CN105620741A - 一种飞行器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞行器及其控制方法，解决了现有技术中固定翼型飞行器和旋翼型飞行器的缺点。一种飞行器，包括机身、机头、左翼、右翼、控制系统、左舵面、右舵面、左电机、右电机、左垂直尾翼和右垂直尾翼；所述机身两侧分别设有平飞时能借助气流滑翔的左翼和右翼，所述左翼和右翼底部设有可调整活动角度的左舵面和右舵面，所述左翼和右翼底部还分别设有作为起落架的左垂直尾翼和右垂直尾翼；所述左翼和右翼上还分别设有安装有螺旋桨的左电机和右电机；所述控制系统的输出端与左电机、右电机、左舵面和右舵面连接，所述控制系统包括处理器、与处理器连接的陀螺仪和加速度计。通过上述技术方案，便可很好的解决现有技术中的问题。

Description

一种飞行器及其控制方法
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，具体涉及一种飞行器及其控制方法。
背景技术
随着科技的发展，无人飞行器的技术也越来越先进，现在市面上的无人飞行器主要包括两种，即固定翼型飞行器和旋翼型飞行器。由于结构的限制，固定翼型飞行器和旋翼型飞行器各自具备他们的优点和缺点。固定翼型飞行器利用机翼产生升力、需要跑道，不具备垂直起降的能力；旋翼型飞行器具备垂直起降的能力，但是没有长时间续航能力和借助机翼漂浮的能力。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种飞行器及其控制方法，结合了固定翼型飞行器和旋翼型飞行器的优点，具备了长时间续航、借助空气漂浮、垂直起飞、悬停和降落的特点，节约了起降空间，对跑道没有特别的要求。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种飞行器，包括机身、机头、左翼、右翼、控制系统、左舵面、右舵面、左电机、右电机、左垂直尾翼和右垂直尾翼；所述机身两侧分别设有平飞时能借助气流滑翔的左翼和右翼，所述左翼和右翼底部设有可调整活动角度的左舵面和右舵面，所述左翼和右翼底部还分别设有作为起落架的左垂直尾翼和右垂直尾翼；所述左翼和右翼上还分别设有安装有螺旋桨的左电机和右电机；所述控制系统的输出端与左电机、右电机、左舵面和右舵面连接，所述控制系统包括处理器、与处理器连接的陀螺仪和加速度计。
一种飞行器的控制方法，控制系统接收并且执行飞行指令，所述飞行指令包括起飞、平飞、悬停和降落，实现飞行器的起飞过程、平飞过程、悬停过程和降落过程，所述起飞过程、平飞过程、悬停过程和降落过程中控制系统自主调节飞行姿态，使得飞行器能持续处于目标飞行姿态，所述目标飞行姿态包括，在起飞过程中保持垂直上升姿态、在降落过程中保持垂直下降姿态、在悬停过程保持机头向上、机身垂直的悬停姿态、在平飞过程保持机头向前能借助气流滑翔的平飞姿态。
具体地，所述控制系统自主调节飞行姿态包括以下步骤：
（1）加速度计和陀螺仪测量飞行器加速度和角速度数据并发送给处理器，处理器通过对加速度和角速度数据计算得出飞行器实时状态数据；所述飞行器实时状态数据包括飞行器相对于地平面俯仰、横滚和朝向角；
（2）处理器对飞行器实时状态数据和实现目标飞行姿态所需要的数据进行对比，若实时状态数据与实现目标飞行姿态所需要的数据存在偏差，执行步骤（3）；
（3）根据步骤（2），处理器进行处理，对舵面和/或电机发出指令信号，使电机和/或舵面进行调整，使得飞行器在起飞过程、降落过程、平飞过程和悬停过程保持目标飞行姿态。
具体地，在起飞过程中保持垂直上升姿态包括以下步骤：
