蜂巢式集群多旋翼无人机结构及其控制方法与流程

1.本发明涉及无人机飞行的技术领域，具体涉及蜂巢式集群多旋翼无人机结构及其控制方法。

背景技术：

2.目前，在多旋翼无人机行业中，基本上在设计之初就已经确定个体的飞行性能，包括旋翼数量、飞行时间、载重能力，完成固定的飞行任务。这种独立个体的多旋翼无人机存在以下缺点：
3.1、当更换不同的任务载具或者需要提升更长的飞行时间时，就需要重新设计另外一种飞行性能的多旋翼无人机个体，进而增加了不少的研发成本，包括资金费用、时间、人力成本；
4.2、当执行飞行任务的个体无人机如果在准备阶段或者飞行阶段发生故障，例如电量不足、电机或者螺旋桨损坏、gps定位系统故障等问题，都必须进行机体替换、紧急返航或者原地迫降的操作，被迫中断了飞行任务；
5.3、大载重的多旋翼无人机通常都比较大型，机械结构也比较复杂，远距离运输都会提高运输和存储成本。

技术实现要素：

6.为了解决上述现有技术存在的问题，本发明目的之一在于提供蜂巢式集群多旋翼无人机结构，该结构可通过机械结构的连接，使性能完全相同的多台无人机组成一个新的整体，而且可拆分和组合的机械结构，也降低了运输和存储成本；机械结构简单，便于有效妥善存储。本发明目的之二在于提供蜂巢式集群多旋翼无人机的控制方法，该方法通过控制多台无人机相互叠加完成飞行任务，实现飞行性能的提升，载重能力、续航时间、冗余系统的容错率都能得到提升，大大压缩了研发周期和成本。
7.本发明所述的蜂巢式集群多旋翼无人机结构，包括多台无人机本体，每台所述无人机本体上均架设有框架，所述框架呈多边形并围绕在所述无人机本体的外侧，所述框架内侧通过连接杆与所述无人机本体相连接；所述框架上还设有固定机构，所述固定机构用于使各所述框架之间可拆卸连接，从而使多台所述无人机本体互相组合并同步飞行。
8.在其中一个实施例中，所述框架呈正六边形，多台所述无人机本体互相组合时，以其中一台无人机本体作为中心，另外的多台无人机本体围绕该中心对称布置，且每两个所述框架之间以其中一条边相对齐来连接。
9.在其中一个实施例中，所述固定机构包括设于所述框架上的螺孔以及用于穿设在所述螺孔中的螺栓，所述螺孔对应设置在所述框架的每条边的两端。
10.在其中一个实施例中，所述固定机构包括可拆卸连接的上盖体和下盖体，所述上盖体和所述下盖体互相扣接在所述框架的转角处，并形成三个方向上的通孔，且该通孔与两个所述框架相拼接后的厚度相适配。
11.在其中一个实施例中，所述上盖体和所述下盖体与所述框架相接触的地方均设有保护层。
12.在其中一个实施例中，每台所述无人机本体上的所述连接杆数量为6条，且所述连接杆连接在所述框架的边的中点。
13.在其中一个实施例中，所述无人机本体的旋翼有4个并对称分别于其中4条所述连接杆的底部。
14.蜂巢式集群多旋翼无人机的控制方法，，包括上述蜂巢式集群多旋翼无人机结构，并包括以下步骤：
15.s1、确认无人机飞行模式，并将参与飞行的无人机分别设置为至少一台主机和若干台从机；
16.s2、设定飞行路线并分别将航线任务和gps定位数据发送给所述主机和所述从机；
17.s3、所述主机正常执行预设航线任务，并共享实时飞行数据给至少一台所述从机；
18.s4、当其中一台无人机发生故障而失去动力时，判断是否为主机发生故障，若否则进入下一步骤；若是则所有无人机悬停并进行控制权切换，所述主机将控制权全部转移给所述步骤s3中接收实时飞行数据的其中一个所述从机；
19.s5、获得控制权的无人机作为主机，并判断动力故障是否大于动力冗余设定，若否则立即执行返航程序；若是则根据自身的gps定位数据继续执行预设航线任务，并重复步骤s3。
20.在其中一个实施例中，在所述步骤s4中，若发生故障而失去动力的无人机位于边缘，则该无人机以中心对称布置的另一台无人机也暂停动力输出，并在执行所述步骤s5时，判断动力故障是否大于动力冗余设定的过程中以失去两个无人机的动力输出来计算。
21.在其中一个实施例中，在所述步骤s5中，判断动力故障是否大于动力冗余设定的方法包括如下步骤：
