平移运动的命令，通过所述二维摇杆给出无人机旋转运动的命令，所述平移运动包括水平飞行运动以及上下高度调节运动；所述旋转运动包括俯仰运动、横滚运动以及航向角度调节运动；从而实现无人机旋转和平移运动的独立控制。优选的，横滚角度的一维摇杆可以设置为0，这样可以节省一个一维摇杆。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。