阅读说明：本技术 一种螺旋桨稳定调速无人机及其控制方法 (Propeller stable speed regulation unmanned aerial vehicle and control method thereof ) 是由 施博闻 张何 韦啸成 迪马·普勒斯图帕 姜保罗·布题驰 克里斯·杰拉得 关秋峰 王正一 于 2020-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明所采用的技术方案是,一种螺旋桨稳定调速无人机,包括无人机本体,中央飞控控制器,所述无人机本体上设置有n个螺旋桨动力单元,所述每个螺旋桨动力单元分别通过各自的解耦控制器与中央飞控控制器电连接,所述每个螺旋桨动力单元都包括q个负载螺旋桨和m个调速螺旋桨,其中,n、m和q为正整数；所述负载螺旋桨使用大尺寸螺旋桨,所述调速螺旋桨使用小尺寸螺旋桨。负载螺旋桨负责为无人机提供主要升力,但是由于尺寸大,响应速度较慢,调速螺旋桨为无人机提供辅助升力,由于尺寸较小,响应速度极快。负载螺旋桨通过其大尺寸螺旋桨的优势为系统提供充足的升力以及极高的效率,保证了系统的经济性。调速螺旋桨则通过其快速响应的特性来补偿负载螺旋桨在响应速度上的不足,为系统提供足够的响应性能。通过两套螺旋桨的配合输出,本系统能够提供最佳的经济性和响应性能。(The invention adopts the technical scheme that the propeller stable speed regulation unmanned aerial vehicle comprises an unmanned aerial vehicle body and a central flight control controller, wherein n propeller power units are arranged on the unmanned aerial vehicle body, each propeller power unit is electrically connected with the central flight control controller through a respective decoupling controller, each propeller power unit comprises q load propellers and m speed regulation propellers, and n, m and q are positive integers; the load propeller uses a large-size propeller, and the speed regulation propeller uses a small-size propeller. The load screw is responsible for providing main lift for unmanned aerial vehicle, but because the size is big, response speed is slower, and the speed governing screw provides supplementary lift for unmanned aerial vehicle, because the size is less, and response speed is very fast. The advantages of the load propeller through the large-size propeller provide sufficient lift force and extremely high efficiency for the system, and the economical efficiency of the system is guaranteed. The speed-regulating propeller compensates the deficiency of the load propeller in response speed through the characteristic of quick response of the speed-regulating propeller, and provides enough response performance for the system. The system can provide the best economy and response performance through the matched output of the two propellers.)

一种螺旋桨稳定调速无人机及其控制方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其是涉及一种螺旋桨稳定调速无人机及其控制方法。

背景技术

现有旋翼无人机采用螺旋桨调速来实现推力控制，进而实现对机体姿态的调节。由于螺旋桨在旋转时受到气动阻力作用和自身旋转惯量的影响，螺旋桨调速系统不能够快速地对转速/推力控制信号进行响应，这一点在使用大尺寸螺旋桨的大推力螺旋桨调速系统中尤其明显。

对于无人机而言，低响应性能的螺旋桨调速系统会降低无人机姿态的稳定性，进而影响无人机安全运行。飞控系统为了消除螺旋桨的低响应的问题，需要引入更加复杂的控制办法来实现螺旋桨的控制，这极大地增加了飞控系统的开发难度。另一方面，通过增加旋翼数量，或则采用纵列式布局能够部分提升螺旋桨调速系统的响应性能，但是系统效率会极大地降低。无人机系统随着载重需求的增加，系统对单个旋翼所能够提供的升力的需求也随之上升，为了解决该问题，一般包括提升螺旋桨尺寸和增加旋翼数量两种方案。

其中，提升螺旋桨尺寸(大螺旋桨思路)是最经济有效的办法，增加螺旋桨尺寸将会直接带来升力的增加，同时大尺寸螺旋桨的力效更好，整体系统的经济性更强。

另外，还可以通过增加旋翼数量(小螺旋桨思路)来增加系统整体升力，并且在获得相当升力的同时保证螺旋桨尺寸不变，进而使得调速系统响应性能保持不变。

而在提高螺旋桨调速系统的性能方面，多采用优化螺旋桨和优化电机控制器两种办法。

第一，优化螺旋桨，通过采用更轻的材料和更好的气动外形从而使得螺旋桨在运行时气动阻力更低、转动惯量更好。

第二，优化电机控制器

现有的无人机动力系统中(仅以电动螺旋桨调速系统为例)，存在两种电机控制方式，

(1)直流无刷控制(BLDC-Brushless DC)，优点是速度响应快，输出能力强，缺点是噪音大，效率低，对外界突变情况适应差(开环控制)，输出能力随电池电压降低同比降低

