一种无人机(1)，包括中心部(10)；从中心部(10)向外伸展的多个机臂(20),以及设置在每个机臂(20)上的至少一动力装置(30)，动力装置(30)用于移动无人机(1)；机臂(20)及其上设置的动力装置(30)中的至少一者的状态能够根据无人机(1)重心的改变而改变；此外，还提供一种无人机(1)的姿态控制装置及姿态控制方法。
1.一种无人机，包括中心部；从所述中心部向外伸展的多个机臂；及设置在每一所述机臂上的至少一动力装置，所述动力装置用于移动所述无人机，其特征在于：所述机臂及其上设置的动力装置中的至少一者的状态能够根据所述无人机重心的改变而改变。
2.如权利要求1所述的无人机，其特征在于：所述动力装置包括旋翼叶片，通过改变一个或多个所述机臂上设置的动力装置的旋翼叶片的轴线到所述无人机的中心点的距离来对抗所述无人机重心的改变以保持所述无人机的姿态，其中所述无人机的中心点为所述无人机保持平衡时的重心。
3.如权利要求2所述的无人机，其特征在于：通过改变一个或多个所述机臂的状态来实现其上设置的旋翼叶片的轴线到所述无人机的中心的距离的改变。
4.如权利要求3所述的无人机，其特征在于：所述机臂的状态的改变包括机臂沿机臂的延伸方向线性延伸或收缩。
5.如权利要求4所述的无人机，其特征在于：当所述无人机的重心改变时，所述机臂状态的改变包括向远离所述中心部的方向线性延伸所述重心偏移方向上设置的机臂或向靠近所述中心部的方向线性收缩所述重心偏移方向的相反方向上设置的机臂。
6.如权利要求4所述的无人机，其特征在于：所述机臂延伸或收缩的程度根据所述无人机重心的偏移量确定。
7.如权利要求3所述的无人机，其特征在于：所述机臂的状态的改变包括机臂在机臂上的至少一指定点折叠。
8.如权利要求7所述的无人机，其特征在于：当所述无人机的重心改变时，所述机臂状态的改变包括折叠所述重心偏移方向的相反方向上设置的机臂。
9.如权利要求7所述的无人机，其特征在于：所述机臂折叠的程度根据所述无人机重心的偏移量确定。
10.如权利要求2所述的无人机，其特征在于：通过改变一个或多个所述机臂上设置的动力装置的状态来实现其旋翼叶片的轴线到所述无人机的中心的距离的改变。
11.如权利要求10所述的无人机，其特征在于：所述机臂上设置的动力装置的状态的改变包括改变其旋翼叶片在对应机臂上的位置。
12.如权利要求11所述的无人机，其特征在于：当所述无人机的重心改变时，所述动力装置状态的改变包括向远离所述中心部的方向线性移动所述重心偏移方向上设置的机臂上的旋翼叶片或向靠近所述中心部的方向线性移动所述重心偏移方向的相反方向上设置的机臂上的旋翼叶片。
13.如权利要求11所述的无人机，其特征在于：所述旋翼叶片在对应机臂上的位置根据所述重心偏移量确定。
14.如权利要求10所述的无人机，其特征在于：所述机臂上设置的动力装置的状态的改变包括其旋翼叶片相对该旋翼叶片所在的机臂旋转。
15.如权利要求14所述的无人机，其特征在于：当所述无人机的重心改变时，所述动力装置状态的改变包括向靠近所述中心部的方向旋转所述重心偏移方向上设置的机臂上的旋翼叶片。
16.如权利要求14所述的无人机，其特征在于：所述旋翼叶片相对其所在机臂旋转的角度根据所述重心偏移量确定。
17.如权利要求2所述的无人机，其特征在于：所述无人机的重心改变时，还可结合改变一个或多个机臂上设置的旋翼叶片的转速来对抗所述无人机的重心的改变。
18.如权利要求17所述的无人机，其特征在于：所述旋翼叶片的转速根据如下公式(a)确定：其中x，y，z为无人机的机体坐标，Φ为所述无人机沿X轴的翻滚角度；Θ为所述无人机沿Y轴的俯仰角度；Ψ为所述无人机沿Z轴的偏航角度；
其中km为旋翼输出力与旋转转速ωi之间的系数，i为正整数，表示旋翼的序号；m为所述无人机的质量。
19.如权利要求18所述的无人机，其特征在于：其中根据公式(a)确定的转速大于一预定的转速极限值时，设置所述转速为所述预定的转速极限值。
20.如权利要求19所述的无人机，其特征在于：所述旋翼的数量为4个，所述旋翼叶片的轴线到所述中心部的中心之间的距离根据如下公式(b)确定：其中，ωi为根据公式(a)确定的旋翼转速，且ωi不大于所述预定转速及限值；kd为旋翼输出力矩与旋转转速ωi之间的系数；l1～l4为旋翼叶片轴线到所述无人机的中心的距离；
21.如权利要求2所述的无人机，其特征在于：所述无人机的重心改变是所述无人机上设置的一个或多个负载的状态改变产生的结果。
22.如权利要求21所述的无人机，其特征在于：所述无人机的重心改变时，还可结合改变所述负载相对所述无人机的中心部的位置。
23.如权利要求22所述的无人机，其特征在于：所述负载相对所述无人机的中心部的位置的改变包括负载与承载所述负载的载体中的至少一者相对所述无人机的中心部旋转。
24.如权利要求23所述的无人机，其特征在于：所述载体包括连接所述载体至所述无人机的中心部的基座、连接于所述基座的固定件及设置在所述固定件上的活动件，所述活动件能够绕所述固定件的俯仰轴和翻滚轴旋转，所述负载设置在所述活动件上。
25.如权利要求24所述的无人机，其特征在于：所述基座能够绕偏航轴相对所述无人机的中心部旋转。
26.如权利要求25所述的无人机，其特征在于：所述基座及所述活动件上均设置有传感器，能够感测所述负载相较所述中心部的旋转。
27.如权利要求23所述的无人机，其特征在于：所述负载或承载所述负载的载体上设置有传感器，所述传感器能够感测所述负载的状态发生预定改变，当所述负载的状态预定改变时即判定为所述无人机的重心发生改变。
28.如权利要求27所述的无人机，其特征在于：所述负载的状态发生预定改变包括所述负载的一部分在偏离所述无人机的重心方向上向远离或靠近所述无人机的中心部移动。