22.当某部分个体丧失动力后，剩余的动力是否能使所有参与飞行的无人机完成剩余的预设航线任务；
23.剩余电量损耗速率是否足以完成剩余的预设航线任务。
24.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
25.1、本发明通过机械结构的连接，使性能完全相同的多台无人机组成一个新的整体，而且可拆分和组合的机械结构，也降低了运输和存储成本；机械结构简单，便于有效妥善存储。
26.2、本发明通过其中一台无人机本体位于中心位置，其他对称布置在该无人机的四周，保证受力的对称性以及突发状况后整体能迅速稳定下来。其框架主要采用正六边形的形状，参考蜂巢式结构，各框架之间稳固连接后，具有较为稳定的受力结构，不易因飞行气流的颠簸等造成连接失效或者控制偏移，可共同提供飞行动力而实现多台无人机本体的同步飞行。
27.3、本发明可将性能完全相同的个体无人机通过多台相互叠加，实现飞行性能的提升，载重能力、续航时间、冗余系统的容错率都能得到提升；挂载不同重量、不同需求的任务载具时，能较为简单地通过数据计算，直接得出需要多少台无人机本体组合即可完成
飞行任务，大大压缩了研发周期和成本。而且可以拆解和组装的模式，也降低运输成本和减少存放空间。
28.4、本发明的控制方法保证整体飞行的稳定性，不会在飞行过程中，因为其中一个方向上的无人机失衡而导致整体掉落。同时保证有无人机因故障而失去动力后，剩余的无人机有足够的动能等完成任务及返航，以减少无人机和货物的损失。
附图说明
29.图1是本发明的单台无人机本体的仰视图；
30.图2是本发明的上盖体和下盖体的侧视图；
31.图3是本发明的多台无人机本体的其中一种组合方式的结构示意图；
32.图4是本发明的多台无人机本体的另一种组合方式的结构示意图；
33.图5是本发明蜂巢式集群多旋翼无人机的控制方法的流程图。
34.附图标记说明：1
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无人机本体，2
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框架，3
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连接杆，4
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螺栓，5
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上盖体，6
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下盖体。
具体实施方式
35.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
36.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、
ꢀ“
连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
37.如图1
‑
图4所示，本发明的蜂巢式集群多旋翼无人机结构，包括多台无人机本体1，每台无人机本体1上均架设有框架2，框架2呈多边形并围绕在无人机本体1 的外侧，框架2内侧通过连接杆3与无人机本体1相连接；框架2上还设有固定机构，固定机构用于使各框架2之间可拆卸连接，从而使多台无人机本体1互相组合并同步飞行。本发明通过机械结构的连接，使性能完全相同的多台无人机组成一个新的整体，而且可拆分和组合的机械结构，也降低了运输和存储成本；机械结构简单，便于有效妥善存储。
38.在无人机的使用中，本技术人注意到，现使用的无人机在长途运输、高空拍摄等飞行任务时，一般只采用一台无人机来完成工作，而由于长时间工作，其飞行过程中容易出现故障等问题，只能被迫返航然后再次派出另一台无人机执行任务，而这中间交接的过程就会遗漏部分重要信息或者不能及时完成任务。而本发明通过架设多边形的框架2，让无人机本体1外围形成可拆卸连接的框架2结构，那么各无人机本体1 之间就能通过固定机构进行组合，以多台无人机本体1共同飞行而完成一些主要工作，一旦其中一台发生故障，可由另一台立刻接取控制权，继续执行飞行任务。