(2)磁场定向控制/(FoC-Field Oriented Control)，优点是噪音低，效率高，单体抗干扰能力强(闭关转速控制)，性能几乎不随电池电压降低而发生变化，缺点是动态变速能力相对较弱。

上述二种控制方法在优化后均能够一定程度上提高螺旋桨调速系统的性能。针对无人机动态响应性能，更多的优化集在于对于电机控制器(又称电调)本生的响应速度，螺旋桨减重，以及飞控PID参数的整定。

采用大螺旋桨思路的无人机虽然在单个旋翼上有着很高的力效和经济性，但是由于螺旋桨尺寸的增大，整体气动阻力和转动惯量会随之增加，调速响应性能下降。虽然可以通过对电机驱动算法的优化来补偿大尺寸螺旋桨带来的影响，但是由于物理性质的限制，在电机控制器端的参数优化调节对于响应速度的提升非常有限。其次，螺旋桨减重也受制于螺旋桨本身的尺寸大小和材料约束，效果不明显；气动外形优化则需要大量的计算和实验，成本高昂。

采用小螺旋桨思路的无人机虽然通过增加螺旋桨数量、保持螺旋桨尺寸不变或减小螺旋桨尺寸来换取更高的响应性能，但是小尺寸螺旋桨的力效远远低于大尺寸螺旋桨，同时增加的螺旋桨也会带来更多的“死重”，造成无人机系统续航和经济性下降。

前面提到的二种驱动方法均针对单个螺旋桨调速系统，其本质是对螺旋桨调速系统中驱动电机的控制方法，只作为执行机构来输出飞控所需要的转速，其本身不参与对推力和姿态的控制。在无人机上，飞控本身的控制逻辑是以控制计算各个螺旋桨的相对速度，并通过输出转速需求信号给各个控制器从而达到稳态飞行的目的。因此，整套动力单元都是以相对转速为核心标定。但是在无人机飞行原理上，无人机除了旋转(YAW)以外，其他的三种动作姿态：前进，升降，横滚都是以在各个螺旋桨除分配不同的垂直拉力(升力)来实现的。因此为了实现拉力至转速的对应，飞控系统需要进行额外的计算，极大地增加了算法的复杂度和开发成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种响应性能好，系统效率最大化的螺旋桨稳定调速无人机及其控制方法。

本发明所采用的技术方案是，一种螺旋桨稳定调速无人机，包括无人机本体，中央飞控控制器，所述无人机本体上设置有n个动力单元，所述每个动力单元分别通过各自的解耦控制器与中央飞控控制器电连接，所述每个动力单元都包括q个负载螺旋桨和m个调速螺旋桨，其中，n、m和q为正整数。

本发明的有益效果是：负载螺旋桨负责为无人机提供主要升力，但是由于尺寸大，响应速度较慢，通过增加具有快速响应的特性的调速螺旋，来补偿负载螺旋桨在响应速度上的不足，为系统提供足够的响应性能桨。而同时负载螺旋桨通过其大尺寸螺旋桨的优势为系统提供充足的升力以及极高的效率，保证了系统的经济性。通过两套螺旋桨的配合输出，本系统能够提供最佳的经济性和响应性能。

作为优先，所述螺旋桨动力单元包括一个负载螺旋桨和一个调速螺旋桨，所述负载螺旋桨的尺寸大于调速螺旋桨，该数目设置即可较好的满足使用需求，且成本低，效率高，调速螺旋桨尺寸小于负载螺旋桨可以使得调速螺旋桨的响应能力优于负载螺旋桨。

作为优先，所述负载螺旋桨的螺旋桨朝向向上，所述调速螺旋桨倒置向下且位于负载螺旋桨的正下方与负载螺旋桨固定连接，使得调速螺旋桨能够较好的服务于同一动力单元内的负载螺旋桨，完成辅助工作。

作为优先，所述同一个动力单元内，调速螺旋桨和负载螺旋桨分别通过各自的转动电机，即调速电机和负载电机，与解耦控制器电连接，使得两套螺旋桨转速控制均相互独立，两套螺旋桨运行速度将根据工况各自独立变化。