控制器控制左电机和右电机同时加速，实现飞行器上升；
处理器将飞行器飞行的实时状态数据与目标飞行姿态所需要的数据进行对比后，对舵面和/或电机进行控制调整，以保证飞行器的垂直上升姿态。
具体地，在降落过程保持垂直下降姿态包括以下步骤：
控制器控制左电机和右电机同时减速，实现飞行器下降；
处理器将飞行器飞行的实时状态数据与目标飞行姿态所需要的数据进行对比后，对舵面和/或电机进行控制调整，以保证飞行器垂直下降姿态。
具体地，在悬停过程保持机头向上、机身垂直的悬停姿态包括以下步骤：
控制器控制电机的转速，使电机产生的推力与飞行器重力相同，实现飞行器悬停过程；
处理器将飞行器飞行的实时状态数据与目标飞行姿态所需要的数据进行对比后，对舵面和/或电机进行控制调整，以保证飞行器的悬停姿态。
具体地，飞行器发生左倾/右倾时，处理器处理陀螺仪和加速度计测量出的飞行器的实时状态数据后对电机进行控制调整，控制系统对左电机和右电机输出差速信号，使左电机的转速和右电机的转速不相同，直至飞行器达到目标飞行姿态；
飞行器发生后倾/前倾时，处理器处理陀螺仪和加速度计测量出的飞行器的实时状态数据后对左舵面和右舵面进行控制调整，使两个舵面同时朝同一方向倾斜，直至飞行器达到目标飞行姿态；
当飞行器以机身为转动轴向右/向左滚转时，处理器处理陀螺仪和加速度计测量出的飞行器的实时状态数据后对左舵面和右舵面进行控制调整,控制系统对左舵面和右舵面输出差动信号，使得一个舵面抬高，另一个舵面下压，直至飞行器达到目标飞行姿态。
具体地，在平飞过程保持机头向前、借助气流滑翔的平飞姿态包括以下步骤；
当飞行器发生倾斜时，处理器将飞行器实时状态数据与飞行器保持目标飞行姿态所需要的数据进行对比后，对舵面和/或电机进行控制调整，保持飞行器的水平飞行。
具体地，飞行器向左/右倾斜时，处理器对比飞行器飞行的实时状态数据和飞行器标准数据后对舵面输出信号，使得舵面向同一方向倾斜，利用风给舵面的力来实现飞行器的目标飞行姿态；
飞行器向前/后倾斜时，处理器对比飞行器飞行的实时状态数据和飞行器标准数据后对舵面输出差动信号，使舵面向不同方向倾斜，直至飞行器达到目标飞行姿态；
当以机头为转动点，机尾向左/右移动时，处理器处理陀螺仪和加速度计测量出飞行器飞行的实时状态数据后对电机进行控制调整，控制系统对左电机和右电机输出差速信号，使左电机的转速和右电机的转速不相同，直至飞行器达到目标飞行姿态。
具体地，上述垂直上升姿态/垂直下降姿态/悬停姿态与平飞姿态互相转换，包括以下步骤：
控制系统输出舵面控制信号，控制两个舵面角度下压，实现垂直上升姿态/垂直下降姿态/悬停姿态时的机头低头切换成水平姿态。
控制系统输出舵面控制信号，控制两个舵面角度抬起，实现水平姿态切换为垂直上升姿态/垂直下降姿态/悬停姿态。
具体地，得到上述目标飞行姿态所需要的数据包括以下步骤：
（a1）将飞行器垂直放置和水平放置；
（a2）处理器得到加速度计和陀螺仪发出的数据；
（a3）处理器将得到的数据进行处理后设定为目标飞行姿态所需要的数据。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明所述的飞行器控制方法，使得能够实现无人飞行器的垂直起飞、悬停和降落，即具备了固定翼型飞行器的优点也具备了旋翼型飞行器的优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，附图标记如下：1-机身，2-左翼，3-右翼，4-左舵面，5-右舵面，6-左电机，7-右电机，8-左垂直尾翼，9-右垂直尾翼，10-控制系统，11-机头。
具体实施方式