39.在其中一个实施例中，框架2呈正六边形，多台无人机本体1互相组合时，以其中一台无人机本体1作为中心，另外的多台无人机本体1围绕该中心对称布置，且每两个框架2之间以其中一条边相对齐来连接。本发明的组合方式主要如图3和图4 所示，通过其中一
台无人机本体1位于中心位置，其他对称布置在该无人机的四周，保证受力的对称性以及突发状况后整体能迅速稳定下来。其框架2主要采用正六边形的形状，参考蜂巢式结构，各框架2之间稳固连接后，具有较为稳定的受力结构，不易因飞行气流的颠簸等造成连接失效或者控制偏移，可共同提供飞行动力而实现多台无人机本体1的同步飞行。此外，本发明的多台无人机本体1也可以以其他方式进行组合，例如单独一台无人机本体1进行工作，或者三台无人机本体1相连接而共同飞行，甚至在图4所示的基础上，再在外围增加一圈无人机本体1均可。正六边形的框架2提供了更多的多台无人机组合的可能性，同时容易对称布置而保证其飞行的稳定性。
40.在其中一个实施例中，固定机构包括设于框架2上的螺孔以及用于穿设在螺孔中的螺栓4，螺孔对应设置在框架2的每条边的两端。固定机构采用螺栓4的方式进行连接，方便组装和拆卸，螺栓4可将其中一端留置在其中一个框架2上，可利用框架 2的厚度隐藏其中，不突出与框架2边缘，减少刮碰等可能。连接时，各框架2之间以其中一条边为对齐边进行连接。此外，固定机构还可以设置为包括可拆卸连接的上盖体5和下盖体6，上盖体5和下盖体6互相扣接在框架2的转角处，并形成三个方向上的通孔，且该通孔与两个框架2相拼接后的厚度相适配。上盖体5和下盖体6 通过连接处设置凹槽和凸起来进行上下盖合，从而利用预留的通孔扣紧两个框架2 相接的边的两端，即框架2的转角处，也可实现快速地拆装，而且可同步配合上述螺栓4的连接方式，使各无人机本体1之间连接更稳定。而上盖体5和下盖体6与框架 2相接触的地方均设有保护层，即缓冲层，一般采用软胶等材料，避免经常组装拆卸过程中对框架2造成磨损。
41.在其中一个实施例中，每台无人机本体1上的连接杆3数量为6条，且连接杆3 连接在框架2的边的中点。连接杆3用于相对无人机本体1而固定框架2的位置，而连接在框架2的边的中点不影响上述固定机构的拆装，同时保证连接的剪应力要求。无人机本体1的旋翼有4个并对称分别于其中4条连接杆3的底部。多旋翼无人机根据实际需要设计，而在本发明可组装的多台无人机本体1中，可直接把旋翼设计安装在连接杆3上，节约无人机制作材料，同时减轻无人机本体1的自身重量。
42.如图5所示，蜂巢式集群多旋翼无人机的控制方法，包括上述蜂巢式集群多旋翼无人机结构，并包括以下步骤：
43.s1、确认无人机飞行模式，并将参与飞行的无人机分别设置为至少一台主机和若干台从机；
44.s2、设定飞行路线并分别将航线任务和gps定位数据发送给主机和从机；
45.s3、主机正常执行预设航线任务，并共享实时飞行数据给至少一台从机；
46.s4、当其中一台无人机发生故障而失去动力时，判断是否为主机发生故障，若否则进入下一步骤；若是则所有无人机悬停并进行控制权切换，主机将控制权全部转移给步骤s3中接收实时飞行数据的其中一个从机；
47.s5、获得控制权的无人机作为主机，并判断动力故障是否大于动力冗余设定，若否则立即执行返航程序；若是则根据自身的gps定位数据继续执行预设航线任务，并重复步骤s3。
48.该方法可将性能完全相同的个体无人机通过多台相互叠加，实现飞行性能的提升，就好像原本由一匹马拉的马车，通过拓展，可以快速组成由多匹马来拉同一辆马车。载
重能力、续航时间、冗余系统的容错率都能得到提升；挂载不同重量、不同需求的任务载具时，能较为简单地通过数据计算，直接得出需要多少台无人机本体1 组合即可完成飞行任务，大大压缩了研发周期和成本。而且可以拆解和组装的模式，也降低运输成本和减少存放空间。