本发明还公开了一种无人机螺旋桨稳定调速控制方法，包括步骤：

S1、中央飞控控制器中的飞控系统分别向每个动力单元对应的解耦控制器发出飞控指令；

S2、解耦控制器接收到飞控系统的信号指令后，对信号进行解耦，分别输出调速螺旋桨控制指令以及负载螺旋桨控制指令；

S3、调速电机接收调速螺旋桨控制指令，然后通过调速电机调节调速螺旋桨；负载电机接收负载螺旋桨控制指令，然后通过负载电机调节负载螺旋桨。

作为优先，所述S1包括：

所述飞控系统向动力单元的解耦控制器发出的飞控指令为上一个周期的负载螺旋桨转速指令和当前周期的负载螺旋桨转速指令。

作为优先，所述S2包括：

S21、解耦控制器接收到飞控系统的两个转速指令后，由两个不同的负载螺旋桨转速计算拉力变化量；

S22、根据拉力变化量判断输入需求，当拉力变化量小于等于K时，判定为维持当前姿态，转入S23；当拉力变化量大于K时，判断为改变当前动力，转入S24；

S23、执行姿态维持方案，解耦控制器向负载电机发出保持当前转速的恒定指令，向调速电机发出动态调速指令；

S24、执行提升动力方案，根据S21的拉力变化量，动态分配负载螺旋桨和调速螺旋桨的实际拉力。

作为优先，所述S24包括：

S241、对负载螺旋桨进行检测，检测拉力输出值是否达到由解耦控制器计算得到的拉力变化量，若是，执行S242；若否，执行S243；

S242、检测拉力分配是否达到最高效率配置点，若是，维持当前姿态；若否，调用差速调配控制方案，然后再次检测拉升力分配是否达到最高效率配置点。

S243、调用最快响应控制方案。

通过上述方法，使得负载螺旋桨和调速螺旋桨能够较好的配合实现较快的响应速度，结合强化学习的奖励机制，配合实现不同应用场景下的控制策略。

附图说明

图1为本发明动力单元结构示意图；

图2为本发明控制指令路线示意图；

图3为本发明方法流程示意图。

具体实施方式

以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。

本发明所采用的技术方案是，一种螺旋桨稳定调速无人机，包括无人机本体，中央飞控控制器，所述无人机本体上设置有n个动力单元，所述每个动力单元分别通过各自的解耦控制器与中央飞控控制器电连接，所述每个动力单元都包括q个负载螺旋桨和m个调速螺旋桨，其中，n、m和q为正整数。负载螺旋桨负责为无人机提供主要升力，但是由于尺寸大，响应速度较慢，通过增加具有快速响应的特性的调速螺旋，来补偿负载螺旋桨在响应速度上的不足，为系统提供足够的响应性能桨。而同时负载螺旋桨通过其大尺寸螺旋桨的优势为系统提供充足的升力以及极高的效率，保证了系统的经济性。通过两套螺旋桨的配合输出，本系统能够提供最佳的经济性和响应性能。

所述螺旋桨动力单元包括一个负载螺旋桨和一个调速螺旋桨，所述负载螺旋桨的尺寸大于调速螺旋桨，该数目设置即可较好的满足使用需求，且成本低，效率高，调速螺旋桨尺寸小于负载螺旋桨可以使得调速螺旋桨的响应能力优于负载螺旋桨。所述负载螺旋桨的螺旋桨朝向向上，所述调速螺旋桨倒置向下且位于负载螺旋桨的正下方与负载螺旋桨固定连接，使得调速螺旋桨能够较好的服务于同一动力单元内的负载螺旋桨，完成辅助工作。所述同一个动力单元内，调速螺旋桨和负载螺旋桨分别通过各自的转动电机，即调速电机和负载电机，与解耦控制器电连接，使得两套螺旋桨转速控制均相互独立，两套螺旋桨运行速度将根据工况各自独立变化。