改变机臂与机臂上设置的动力装置中的至少一者的状态以对抗所述无人机的重心改变。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于：所述方法还包括改变所述机臂上设置的动力装置的旋翼叶片的转速来对抗所述无人机的重心改变。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于：其中“改变机臂与机臂上设置的动力装置中的至少一者的状态以对抗所述无人机的重心改变”包括：获取无人机飞行状态参数；
当无人机的重心发生改变时，根据所获取的参数计算无人机的旋翼叶片的目标转速；
判断所计算得到的目标转速是否大于一预定的极限转速值ωt；
当所计算得到的目标转速大于所述预定的极限转速值ωt时，设置目标转速为所述极限转速值ωt；
根据确定的目标转速计算所述无人机的中心到所述旋翼叶片的距离；及
根据目标转速及所计算得到的所述无人机的中心到所述旋翼叶片的距离调整所述无人机的当前转速及当前所述无人机的中心到所述旋翼叶片的距离。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于：其中“调整当前所述无人机的中心到所述旋翼叶片的距离”包括改变一个或多个所述机臂的状态。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于：所述机臂的状态的改变包括机臂沿机臂的延伸方向线性延伸或收缩。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于：当所述无人机的重心改变时，所述机臂状态的改变包括向远离所述中心部的方向线性延伸所述重心偏移方向上设置的机臂或向靠近所述中心部的方向线性收缩所述重心偏移方向的相反方向上设置的机臂。
35.如权利要求32所述的方法，其特征在于：所述机臂的状态的改变包括机臂在机臂上的至少一指定点折叠。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于：当所述无人机的重心改变时，所述机臂状态的改变包括折叠所述重心偏移方向的相反方向上设置的机臂。
37.如权利要求31所述的方法，其特征在于：其中“调整当前所述无人机的中心到所述旋翼叶片的距离”包括改变一个或多个所述机臂上设置的动力装置的状态。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于：所述机臂上设置的动力装置的状态的改变包括改变其旋翼叶片在对应机臂上的位置。
39.如权利要求38所述的方法，其特征在于：当所述无人机的重心改变时，所述动力装置状态的改变包括向远离所述中心部的方向线性移动所述重心偏移方向上设置的机臂上的旋翼叶片或向靠近所述中心部的方向线性移动所述重心偏移方向的相反方向上设置的机臂上的旋翼叶片。
40.如权利要求37所述的方法，其特征在于：所述机臂上设置的动力装置的状态的改变包括其旋翼叶片相对该旋翼叶片所在的机臂旋转。
41.如权利要求40所述的方法，其特征在于：当所述无人机的重心改变时，所述动力装置状态的改变包括向靠近所述中心部的方向旋转所述重心偏移方向上设置的机臂上的旋翼叶片。
42.如权利要求31所述的方法，其特征在于：所述旋翼叶片的转速根据如下公式(a)确定：其中x，y，z为无人机的机体坐标，Φ为所述无人机沿X轴的翻滚角度；Θ为所述无人机沿Y轴的俯仰角度；Ψ为所述无人机沿Z轴的偏航角度；
其中km为旋翼输出力与旋转转速ωi之间的系数，i为正整数，表示旋翼的序号；m为所述无人机的质量。
43.如权利要求42所述的方法，其特征在于：其中根据公式(a)确定的转速大于一预定的转速极限值时，设置所述转速为所述预定的转速极限值。
44.如权利要求43所述的方法，其特征在于：所述旋翼的数量为4个，所述旋翼叶片的轴线到所述中心部的中心之间的距离根据如下公式(b)确定：其中，ωi为根据公式(a)确定的旋翼转速，且ωi不大于所述预定转速及限值；kd为旋翼输出力矩与旋转转速ωi之间的系数；l1～l4为旋翼叶片轴线到所述无人机的中心的距离；
45.如权利要求29所述的方法，其特征在于：所述无人机的重心改变是所述无人机上设置的一个或多个负载的状态改变产生的结果。
46.如权利要求45所述的方法，其特征在于：所述无人机的重心改变时，还可结合改变所述负载相对所述无人机的中心部的位置。
47.如权利要求46所述的方法，其特征在于：所述负载相对所述无人机的中心部的位置的改变包括负载与承载所述负载的载体中的至少一者相对所述无人机的中心部旋转。
48.如权利要求47所述的方法，其特征在于：所述载体包括连接所述载体至所述无人机的中心部的基座、连接于所述基座的固定件及设置在所述固定件上的活动件，所述活动件能够绕所述固定件的俯仰轴和翻滚轴旋转，所述负载设置在所述活动件上。
49.如权利要求48所述的方法，其特征在于：所述基座能够绕偏航轴相对所述无人机的中心部旋转。
50.如权利要求49所述的方法，其特征在于：所述基座及所述活动件上设置有传感器，能够感测所述载体相对所述中心部的旋转。
51.如权利要求47所述的方法，其特征在于：所述负载或承载所述负载的载体上设置有传感器，所述传感器能够感测所述负载的状态发生预定改变，当所述负载的状态预定改变时即判定为所述无人机的重心发生改变。
52.如权利要求51所述的方法，其特征在于：所述负载的状态发生预定改变包括所述负载的一部分在偏离所述无人机的重心方向上向远离或靠近所述无人机的中心部移动。