49.本发明在使用和设计时，主要分为硬件和软件，硬件主要包括：上述蜂巢式无人机个体，其性能参数：有效升力为2倍或以上的自重，即最少能挂载另一台蜂巢式无人机，完成20分钟的飞行；蜂巢式无人机六边形外骨架结构，每台蜂巢式无人机可以通过六边形外骨架结构进行物理连接，组成对称外形的无人机群结构；自组通讯局域网络：用于蜂巢无人机之间的数据交互，控制指令传输。软件主要包括：蜂巢式无人机的完整的飞控程序：包括个体多旋翼模式、蜂巢四旋翼模式、蜂巢六旋翼模式等模式；主从式数据冗余备份：当设定中心位置的无人机为主机时，与主机相邻连接的全部无人机都按照顺序设定为从机，顺序从机实时共享主机的飞行参数；机长/副机长功能设定：设定为机长的无人机拥有蜂巢集群最高控制权限，设定为副机长的无人机待机，当机长失能后，按设定顺序的副机长循序接替执行最高控制权限。
50.另外，在步骤s4中，若发生故障而失去动力的无人机位于边缘，则该无人机以中心对称布置的另一台无人机也暂停动力输出，并在执行步骤s5时，判断动力故障是否大于动力冗余设定的过程中以失去两个无人机的动力输出来计算。从而保证整体飞行的稳定性，不会在飞行过程中，因为其中一个方向上的无人机失衡而导致整体掉落。
51.在步骤s5中，判断动力故障是否大于动力冗余设定的方法包括如下步骤：当某部分个体丧失动力后，剩余的动力是否能使所有参与飞行的无人机完成剩余的预设航线任务；剩余电量损耗速率是否足以完成剩余的预设航线任务。此处至少执行上述两个判断过程，以保证有无人机因故障而失去动力后，剩余的无人机有足够的动能等完成任务及返航，以减少无人机和货物的损失。
52.如图4和图5所示，以下是本发明的其中一种实施方式：
53.假设蜂巢无人机起飞自重为1kg，有效挂载重量为1kg，常规飞行时长为20分钟。
54.确定无人机飞行模式：例如任务载具重量为2kg，飞行时长为10分钟。为了满足任务载具的重量要求，选定蜂巢六旋翼模式。该模式由7台蜂巢无人机组成六旋翼模式，其中1台为主机，6台为相邻的从机，理论挂载重量能达到7kg，已经满足任务载具的重量。
55.动力冗余设定：假设六旋翼模式其中一个从机失去动力，为了保持蜂巢集群的飞行稳定性，失去动力的从机的对角那台从机也会暂停动力输出。此时剩下5台无人机个体输出动力，有效载重降低到5kg，蜂巢集群整体挂载重量上升到4kg(外挂载具 2kg+2台失去动力的从机自重1kg)。调整动力系统后，蜂巢集群的有效载重仍大于挂载重量，能保持蜂巢集群平稳飞行。
56.组装六旋翼模式的蜂巢无人机：六边形框架2结构互相贴合，每条框架2的边上都有一体成形的固定螺栓孔，通过螺栓4拧紧固定。将7台蜂巢无人机组成一个蜂巢六旋翼结构。将任务载具挂载到框架2的结合处，使重量能均匀的分布在框架2上。
57.设定主从机，将蜂巢中心的无人机设定为主机，外围相邻的6台无人机按顺序设定为1～6号从机。正常状态下，主机在“蜂巢六旋翼模式”下控制蜂巢无人机群，对1～6号从机的飞控芯片发出动力调整指令。同时，1号、2号从机进入“副机长模式”，通过自组局域
网接收主机的飞行数据。3～6号从机为待机模式。1～6号从机的gps定位模块各自接收定位数据，但不参与主机定位。
58.主从机控制权切换逻辑：假设当主机出现故障，蜂巢机群进入悬停。主机将蜂巢机群的控制权交给1号从机，并完全退出“蜂巢六旋翼模式”的控制模式。1号从机接过蜂巢机群控制权，继续完成设定的飞行任务。2号从机进入“副机长模式”并开始接收1号从机发出的飞行参数。多次的控制权交接则重复上述步骤。
59.当顺利完成飞行任务，蜂巢机群降落后，便可以用拆卸工具，将任务载具拆卸。进而将框架2的固定螺栓4拆卸，使蜂巢机群拆分成7个独立的无人机本体1。完成拆分后，独立的无人机本体1就可以进行分散存放和运输。
60.在本技术的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。
61.图中，描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。