本发明还公开了一种无人机螺旋桨稳定调速控制方法，包括步骤：

S1、中央飞控控制器中的飞控系统分别向每个动力单元对应的解耦控制器发出飞控指令；

S2、解耦控制器接收到飞控系统的信号指令后，对信号进行解耦，分别输出调速螺旋桨控制指令以及负载螺旋桨控制指令；

S3、调速电机接收调速螺旋桨控制指令，然后通过调速电机调节调速螺旋桨；负载电机接收负载螺旋桨控制指令，然后通过负载电机调节负载螺旋桨。

所述S1包括：所述飞控系统向动力单元的解耦控制器发出的飞控指令为上一个周期的负载螺旋桨转速指令和当前周期的负载螺旋桨转速指令。

所述S2包括：

S21、解耦控制器接收到飞控系统的两个转速指令后，由两个不同的负载螺旋桨转速计算拉力变化量；

S22、根据拉力变化量判断输入需求，当拉力变化量小于等于K时，判定为维持当前姿态，转入S23；当拉力变化量大于K时，判断为改变当前动力，转入S24；

S23、执行姿态维持方案，解耦控制器向负载电机发出保持当前转速的恒定指令，向调速电机发出动态调速指令；

S24、执行提升动力方案，根据S21的拉力变化量，动态分配负载螺旋桨和调速螺旋桨的实际拉力。

所述S24包括：

S241、对负载螺旋桨进行检测，检测拉力输出值是否达到由解耦控制器计算得到的拉力变化量，若是，执行S242；若否，执行S243；

S242、检测拉力分配是否达到最高效率配置点，若是，维持当前姿态；若否，调用差速调配控制方案，然后再次检测拉升力分配是否达到最高效率配置点。

S243、调用最快响应控制方案。

通过上述方法，使得负载螺旋桨和调速螺旋桨能够较好的配合实现较快的响应速度，结合强化学习的奖励机制，配合实现不同应用场景下的控制策略。

实施例一：

在本实施例中，无人机有四个动力单元，每个动力单元内分别有一个负载螺旋桨和一个调速螺旋桨。所述负载螺旋桨尺寸为38英尺，所述调速螺旋桨尺寸为6英尺。在解耦控制器中包括一个转速-升力转换器，一个总升力解耦控制器以及两个升力-转速转换器。在需要调节负载螺旋桨的升力和转速时，首先由飞控系统根据当前的姿态计算后发出针对每一个动力单元转速指令，然后由动力单元各自的解耦控制器中的转速-升力转换器先将转速指令转换为总升力指令，然后再根据力学原理，总升力解耦控制器将总升力指令转换负载螺旋桨的实时升力和调速螺旋桨的实时升力，并使用强化学习对两个实时升力进行修正，使得升力的分配更符合当前外部环境，最后将各自的升力通过升力-转速转换器转换为转速指令发送到两个螺旋桨的转动电机中控制负载螺旋桨和调速螺旋桨的转速。

具体控制策略如下：

1.针对平稳工况

在无人机飞行的大部分飞行工况均为平稳工况，即转速或者升力指令在一个区间内波动，不存在较大变化。解耦处理器通过长时间采样，确定处于该工况后，将负载螺旋桨转速调定在固定速度以提供主要升力，同时依靠调速螺旋桨来响应转速或升力指令的波动。

2.针对不平稳工况

不平稳工况指的是在短时内转速或者升力指令出现较大范围的变化。解耦处理器侦测到短时间内指令大范围变化后，根据指令为增加或减少：

(1)指令为增加

解耦处理器将控制调速螺旋桨快速增加转速以尽可能快地响应飞控突然增加的转速/推力需求；与此同时负载螺旋桨也在增加转速，调速螺旋桨将根据负载螺旋桨的转速情况相应降低转速；最终负载螺旋桨到达指定转速/推力时，主升力将由负载螺旋桨提供，同时依靠调速螺旋桨来响应转速或升力指令的波动。

(2)指令为减少

解耦处理器同时控制两套螺旋桨共同减速以尽可能快地响应飞控突然减少的转速/推力需求。最终负载螺旋桨到达指定转速/推力时，主升力将由负载螺旋桨提供，同时依靠调速螺旋桨来响应转速或升力指令的波动。

本发明提出螺旋桨稳定调速系统采用多螺旋桨结构，通过大螺旋桨和小螺旋桨配合工作来实现对飞控系统的快速响应，同时保证了系统的效率，有效解决了传统螺旋桨调速系统在采用大尺寸螺旋桨时响应速度慢、性能差和采用小尺寸螺旋桨效率低的问题。同时，本发明提出的解耦电机控制器和解耦控制策略可以根据飞控输入指令自行对多个螺旋桨进行解耦控制，使多个螺旋桨能够相互配合使整个螺旋桨调速系统在保证高效率的同时做到高速平稳响应，并且该控制策略对飞控透明，不需要飞控参与运算，降低了飞控开发和参数整定的难度。

