CN105035299A - 一种巡航与悬浮飞行器及其飞行控制方法 - Google Patents
一种巡航与悬浮飞行器及其飞行控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种巡航与悬浮飞行器及其飞行控制方法，飞行器包括飞行器艇身以及分别固定在飞行器艇身顶部与底部的支撑臂和起落架；飞行器艇身包括骨架支撑以及固定在骨架支撑上的太阳能电池和气囊，气囊连接充放气设备；支撑臂具有两个，且分别沿飞行方向设置在飞行器艇身的前后两部分，每个支撑臂的两端设置有由电机带动的螺旋桨；起落架上安装有三轴云台，用于储存电量的锂电池以及飞行控制器，三轴云台具有与摄像机连接的舵机，锂电池与太阳能电池相连，飞行控制器连接电机以及充放气设备。飞行控制方法通过计算实时航点与所要到达航点的经纬度及高度差距，得到飞行器的修正信息。本发明的滞空性能优异，飞行姿态调整控制灵活，并且节能环保，航时较长。
Description
技术领域
本发明属于无人机设计制造领域，具体涉及一种巡航与悬浮飞行器及其飞行控制方法。
背景技术
四旋翼是一种具有十字交叉结构四个螺旋桨的飞行器，该飞行器还带有飞行控制器以及通信导航等设备。四旋翼是利用螺旋桨产生的升力来实现升空的，通过改变螺旋桨速度实现四旋翼飞行方向和姿态的调整。因为具有尺寸小，飞行稳定，并可外挂摄像机和探测设备等特点，四旋翼广泛运用于军事，农业，商业，航拍，测绘，交通安全等各个领域，但是四旋翼飞行器载重能力有限，电池容量不足，导致其滞空时间短，巡航范围小。
飞艇是一种利用浮力原理升空，具有推进和控制飞行状态装置的浮空飞行器。小型飞艇的一般长度为6～12m，宽度为3～6米，为了减小空气阻力，一般采用流线型外形设计。飞艇通常是使用织物与薄膜夹层材料制作而成的，两个气囊分别填充氦气和空气。小型飞艇因其体积小，自重轻，悬浮时间长，并且可挂载摄像机等设备，广泛运用于广告、婚庆、宣传和各类活动当中。但是小型飞艇一般是通过设置在吊舱的电机和螺旋桨产生推力，并通过安装于尾部的方向舵和水平舵控制小型飞艇的升降和飞行方向，这使得小型飞艇在控制飞行姿态上调整缓慢，难以实现精确有效地控制。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的缺陷，提供一种滞空性能优异，飞行姿态调整控制灵活的巡航与悬浮飞行器及其飞行控制方法。
为了实现上述目的，本发明的巡航与悬浮飞行器采用的技术方案为：包括飞行器艇身以及分别固定在飞行器艇身顶部与底部的支撑臂和起落架；所述的飞行器艇身包括骨架支撑以及固定在骨架支撑上的太阳能电池和气囊，太阳能电池固定在骨架支撑顶部，气囊连接用于对填充气体进行调节的充放气设备；所述的支撑臂具有两个，且分别沿飞行方向设置在飞行器艇身的前后两部分，每个支撑臂的两端设置有由电机带动的螺旋桨；所述的起落上安装有三轴云台，用于储存电量的锂电池以及飞行控制器，三轴云台具有与摄像机连接的舵机，锂电池与太阳能电池相连，飞行控制器连接电机以及充放气设备。
所述的支撑臂内部固定有电子调速器，飞行控制器经过电子调速器与电机连接。
所述的飞行器艇身骨架支撑上固定有副气囊，副气囊中填充空气，气囊中填充轻于空气的气体。
所述的副气囊所占体积为气囊的25％，副气囊连接充放气设备。
所述的气囊中所填充的轻于空气的气体采用氦气或者氢气。
