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

背景技術(shù)：

當前，無人機在航拍、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、飛行及維護費用低、工作效率高等突出優(yōu)勢得到了廣泛認同。在無人機的主要類型中，固定翼無人機有其特定的局限性，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、機動性強、結(jié)構(gòu)簡單操作靈活和成本較低等優(yōu)點。

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

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

（2）無人機的多旋翼在一個平面內(nèi)展開，分布范圍較大，導(dǎo)致抗風能力差（一般只能在5級以下的風速內(nèi)飛行），當遇到突發(fā)的側(cè)風或強風時，往往會導(dǎo)致無人機傾翻直至墜毀；

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

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

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有多旋翼無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制方法的不足，通過設(shè)計一種外罩緩沖墊的立方體型多旋翼無人機裝置，能夠有效解決多旋翼無人機在操控難度大、維護不方便、抗風能力差、損毀故障率高等方面的缺陷。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種抗風型立方體無人機裝置，包括由六塊外殼面板構(gòu)成的立方體機體，所述機體外立方體的各棱角和棱邊均包裹有外罩緩沖墊，每個外殼面板上均設(shè)有通孔，通孔處設(shè)有螺旋槳和螺旋槳電機，各個螺旋槳電機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)安裝有無人機飛行智能控制模塊；所述無人機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傳感器模塊，所述主控制器的輸出端分別連接有多個螺旋槳電機驅(qū)動模塊，所述主控制器還連接有GPS模塊，無線通信模塊，存儲器模塊，任務(wù)載荷模塊，接口模塊和電源模塊。

進一步的，所述外罩緩沖墊的厚度超過無人機每個平面上的螺旋槳的高度。

進一步的，電池、任務(wù)載荷模塊、傳感器置于立方體內(nèi)部靠近棱角、棱邊剛性強的位置。

進一步的，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。

進一步的，所述存儲器模塊包括用于存儲航點信息以及控制參數(shù)的EEPROM 和用以記錄各個傳感器采集到的數(shù)據(jù)以及飛行命令等參數(shù)的大容量數(shù)據(jù)存儲器。

進一步的，所述主控制器與螺旋槳電機驅(qū)動模塊、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型立方體無人機裝置的控制方法：

在飛行過程中，與地面平行的上下兩個螺旋槳提供升力，控制無人機的升降運動；與地面垂直的四個螺旋槳則提供前后以及左右的航行方向控制功能；

在立方體無人機的六個平面上均布的螺旋槳的功能可以互換，當風速突增導(dǎo)致無人機在空中被吹翻時，新的平行于地面的上下2個螺旋槳便可由原來承擔航向控制的任務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)槌袚悼刂迫蝿?wù)，而原來承擔升降控制任務(wù)的螺旋槳因其所在平面被風吹成垂直于地面，則隨即更換為承擔航向控制任務(wù)。

有益效果：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有多旋翼無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制方法的不足，通過設(shè)計一種外罩緩沖墊的立方體型多旋翼無人機裝置，能夠有效解決多旋翼無人機在操控難度大、維護不方便、抗風能力差、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，采用獨立的螺旋槳控制航向，在一定程度上有效解決了無人機飛行操控復(fù)雜的問題，提高了無人機的抗風能力；二是通過螺旋槳的集成布置以及功能互換機制，確保無人機在飛行過程中突遇強風狀態(tài)時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，確保無人機在降落過程中突遇強風狀態(tài)時能夠安全著陸；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、棱邊等剛性強的位置，能夠較一般的多旋翼無人機更好地對這些元器件起到保護作用。

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。

具體實施方式

如圖1到圖3所示的一種抗風型立方體無人機裝置，包括由六塊外殼面板1構(gòu)成的立方體機體，所述機體外立方體的各棱角和棱邊均包裹有外罩緩沖墊5，使得無人機不論從哪個角度落地，都能得到緩沖墊的有效保護。立方體無人機外罩緩沖墊5的厚度超過無人機每個平面上的螺旋槳高度，從面確保了各螺旋槳在落地時的安全防護。每個外殼面板1上均設(shè)有通孔，通孔處設(shè)有螺旋槳2和螺旋槳電機4，各個螺旋槳電機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)安裝有無人機飛行智能控制模塊。

每個無人機外殼面板外都安裝有螺旋槳2和螺旋槳電機4，從而共有6個螺旋槳用于無人機的飛行控制。在飛行過程中，與地面平行的上下兩個螺旋槳提供升力（轉(zhuǎn)向相反，類似于雙層旋翼無人機），控制無人機的升降運動；與地面垂直的四個螺旋槳則提供前后以及左右的航行方向控制功能。這種設(shè)計能夠有效解決無人機飛行操控復(fù)雜的問題，同時，由于采用獨立的螺旋槳控制航向，在一定程度上也提高了無人機的抗風能力。立方體無人機內(nèi)部對應(yīng)于各螺旋槳電機安裝了無人機內(nèi)部支撐桿3，用于加固無人機機體強度。

