本發(fā)明涉及一種無人機(jī)及其控制方法，具體涉及一種抗風(fēng)型立方體無人機(jī)裝置及控制方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，無人機(jī)在航拍、探測、偵察等任務(wù)中的應(yīng)用已經(jīng)取得了長足的發(fā)展。其操作簡便、飛行及維護(hù)費(fèi)用低、工作效率高等突出優(yōu)勢得到了廣泛認(rèn)同。在無人機(jī)的主要類型中，固定翼無人機(jī)有其特定的局限性，比如飛行場地的要求和低速性能差等性能限制。相比之下，多旋翼無人機(jī)則具有體積和質(zhì)量小、隱蔽性和安全性好、可靈活垂直起降、飛行高度低、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單操作靈活和成本較低等優(yōu)點(diǎn)。

普通的用于航拍、探測、偵察等任務(wù)的多旋翼無人機(jī)多是采用將若干旋翼均勻排列于同一圓周平面內(nèi)，在無人機(jī)的中部核心區(qū)域使用下掛式云臺(tái)，將電池、飛行控制、攝錄或探測等設(shè)備安裝于平臺(tái)之上。這種無人機(jī)設(shè)計(jì)與安裝方法雖然結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝，但也存在操控難度大、維護(hù)不方便、抗風(fēng)能力差、損毀故障率高等缺陷，具體表現(xiàn)如下：

（1）無人機(jī)的多旋翼既要承擔(dān)提供升力的任務(wù)，又要承擔(dān)航向控制的任務(wù)，使得控制與操縱的難度較大；

（2）無人機(jī)的多旋翼在一個(gè)平面內(nèi)展開，分布范圍較大，導(dǎo)致抗風(fēng)能力差（一般只能在5級(jí)以下的風(fēng)速內(nèi)飛行），當(dāng)遇到突發(fā)的側(cè)風(fēng)或強(qiáng)風(fēng)時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)傾翻直至墜毀；

（3）無人機(jī)降落過程是無人機(jī)操縱的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一旦操作失誤或降落時(shí)遇到強(qiáng)風(fēng)，極易造成無人機(jī)側(cè)傾落地，導(dǎo)致螺旋槳損壞。

以上常見多旋翼無人機(jī)在抗風(fēng)能力等方面存在的問題主要是由于無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制方式所造成的，通過一定的改進(jìn)和完善，能夠在一定程度上提高無人機(jī)的抗風(fēng)能力，從而提高無人機(jī)的應(yīng)用功能與應(yīng)用范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制方法的不足，通過設(shè)計(jì)一種外罩緩沖墊的立方體型多旋翼無人機(jī)裝置，能夠有效解決多旋翼無人機(jī)在操控難度大、維護(hù)不方便、抗風(fēng)能力差、損毀故障率高等方面的缺陷。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種抗風(fēng)型立方體無人機(jī)裝置，包括由六塊外殼面板構(gòu)成的立方體機(jī)體，所述機(jī)體外立方體的各棱角和棱邊均包裹有外罩緩沖墊，每個(gè)外殼面板上均設(shè)有通孔，通孔處設(shè)有螺旋槳和螺旋槳電機(jī)，各個(gè)螺旋槳電機(jī)分別通過支撐桿與立方體內(nèi)部中心的飛行控制盒連接，所述飛行控制盒內(nèi)安裝有無人機(jī)飛行智能控制模塊；所述無人機(jī)飛行智能控制模塊包括主控制器，所述主控制器的輸入端分別連接有多個(gè)傳感器模塊，所述主控制器的輸出端分別連接有多個(gè)螺旋槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，所述主控制器還連接有GPS模塊，無線通信模塊，存儲(chǔ)器模塊，任務(wù)載荷模塊，接口模塊和電源模塊。