53.一种控制无人机姿态的控制装置，其特征在于：所述控制装置包括重心控制部，所述重心控制部用于在所述无人机的重心发生改变时根据该无人机的重心变化确定一个或多个机臂或机臂上设置的动力装置的状态变化。
54.如权利要求53所述的控制装置，其特征在于：所述重心控制部包括：重心判定部，用于判定所述无人机的重心的变化；
臂选择部，用于根据重心的变化确定需要变更状态的机臂；
臂长确定部，用于根据重心的变化确定机臂上设置的旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离；及配置确定部，用于根据所述臂长确定部所确定的距离确定机臂或动力装置的状态改变。
55.如权利要求54所述的控制装置，其特征在于：所述机臂的状态的改变包括机臂沿机臂的延伸方向线性延伸或收缩。
56.如权利要求55所述的控制装置，其特征在于：当所述无人机的重心改变时，所述机臂状态的改变包括向远离所述中心部的方向线性延伸所述重心偏移方向上设置的机臂或向靠近所述中心部的方向线性收缩所述重心偏移方向的相反方向上设置的机臂。
57.如权利要求53所述的控制装置，其特征在于：所述机臂的状态的改变包括机臂在机臂上的至少一指定点折叠。
58.如权利要求57所述的控制装置，其特征在于：当所述无人机的重心改变时，所述机臂状态的改变包括折叠所述重心偏移方向上设置的机臂。
59.如权利要求54所述的控制装置，其特征在于：所述机臂上设置的动力装置的状态的改变包括改变其旋翼叶片在对应机臂上的位置。
60.如权利要求59所述的控制装置，其特征在于：当所述无人机的重心改变时，所述动力装置状态的改变包括向远离所述中心部的方向线性移动所述重心偏移方向上设置的机臂上的旋翼叶片或向靠近所述中心部的方向线性移动所述重心偏移方向的相反方向上设置的机臂上的旋翼叶片。
61.如权利要求54所述的控制装置，其特征在于：所述机臂上设置的动力装置的状态的改变包括其旋翼叶片相对该旋翼叶片所在的机臂旋转。
62.如权利要求61所述的控制装置，其特征在于：当所述无人机的重心改变时，所述动力装置状态的改变包括向靠近所述中心部的方向旋转所述重心偏移方向的相反方向上设置的机臂上的旋翼叶片。
63.如权利要求54所述的控制装置，其特征在于：所述无人机的重心改变时，还可结合改变一个或多个机臂上设置的旋翼叶片的转速来对抗所述无人机的重心的改变。
64.如权利要求63所述的控制装置，其特征在于：所述旋翼叶片的转速根据如下公式(a)确定：其中x，y，z为无人机的机体坐标，Φ为所述无人机沿X轴的翻滚角度；Θ为所述无人机沿Y轴的俯仰角度；Ψ为所述无人机沿Z轴的偏航角度；
其中km为旋翼输出力与旋转转速ωi之间的系数，i为正整数，表示旋翼的序号；m为所述无人机的质量。
65.如权利要求64所述的控制装置，其特征在于：其中根据公式(a)确定的转速大于一预定的转速极限值时，设置所述转速为所述预定的转速极限值。
66.如权利要求65所述的控制装置，其特征在于：所述旋翼的数量为4个，所述旋翼叶片的轴线到所述中心部的中心之间的距离根据如下公式(b)确定：其中，ωi为根据公式(a)确定的旋翼转速，且ωi不大于所述预定转速及限值；kd为旋翼输出力矩与旋转转速ωi之间的系数；l1～l4为旋翼叶片轴线到所述无人机的中心的距离；
67.如权利要求53所述的控制装置，其特征在于：所述无人机的重心改变是所述无人机上设置的一个或多个负载的状态改变产生的结果。
68.如权利要求67所述的控制装置，其特征在于：所述无人机的重心改变时，还可结合改变所述负载相对所述无人机的中心部的位置。
69.如权利要求68所述的控制装置，其特征在于：所述负载相对所述无人机的中心部的位置的改变包括负载与承载所述负载的载体中的至少一者相对所述无人机的中心部旋转。
70.如权利要求69所述的控制装置，其特征在于：所述载体包括连接所述载体至所述无人机的中心部的基座、连接于所述基座的固定件及设置在所述固定件上的活动件，所述活动件能够绕所述固定件的俯仰轴和翻滚轴旋转，所述负载设置在所述活动件上。
71.如权利要求70所述的控制装置，其特征在于：所述基座能够绕偏航轴相对所述无人机的中心部旋转。
72.如权利要求71所述的控制装置，其特征在于：所述基座及所述活动件上设置有传感器，能够感测所述载体相对所述中心部的旋转。
73.如权利要求69所述的控制装置，其特征在于：所述负载或承载所述负载的载体上设置有传感器，所述传感器能够感测所述负载的状态发生预定改变，当所述负载的状态预定改变时即判定为所述无人机的重心发生改变。
74.如权利要求73所述的控制装置，其特征在于：所述负载的状态发生预定改变包括所述负载的一部分在偏离所述无人机的重心方向上向远离或靠近所述无人机的中心部移动。
无人机及控制无人机姿态的控制方法、控制装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种无人机，尤其涉及一种能控制其姿态的无人机及控制无人机姿态的控制方法、控制装置。
背景技术
[0002] 无人机通常包括机身及从机身向外伸展的多个机臂，机臂远离机身的末端上设置一个或多个旋翼叶片，该旋翼叶片的旋转可带动所述无人机飞行。在如无人飞行器这样的具有多个旋翼的无人机中，通过控制旋翼的旋转速度保持无人机的移动或旋转等的姿态。搭载万向节等设备的无人机一运作，其无人机全体的重心位置就变化。因此，通过控制配备在无人机上的各旋翼的旋转速度，保持无人机的姿态。
[0003] 但是，用以旋转旋翼的马达的性能或者从控制该马达的驱动器流出的电流是有上限的。因此，当无人机整体的重心也有大的变化时，无人机的姿态也会发生较大的变化，为了克服这样的姿态变化，就需要较高的电流输出。有可能会出现不能正确保持无人机的姿态的情况。
发明内容