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

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相同的無人機外殼面板1、螺旋槳2、支撐桿3、螺旋槳電機4外，還可見無人機飛行控制盒6由六根無人機內(nèi)部支撐桿3固定于無人機機體內(nèi)。無人機飛行控制盒6內(nèi)安裝有無人機飛行智能控制元器件，同時，電池、任務(wù)負載（如攝像頭）、傳感器等元件置于立方體內(nèi)部靠近棱角、棱邊等剛性強的位置，能夠較一般的多旋翼無人機更好地對這些元器件起到保護作用。

如圖4所示，抗風型立方體無人機飛行控制系統(tǒng)硬件采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高。無人機飛行控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計基本結(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，并且具有豐富的外圍標準接口，如：UART、SPI、I²C等，有利于控制系統(tǒng)接口的擴展設(shè)計，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)一是對各種傳感器數(shù)據(jù)進行采集并實時處理；二是接收地面控制站遙控指令，并結(jié)合當前無人機狀態(tài)信息解算出系統(tǒng)控制量，驅(qū)動螺旋槳電機執(zhí)行動作，保持無人機按照控制規(guī)律飛行；三是對機上設(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)，作為反饋量與目標值比較，按照控制規(guī)律對執(zhí)行機構(gòu)進行控制。立方體無人機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)字運動處理器，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。磁強計可以對地磁矢量在機體坐標系下的分量，在姿態(tài)解算中，其精度對航向角的解算非常重要?？蛇x用霍尼韋爾公司的 HMC5883L 三軸磁強計，通過I²C總線與主控制器相連接。

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

3、GPS模塊。在進行導(dǎo)航控制，無人機按照設(shè)定航線飛行時，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，在機體發(fā)生故障，自動返航、丟失找尋中，GPS 都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用?？蛇x用瑞士ublox公司生產(chǎn)的u-blox LEA-6H型號，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)與無人機飛行控制系統(tǒng)的信息交換。在無人機飛行控制系統(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飛行模式下給無人機輸送控制指令；無線XBEE通信不但有輸送控制指令的作用，還有接收無人機飛行數(shù)據(jù)，監(jiān)控無人機飛行狀態(tài)的作用。遙控器可選用日本futaba公司的TIOCHG，接收機則采用R6208SB。無線XBEE通信采用xbee-pro900實現(xiàn)與地面站軟件的通信，xbee-pro900具有功耗低、抗干擾能力強、傳輸距離長（室外環(huán)境3km）的特點，通過UART接口與主控制器相連接。

5、螺旋槳電機驅(qū)動模塊。無人機飛行控制系統(tǒng)通過PWM（Pulse Width Modulation）脈寬調(diào)制技術(shù)，控制周期方波信號的占空比，實現(xiàn)對螺旋槳電機轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的控制。在本發(fā)明中，需要同時對6個螺旋槳電機進行驅(qū)動控制。

6、存儲器模塊。無人機飛行控制系統(tǒng)的存儲主要包括兩部分。一部分是用于存儲航點信息以及控制參數(shù)的EEPROM 和用以記錄各個傳感器采集到的數(shù)據(jù)以及飛行命令等參數(shù)的大容量數(shù)據(jù)存儲器。大容量存儲采用常見的數(shù)據(jù)存儲設(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。是用戶針對無人機的應(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接口與主控制器進行通信。

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

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

1、檢測與執(zhí)行元件硬件驅(qū)動模塊。硬件驅(qū)動模塊對底層硬件（如串口、A/D、PWM）驅(qū)動進行封裝，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。遙測遙控模塊負責將無人機的飛行參數(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，還負責接收地面遙測遙控控制臺發(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。航向控制模塊負責控制無人機的動作執(zhí)行機構(gòu)（螺旋槳電機），通過對6個螺旋槳電機的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的分別控制，實現(xiàn)無人機的飛行航向與航速控制。

6、無人機飛控任務(wù)管理模塊。飛控任務(wù)管理模塊作為無人機軟件系統(tǒng)的管理者，對各個任務(wù)進行調(diào)度。同時，作為無人機飛控數(shù)據(jù)通信的樞紐，將各任務(wù)的輸入數(shù)據(jù)進行匯總，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)航控制模塊實現(xiàn)兩個功能：航線管理功能、自主導(dǎo)航功能。航線管理負責為導(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)航負責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現(xiàn)無人機飛行功能。

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

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有多旋翼無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制方法的不足，通過設(shè)計一種外罩緩沖墊的立方體型多旋翼無人機裝置，能夠有效解決多旋翼無人機在操控難度大、維護不方便、抗風能力差、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，采用獨立的螺旋槳控制航向，在一定程度上有效解決了無人機飛行操控復(fù)雜的問題，提高了無人機的抗風能力；二是通過螺旋槳的集成布置以及功能互換機制，確保無人機在飛行過程中突遇強風狀態(tài)時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，確保無人機在降落過程中突遇強風狀態(tài)時能夠安全著陸；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、棱邊等剛性強的位置，能夠較一般的多旋翼無人機更好地對這些元器件起到保護作用。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，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)，當可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，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)實質(zhì)對以上實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)。