实施例二：

以螺旋桨加速需求为例，无人机螺旋桨稳定调速控制方法，包括步骤：

S1、中央飞控控制器中的飞控系统分别向每个动力单元对应的解耦控制器发出飞控指令所述飞控系统向动力单元的解耦控制器发出的飞控指令为上一个周期的负载螺旋桨转速指令和当前周期的负载螺旋桨转速指令；

S2、解耦控制器接收到飞控系统的信号指令后，对信号进行解耦，分别输出调速螺旋桨控制指令以及负载螺旋桨控制指令；

S3、调速电机接收调速螺旋桨控制指令，然后通过调速电机调节调速螺旋桨；负载电机接收负载螺旋桨控制指令，然后通过负载电机调节负载螺旋桨。

所述S2包括：

S21、解耦控制器接收到飞控系统的两个转速指令后，由两个不同的负载螺旋桨转速计算拉力变化量；

S22、根据拉力变化量判断输入需求，当拉力变化量等于0时，判定为维持当前姿态，转入S23；当拉力变化量大于0时，判断为提升当前动力，转入S24；

S23、执行姿态维持方案，解耦控制器向负载电机发出保持当前转速的恒定指令，向调速电机发出动态调速指令；

S24、执行提升动力方案，根据S21的拉力变化量，动态分配负载螺旋桨和调速螺旋桨的实际拉力。

所述S24包括：

S241、对负载螺旋桨进行检测，检测拉力输出值是否达到由解耦控制器计算得到的拉力变化量，若是，执行S242；若否，执行S243；

S242、检测拉力分配是否达到最高效率配置点，若是，维持当前姿态；若否，调用差速调配控制方案，然后再次检测拉升力分配是否达到最高效率配置点。

S243、调用最快响应控制方案。

其中，在本实施例里，差速调配控制方案是指，解耦控制器控制对负载电机发出加速指令，对调速电机发出减速指令。

最快响应控制方案是指，解耦控制器控制对负载电机发出加速指令，对调速电机发出加速指令。

在本实施例中，转速以及拉力的具体分配方式，可以使用查表法进行分配，即事先准备好不同转速对应的拉力，阶跃响应速度，对应力效以及对应输出指令等，当需要进行分配拉力时，根据表格查询发出最高力效实施指令，除了查表法，本申请也可以使用强化学习对拉力进行调配。

动态拉升力分配方案举例：

以查表法为例。根据上层接受数据转速信号差值计算后，可在表1中获得所需阶跃拉力需求A。在“计算动态拉升力分配方案”逻辑下，将生成“在最快响应控制方案X”和“差速调平方案控制方案Y”。

“在最快响应控制方案X”调用方式如下:

根据A需求，在表3中查表，获得最大阶跃响应速度指令，在表2中获得匹配指令：

在A大于或等于最大值时，副驱动输出O指令，主驱动在表2中根据A需求输出响应转速1-M对应指令。

在A小于最大值时，副驱动更具需求选取输出1-O对应指令，主驱动维持原输出。

在完成最快调速X后，实施“差速调平方案控制方案Y”：

在A指令下，查找表格2与表格3最高力效组合点B。

在B工况下，分别将主副驱动对应工况从X迁移到Y，同时保证输出拉力需求A不变。此时，主驱动假设调速指令范围为升速M1-M2，曲线Mx，副驱动假设调速指令范围为降速O2-O1，曲线Ox。针对，升速降速曲线Mx，Ox，进行同扭矩差值拟合，从而输出动态控制Y。

同扭矩差值拟合举例：假设，总差值拉力为1000g。对于一个步进，Mx提升10g拉力，需要提升40rpm转速，同时，寻找Ox中下降10g拉力对应转速，例如500rpm差值，从而实现一个10g步进的同扭矩差值拟合。那么实现1000g差值拟合，需要选取100个点。针对这100个点求得平顺的Mx和Ox曲线，从而实现稳定调平。该差值步进可以根据系统的响应要求，平顺度等指标进行不同设置。

表格1

表格2

表格3