[0004] 有鉴于此，有必要提供一种能正确保持无人机姿态的无人机及其姿态控制装置、控制方法。
[0005] 一种无人机，包括中心部；从所述中心部向外伸展的多个机臂；及设置在每一所述机臂上的至少一动力装置，所述动力装置用于移动所述无人机，所述机臂及其上设置的动力装置中的至少一者的状态能够根据所述无人机重心的改变而改变。
[0006] 一种无人机姿态控制方法包括：确定所述无人机的重心发生改变；及改变机臂与机臂上设置的动力装置中的至少一者的状态以对抗所述无人机的重心改变。
[0007] 一种控制无人机姿态的控制装置，所述控制装置包括重心控制部，所述重心控制部用于在所述无人机的重心发生改变时根据该无人机的重心变化确定一个或多个机臂或机臂上设置的动力装置的状态变化。
[0008] 上所述无人机及其姿态控制方法、姿态控制装置在所述无人机的重心发生改变时改变机臂或机臂上设置的动力装置的状态来对抗所述重心的改变，避免了仅采用旋翼转速调节来保持无人机姿态时转速受限的问题。
附图说明
[0009] 图1是本发明实施方式提供的一种无人机的立体图。
[0010] 图2至图5是本发明实施方式的一种带有负载的无人机立体图。
[0011] 图6是本发明一实施方式的控制无人机姿态的控制方法的流程图。
[0012] 图7至图10是本发明实施方式的调整旋翼叶片轴线到无人机中心的距离的示意图。
[0013] 图11为本发明一实施方式的无人机的部分功能模块图。
[0014] 图12为本发明一实施方式的无人机的载体的示意图。
[0015] 主要元件符号说明
[0016] 无人机 1
[0017] 中心部 10
[0018] 主控制部 11
[0019] 存储装置 12
[0020] 旋翼控制部 13
[0021] 通信模块 14
[0022] 传感器 15
[0023] 机臂控制部 16
[0024] 重心控制部 17
[0025] 重心判定部 170
[0026] 臂选择部 172
[0027] 臂长确定部 174
[0028] 配置确定部 176
[0029] 机臂 20
[0030] 动力装置 30
[0031] 电机 32
[0032] 旋翼 34
[0033] 载体 40
[0034] 载体控制部 41
[0035] 驱动器 42
[0036] 驱动马达 43
[0037] 支撑机构 44
[0038] 相机组件 50
[0039] 棱镜组件 51
[0040] 棱镜 510
[0041] 棱镜控制部 512
[0042] 拍摄组件 52
[0043] 拍摄元件 520
[0044] 拍摄控制部 522
[0045] 存储器 524
[0046] 重心位置调整部 526
[0047] 如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
[0048] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0049] 需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0050] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0051] 本发明提供一种无人机，所述无人机可用于任何适宜的环境，例如在空中(例如旋翼飞行器、固定翼飞行器或固定翼与旋翼混合的飞行器)，在水中(例，船或潜艇)，在地面上(例，摩托车，汽车，卡车，公交车，火车等)，在太空中(例，航天飞机、卫星或探测器)，或在地下(例如地铁)，或上述环境的任意组合。在本实施例中，所述无人机为旋翼飞行器，其中所述旋翼可为单旋翼、双旋翼、三旋翼、四旋翼、六旋翼及八旋翼等。为便于描述，如下实施例中的无人机以四旋翼飞行器为例进行说明。
[0052] 下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0053] 请参阅图1，无人机1包括中心部10、从中心部10向外延伸的多个机臂20及设置在机臂20上的动力装置30。所述动力装置30用于移动所述无人机1。每一机臂20与所述机身10相连的一端为该机臂20的近端部，与该近端部相背离的另一末端为该机臂20的远端部。在本实施例中，每一机臂20的远端部设有一动力装置30，所述动力装置30包括电机32及被所述电机驱动而旋转的旋翼34。旋翼34的转动带动所述无人机1的移动。所述移动可包括起飞、着陆、悬停，及在空中关于三个平移自由度以及三个旋转自由度运动。在一些实施例中，所述动力装置30可包括一个或多个旋翼34。所述旋翼34可包括连接至一转轴的一个或多个旋翼叶片。所述旋翼叶片或转轴可被所述电机驱动而旋转。虽然在实施例中所述无人机1的动力装置30被描述为包括4个旋翼34，但是动力装置30的其他适当的数量、类型或排配都是可实施的。例如，所述旋翼34可以是一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个或更多。所述旋翼34可以相对于所述无人机1水平、垂直或其他任何适当角度设置。所述旋翼的角度可以是固定的或可变的。相对设置的所述旋翼转轴之间的距离可以是任何适当的距离，例如小于等于2米，或小于等于5米。可选地，所述距离可以在40厘米到1米之间、从10厘米到2米之间，或从5cm到5米之间。所述电机32可为直流电机(例：有刷电机或无刷电机)或交流电机。在一些实施例中，所述电机32可被装配用于驱动旋翼叶片。
