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专利号: 202010464775X
申请人: 西南交通大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 飞行器;航空;宇宙航行
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种过驱动四旋翼无人机,其特征在于,矢量推力模块组成为:直流无刷电机(104)安装在基座(102)中部,螺旋桨(103)安装在直流无刷电机轴上,内框架伺服电机(106)安装固定在基座(102)一端上,内框架伺服电机的输出轴外端固定在内框架(101)上的第一固定座上,与内框架伺服电机同轴的第一轴固定在基座(102)另一端上,第一轴外端安装在内框架上的第一轴承座上;安装在外框架(100)上的外框架伺服电机(105)的输出轴经第二固定座固定在内框架上,与外框架伺服电机同轴的第二轴固定在外框架上,第二轴的内端安装在内框架上的第二轴承座上,上述内框架伺服电机的轴心线垂直于外框架伺服电机轴心线,且内、外框架伺服电机(106、105)的轴心线分别经过圆环形状的内、外框架(101、100)的圆心;机架(205)由四根等长连杆按“十”字型构型或“×”字型构型布置组成,第一、第二、第三、第四矢量推力模块(201、202、203、204)分别固定在机架的四根连杆外端上;

飞行器控制系统组成为:安装在机身上机体传感器(301)集成有矢量推力模块传感器,指南针以及气压针,机体传感器(301)通过通讯总线连接到主处理器,子处理器(303)读取矢量推力模块姿态传感器(304)的信息,矢量推力模块姿态传感器集成有陀螺仪和加速度计,用以反馈出矢量推力模块相对于世界坐标系的姿态,主处理器(302)和子处理器(303)通过通讯总线连接;

上述子处理器(303)和矢量推力模块姿态传感器(304)固定在每一个矢量推力模块的基座(102)上面;机体传感器(301)和主处理器固定在机架(205)上。

2.根据权利要求1所述的一种过驱动四旋翼无人机,其特征在于,所述机架(205)和四根连杆以等角度偏转连接;无人机的重心在四根连杆的连接点上;所述第一、第三矢量推力模块(201、203)中的直流无刷电机顺时针旋转,第二、第四矢量推力模块(202、204)中的直流无刷电机逆时针旋转。

3.一种无人机动态避障控制方法,由一个或多个矢量推力模块组成无人机的基本单元,用于给飞行器提供一个方向和大小都可以控制的矢量推力,主处理器安装在无人机机身上面,子处理器以及矢量推力模块姿态传感器分别安装在对应矢量推力模块上面,主处理器与子处理器之间通过通讯线双向连接或无线通讯连接,安装在机身的机体传感器(301)集成有陀螺仪、加速度计、指南针以及气压计;机体传感器(301)通过通信总线连接到主处理器(302),其特征在于,按以下步骤进行:步骤501:通过机体传感器测得当前机体三轴角速度和三轴角加速度以及姿态角度数据作为当前姿态数据;

步骤502:将步骤501获取的当前姿态数据与历史时刻姿态数据作对比,估计是否有撞击发生,每个方向加速度的变化是带有方向的矢量值,将三个方向加速度的变化值进行矢量的相加,撞击发生的判断条件是飞行器三个方向加速度变化值超过了提前设置的加速度变化阈值,则表示无人机有撞击发生,接着进行步骤503,否则,执行其它流程;

步骤503:计算碰撞能量势场

根据加速度矢量的变化值来计算能量势场,能量势场选择用椭球函数来描述,椭球函数的长轴正比与加速度矢量的模长,椭球的体积正比于碰撞能量,也就是正比于不明飞行物的动能;能量势场计算的输入条件是飞行器加速度变化的矢量值;

步骤504:计算排斥力

能量势场看作是一个带排斥力的能量场,排斥力是包含方向和大小的矢量,根据所计算的能量势场来计算出不明飞行物对飞行器的排斥力,该排斥力也就是不明飞行物施加在无人机上面的突变力,排斥力的作用点位于不明飞行物与无人机的接触点,所述排斥力的大小正比于能量势场的长轴,所述排斥力的方向是不明飞行物运动轨迹在该点的切线;

