阅读说明：本技术 一种旋翼航空器及其螺旋桨力矩的转换方法 (Rotor aircraft and conversion method of propeller moment thereof ) 是由 陈佳龙 胡华智 徐世科 程子啸 于 2020-05-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种旋翼航空器及其螺旋桨力矩的转换方法,包括多个螺旋桨及与其连接的电动机、控制器、惯性测量装置,其中：所述惯性测量装置用于测量旋翼航空器的当前飞行状态数据,并把飞行状态数据发送给所述控制器；所述控制器用于根据所述当前飞行状态数据,调节各个电动机的功率和扭矩输出,并输出指令给各个电动机；所述电动机用于获取控制器的指令,根据指令执行功率输出驱动与其连接的螺旋桨产生升力和扭矩。通过本发明实施例,可以解决大惯量旋翼航空器姿态控制的快速性要求,提高角加速度,以及实现旋翼航空器姿态、速度、位置的期望值,提升旋翼航空器的机动性能。(The invention discloses a rotorcraft and a method for converting the moment of propellers thereof, comprising a plurality of propellers, and a motor, a controller and an inertia measuring device which are connected with the propellers, wherein: the inertial measurement unit is used for measuring the current flight state data of the rotorcraft and sending the flight state data to the controller; the controller is used for adjusting the power and torque output of each motor according to the current flight state data and outputting instructions to each motor; the motor is used for obtaining the instruction of the controller and outputting power to drive the propeller connected with the motor to generate lift and torque according to the instruction. By the embodiment of the invention, the requirement on rapidity of attitude control of the high-inertia rotor aircraft can be met, the angular acceleration is improved, the expected values of the attitude, the speed and the position of the rotor aircraft are realized, and the maneuvering performance of the rotor aircraft is improved.)

一种旋翼航空器及其螺旋桨力矩的转换方法

技术领域

本发明涉及旋翼航空器领域，特别涉及一种旋翼航空器及其螺旋桨力矩的转换方法。

背景技术

目前，旋翼航空器的应用日益广泛，可以应用于空中拍照、摄像以及一般的监控用途。

目前，旋翼航空器是利用逆时针螺旋桨和顺时针螺旋桨的转速差异产生扭矩差值来提供飞行器偏航所需力矩，对于横滚和俯仰则采用左右或前后升力的不同来提供所需转动力矩。这种方案存在诸多不足，例如：仅仅利用螺旋桨的转速差异产生偏航力矩，途径单一且绝对值小；对于偏航方向惯量大的航空器，偏航控制力矩不足；无法实现升力和力矩的精确控制；无法实现力和力矩的智能分配和精准的姿态、速度、位置的控制。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供的一种旋翼航空器及其螺旋桨力矩的转换方法，可以解决大惯量旋翼航空器姿态控制的快速性要求，提高角加速度，以及实现旋翼航空器姿态、速度、位置的期望值，提升旋翼航空器的机动性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

根据本发明实施例的一个方面，提供的一种旋翼航空器，所述旋翼航空器包括多个螺旋桨及与其连接的电动机、控制器、惯性测量装置，其中：

所述惯性测量装置，用于测量旋翼航空器的当前飞行状态数据，并当前把飞行状态数据发送给所述控制器；

所述控制器，用于根据所述前飞行状态数据，调节各个电动机的功率和扭矩输出，并输出指令给各个电动机；

所述电动机，用于获取控制器的指令，根据指令执行功率输出驱动与其连接的螺旋桨。

在一个可能的设计中，所述旋翼航空器还包括底座，所述底座含有一定的倾斜角度，所述倾斜角度使螺旋桨产生的螺旋桨升力在垂直方向和水平切向产生分力，其中，垂直方向分力用于平衡旋翼航空器的重力，水平方向分力用于提供旋翼航空器的偏航力矩。