[0054] 在一些实施例中，所述无人机1还可包括用于承载负载的载体40，所述载体40可为万向节等能够绕所述中心部绕一个或多个轴旋转的承载机构，例如图1中所示的能够相对所述中心部10绕俯仰轴和翻滚轴旋转的承载机构。所述承载机构用于承载功能负载或非功能负载。所述功能负载可以是用于执行特定功能的负载，譬如，传感器，发射器，工具，仪器，操纵器，或其他功能装置。在图1所示的实施例中，所述负载是一相机组件50。在一些情境中，所述相机组件50可以是位于所述中心部10下方的相机。通过所述承载机构10，所述相机可相对所述中心部10绕一个或多个轴旋转以获取多个视角的影像。
[0055] 所述中心部10上可设置控制系统(例如，飞行控制系统)来控制所述无人机1的飞行。在一些实施例中，所述控制系统基于如下一项或多项：所述无人机1的位置，所述无人机1的朝向，所述无人机1的当前状态，时间或所述无人机1的传感器或负载所感测获取的数据，控制所述无人机1的运行。
[0056] 可替换地或可结合地，所述控制系统可包括设置在所述无人机1上的一个接收器或其他的通信模块，用于接收用户指令，例如，从远程终端接收用户指令。通过所述接收器所接收的所述用户指令用于控制所述动力装置30，所述动力装置30用于驱动所述无人机运行，例如起飞、飞行、盘旋或着陆等。
[0057] 在一些实施例中，无人机1可通过附属臂搭载各种不同的负载(例如清洁工具、捕鱼网、采摘工具或切割工具等，而在负载运行过程(例如从折叠状态向外伸展)中，可能会导致所述无人机1的重心发生改变。
[0058] 请参阅图2～图5所示，为本发明一种例示的带有附属臂的无人机1，所述负载为一种功能装置(例如图2中的清洁工具、图3中的鱼网、图4中的抓取工具、图5中的剪切工具)，当所述功能装置从载体向外伸展时，所述无人机1的重心发生改变，可能会导致所述无人机1姿态发生改变，例如向所述功能装置伸展的方向倾斜。为了避免所述无人机1的姿态发生改变，需要提高与所述功能装置伸展方向相同的方向上设置的旋翼的转速。然而，旋翼转速是有上限限制的，因此，为了避免旋翼转速达到上限仍然无法保持所述无人机1的姿态的情况发生，可延伸在所述功能装置伸展方向上设置的机臂上的旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离或缩短在所述功能装置伸展方向的相反方向上设置的机臂上的旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离。
[0059] 当控制无人机时，飞行控制器从惯性传感器(Inertial Measurement Unit,IMU)、加速计、磁力计及GPS接收器萃取角速度，加速度，方向及位置等所述无人机的状态参数值，计算每一旋翼的转速ω以控制所述机架达到目标姿态及目标速度。
[0060] 如何根据所获取的参数值计算得到所述旋翼转速ω为不同公司的专属法则的一部分，但是输入和输出是相似的。输入是无人机的状态参数值，包括角速度、加速度、方向及位置，输出是旋翼的转速ω。而本发明的计算结果除了能输出旋翼的转速ω，还可以输出机臂的长度l，其中所述机臂的长度指的是从机臂上设置的旋翼的叶片的轴线到所述无人机的中心的距离。
[0061] 假定世界坐标系(World Coordinate)为W(x,y,z)，无人机机体坐标系为B(x,y,z)，则两坐标系的转换矩阵R(Φ,Θ,Ψ)满足
[0062]
[0063] 其中Φ为所述无人机沿X轴的翻滚角度；Θ为所述无人机沿Y轴的俯仰角度；Ψ为所述无人机沿Z轴的偏航角度。
[0064] 根据所述坐标系转换矩阵R可得到无人机的基本动力学公式如下：
[0065]
[0066]
[0067] 其中km为旋翼输出力与旋转转速ω之间的系数；kd为旋翼输出力矩与旋转转速ω之间的系数；l1～l4为旋翼叶片轴线到所述无人机中心的距离。lx、ly、lz为沿X,Y,Z轴惯量。
[0068] 请参阅图6所示，为本发明一实施例的控制无人机姿态的方法的流程图。
[0069] 步骤70，所述无人机的控制器获取无人机状态参数。所述状态参数包括，但不限于，所述无人机的角速度、方向、位置等。所述无人机的状态参数可来源于所述无人机上设置的一个或多个传感器。所述一个或多个传感器可感测所述无人机10的空间方位、速度及/或加速度(例，相对三维平移自由度和三维旋转自由度)。所述一个或多个传感器可包括，但不限于，全球定位系统(GPS)传感器、移动传感器、惯性传感器、陀螺仪、加速计、磁力计、近距离传感器或影像传感器。所述一个或多个传感器所感测的数据可用于控制所述飞行器的飞行(例如：空间方位、速率，及/或方向)。在一些实施例中，所述一个或多个传感器还可用于提供关于所述飞行器的周边环境的信息，例如天气状况、与潜在障碍的接近距离、地理特征的位置、人工结构的位置及其类似物。所述一个或多个传感器可设置在所述无人机的中心部上或载体上或负载上。
[0070] 步骤72，所述无人机的控制器根据公式(1)及接收到的状态参数计算每一旋翼的转速ωi(i＝1，2，3，4)。
[0071] 步骤74，所述无人机的控制器判断所述旋翼的转速ωi是否大于一预定的极限转速值ωt。所述极限转速值ωt的选择取决于所述无人机的一个或多个电子元器件的特性，例如流经所述一个或多个电子元器件的电流。在一些实施例中，所述极限转速值ωt的确定是为了避免对所述一个或多个电子元器件造成额外的负担。例如，所述极限转速值ωt选择需保证所述旋翼的电流低于一最高电流极限值。在一些实施例中，所述最高电流极限值可为当超过该最高电流极限值时，所述UAV的一个或多个元器件可能会损毁。在一些实施例中，所述极限转速值ωt的确定需要考虑电池的能耗。在一些实施例中，所述极限转速值ωt可设置为约500转/秒(radious/second)。在另一些实施例中，所述极限转速值ωt也可设置为大于或小于500转/秒(radious/second)。如果大于所述预定的极限转速值ωt，流程进入步骤76，否则，流程进入步骤78。
