一种多旋翼飞行器的设计及实验验证

来源：机器人杂志2020年第3期北京时间：

作者：李斌斌, 马磊, 孙小通, 孙永奎, 张凯

摘要：传统多旋翼机具有欠驱动特性，且平移、旋转运动均存在强耦合，极大地限制了飞行器的机动性能．为此本文设计了一种具备全向运动、推力矢量控制飞行、倾转悬停功能的多旋翼飞行器．该飞行器结构为正四面体，4个倾转旋翼模组分别固定于该四面体的4个顶点．每个倾转旋翼模组能够提供矢量推力，从结构上实现了飞行器姿态控制和位置控制的解耦，使得飞行器能够实现3维空间中全姿态的轨迹跟踪．为避免欧拉角控制产生的奇异性，设计了基于四元数的姿态控制器．利用可控性原理分析了旋翼发生故障时飞行器的可控性，证明了相比传统飞行器它具有更高的容错性．样机实验测试了该飞行器的大角度复杂机动动作以及推力矢量控制飞行能力，可实现最大70°的倾转悬停．实验结果表明，该飞行器相比于传统的四旋翼飞行器具备更高的机动性．

关键词：多旋翼飞行器, 全向运动, 矢量飞行, 倾转悬停, 解耦控制