在一个可能的设计中，所述底座通过连接部件连接安装在所述旋翼航空器的机体上。

在一个可能的设计中，连接在所述旋翼航空器机体左右两侧的所述连接部件比连接在所述旋翼航空器机体前后两端的所述连接部件要长。

在一个可能的设计中，所述电动机通过第一紧固件安装到所述底座上。

在一个可能的设计中，所述螺旋桨通过第二紧固件垂直地安装在所述电动机上。

在一个可能的设计中，所述控制器根据旋翼航空器的当前飞行状态数据以及倾斜角度数据实时计算旋翼航空器的各个螺旋桨需要输出的功率，输出功率指令给与各个螺旋桨连接的电动机。

在一个可能的设计中，所述控制器根据偏航力矩的需求分配通过螺旋桨转速差值产生螺旋桨扭矩和通过螺旋桨升力分力产生扭矩的比例，输出扭矩指令给与各个螺旋桨连接的电动机。

在一个可能的设计中，所述螺旋桨为单轴单螺旋桨。

在一个可能的设计中，所述螺旋桨为上下双螺旋桨。

根据本发明实施例的另一个方面，提供的一种旋翼航空器螺旋桨力矩的转换方法，应用于本发明任一实施例所述的旋翼航空器，所述旋翼航空器包括多个螺旋桨及与其连接的电动机、控制器、惯性测量装置，所述方法包括：

所述惯性测量装置测量旋翼航空器的当前飞行状态数据，并把当前飞行状态数据发送给所述控制器；

所述控制器根据所述当前飞行状态数据，调节各个电动机的功率和扭矩输出，并输出指令给各个电动机；

各个电动机获取控制器的指令，根据指令执行功率输出驱动与其连接的螺旋桨。

与相关技术相比，本发明实施例提供的一种旋翼航空器及其螺旋桨力矩的转换方法，包括多个螺旋桨及与其连接的电动机、控制器、惯性测量装置，其中：所述惯性测量装置，用于测量旋翼航空器的当前飞行状态数据，并把飞行状态数据发送给所述控制器；所述控制器，用于根据所述当前飞行状态数据，调节各个电动机的功率和扭矩输出，并输出指令给各个电动机；所述电动机，用于获取控制器的指令，根据指令执行功率输出驱动与其连接的螺旋桨产生升力和扭矩。通过本发明实施例，通过惯性测量装置实现螺旋桨升力和螺旋桨力矩的精确控制，实现升力和扭矩控制的闭环，可以解决大惯量旋翼航空器姿态控制的快速性要求，提高角加速度；控制器智能分配螺旋桨扭矩和螺旋桨升力分力产生扭矩的比例，智能控制不同电动机需要输出功率的比例实现螺旋桨升力、螺旋桨扭矩、螺旋桨升力分力产生力矩输出，实现螺旋桨升力和螺旋桨力矩的智能分配和精准包括姿态、速度、位置等飞行状态的控制，实现旋翼航空器姿态、速度、位置的期望值，提升旋翼航空器的机动性能。

附图说明

图1为本发明提供一种旋翼航空器的结构示意图；

图2为本发明提供一种旋翼航空器的单轴单螺旋桨的结构示意图；

图3为本发明提供一种旋翼航空器的上下双螺旋桨的结构示意图；

图4和图5为本发明提供一种旋翼航空器的螺旋桨的倾斜角度和螺旋桨转向的关系示意图；

图6为本发明提供一种旋翼航空器的螺旋桨的倾斜角度和螺旋桨转向的关系分布图。

图7为本发明提供一种旋翼航空器螺旋桨力矩的转换方法流程示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅以解释本发明，并不用于限定本发明。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

在一个实施例中，如图1和图2所示，本发明提供一种旋翼航空器，该旋翼航空器包括多个螺旋桨10及与其连接的电动机20、控制器(未图示)、惯性测量装置40，其中：

该惯性测量装置40，安装在旋翼航空器几何中心或者有坐标标定的位置，用于测量旋翼航空器的当前飞行状态数据，并把当前飞行状态数据发送给该控制器；其中，该飞行状态数据包括当前姿态数据、速度数据、位置数据等。

