案例分享 | 哈工大高会军教授、李湛副教授团队新型矢量旋翼飞行器研发

来源：凌云光技术股份有限公司分类：商机 2024-06-21 18:45:05 187阅读次数

旋翼飞行器因其出色的垂直起降能力、空中悬停能力，已经在航拍、植保、环境检测等领域发挥了巨大作用。然而，传统旋翼飞行器的姿态控制和位置控制存在耦合：在进行位置移动时，需要先调整姿态进而调整位置；而调整姿态时，位置会因为姿态的变化而发生改变。

姿态和位置的耦合，导致旋翼飞行器末端执行器的工作空间和可操作性受限，在需要与外界进行接触交互时，存在一定的短板。

针对当前普通旋翼飞行器调整姿态时姿态与位置的解耦问题，哈工大高会军教授、李湛副教授带领杨义鹏、李宗霖等研究生设计了一种新型矢量旋翼飞行操作平台，解决了普通飞行器的旋翼旋转轴固定，无法很好地抵抗所搭载的机械臂操作时引入的扰动问题，并基于智能体位姿追踪系统进行了室内飞行实验。

矢量旋翼飞行器机械结构设计

研究团队进行了矢量旋翼飞行器机械结构设计，结构设计包含动力平台和遥操作装置。

遥操作装置：机械臂

动力平台：由六个可双轴倾转的旋翼驱动装置构成；舵机带动无刷电机，无刷电机驱动旋翼转动获得多个矢量升力，使升力方向可以在三维空间变化；多个矢量升力的合力提供控制力和控制力矩

与传统多旋翼无人机不同，平台的每个螺旋桨方向均可独立转动，通过实时调整每个旋翼的拉力大小和方向，使得操作平台能够实现任意姿态悬停与任意方向平移飞行，同时能够对外输出作用力和扭矩，做出倾斜旋转同时倾斜移动的动作。

旋翼转动提供矢量升力，使飞行器保持悬停旋转

室内空中操作演示实验

由于需要单独控制飞行器每个螺旋桨的方向和拉力大小，且平台在空中悬停飞行时没有可支撑的基座，系统模型复杂、内外扰动强烈、控制分配难度高，实现高性能的操作效果具有极高挑战性。

为了验证操作可行性，研究团队进行了矢量旋翼飞行器室内空中操作演示实验。实验设置为机械臂遥操作装置完成安装灯泡任务，任务过程要求矢量旋翼飞行器在保持倾斜悬停姿态的同时完成旋转，并完成灵巧精细的拧灯泡动作。

安装灯泡

实验中，通过在飞行器机身上粘贴FZMotion反光标记点，采集任务过程中飞行器位姿变化结果，通过可视化结果评估飞行器的6自由度轨迹跟踪、抑制干扰、末端执行器悬停置物的能力。

FZMotion软件采集飞行器位姿变化结果

在研制样机过程中，团队突破了矢量旋翼飞行器高精度位姿控制、面向接触式交互的飞行操作平台强抗扰鲁棒控制、基于实景重建与遥操作的人机交互控制等系列关键技术，实现了操作平台的良好控制效果。

这一设计方法大幅扩展了无人机的应用范围，在电网检修、风电叶片探伤修复、桥梁建筑关键结构与压力容器巡检探伤等场景具有广泛的技术转化及产业化前景。

在此基础上，团队未来将围绕该方向开展持续研究，将推动无人机形态与应用从“旁观者（飞行的相机）”向“操作者（飞行的机械臂）”的新变革，助力低空经济新发展。

关于「」

是凌云光设立的全资子公司，主要面向元宇宙虚拟现实、Web3.0时代数字人、沉浸媒体、全息通信、计算光学成像等应用，已形成光场建模、运动捕捉、全景成像、XR 拍摄等在内的产品布局。

FZMotion智能体位姿追踪系统是自主开发的运动捕捉采集与分析系统，可以实时跟踪测量并记录三维空间内点的轨迹、刚体的运动姿态以及人体动作，空间定位精度可以达到亚毫米级。

FZMotion动捕系统在无人机室内定位、仿生机器人运动规划、机械臂示教学习、气浮台位姿验证、水下运动捕捉等领域得到广泛应用，目前已经与清华大学、中国科学技术大学、北京大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学等高校开展合作。致力于为高校提供完备的解决方案，助力科研发展。

参考文献：

Y. Yang, X. Yu, Z. Li and M. V. Basin, "A New Overactuated Multirotor: Prototype Design, Dynamics Modeling, and Control," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 71, no. 8, pp. 9449-9459, Aug. 2024, doi: 10.1109/TIE.2023.3314924.

Z. Li, Y. Yang, X. Yu, C. Liu, O. Kaynak and H. Gao, "Fixed-Time Control of a Novel Thrust-Vectoring Aerial Manipulator via High-Order Fully Actuated System Approach," in IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, doi: 10.1109/TMECH.2024.3400015.