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种飞行器及其控制方法。
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
如图1所示，一种飞行器，包括机身1、机头11、左翼2、右翼3、控制系统、左舵面4、右舵面5、左电机6、右电机7、左垂直尾翼8和右垂直尾翼9。所述机身两侧分别设有平飞时能借助气流滑翔的左翼和右翼，所述左翼和右翼底部设有可调整活动角度的左舵面和右舵面，所述左翼和右翼底部还分别设有作为起落架的左垂直尾翼和右垂直尾翼；所述左翼和右翼上还分别设有安装有螺旋桨的左电机和右电机。所述控制系统的输出端与左电机、右电机、左舵面和右舵面连接，所述控制系统10包括处理器、与处理器连接的陀螺仪和加速度计。
一种飞行器的控制方法，控制系统接收并且执行飞行指令，所述飞行指令包括起飞、平飞、悬停和降落，实现飞行器的起飞过程、平飞过程、悬停过程和降落过程，其特征在于，所述起飞过程、平飞过程、悬停过程和降落过程中控制系统自主调节飞行姿态，使得飞行器能持续处于目标飞行姿态，所述目标飞行姿态包括，在起飞过程中保持垂直上升姿态、在降落过程中皆保垂直下降姿态、在悬停过程保持机头向上、机身垂直的悬停姿态、在平飞过程保持机头向前能借助气流滑翔的平飞姿态。
具体地，所述控制系统自主调节飞行姿态包括以下步骤：
（1）加速度计和陀螺仪测量飞行器加速度和角速度数据并发送给处理器，处理器通过对加速度和角速度数据计算得出飞行器实时状态数据；所述飞行器实时状态数据包括飞行器相对于地平面俯仰、横滚和朝向角；
（2）处理器对飞行器实时状态数据和实现目标飞行姿态所需要的数据进行对比，若实时状态数据与实现目标飞行姿态所需要的数据存在偏差，执行步骤（3）；
（3）根据步骤（2），处理器进行处理，对舵面和/或电机发出指令信号，使电机和舵面进行调整，使得飞行器在起飞过程、降落过程、平飞过程和悬停过程保持目标飞行姿态。
具体地，在起飞过程中保持垂直上升姿态包括以下步骤：
控制器控制左电机和右电机同时加速，实现飞行器垂直上升；
处理器将飞行器飞行的实时状态数据与目标飞行姿态所需要的数据进行对比后，对舵面和/或电机进行控制调整，实现飞行器的垂直上升姿态。
具体地，在降落过程保持垂直下降姿态包括以下步骤：
控制器控制左电机和右电机同时减速，实现飞行器垂直下降；
处理器将飞行器飞行的实时状态数据与目标飞行姿态所需要的数据进行对比后，对舵面和/或电机进行控制调整，实现飞行器的垂直下降姿态。
具体地，在悬停过程保持机头向上、机身垂直的悬停姿态包括以下步骤：
控制器控制电机的转速，使电机产生的推力与飞行器重力相同，实现飞行器悬停过程；
处理器将飞行器飞行的实时状态数据与目标飞行姿态所需要的数据进行对比后，对舵面和/或电机进行控制调整，实现飞行器的机头向上的垂直姿态。
具体地，在平飞过程保持机头向前能借助气流滑翔的平飞姿态包括以下步骤；
当遇到外力使得飞行器发生倾斜时，处理器将飞行器实时状态数据与飞行器保持目标飞行姿态所需要的数据进行对比后，对舵面和/或电机进行控制动作，保持飞行器的水平飞行。
具体地，上述垂直上升姿态/垂直下降姿态/悬停姿态转换为平飞姿态，包括以下步骤：
控制系统输出舵面控制信号，控制两个舵面角度下压，实现垂直上升姿态/垂直下降姿态/悬停姿态时的机头低头切换成水平姿态。
具体地，上述平飞姿态转换为垂直上升姿态/垂直下降姿态/悬停姿态，包括以下步骤：
控制系统输出舵面控制信号，控制两个舵面角度抬起，实现水平姿态切换为垂直上升姿态/垂直下降姿态/悬停姿态。
具体地，得到上述目标飞行姿态所需要的数据包括以下步骤：