该控制器，安装在旋翼航空器几何中心或者有坐标标定的位置，用于根据该惯性测量装置40发送的当前飞行状态数据，调节各个电动机20的功率和扭矩输出，并输出指令给各个电动机20。

该电动机20，用于获取控制器30的指令，根据指令执行功率输出驱动与其连接的螺旋桨10产生升力和扭矩。

在本实施例中，通过惯性测量装置实现螺旋桨升力和螺旋桨力矩的精确控制，实现升力和扭矩控制的闭环，可以解决大惯量旋翼航空器姿态控制的快速性要求，提高角加速度；控制器智能分配螺旋桨扭矩(螺旋桨扭矩是所有螺旋桨之间的转速产值产生的扭矩)和螺旋桨升力分力产生扭矩的比例，智能控制不同电动机需要输出功率的比例实现螺旋桨升力、螺旋桨扭矩、螺旋桨升力分力产生力矩输出，实现螺旋桨升力和螺旋桨力矩的智能分配和精准包括姿态、速度、位置等飞行状态的控制，实现旋翼航空器姿态、速度、位置的期望值，提升旋翼航空器的机动性能。

在一个实施例中，如图2所示，该旋翼航空器还包括底座50，该底座50含有一定的倾斜角度，该倾斜角度使螺旋桨10产生的螺旋桨升力1在垂直方向和水平切向产生分力(如图2所示)，其中，垂直方向分力2用于平衡旋翼航空器的重力，水平方向分力3用于提供旋翼航空器的偏航力矩。由于水平分力3因为要乘以螺旋桨10的转动中心到旋翼航空器机体几何中心的长度，所以只要很小的分力就可以产生很大的力矩，这个力矩要比通过所有螺旋桨的转速差产生的力矩大很多倍。对于重量体积大，从而惯性大的旋翼航空器。而言，才能更容易实现偏航。

优选地，该倾斜角度是该底座50的中轴线与垂直方向之间的角度。

优选地，该底座50通过连接部件60连接安装在该旋翼航空器机体上。

优选地，与该底座50和该旋翼航空器机体连接的所述连接部件60的长度不同，各根连接部件60的长度设置是考虑对于机体几何中心圆周分布，使电动机20及螺旋桨10设置在以机体几何中心为基点的圆周上，力矩相互抵消，有利于飞行控制。一般是连接在所述旋翼航空器机体左右两侧的所述连接部件60比连接在所述旋翼航空器机体前后两端的所述连接部件60要长，即连接在所述旋翼航空器机体左右两侧的所述连接部件60较长，连接在所述旋翼航空器机体前后两端的所述连接部件60较短。实际应用中，也可能根据旋翼航空器的整体设计考虑，调整各根连接部件60的长度和角度，使电动机20及螺旋桨10设置并不在一个圆周上。

例如图6所示，与该旋翼航空器机体连接的所述连接部件60有8根，其中，连接在所述旋翼航空器机体左右两端的4根连接部件60较长，连接在所述旋翼航空器机体前后端的4根连接部件60较短。

优选地，该电动机20通过第一紧固件安装到该底座50上。

优选地，该螺旋桨10通过第二紧固件垂直地安装在该电动机20上。

在一个实施例中，如图4和图5所示。图4和图5表示了旋翼航空器的螺旋桨的倾斜角度和螺旋桨转向的关系。在本实施例中，旋翼航空器螺旋桨的倾斜角度和螺旋桨转向相关满足以下条件：螺旋桨的倾斜角度所产生的螺旋桨升力的水平方向分力相对于旋翼航空器中心的偏航力矩与螺旋桨转动产出的反扭矩方向相同。在此条件下，螺旋桨转速增加时，转动的反扭矩方向和升力水平分力产生的扭矩方向相同且一同增加，旋翼航空器的偏航力矩同向加大。当螺旋桨的转速减小时，转动的反扭矩方向和升力水平分力产生的扭矩方向相同且一同减小，旋翼航空器的偏航力矩同向减小。