[0072] 步骤76，所述无人机的控制器设置所述ωi＝ωt。
[0073] 步骤78，所述无人机的控制器根据所述ωi的值及所述公式(2)计算每一旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离li(i＝1，2，3，4)。
[0074] 步骤710，所述无人机的控制器根据所计算得到的ωi与li的值调整对应旋翼的转速及旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离。具体地，设置当前旋翼转速为所计算得到的转速ωi，ωi＝ωt时，设置当前旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离为所计算得到的li；若ωi<ωt，则保持当前旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离不变。
[0075] 改变所述机臂上的旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离可通过线性伸展或收缩所述机臂、在所述机臂上的某一指定位置折叠所述机臂、改变所述旋翼在所述机臂上的位置或所述旋翼相对所述机臂的角度来实现。
[0076] 在所述流程图中，在步骤70之前，还可包括感测所述无人机的重心改变的步骤。当所述无人机的重心改变是由于负载的配置(即状态)发生改变时，可通过设置在所述负载上或设置在承载所述负载的载体上的传感器来获取所述负载的配置变化，例如图2-图5所示的实施例中，当所述功能装置从所述载体向外伸展时，设置在所述功能装置上的传感器或设置在所述载体上的传感器可获取所述功能装置的配置改变，从而判定所述无人机的重心改变。在一些实施例中，所述负载的配置/状态的改变包括，但不限于，相对于所述无人机的中心部线性伸缩、旋转、折叠、安装、拆卸所述负载。
[0077] 可以理解的是，所述无人机的重心的偏移的感测也可以基于所述无人机的状态参数进行判定。
[0078] 请参阅图7-图10所示，为例示的所述无人机的机臂上设置的旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离改变的几种示意图。例如，图7中，当所述机臂20沿着机臂延伸方向(如图中的箭头方向)线性伸展或收缩时，所述旋翼34的旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离li等于所述机臂20的长度d(即从所述旋翼34设置的位置A至所述中心部10的中心点O之间的距离；i为正整数，代表机臂的编号)随之改变。当所述机臂20向远离所述中心部10的方向线性伸展时，所述机臂20的长度d变长，即设置在该机臂上的旋翼34的旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离li变长；反之，当所述机臂20向靠近所述中心部10的方向线性收缩时，所述机臂20的长度d变短，即设置在该机臂上的旋翼34的旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离li变短。根据所确定的li及机臂当前长度d即可确定所述机臂应当收缩或伸展的长度。所述机臂20及所述中心部10中的至少一者上可设置驱动所述机臂20线性伸展或收缩的驱动机构。所述驱动机构可包括马达及啮合齿轮，通过马达的旋转带动啮合齿轮的传动，使得所述机臂20线性伸展及收缩。
[0079] 图8中，所述机臂20可在指定点B折叠，从而改变所述旋翼34的旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离li。折叠的角度为α，d1+d2＝d，由此可知，d1、d2已知且固定的前提下，折叠的角度α越小，所述旋翼34的旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离li越小。根据所确定的li及已知的d1、d2可计算得到所述折叠的角度α。可以理解的是，所述指定折叠点不限于一个，可为2个或多个。所述机臂20的折叠可通过设置在所述中心部10或所述机臂20上的驱动机构来实现。
[0080] 图9中，所述旋翼34设置在所述机臂20上的位置可改变，能沿着所述机臂延伸方向(如图中箭头方向)变动，从而改变所述旋翼34的旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离li。改变所述旋翼在机臂上的位置与伸展或收缩机臂的效果类似，都可以改变所述旋翼与所述无人机的中心点之间的距离d，也即所述旋翼34的旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离li。所述机臂20上可设置滑槽，所述旋翼34可滑动地设置在所述机臂20上，通过设置在机臂20或所述旋翼固定座上的驱动机构驱动所述旋翼34沿所述机臂20滑动，从而改变所述旋翼34的旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离li。
[0081] 图10中，所述机臂20上设置的旋翼34相对所述机臂20转动从而使得所述旋翼34叶片的轴线与所述机臂20之间的夹角β改变，β越小，所述旋翼34的旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离li越小，反之亦然。所述旋翼设置位置至所述中心部10的中心点O的距离为d，所述夹角β可通过sinβ＝li/d确定。