所述的飞行器艇身为流线型，骨架支撑采用碳纤维材料制成。
所述的两个支撑臂沿飞行方向对称设置在飞行器艇身的前后两部分，且每个支撑臂的两端关于飞行器艇身对称设置有由电机带动的螺旋桨，电机安装在电机支撑座上。
所述的每个支撑臂两端的电机为功率大小相等，电流值相同，旋转方向相反的无刷电机。
所述的飞行控制器内部包括增稳控制器、信号接收器、信号发射器、GPS导航设备、气压计、图像传输设备以及OSD飞行参数显示设备。
本发明巡航与悬浮飞行器的飞行控制方法采用的技术方案为：
S1、在升降状态中，设定飞行控制器的给定油门值ɑ控制充放气设备的充放气量以及四个电机的转速v；在飞行状态中，设定飞行控制器的给定方向值β分别控制四个电机的转速va，vb，vc，vd：前进时，va＝vc>vb＝vd；后退时，va＝vc<vb＝vd；在左偏航时，va＝vd>vc＝vb；在右偏航时，vc＝vb>va＝vd；设定给定偏航角θ调节四个电机的偏航转速大小：正的θ对应四个电机的转速va＝vb>vc＝vd；负的θ对应四个电机的转速va＝vb<vc＝vd；
S2、飞行控制器检测飞行器的平衡状态，并通过控制四个电机的转速维持飞行器平衡；巡航模式下飞行器按照预定航线飞行；悬浮模式下飞行器在空中悬浮；
S3、飞行控制器预存航点的经纬度坐标及高度信息，飞行器在巡航及悬浮过程中通过飞行控制器实时采集经纬度及高度，飞行控制器计算实时航点与所要到达航点的经纬度及高度差距，由此分别得到飞行器前进后退，偏航，高度的修正信息，通过控制电机以及充放气设备使飞行器按照既定航线行驶或保持在悬停航点。
与现有技术相比，本发明的巡航与悬浮飞行器结合了四旋翼飞行原理，通过气囊以及充放气设备实现飞行器的升降高度控制，通过设置在飞行器艇身前后支撑臂两端的四个螺旋桨实现飞行器的前进后退以及偏航角度的控制，与以往飞艇相比，本发明飞行器不需要通过尾舵和水平控制舵改变飞行方向，使飞行器进行俯仰和旋转，维持飞行的平衡稳定，提高了飞行器的可操纵性，稳定性以及灵活性。本发明飞行器利用太阳能电池采集电量，将产生的电量储存于与其相连的锂电池中，使飞行器在空中待命悬浮状态和飞行任务中获得电量补充，从而增加了飞行器滞空巡航时间，扩大了飞行半径。本发明飞行器的结构简单，安全稳定性高，为长航时测绘、监测、侦查、航拍、悬浮及与人协同完成各种任务提供了可能，具有安全可靠，节能环保，无污染，低噪声等特点，在航空领域的各类任务和需求中能够广泛应用。
进一步的，本发明飞行器艇身骨架支撑上固定有副气囊，副气囊中填充空气，气囊中填充轻于空气的气体，通过释放副气囊中的空气使气囊膨胀，从而为飞行器提供大部分的升力，这是与多旋翼飞行器的主要区别，即不依靠多旋翼螺旋桨提供的升力进行升降和空中悬浮，这使得本发明的飞行器在起飞，空中悬浮以及保持飞行高度上节省了巨大的电量，从而极大地提高了飞行器的滞空能力和长时空中悬浮能力，同时提高了安全性。
进一步的，本发明飞行器艇身为流线型，骨架支撑采用碳纤维材料制成，以此保证飞行器的整体外形不受气囊体积改变和大气压力而发生变化。
进一步的，本发明两个支撑臂沿飞行方向对称设置在飞行器艇身的前后两部分，且每个支撑臂的两端关于飞行器艇身对称设置有螺旋桨，每个支撑臂两端的电机为功率大小相等，电流值相同，旋转方向相反的无刷电机，这是为了在提供升力的同时，抵消力矩，让飞行器保持自身平衡稳定，防止发生旋转。