如图6所示的旋翼航空器的螺旋桨的倾斜角度和螺旋桨转向的关系分布图。其中﹢5°为该处安装的旋翼航空器的螺旋桨的倾斜角度，该处安装的倾斜角度为﹢5°的螺旋桨产生的反扭矩让飞机逆时针转动，该螺旋桨的升力水平分力产生的扭矩让飞机逆时针转动。﹣5°为该处安装的旋翼航空器的螺旋桨的倾斜角度，该处安装的倾斜角度为﹣5°的螺旋桨产生的反扭矩让飞机顺时针转动，该螺旋桨的升力水平分力产生的扭矩让飞机顺时针转动。本实施例的升力和力矩可以实时调整各螺旋桨的转速使得旋翼航空器的动力满足当前旋翼航空器的运动和动力要求，最终满足旋翼航空器的飞行姿态和位置要求。

在本实施例中，通过含有一定倾斜角度的底座，可以使螺旋桨升力产生螺旋桨升力分力以提供旋翼航空器偏航所需的偏航力矩，解决螺旋桨自身反扭矩不足，使除了利用螺旋桨的转速差异产生偏航力矩之外提供另一产生偏航力矩的途径，以进一步提升旋翼航空器偏航力矩的绝对值，从而提升旋翼航空器机动性能。

在一个实施例中，该控制器具体用于：

该控制器根据旋翼航空器的当前飞行状态数据以及倾斜角度数据实时计算旋翼航空器的各个螺旋桨10需要输出的功率，输出功率指令给与各个螺旋桨10连接的电动机20；

该控制器根据偏航力矩的需求分配通过螺旋桨转速差值产生螺旋桨扭矩和通过螺旋桨升力分力产生扭矩的比例，输出扭矩指令给与各个螺旋桨10连接的电动机20。

在本实施例中，通过惯性测量装置实现螺旋桨升力和螺旋桨力矩的精确控制，实现升力和扭矩控制的闭环，可以解决大惯量旋翼航空器姿态控制的快速性要求，提高角加速度；控制器智能分配螺旋桨扭矩和螺旋桨升力分力产生扭矩的比例，根据当前飞行状态数据以及倾斜角度数据实时计算旋翼航空器的各个螺旋桨需要输出的功率，智能控制不同电动机需要输出功率的比例实现螺旋桨升力、螺旋桨扭矩、螺旋桨升力分力产生力矩输出，实现螺旋桨升力和螺旋桨力矩的智能分配和精准包括姿态、速度、位置等飞行状态的控制，实现旋翼航空器姿态、速度、位置的期望值，提升旋翼航空器的机动性能。

在一个实施例中，如图2所示，该螺旋桨10为单轴单螺旋桨。此时，该底座50安装在该电动机20上。

该单轴单螺旋桨产生的螺旋桨升力1在垂直方向和水平切向产生分力如图2所示，其中，垂直方向分力2用于平衡旋翼航空器的重力，水平方向分力3用于提供旋翼航空器的偏航力矩。

在一个实施例中，如图3所示，该螺旋桨10为上下双螺旋桨。此时，该底座50安装在上下螺旋桨的中间位置。优选的，上面电动机20是相对于底座50未设有倾斜角度，下面电动机20与底座50之间才设有倾斜角度。也就是说，上螺旋桨相对于底座50未设有倾斜角度，下螺旋相对于底座50才设有倾斜角度。在实际的应用中，也可以设置为上螺旋桨相对于底座50设有倾斜角度，下螺旋桨相对于底座50不设有倾斜角度；亦或是，上下螺旋桨相对于底座50均设有倾斜角度等实施例，也是在本发明的保护范围内。

该上下双螺旋桨产生的螺旋桨升力1在垂直方向和水平切向产生分力如图3所示，其中，垂直方向分力2用于平衡旋翼航空器的重力，水平方向分力3用于提供旋翼航空器的偏航力矩。