[0082] 在一些实施例中，所述图7至图10所述的调整所述旋翼的旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离li的方法可单独采用，也可组合采用，例如采用机臂线性伸缩与所述旋翼旋转相结合的方式来调节所述旋翼的旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离li。
[0083] 上所述旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离li的改变是在飞行过程中实现的。在一些实施例中，所述旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离li的改变也可以发生在所述无人机飞行前。所述无人机在飞行前停靠于一表面(例如地面)时，增加或减少所述无人机的负载、改变所述无人机的负载的配置都有可能导致所述无人机的重心发生改变，为了保证起飞时无人机的平衡，可以预先对所述无人机的一个或多个机臂的旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离li进行调整。在此种情形下，可通过设置在所述无人机上的一个或多个传感器感测所述负载的连接或移除或所述负载的状态的改变，然后经由该改变计算出所述无人机的重心的偏移方向及偏移量，然后根据所述无人机的重心的偏移方向及偏移量计算出一个或多个机臂的旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离li。所述计算方法与上述飞行过程中的方法类似，不再赘述。
[0084] 请参阅图11所示，为本发明一实施例的无人机的部分功能模块图。所述无人机1包括主控制部11、存储装置12、旋翼控制部13、通信模块14、传感器15、机臂控制部16及重心控制部17。
[0085] 所述主控制部11可包括一个或多个处理器，例如一可编程处理器(例，一中央处理器(CPU)。所述主控制部11可操控地连接至所述存储装置12、旋翼控制部13、通信模块14、传感器15、机臂控制部16及重心控制部17中的一个或多个。所述存储装置12可为一非易失性计算机可读介质。所述非易失性计算机可读介质可存储逻辑、代码及/或可被所述处理器执行的一个或多个步骤的程式指令。所述非易失性计算机可读介质可包括一个或多个存储单元(例，可移除式介质或类似SD卡或随机存储器(RAM)的外部存储器)。在一些实施例中，所述存储装置12可用于存储所述处理单元产生的处理结果。
[0086] 所述旋翼控制部13用于在所述主控制部11的控制下控制所述无人机1的状态。例如，所述旋翼控制部13可用于控制所述无人机1的所述动力机构30以调整所述无人机1六维自由度的所述方位、速率及/或加速度。
[0087] 所述通信模块14用于传输及/或接收来自于一个或多个外部装置(例，一终端，显示装置，或其他远程控制器)的数据。任何适宜的通信方式可采用，例如有线通信或无线通信。例如，所述通信模块14可利用局域网(LAN)、广域网(WAN)、红外线、射频、WiFi，点对点(P2P)网络、电信网络、云通信及其他类似通信网络中的一个或多个。可选地，中继台，如塔、卫星或移动工作站等可被采用。无线通信可为基于距离的也可为与距离无关的。在一些实施例中，通信需要可视也可不需要可视。所述通信模块14可传输所述主控制部11所产生的处理结果、预定的控制数据、接收来自终端或远程控制器的控制指令。
[0088] 在一些情况下，来自所述终端或远程控制器的控制指令可包括所述无人机1、载体40、及负载的相对位置、移动、作动或控制。例如，所述控制指令可改变所述无人机1的位置及/或方向(例，通过控制所述动力装置30)，或使得所述负载相对所述无人机1移动(例，通过控制所述载体40)。来自所述终端或远程控制器的控制指令可控制所述负载，例如控制相机或其他功能设备的操作(例，获取静态或动态图像，推近或推远镜头，开启或关闭，切换影像模式，改变影像解析度，调焦，改变景深，改变曝光时间，改变视角或视野；伸展或收缩所述功能设备)。在一些情况下，来自所述无人机1、载体40、及负载的通信信息可包括来自一个或多个传感器15的信息。所述通信可包括一个或多个不同类型的传感器所感测的信息(例，GPS传感器、移动传感器、惯性传感器、近距离传感器或影像传感器)。所述信息可为关于所述飞行器、载体及/或负载的方位(例，位置，方向)、移动或加速度的信息。所述来源于负载的信息可包括所述负载感测的数据或所感测的所述负载的状态。所述终端或远程控制器提供并传输的所述控制指令可用于控制所述无人机1、载体40、及负载中的一个或多个的状态。可选择地或组合地，所述载体40和负载也可分别包括与所述终端或远程控制器通信的通信模块，从而使得所述终端或远程控制器可分别独立地与所述无人机1、载体40、及负载进行通信及控制。
[0089] 所述传感器15可包括能以各种不同方式采集有关于所述无人机1的信息的各种类型的传感器。各种不同类型的传感器可感测不同类型的信号或不同来源的信号。例如，所述传感器可包括惯性传感器、GPS传感器、近距离传感器(例，激光传感器)，或视觉/影像传感器(例，相机)。在一些实施例中，所述传感器15可操控地连接至一通信模块(例，一Wi-Fi传输模块)，所述传输模块可用于直接传输感测数据至一适宜的外部装置或系统。
[0090] 所述机臂控制部16用于在所述主控制部11的控制下控制机臂20相对所述中心部10移动，包括，但不限于，线性伸展或收缩、折叠、旋转等，从而带动装配在所述机臂20上的动力装置30相对所述中心部10移动。