進(jìn)一步的，所述外罩緩沖墊的厚度超過無人機(jī)每個(gè)平面上的螺旋槳的高度。

進(jìn)一步的，電池、任務(wù)載荷模塊、傳感器置于立方體內(nèi)部靠近棱角、棱邊剛性強(qiáng)的位置。

進(jìn)一步的，所述傳感器模塊包括三軸陀螺傳感器，三軸加速度傳感器，三軸地磁傳感器和飛行高度傳感器。

進(jìn)一步的，所述無線通信模塊包括遙控器無線接收模塊和無線XBEE通信模塊。

進(jìn)一步的，所述存儲(chǔ)器模塊包括用于存儲(chǔ)航點(diǎn)信息以及控制參數(shù)的EEPROM 和用以記錄各個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)以及飛行命令等參數(shù)的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

進(jìn)一步的，所述主控制器與螺旋槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊之間均設(shè)有隔離模塊。

本發(fā)明還公開了上述一種抗風(fēng)型立方體無人機(jī)裝置的控制方法：

在飛行過程中，與地面平行的上下兩個(gè)螺旋槳提供升力，控制無人機(jī)的升降運(yùn)動(dòng)；與地面垂直的四個(gè)螺旋槳?jiǎng)t提供前后以及左右的航行方向控制功能；

在立方體無人機(jī)的六個(gè)平面上均布的螺旋槳的功能可以互換，當(dāng)風(fēng)速突增導(dǎo)致無人機(jī)在空中被吹翻時(shí)，新的平行于地面的上下2個(gè)螺旋槳便可由原來承擔(dān)航向控制的任務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)槌袚?dān)升降控制任務(wù)，而原來承擔(dān)升降控制任務(wù)的螺旋槳因其所在平面被風(fēng)吹成垂直于地面，則隨即更換為承擔(dān)航向控制任務(wù)。

有益效果：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制方法的不足，通過設(shè)計(jì)一種外罩緩沖墊的立方體型多旋翼無人機(jī)裝置，能夠有效解決多旋翼無人機(jī)在操控難度大、維護(hù)不方便、抗風(fēng)能力差、損毀故障率高等方面的缺陷。具體而言，一是通過多旋翼功能分組的方法，采用獨(dú)立的螺旋槳控制航向，在一定程度上有效解決了無人機(jī)飛行操控復(fù)雜的問題，提高了無人機(jī)的抗風(fēng)能力；二是通過螺旋槳的集成布置以及功能互換機(jī)制，確保無人機(jī)在飛行過程中突遇強(qiáng)風(fēng)狀態(tài)時(shí)仍能在空中維持飛行狀態(tài)；三是通過在立方體外殼的外層包裹一層外罩緩沖墊，確保無人機(jī)在降落過程中突遇強(qiáng)風(fēng)狀態(tài)時(shí)能夠安全著陸；四是通過將飛行智能控制元器件置于立方體內(nèi)部的正中位置，將電池、任務(wù)負(fù)載（如攝像頭）、傳感器等元件置于立方體內(nèi)部靠近棱角、棱邊等剛性強(qiáng)的位置，能夠較一般的多旋翼無人機(jī)更好地對(duì)這些元器件起到保護(hù)作用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)主視圖；

圖2為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)去除外罩緩沖墊后的結(jié)構(gòu)主視圖；

圖3為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)去除外罩緩沖墊后的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的飛行控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖；

圖5為本發(fā)明的飛行控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

如圖1到圖3所示的一種抗風(fēng)型立方體無人機(jī)裝置，包括由六塊外殼面板1構(gòu)成的立方體機(jī)體，所述機(jī)體外立方體的各棱角和棱邊均包裹有外罩緩沖墊5，使得無人機(jī)不論從哪個(gè)角度落地，都能得到緩沖墊的有效保護(hù)。立方體無人機(jī)外罩緩沖墊5的厚度超過無人機(jī)每個(gè)平面上的螺旋槳高度，從面確保了各螺旋槳在落地時(shí)的安全防護(hù)。每個(gè)外殼面板1上均設(shè)有通孔，通孔處設(shè)有螺旋槳2和螺旋槳電機(jī)4，各個(gè)螺旋槳電機(jī)4分別通過支撐桿3與立方體內(nèi)部中心的飛行控制盒6連接，所述飛行控制盒6內(nèi)安裝有無人機(jī)飛行智能控制模塊。