在一个实施例中，如图7所示，本发明提供一种旋翼航空器螺旋桨力矩的转换方法，应用于旋翼航空器，该旋翼航空器包括多个螺旋桨及与其连接的电动机、控制器、惯性测量装置，该方法包括：

S1、该惯性测量装置测量旋翼航空器的当前飞行状态数据，并当前把飞行状态数据发送给该控制器；其中，该飞行状态数据包括当前姿态数据、速度数据、位置数据。

S2、该控制器根据该惯性测量装置发送的当前飞行状态数据，调节各个电动机的功率和扭矩输出，并输出指令给各个电动机。

S3、各个电动机获取控制器的指令，根据指令执行功率输出驱动与其连接的螺旋桨产生升力和扭矩。

在本实施例中，通过惯性测量装置实现螺旋桨升力和螺旋桨力矩的精确控制，实现升力和扭矩控制的闭环，可以解决大惯量旋翼航空器姿态控制的快速性要求，提高角加速度；控制器智能分配螺旋桨扭矩和螺旋桨升力分力产生扭矩的比例，智能控制不同电动机需要输出功率的比例实现螺旋桨升力、螺旋桨扭矩、螺旋桨升力分力产生力矩输出，实现螺旋桨升力和螺旋桨力矩的智能分配和精准包括姿态、速度、位置等飞行状态的控制，实现旋翼航空器姿态、速度、位置的期望值，提升旋翼航空器的机动性能。

在一个实施例中，该旋翼航空器还包括底座，该底座含有一定的倾斜角度，该倾斜角度使螺旋桨升力在垂直方向和水平切向产生分力，其中，垂直方向分力用于平衡旋翼航空器的重力，水平方向分力用于提供旋翼航空器的偏航力矩。

优选地，该倾斜角度是该底座的中轴线与垂直方向之间的角度。

优选地，该底座通过连接部件连接安装在该旋翼航空器机体上。

在本实施例中，通过含有一定倾斜角度的底座，可以使螺旋桨升力产生螺旋桨升力分力以提供旋翼航空器偏航所需的偏航力矩，解决螺旋桨自身反扭矩不足，使除了利用螺旋桨的转速差异产生偏航力矩之外提供另一产生偏航力矩的途径，以进一步提升旋翼航空器偏航力矩的绝对值，从而提升旋翼航空器机动性能。

在一个实施例中，该步骤S2中，所述该控制器根据该惯性测量装置发送的当前飞行状态数据和目标飞行状态数据的差异，调节各个电动机的功率和扭矩输出，并输出指令给各个电动机；包括：

S21、该控制器根据旋翼航空器的当前飞行状态数据以及倾斜角度数据实时计算旋翼航空器的各个螺旋桨需要输出的功率，输出功率指令给与各个螺旋桨连接的电动机。

S22、该控制器根据偏航力矩的需求分配通过螺旋桨转速差值产生螺旋桨扭矩和通过螺旋桨升力分力产生扭矩的比例，输出扭矩指令给与各个螺旋桨连接的电动机。

在本实施例中，通过惯性测量装置实现螺旋桨升力和螺旋桨力矩的精确控制，实现升力和扭矩控制的闭环，可以解决大惯量旋翼航空器姿态控制的快速性要求，提高角加速度；控制器智能分配螺旋桨扭矩和螺旋桨升力分力产生扭矩的比例，根据当前飞行状态数据以及倾斜角度数据实时计算旋翼航空器的各个螺旋桨需要输出的功率，智能控制不同电动机需要输出功率的比例实现螺旋桨升力、螺旋桨扭矩、螺旋桨升力分力产生力矩输出，实现螺旋桨升力和螺旋桨力矩的智能分配和精准包括姿态、速度、位置等飞行状态的控制，实现旋翼航空器姿态、速度、位置的期望值，提升旋翼航空器的机动性能。

需要说明的是，上述方法实施例与旋翼航空器实施例属于同一构思，其具体实现过程详见旋翼航空器实施例，且旋翼航空器实施例中的技术特征在所述方法实施例中均对应适用，这里不再赘述。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。