（a1）将飞行器垂直放置和水平放置；
（a2）处理器得到加速度计和陀螺仪发出的数据；
（a3）处理器将得到的数据进行处理后设定为目标飞行姿态所需要的数据。
在起飞过程、悬停过程和降落过程，飞行器遇到外力发生左倾/右倾时，处理器处理陀螺仪和加速度计测量出飞行器飞行的实时状态数据后对电机进行控制调整，控制系统对左电机和右电机输出差速信号，使左电机的转速和右电机的转速不相同，直至飞行器达到垂直上升姿态/垂直下降姿态/悬停姿态；
在起飞过程、悬停过程和降落过程，飞行器遇到外力发生后倾/前倾时，处理器处理陀螺仪和加速度计测量出飞行器飞行的实时状态数据后对左舵面和右舵面进行控制调整，使两个舵面同时朝同一方向倾斜，直至飞行器达到垂直上升姿态/垂直下降姿态/悬停姿态；
在起飞过程、悬停过程和降落过程，当飞行器以机身为转动轴向右/向左滚转时，处理器处理陀螺仪和加速度计测量出飞行器飞行的实时状态数据后对左舵面和右舵面进行控制调整，控制系统对左舵面和右舵面输出差动信号，使得一个舵面抬高，另一个舵面下压，直至飞行器达到垂直上升姿态/垂直下降姿态/悬停姿态。
在平飞过程，当遇到外力使得飞行器向左/右倾斜时，处理器对比飞行器飞行的实时状态数据和飞行器标准数据后对舵面输出信号，使得舵面向同一方向倾斜，利用风给舵面的力来实现飞行器的水平姿态；
在平飞过程，当遇到外力使得飞行器向前/后倾斜时，处理器对比飞行器飞行的实时状态数据和飞行器标准数据后对舵面输出差动信号，使舵面向不同方向倾斜，实现飞行器水平姿态；当遇到外力使得以机头为转动点，机尾向左/右移动时，处理器处理陀螺仪和加速度计测量出飞行器飞行的实时状态数据后对电机进行控制调整，控制系统对左电机和右电机输出差速信号，使左电机的转速和右电机的转速不相同，直至实现水平姿态。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种飞行器，其特征在于，包括机身（1）、机头（11）、左翼（2）、右翼（3）、控制系统（10）、左舵面（4）、右舵面（5）、左电机（6）、右电机（7）、左垂直尾翼（8）和右垂直尾翼（9）；所述机身（1）两侧分别设有平飞时能借助气流滑翔的左翼（2）和右翼（3），所述左翼（2）和右翼（3）底部设有可调整活动角度的左舵面（4）和右舵面（5），所述左翼（2）和右翼（3）底部还分别设有作为起落架的左垂直尾翼和右垂直尾翼；所述左翼（2）和右翼（3）上还分别设有安装有螺旋桨的左电机（6）和右电机（7）；所述控制系统（10）的输出端与左电机（6）、右电机（7）、左舵面（4）和右舵面（5）连接，所述控制系统（10）包括处理器、与处理器连接的陀螺仪和加速度计。
2.一种飞行器的控制方法，控制系统接收并且执行飞行指令，所述飞行指令包括起飞、平飞、悬停和降落，实现飞行器的起飞过程、平飞过程、悬停过程和降落过程，其特征在于，所述起飞过程、平飞过程、悬停过程和降落过程中控制系统自主调节飞行姿态，使得飞行器能持续处于目标飞行姿态，所述目标飞行姿态包括，在起飞过程中保持垂直上升姿态、在降落过程中保持垂直下降姿态、在悬停过程保持机头向上、机身垂直的悬停姿态、在平飞过程保持机头向前能借助气流滑翔的平飞姿态。
3.根据权利要求2所述的一种飞行器的控制方法，其特征在于，所述控制系统自主调节飞行姿态包括以下步骤：
（1）加速度计和陀螺仪测量飞行器加速度和角速度数据并发送给处理器，处理器通过对加速度和角速度数据计算得出飞行器实时状态数据；所述飞行器实时状态数据包括飞行器相对于地平面俯仰、横滚和朝向角；
（2）处理器对飞行器实时状态数据和实现目标飞行姿态所需要的数据进行对比，若实时状态数据与实现目标飞行姿态所需要的数据存在偏差，执行步骤（3）；