进一步的，本发明的飞行控制器包括增稳控制器、信号接收器、信号发射器、GPS导航设备、气压计、图像传输设备以及OSD飞行参数显示设备。其中，增稳控制器包括微控制器，其内置陀螺仪用来检测飞行器的平衡状态，并将信号传送至微控制器，通过微控制器产生控制信号，四个电子调速器在接收到各自的控制信号后控制四个电机的转速，维持整个飞行器的平衡，副气囊在接收到控制信号后通过对空气的充入和排放实现飞行器的升降以及悬浮，同时控制飞行器进行前进、后退、左右偏航或旋转。信号接收器用来接收地面人员的控制信号，通过将该信号传输到微控制器中来实现对飞行器的控制。
与现有技术相比，本发明巡航与悬浮飞行器的飞行控制方法通过飞行控制器实时采集经纬度及高度，并计算实时航点与所要到达航点的经纬度及高度差距，由此分别得到飞行器前进后退，偏航，高度的修正信息，通过控制电机以及充放气设备使飞行器按照既定航线行驶或保持在悬停航点，本发明的飞行控制方法简单，无需操控尾舵和水平控制舵，修正过程实时准确，提高了飞行器的工作可靠性，能够在航空领域的各类任务和需求中广泛应用。
附图说明
图1本发明飞行器的整体结构示意图；
图2本发明飞行器结构的主视图；
图3本发明飞行器结构的俯视图；
图4本发明飞行器结构的侧视图；
图5本发明飞行控制方法的流程图；
附图中：1-飞行器艇身；2-支撑臂；3-电子调速器；4-电机支撑座；5-电机；6-螺旋桨；7-太阳能电池；8-气囊；9-副气囊；10-起落架；11-飞行控制器；12-锂电池；13-三轴云台；14-摄像机；15-飞行控制器支撑板；16-锂电池和三轴云台支撑板；17-充放气设备；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1-4，本发明的飞行器包括飞行器艇身1、四旋翼组件、太阳能电池7、起落架10和三轴云台13。飞行器艇身1的上半部分有骨架支撑，四旋翼组件对称布置于飞行器艇身1的顶部，每个旋翼组件包括支撑臂2，电子调速器3，电机支撑座4，无刷电机5以及螺旋桨6，旋翼支撑臂2的内端固连在飞行器艇身1的骨架上，电机支撑座4固定在旋翼支撑臂2的外端，无刷电机5固定于电机支撑座4，螺旋桨6固定在无刷电机5的转轴上并由无刷电机5驱动；无刷电子调速器3布置在旋翼支撑臂2内部，两端连接飞行控制器11和无刷电机5，用于控制无刷电机5转速；太阳能采集和储存系统为太阳能电池7和锂电池12，其中太阳能电池7固连在飞行器艇身1的顶部；起落架10固定于飞行器艇身底部，三轴云台13和锂电池12固定在起落架10的锂电池和三轴云台支撑板16上，起落架10上布置有飞行控制器11，飞行控制器11固定在起落架10的飞行控制器支撑板15上。
飞行器艇身1内有气囊8，副气囊9和充放气设备17，气囊8填充氦气，氢气或其它轻于空气的气体，副气囊9填充空气，副气囊9所占体积为气囊8的25％，充放气设备17与飞行控制器11相连，并对副气囊9进行充放气。飞行器艇身1采用流线型，飞行器艇身1的内部骨架采用碳纤维材料制成。四旋翼组件布置于飞行器艇身1顶部，飞行器艇身1没有尾舵和水平控制舵，四旋翼组件相对于飞行器艇身1横向前后对称，纵向左右对称分布。四个旋翼组件对称分布于飞行器艇身1两侧，并且两侧采用功率大小相等，电流值相同，旋转方向相反的无刷电机。