每個(gè)無人機(jī)外殼面板外都安裝有螺旋槳2和螺旋槳電機(jī)4，從而共有6個(gè)螺旋槳用于無人機(jī)的飛行控制。在飛行過程中，與地面平行的上下兩個(gè)螺旋槳提供升力（轉(zhuǎn)向相反，類似于雙層旋翼無人機(jī)），控制無人機(jī)的升降運(yùn)動(dòng)；與地面垂直的四個(gè)螺旋槳?jiǎng)t提供前后以及左右的航行方向控制功能。這種設(shè)計(jì)能夠有效解決無人機(jī)飛行操控復(fù)雜的問題，同時(shí)，由于采用獨(dú)立的螺旋槳控制航向，在一定程度上也提高了無人機(jī)的抗風(fēng)能力。立方體無人機(jī)內(nèi)部對(duì)應(yīng)于各螺旋槳電機(jī)安裝了無人機(jī)內(nèi)部支撐桿3，用于加固無人機(jī)機(jī)體強(qiáng)度。

該無人機(jī)裝置的螺旋槳設(shè)置較為集中，且提供升力的螺旋槳采用雙層結(jié)構(gòu)，大大減少了迎風(fēng)面積，提高了抗風(fēng)能力。更為重要的是，在立方體無人機(jī)的6個(gè)平面上均布的螺旋槳的功能可以互換，當(dāng)風(fēng)速突增導(dǎo)致無人機(jī)在空中被吹翻時(shí)，新的平行于地面的上下2個(gè)螺旋槳便可由原來承擔(dān)航向控制的任務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)槌袚?dān)升降控制任務(wù)，而原來承擔(dān)升降控制任務(wù)的螺旋槳因其所在平面被風(fēng)吹成垂直于地面，則隨即更換為承擔(dān)航向控制任務(wù)。這種設(shè)計(jì)方法有效解決了無人機(jī)在空中因強(qiáng)風(fēng)易導(dǎo)致傾翻直至墜毀的問題，即使立方體無人機(jī)在空中被強(qiáng)風(fēng)吹翻，也可通過智能控制軟件將6個(gè)螺旋槳的功能進(jìn)行及時(shí)切換，從而確保無人機(jī)仍能在空中維持飛行狀態(tài)，而不會(huì)墜毀。

如圖2和圖3所示的去除外罩緩沖墊后的結(jié)構(gòu)示意圖。除了包含有與圖1相同的無人機(jī)外殼面板1、螺旋槳2、支撐桿3、螺旋槳電機(jī)4外，還可見無人機(jī)飛行控制盒6由六根無人機(jī)內(nèi)部支撐桿3固定于無人機(jī)機(jī)體內(nèi)。無人機(jī)飛行控制盒6內(nèi)安裝有無人機(jī)飛行智能控制元器件，同時(shí)，電池、任務(wù)負(fù)載（如攝像頭）、傳感器等元件置于立方體內(nèi)部靠近棱角、棱邊等剛性強(qiáng)的位置，能夠較一般的多旋翼無人機(jī)更好地對(duì)這些元器件起到保護(hù)作用。

如圖4所示，抗風(fēng)型立方體無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)硬件采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高。無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)和功能架構(gòu)如圖4所示，主要由以下幾部分組成：

1、主控制器。主控制器可供選擇的芯片種類較多，如：DSP、ARM等，這類嵌入式控制系統(tǒng)芯片的處理能力強(qiáng)，并且具有豐富的外圍標(biāo)準(zhǔn)接口，如：UART、SPI、I²C等，有利于控制系統(tǒng)接口的擴(kuò)展設(shè)計(jì)，能夠有效減少外圍接口芯片的數(shù)量。主控制器作為飛行控制系統(tǒng)的中樞，其主要任務(wù)一是對(duì)各種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并實(shí)時(shí)處理；二是接收地面控制站遙控指令，并結(jié)合當(dāng)前無人機(jī)狀態(tài)信息解算出系統(tǒng)控制量，驅(qū)動(dòng)螺旋槳電機(jī)執(zhí)行動(dòng)作，保持無人機(jī)按照控制規(guī)律飛行；三是對(duì)機(jī)上設(shè)備管理，執(zhí)行任務(wù)載荷的操作。