步骤505:计算施加在无人机上面的虚拟力

对于无人机而言,需要给无人机添加一个虚拟力使得无人机来快速逃脱这个排斥力的作用,飞行控制装置根据施加在无人机上面的排斥力来计算帮助无人机逃离不明飞行物的虚拟力,虚拟力是两个力的合力,第一个力的施加方向和能量势场的排斥力方向相同,大小取决于所述排斥力的大小,其作用是来逐渐抵消撞击能量,第二个力的施加方向垂直于排斥力,大小也取决于排斥力的大小,其作用是牵引无人机逐渐脱离不明飞行物,所施加的虚拟力的大小不能超过无人机能够提供的最大力;

步骤506:计算无人机逃离不明飞行物的期望位姿轨迹

上述位姿轨迹包含两层的含义:(1)飞行器的位置轨迹,用飞行器在世界坐标系中的坐标描述p(x,y,z);(2)飞行器的姿态轨迹,用飞行器相对于世界坐标系的欧拉角度表述η(φ,θ,ψ);

步骤507:依据“最小变化”原则,将无人机的期望位姿映射到每个执行器的输入“最小”变化原则包含两层含义:(1)优先级原则;(2)致动器状态变化最小;“最小变化”的优先级原则可以排列为:直流无刷电机、伺服电机;也就是在达到无人机期望的位姿的时候,如果仅仅调节直流无刷电机转速就能实现目标,则伺服电机的角度则无需变化;

上述“最小变化”原则的“致动器状态变化最小”是指到达某个确定的期望位姿,保证每个致动器的变化量最小。

4.根据权利要求3所述的一种无人机动态避障控制方法,其特征在于,还具有以下步骤:

当飞行器逃离来自顶部不明飞行物撞击时,过驱动飞行器的顶部撞击逃离轨迹(701)根据撞击能量来计算;

飞行器逃离高空坠物的过程分为:下降、侧倾、侧移、恢复四个阶段,飞行器在下降阶段是和高空坠物的下降方向是一致的,在这个过程中,无人机的机体逐渐倾斜,到达第二阶段侧倾,在侧倾阶段,无人机的机体倾斜,并随着高空坠物继续下降,到达侧移阶段,在侧移阶段,无人机在下降的同时,沿着无人机倾斜方向的反方向运动,逐渐逃离高空坠物,当无人机完全逃离高空坠物之后,无人机开始逐渐恢复到原来撞击之前的姿态;

在侧移阶段,尤其是侧倾阶段,无人机的运动是向下运动和横向运动的合成,并且在所有阶段,螺旋桨一直是处于水平的,这样有利于独立控制无人机的姿态和位置,具体而言,无人机的姿态控制由无人机的矢量推力模块上的伺服电机来调节,而无人机的位置是通过控制矢量推力模块上的推力的差量来调节;

当飞行器逃离底部不明飞行物撞击时,过驱动飞行器计算出底部撞击逃离轨迹(801)来逃离底部不明飞行物体的撞击,在这个机动动作中,依据“最小变化”原则,无人机机体的运动方向与姿态的倾斜方向一致,此时并没有独立控制矢量推力模块伺服电机的角度,通过减少调节致动器的数量来提高飞行器的响应时间,有助于提高飞行器快速逃离底部撞击的威胁;

当飞行器逃离横向不明飞行物撞击时,不明飞行物在与过驱动飞行器在同一水平高度飞行,横向撞击逃离轨迹(901)是飞行器逃离不明飞行物撞击的逃离轨迹,依据“最小变化原则”,在所述的逃离轨迹中,无人机的X-Y方向的速度和偏航角度发生变化,并最终恢复到撞击前的状态。