无刷电子调速器3采用工作电流满足无刷电机5所需额定电流，持续输出电流值相同的四个无刷电子调速器。太阳能采集和储存系统为太阳能电池7和锂电池12，其中太阳能电池7相对于飞行器艇身1横向前后对称，纵向左右对称分布，太阳能电池7产生的电量将储存于固定在起落架10上的锂电池12。起落架设有固定飞行控制器11的飞行控制器支撑板15，固定锂电池12和三轴云台13的锂电池和三轴云台支撑板16。三轴云台13包括3个相同的舵机，其控制外挂摄像机14等设备分别实现横向旋转、纵向俯仰和水平翻转三个自由度。飞行控制器11包含有增稳控制器、信号接收器、信号发射器、GPS导航设备、气压计、图像传输设备和OSD飞行参数显示设备。
本发明飞行器的全部电子设备使用供电电压为22.2V的6S锂电池12。
参见图5，本发明巡航与悬浮飞行器的飞行控制方法包括以下步骤：
S1、在升降状态中，设定飞行控制器11的给定油门值ɑ控制充放气设备17的充放气量以及四个电机5的转速v；
在飞行状态中，设定飞行控制器11的给定方向值β分别控制四个电机5的转速va，vb，vc，vd：前进时，va＝vc>vb＝vd；后退时，va＝vc<vb＝vd；在左偏航时，va＝vd>vc＝vb；在右偏航时，vc＝vb>va＝vd；设定给定偏航角θ调节四个电机5的偏航转速大小：正的θ对应四个电机5的转速va＝vb>vc＝vd；负的θ对应四个电机5的转速va＝vb<vc＝vd；
S2、飞行控制器11检测飞行器的平衡状态，并通过控制四个电机5的转速维持飞行器平衡；巡航模式下飞行器按照预定航线飞行；悬浮模式下飞行器在空中悬浮；
S3、飞行控制器11预存航点的经纬度坐标及高度信息，飞行器在巡航及悬浮过程中通过飞行控制器11实时采集经纬度及高度，飞行控制器11计算实时航点与所要到达航点的经纬度及高度差距，由此分别得到飞行器前进后退，偏航，高度的修正信息，通过控制电机5以及充放气设备17使飞行器按照既定航线行驶或保持在悬停航点。
本发明飞行器的飞行模式分为巡航模式和悬浮模式。当飞行器按照预定航线飞行时，称为巡航模式。当飞行器在空中悬浮时，称为悬浮模式。在巡航模式中，飞行控制器储存有航点信息，包括航点M(XM，YM，ZM)，N(XN，YN，ZN)等一系列航点，其中X，Y分别代表GPS定位中的经纬度坐标，Z代表航点高度。在从航点A到B的过程中，由飞行控制器中的GPS导航设备和气压计定位飞行器的GPS实时坐标T(XT，YT，ZT)，由飞行控制器计算实时航点T与所要到达航点N的经纬度、高度差距，由此分别得到飞行器前进后退x，偏航y，高度z的修正信息x’，y’，z’，根据修正信息控制飞行器的飞行状态，使其在最短距离下向航点N靠拢。同样在悬浮模式中，飞行控制器储存有悬浮航点信息N(XN，YN，ZN)，由飞行控制器计算实时航点T与悬浮航点经纬度、高度差距，由此分别得到飞行器前进后退x，偏航y，高度z的修正信息x’，y’，z’，根据修正信息控制飞行器的飞行状态，使其停留在N。
Claims (10)