2、主要傳感器。傳感器作為控制系統(tǒng)的最前端，需要檢測被控系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，作為反饋量與目標(biāo)值比較，按照控制規(guī)律對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。立方體無人機(jī)飛行控制傳感器主要有以下幾種：

（1）三軸陀螺傳感器。陀螺儀用于監(jiān)測物體的旋轉(zhuǎn)角速度，通過積分，從而獲得物體轉(zhuǎn)動(dòng)的角度信息?？蛇x用ST公司生產(chǎn)的陀螺儀芯片 L3GD20H，通過SPI總線與主控制器相連接。

（2）三軸加速度傳感器。用來測量飛行器的加速度信息。選用InvenSense 公司的 MPU6000 模塊，芯片內(nèi)置DMP數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器，能夠處理復(fù)雜的九軸的傳感器數(shù)據(jù)融合算法，通過SPI總線與主控制器相連接。

（3）三軸地磁傳感器。磁強(qiáng)計(jì)可以對(duì)地磁矢量在機(jī)體坐標(biāo)系下的分量，在姿態(tài)解算中，其精度對(duì)航向角的解算非常重要?？蛇x用霍尼韋爾公司的 HMC5883L 三軸磁強(qiáng)計(jì)，通過I²C總線與主控制器相連接。

（4）飛行高度傳感器。用于測量無人機(jī)飛行高度?？蛇x用MS5611型號(hào)，該傳感器具有非常小的壓力信息的延遲，對(duì)于飛控系統(tǒng)進(jìn)行高程信息的采集，和 GPS 高度信息進(jìn)行融合，通過I²C總線與主控制器相連接。

3、GPS模塊。在進(jìn)行導(dǎo)航控制，無人機(jī)按照設(shè)定航線飛行時(shí)，飛行控制系統(tǒng)需要 GPS 提供速度、經(jīng)緯度、高度等信息作為量測值，而且，在機(jī)體發(fā)生故障，自動(dòng)返航、丟失找尋中，GPS 都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。可選用瑞士ublox公司生產(chǎn)的u-blox LEA-6H型號(hào)，通過UART接口與主控制器相連接。

4、無線通信模塊。無線通訊模塊主要功能是完成地面站系統(tǒng)與無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的信息交換。在無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中有兩類無線通信：一是遙控器通信，二是無線XBEE通信。遙控器主要是為了在手動(dòng)飛行模式下給無人機(jī)輸送控制指令；無線XBEE通信不但有輸送控制指令的作用，還有接收無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)，監(jiān)控?zé)o人機(jī)飛行狀態(tài)的作用。遙控器可選用日本futaba公司的TIOCHG，接收機(jī)則采用R6208SB。無線XBEE通信采用xbee-pro900實(shí)現(xiàn)與地面站軟件的通信，xbee-pro900具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離長（室外環(huán)境3km）的特點(diǎn)，通過UART接口與主控制器相連接。

5、螺旋槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)通過PWM（Pulse Width Modulation）脈寬調(diào)制技術(shù)，控制周期方波信號(hào)的占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺旋槳電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的控制。在本發(fā)明中，需要同時(shí)對(duì)6個(gè)螺旋槳電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。

6、存儲(chǔ)器模塊。無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)主要包括兩部分。一部分是用于存儲(chǔ)航點(diǎn)信息以及控制參數(shù)的EEPROM 和用以記錄各個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)以及飛行命令等參數(shù)的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。大容量存儲(chǔ)采用常見的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備 SD 卡，通過SPI總線與主控制器相連接。

7、任務(wù)載荷模塊。是用戶針對(duì)無人機(jī)的應(yīng)用功能，如：航空拍攝、航空探測等，各種應(yīng)用任務(wù)所獲取的數(shù)據(jù)或控制信息均可通過UART接口與主控制器進(jìn)行通信。

8、電源模塊?？蛇x用TI公司的DC-DC模塊PTH08080WAD，為無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)提供所需的相關(guān)電源類型。

如圖5所示，抗風(fēng)型立方體無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)軟件采用基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（如μC/OS-Ⅱ或Linux）的軟件設(shè)計(jì)方法，能夠有效保證無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)可靠性更高。立方體無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)軟件主要分為以下幾個(gè)模塊：

