10、迈向高效全姿态全向性的超驱动多旋翼飞行器

迈向高效全姿态全向性的超驱动多旋翼飞行器

1 问题提出

在多旋翼飞行器领域，人们一直追求高飞行效率和更长的飞行时间。然而，一些系统会产生较大的内部力（相互抵消的推力），或者因执行机构增加额外重量，从而影响了飞行效率。为解决这一问题，提出了一种新型平台，它通过六个可驱动的倾斜臂，实现了力和姿态的全向性，同时在悬停时保持了较高的效率。实验结果表明，倾斜臂配置带来的额外复杂性和重量是合理的，系统性能证明了其价值。

2 相关工作

过去五年，全驱动全向多旋翼飞行器领域发展迅速。相关工作大致可分为固定倾斜旋翼平台和倾斜臂旋翼单元平台两类。
- 固定倾斜旋翼平台 ：这种平台能对周围环境产生较大的力，但会产生相当大的内部力，直接降低了飞行效率。
- 倾斜臂平台 ：在没有外部干扰的情况下，当所有螺旋桨推力向量与重力方向一致时，可实现最佳悬停效率。例如，有限滚转和俯仰的四旋翼以及六旋翼（如 Voliro）都展示了这一特性。不过，这些平台在某些配置下存在低推力和奇异性问题，并且为实现力的全向性和高悬停效率，付出了额外复杂性、重量和惯性的代价。此外，还有一种将倾斜轴与单个电机耦合的概念在模拟中进行了评估，虽能实现高效飞行，但不具备姿态全向性。

3 技术方法

3.1 系统设计

介绍了 VoliroX 平台，这是一款拥有 12 个旋翼和 6 个可倾斜臂的多旋翼飞行器。其系统布局如下：
- 结构布局 ：在 zb 平面上均匀分布着 6 个臂，每个臂上有两个旋翼，以平衡旋转惯性。每个臂配备两个 KDE