1.一种巡航与悬浮飞行器，其特征在于：包括飞行器艇身(1)以及分别固定在飞行器艇身(1)顶部与底部的支撑臂(2)和起落架(10)；所述的飞行器艇身(1)包括骨架支撑以及固定在骨架支撑上的太阳能电池(7)和气囊(8)，太阳能电池(7)固定在骨架支撑顶部，气囊(8)连接用于对填充气体进行调节的充放气设备(17)；所述的支撑臂(2)具有两个，且分别沿飞行方向设置在飞行器艇身(1)的前后两部分，每个支撑臂(2)的两端设置有由电机(5)带动的螺旋桨(6)；所述的起落架(10)上安装有三轴云台(13)，用于储存电量的锂电池(12)以及飞行控制器(11)，三轴云台(13)具有与摄像机(14)连接的舵机，锂电池(12)与太阳能电池(7)相连，飞行控制器(11)连接电机(5)以及充放气设备(17)。
2.根据权利要求1所述的巡航与悬浮飞行器，其特征在于：所述的支撑臂(2)内部固定有电子调速器(3)，飞行控制器(11)经过电子调速器(3)与电机(5)连接。
3.根据权利要求1所述的巡航与悬浮飞行器，其特征在于：所述的飞行器艇身(1)骨架支撑上固定有副气囊(9)，副气囊(9)中填充空气，气囊(8)中填充轻于空气的气体。
4.根据权利要求3所述的巡航与悬浮飞行器，其特征在于：所述的副气囊(9)所占体积为气囊(8)的25％，副气囊(9)连接充放气设备(17)。
5.根据权利要求3所述的巡航与悬浮飞行器，其特征在于：所述的气囊(8)中所填充的轻于空气的气体采用氦气或者氢气。
6.根据权利要求1所述的巡航与悬浮飞行器，其特征在于：所述的飞行器艇身(1)为流线型，骨架支撑采用碳纤维材料制成。
7.根据权利要求1所述的巡航与悬浮飞行器，其特征在于：所述的两个支撑臂(2)沿飞行方向对称设置在飞行器艇身(1)的前后两部分，且每个支撑臂(2)的两端关于飞行器艇身(1)对称设置有由电机(5)带动的螺旋桨(6)，电机(5)安装在电机支撑座(4)上。
8.根据权利要求1或7所述的巡航与悬浮飞行器，其特征在于：所述的每个支撑臂(2)两端的电机(5)为功率大小相等，电流值相同，旋转方向相反的无刷电机。
9.根据权利要求1所述的巡航与悬浮飞行器，其特征在于：所述的飞行控制器(11)内部包括增稳控制器、信号接收器、信号发射器、GPS导航设备、气压计、图像传输设备以及OSD飞行参数显示设备。
10.一种根据权利要求1所述巡航与悬浮飞行器的飞行控制方法，其特征在于：
S1、在升降状态中，设定飞行控制器(11)的给定油门值ɑ控制充放气设备(17)的充放气量以及四个电机(5)的转速v；在飞行状态中，设定飞行控制器(11)的给定方向值β分别控制四个电机(5)的转速va，vb，vc，vd：前进时，va＝vc>vb＝vd；后退时，va＝vc<vb＝vd；在左偏航时，va＝vd>vc＝vb；在右偏航时，vc＝vb>va＝vd；设定给定偏航角θ调节四个电机(5)的偏航转速大小：正的θ对应四个电机(5)的转速va＝vb>vc＝vd；负的θ对应四个电机(5)的转速va＝vb<vc＝vd；
S2、飞行控制器(11)检测飞行器的平衡状态，并通过控制四个电机(5)的转速维持飞行器平衡；巡航模式下飞行器按照预定航线飞行；悬浮模式下飞行器在空中悬浮；
S3、飞行控制器(11)预存航点的经纬度坐标及高度信息，飞行器在巡航及悬浮过程中通过飞行控制器(11)实时采集经纬度及高度，飞行控制器(11)计算实时航点与所要到达航点的经纬度及高度差距，由此分别得到飞行器前进后退，偏航，高度的修正信息，通过控制电机(5)以及充放气设备(17)使飞行器按照既定航线行驶或保持在悬停航点。
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