（3）根据步骤（2），处理器进行处理，对舵面和/或电机发出指令信号，使电机和/或舵面进行调整，使得飞行器在起飞过程、降落过程、平飞过程和悬停过程保持目标飞行姿态。
4.根据权利要求3所述的一种飞行器的控制方法，其特征在于，在起飞过程中保持垂直上升姿态包括以下步骤：
控制器控制左电机和右电机同时加速，实现飞行器上升；
处理器将飞行器飞行的实时状态数据与目标飞行姿态所需要的数据进行对比后，对舵面和/或电机进行控制调整，以保证飞行器的垂直上升姿态。
5.根据权利要求3所述的一种飞行器的控制方法，其特征在于，在降落过程保持垂直下降姿态包括以下步骤：
控制器控制左电机和右电机同时减速，实现飞行器下降；
处理器将飞行器飞行的实时状态数据与目标飞行姿态所需要的数据进行对比后，对舵面和/或电机进行控制调整，以保证飞行器垂直下降姿态。
6.根据权利要求3所述的一种飞行器的控制方法，其特征在于，在悬停过程保持机头向上、机身垂直的悬停姿态包括以下步骤：
控制器控制电机的转速，使电机产生的推力与飞行器重力相同，实现飞行器悬停过程；
处理器将飞行器飞行的实时状态数据与目标飞行姿态所需要的数据进行对比后，对舵面和/或电机进行控制调整，以保证飞行器的悬停姿态。
7.根据权利要求4~6任一项所述的一种飞行器的控制方法，其特征在于，飞行器发生左倾/右倾时，处理器处理陀螺仪和加速度计测量出的飞行器的实时状态数据后对电机进行控制调整，控制系统对左电机和右电机输出差速信号，使左电机的转速和右电机的转速不相同，直至飞行器达到目标飞行姿态；
飞行器发生后倾/前倾时，处理器处理陀螺仪和加速度计测量出的飞行器的实时状态数据后对左舵面和右舵面进行控制调整，使两个舵面同时朝同一方向倾斜，直至飞行器达到目标飞行姿态；
当飞行器以机身为转动轴向右/向左滚转时，处理器处理陀螺仪和加速度计测量出的飞行器的实时状态数据后对左舵面和右舵面进行控制调整,控制系统对左舵面和右舵面输出差动信号，使得一个舵面抬高，另一个舵面下压，直至飞行器达到目标飞行姿态。
8.根据权利要求3所述的一种飞行器的控制方法，其特征在于，在平飞过程保持机头向前、借助气流滑翔的平飞姿态包括以下步骤；
当飞行器发生倾斜时，处理器将飞行器实时状态数据与飞行器保持目标飞行姿态所需要的数据进行对比后，对舵面和/或电机进行控制调整，保持飞行器的水平飞行。
9.根据权利要求8所述的一种飞行器的控制方法，其特征在于，飞行器向左/右倾斜时，处理器对比飞行器飞行的实时状态数据和飞行器标准数据后对舵面输出信号，使得舵面向同一方向倾斜，利用风给舵面的力来实现飞行器的目标飞行姿态；
飞行器向前/后倾斜时，处理器对比飞行器飞行的实时状态数据和飞行器标准数据后对舵面输出差动信号，使舵面向不同方向倾斜，直至飞行器达到目标飞行姿态；
当以机头为转动点，机尾向左/右移动时，处理器处理陀螺仪和加速度计测量出飞行器飞行的实时状态数据后对电机进行控制调整，控制系统对左电机和右电机输出差速信号，使左电机的转速和右电机的转速不相同，直至飞行器达到目标飞行姿态。
10.根据权利要求2所述的一种飞行器的控制方法，其特征在于，上述垂直上升姿态/垂直下降姿态/悬停姿态与平飞姿态互相转换，包括以下步骤：
控制系统输出舵面控制信号，控制两个舵面角度下压，实现垂直上升姿态/垂直下降姿态/悬停姿态时的机头低头切换成水平姿态；
控制系统输出舵面控制信号，控制两个舵面角度抬起，实现水平姿态切换为垂直上升姿态/垂直下降姿态/悬停姿态。
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