[发明专利]一种抗风扰的非平面飞行器及控制方法

说明书

本发明涉及一种抗风扰的非平面飞行器及控制方法，包括机体、多对支撑臂，支撑臂一端固定设置在机体上，另一端设有旋翼，旋翼的旋转平面与机体平面的夹角为旋翼的倾转角，0°90°，相邻旋翼组成面‑面或背‑背旋翼对，其中面‑面旋翼对的升力方向相对且均朝向旋翼对之间的空间，背‑背旋翼对的升力方向相背且均远离旋翼对之间的空间，旋翼对中的旋翼倾转角数值相等，旋转方向相反，分别为顺时针旋转和逆时针旋转。本发明的飞行器受到的扭矩可相互抵消，能在空间中独立调节升力与力矩，具有多自由度独立控制能力，可实现姿态转动和平动运动的解耦，从本质上消除了平面式飞行器的欠驱动性；此外，该飞行器较平面式飞行器姿态调整快、抗风扰响应快、在恶劣环境中的存活率高，并且其控制方法简单，装置成本低。

技术领域

本发明涉及一种抗风扰的非平面飞行器及控制方法。

背景技术

旋翼式飞行器能够支持搜索和救援行动，这与其在任意空间的定位能力有极大关系，然而，大多数搜救行动的环境往往极其恶劣，例如灾难现场，危险的野外森林等，飞行器需要对瞬时气动环境变化做出快速响应并迅速对抗剧烈干扰，尤其需要能够抵抗来自任意方向的风扰而正常工作。

目前已有的旋翼飞行器大都采用平面布局结构，如平面四旋翼、六旋翼飞行器，其全部旋翼位于同一个平面或两个平行平面内且旋翼的转轴都指向同一方向。平面式飞行器要对抗环境中的风扰，必须朝着风扰的方向倾斜整个机体，其平飞运动必须依靠姿态角的改变，由升力的水平分量提供平飞所需的驱动力，由升力的垂直分量来克服飞行器机体的重力。由于各个旋翼产生的升力方向相同且相互耦合，平面式旋翼系统只能向飞行器提供一个可调的升力以及三个姿态控制力矩，使得平面式飞行器本质上是一种欠驱动系统。

由于平面式飞行器只能通过姿态改变产生平动飞行的力，其姿态转动和平动运动间存在耦合，严重制约了其机动能力，给飞行器的稳定控制带来了困难。此外，平面旋翼飞行器的控制方法复杂，姿态调整反应慢导致了抗风扰响应慢，难以适应恶劣的工作环境。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种抗风扰的非平面飞行器及控制方法，飞行器受到的扭矩可相互抵消，能在空间中独立调节升力与力矩，具有多自由度独立控制能力，可实现姿态转动和平动运动的解耦，从本质上消除了平面式飞行器的欠驱动性；此外，该飞行器较平面式飞行器姿态调整快、抗风扰响应快、在恶劣环境中的存活率高，并且其控制方法简单，装置成本低。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种抗风扰的非平面飞行器，包括机体、多对支撑臂，支撑臂一端固定设置在机体上，另一端设有旋翼，旋翼的旋转平面与机体平面的夹角为旋翼的倾转角，0°90°，相邻旋翼组成面-面或背-背旋翼对，其中面-面旋翼对的升力方向相对且均朝向旋翼对之间的空间，背-背旋翼对的升力方向相背且均远离旋翼对之间的空间，旋翼对中的旋翼倾转角数值相等，旋转方向相反，分别为顺时针旋转和逆时针旋转。

进一步地，支撑臂的几何中心线位于同一平面，相邻支撑臂的夹角相等，一对支撑臂的几何中心线位于同一直线。

进一步地，支撑臂通过支撑臂夹紧装置固定在机体上，支撑臂夹紧装置的支撑臂安装孔与支撑臂过盈配合，支撑臂安装孔上标有角度刻度线，支撑臂上标有基准线，基准线沿支撑臂的方向，并与旋翼的旋转平面平行，支撑臂安装时，通过调节基准线对应的角度刻度线实现任意的旋翼倾转角。

进一步地，夹紧板上的角度刻度线标有0°~90°和-90°~0°范围内的角度，其中0°刻度线垂直于机体平面。

进一步地，支撑臂夹紧装置包括两个夹紧板，两个夹紧板对接形成支撑臂安装孔，两个夹紧板均固定连接在机体上，通过螺纹连接实现两个夹紧板间的固定连接以实现支撑臂的固定。