1、檢測與執(zhí)行元件硬件驅(qū)動(dòng)模塊。硬件驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)底層硬件（如串口、A/D、PWM）驅(qū)動(dòng)進(jìn)行封裝，為上層應(yīng)用任務(wù)（如數(shù)據(jù)采集模塊、遙測模塊等）提供統(tǒng)一的函數(shù)接口（API）。

2、數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊調(diào)用檢測與執(zhí)行元件硬件驅(qū)動(dòng)模塊所提供的函數(shù)，完成傳感器的數(shù)據(jù)采集（如：加速度數(shù)據(jù)、GPS 數(shù)據(jù)、飛行高度數(shù)據(jù)等）。

3、遙測遙控模塊。遙測遙控模塊負(fù)責(zé)將無人機(jī)的飛行參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)、位置參數(shù)等通過無線通信模塊發(fā)送回地面遙測遙控控制臺(tái)，還負(fù)責(zé)接收地面遙測遙控控制臺(tái)發(fā)出的指令，解碼得到控制信息，并將此控制信息發(fā)送給任務(wù)管理模塊。

4、姿態(tài)控制模塊。將采集的三軸陀螺傳感器、三軸加速度傳感器、三軸地磁傳感器等數(shù)據(jù)通過姿態(tài)控制模塊為導(dǎo)航控制模塊和飛控策略模塊提供所需的姿態(tài)信息。

5、航向控制模塊。航向控制模塊負(fù)責(zé)控制無人機(jī)的動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)（螺旋槳電機(jī)），通過對(duì)6個(gè)螺旋槳電機(jī)的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的分別控制，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的飛行航向與航速控制。

6、無人機(jī)飛控任務(wù)管理模塊。飛控任務(wù)管理模塊作為無人機(jī)軟件系統(tǒng)的管理者，對(duì)各個(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。同時(shí)，作為無人機(jī)飛控?cái)?shù)據(jù)通信的樞紐，將各任務(wù)的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，重新組合成其他任務(wù)所需的數(shù)據(jù)幀。

7、導(dǎo)航控制模塊。導(dǎo)航控制模塊實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：航線管理功能、自主導(dǎo)航功能。航線管理負(fù)責(zé)為導(dǎo)航任務(wù)提供飛行航線信息，使飛控軟件根據(jù)航線信息制定導(dǎo)航策略。自主導(dǎo)航負(fù)責(zé)為飛控策略模塊提供側(cè)偏距、偏航角等數(shù)據(jù)，通過生成控制策略實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行功能。

8、飛控策略模塊。包括縱向控制策略和橫側(cè)向控制策略?？v向控制策略主要負(fù)責(zé)控制和穩(wěn)定無人機(jī)的高度；橫側(cè)向控制策略主要負(fù)責(zé)控制和穩(wěn)定無人機(jī)的航向角和軌跡控制等。

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制方法的不足，通過設(shè)計(jì)一種外罩緩沖墊的立方體型多旋翼無人機(jī)裝置，能夠有效解決多旋翼無人機(jī)在操控難度大、維護(hù)不方便、抗風(fēng)能力差、損毀故障率高等方面的缺陷。具體而言，一是通過多旋翼功能分組的方法，采用獨(dú)立的螺旋槳控制航向，在一定程度上有效解決了無人機(jī)飛行操控復(fù)雜的問題，提高了無人機(jī)的抗風(fēng)能力；二是通過螺旋槳的集成布置以及功能互換機(jī)制，確保無人機(jī)在飛行過程中突遇強(qiáng)風(fēng)狀態(tài)時(shí)仍能在空中維持飛行狀態(tài)；三是通過在立方體外殼的外層包裹一層外罩緩沖墊，確保無人機(jī)在降落過程中突遇強(qiáng)風(fēng)狀態(tài)時(shí)能夠安全著陸；四是通過將飛行智能控制元器件置于立方體內(nèi)部的正中位置，將電池、任務(wù)負(fù)載（如攝像頭）、傳感器等元件置于立方體內(nèi)部靠近棱角、棱邊等剛性強(qiáng)的位置，能夠較一般的多旋翼無人機(jī)更好地對(duì)這些元器件起到保護(hù)作用。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。