[0091] 重心控制部17用于在所述无人机的重心发生改变时根据该无人机的中心变化确定一个或多个机臂的状态或机臂上设置的动力装置的状态变化。所述中心控制部17可设置在所述无人机1的中心部10内，作为所述无人机1的飞行控制系统的一部分，也可为独立于所述飞行控制系统的一个控制器。所述重心控制部可包括处理器及可被处理器执行的系列指令代码，通过处理器执行该系列指令代码而实现所述重心控制部17的功能。具体地，所述重心控制部17用于确定所述无人机的重心偏移、重心偏移时为对抗该重心偏移而选择需要变更状态的机臂、及确定所选择的机臂上的动力装置的旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离，及需要做的状态变更。所述状态变更(也可称为配置变更)包括，但不限于，机臂线性伸展与收缩、机臂折叠、机臂上设置的旋翼相对所述机臂线性移动或旋转(请参阅图7-10所示)中的一种或几种。
[0092] 所述重心控制部17包括重心判定部170、臂选择部172、臂长确定部174及配置确定部176。其中所述重心判定部170用于确定所述无人机1重心的偏移。所述臂选择部172用于根据重心的偏移确定需要变更状态的机臂。例如，当重心向一侧偏移时，可通过延伸重心偏移方向上设置的机臂的长度或缩短与重心偏移方向相反方向上设置的机臂的长度。所述臂长确定部174用于根据重心的偏移确定机臂上设置的旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离。所述臂长确定方法参上所述流程方法。所述配置确定部176用于根据所述臂长确定部176所确定的臂长确定需要做的状态变更。所述状态变更可包括图7至图10所述的改变旋翼叶片的轴线到所述无人机中心的距离的方法中的一种或几种。
[0093] 在上述实施例中，所述重心的偏移的确定可通过对负载的状态的变更的感测来实现。例如，在图2至图5所述的实施例中，所述无人机1包括有附属臂，可通过设置在附属臂上的传感器来感测附属臂的状态来确定重心的偏移。在其他一些实施例中，还可以通过设置在载体或负载上的传感器来感测负载的状态变化而确定重心的偏移。在一些实施例中，所述重心的偏移除可采用上述的机臂及其上设置的旋翼的状态的变更来调整平衡重心偏移引起的姿态变化外，还可以采用调节负载或载体相对所述中心部的位置来实现重心的调整。
[0094] 例如，在图11中，所述无人机连接有一载体40，所述载体40上可搭载一个或多个负载。所述载体40可包括载体控制部41、驱动器42、驱动马达43及支撑机构44。其中所述载体控制部41可在所述主控制部11的控制下控制所述载体绕偏航轴、俯仰轴及翻滚轴旋转。相应地，所述驱动器42分别包括偏航轴驱动器、俯仰轴驱动器及翻滚轴驱动器；所述驱动马达43包括偏航轴驱动马达、俯仰轴驱动马达及翻滚轴驱动马达。所述支撑机构44包括偏航轴旋转机构、俯仰轴旋转机构及翻滚轴旋转机构。
[0095] 在图11所示的实施例中，仅仅示出了一种负载：相机组件50。所述相机组件50包括棱镜组件51和拍摄组件52。其中棱镜组件51包括多个棱镜510及棱镜控制部512。所述拍摄组件52包括拍摄元件520及拍摄控制部522。所述拍摄控制部522用于在所述主控制部11的控制下控制所述拍摄元件520进行拍摄。在一些实施例中，所述拍摄组件52还可以包括存储器524，所述存储器524可为可移除的存储卡或移动存储盘，用于存储所述拍摄元件520所拍摄的影像。在一些实施例中，所述拍摄元件526还可以包括重心位置调整部526，所述重心控制调整部526用于在拍摄控制部522的控制下调节所述相机组件的重心。
[0096] 在一些实施例中，所述负载或承载所述负载的载体上设置有传感器，所述传感器能够感测所述负载的状态发生预定改变，当所述负载的状态发生预定改变时，即判定为所述无人机的重心发生改变当负载的状态发生预定改变(所述负载的一部分在偏离所述无人机的重心方向上向远离或靠近所述无人机的中心部移动，例如图2-图5所示的实施例中，所述功能装置的一部分向远离所述中心部10的方向伸出)导致无人机重心改变时，所述载体控制部可控制所述载体相对所述中心部旋转而调整所述无人机的重心，以使得所述无人机保持平衡。
[0097] 请参阅图12所示，为一种例示的可以通过控制载体或负载来调整所述无人机的重心的载体6示意图。在该实施例中，所述无人机的重心与所述载体6的重心方向一致。所述载体6包括基座60、固定件61及活动件62。所述固定件61通过所述基座60连接至无人机的中心部。所述固定件61大致呈球体状，所述活动件62为环设在所述球体外表面的框架，所述框架上可承载一个或多个负载。所述活动件62可相对所述固定件61绕俯仰轴63-2和翻滚轴63-3旋转，从而带动其上承载的一个或多个负载跟着旋转。所述基座60可相较所述无人机绕偏航轴63-1旋转。当所述活动件62上设置的一个或多个负载的状态发生改变，导致所述载体6的重心偏离所述球体中心时，所述活动件62可绕所述俯仰轴63-2或翻滚轴63-3旋转而使得所述载体的重心回归于所述球体中心。其中所述载体重心的偏移可通过设置在所述基座60上的传感器64-1来感测所述载体绕所述偏航轴的转动程度及设置在所述活动件62上的一个或多个传感器，例如传感器64-2、64-3来感测所述活动件62绕所述俯仰轴63-2或翻滚轴63-3旋转旋转的程度，并根据所感测的旋转程度来判断所述载体重心的偏移。
[0098] 另外，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
