CN106945822B - 一种控制飞行器的俯仰的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及控制器的控制领域。本发明提出一种控制飞行器的俯仰的方法，包括：S1，在飞行器机身腹部内置了朝向为机身方向的涵道风扇；S2，将涵道风扇的转速加入混控用于控制飞行器的俯仰。本发明还对应提供了一种控制飞行器的俯仰的装置。本发明能够改善飞行器的稳定性。

Description

一种控制飞行器的俯仰的方法和装置
技术领域
本发明涉及飞行器领域。更具体地，涉及一种控制飞行器的俯仰的方法和装置。
背景技术
目前的竞速无人机，又称穿越机(Racing drone)，是四轴飞行器的一种消费级分支，其比赛内容是在空中赛道中竞速，一般来说这类飞行器有着重量轻操纵灵活及耐摔的特点。可变倾转竞速无人机(Tilt racing drone)是上述飞行器的增强版，该飞行器可以在不改变飞机姿态的情况下通过旋转机臂将螺旋桨面向前倾斜，从而达到在短时间获得较大前进加速度的效果。
目前的竞速无人机中，大部分采取四轴的方案依靠螺旋桨差速转向，在高速飞行时转向不直接，电量会大量浪费在减速和弯道上，而且由于四轴飞行器加速靠倾斜姿态，也会导致一部分视觉死角使得操作者体验不佳。可变倾转竞速无人机(Tilt racing drone)的出现一定程度上改善了加速的性能，但由于依靠差速改变偏航的特性，该款无人机对于弯道还不如较为轻型的普通穿越机，质量轻惯量小，依靠操作者过硬的反应速度不停调整其姿态来控制飞行器，一定程度上来说增高了操作的难度。
同样的，四轴的方案无法缩小飞行器的体积，Bi-copter的双轴方案可以缩小飞行器的体积，但又无法很好控制飞行器的俯仰，V22Bi-copter的出现使得飞行器在固定翼飞行模式下达到稳定姿态，但也无法弥补在垂直起落低速飞行时的俯仰无法控制这一缺点。
发明内容
根据现有技术中的问题，本发明提出一种控制飞行器的俯仰的方法，包括：一种控制飞行器的俯仰的方法，其特征在于，包括：S1，在飞行器机身腹部内置了朝向为机身方向的涵道风扇；S2，将涵道风扇的转速加入混控用于控制飞行器的俯仰。
本发明还对应提出了一种控制飞行器的俯仰的装置，包括：涵道风扇，所述涵道风扇设置在在飞行器机身腹部，朝向为机身方向；陀螺仪，所述陀螺仪监控飞行器的飞行姿态，所述陀螺仪根据飞行器的姿态变化来控制所述涵道风扇的转速以控制飞行器的俯仰。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种新的控制飞行器俯仰的方法，能够改善飞行器的稳定性。
附图说明
图1为本发明的方法所应用的飞行器的一个示例的侧视图；
图2为图1所示的飞行器的俯视图；
图3为本发明的方法的一个实施方式的流程图；
图4为本发明的方法的另一个实施方式的流程图；
图5为本发明的装置的原理图。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的实施方式，其中相同的部件用相同的附图标记表示。
第一实施方式
如图3所示，本发明的方法包括：
S1-1，在飞行器机身腹部内置了朝向为机身方向的涵道风扇3。
参考图1-2，涵道风扇3将气流向机身后吹，气流方向如箭头A所示。同时，涵道风扇3还弥补了双轴飞行器在俯仰(Pitch)轴上的不稳定性。
当涵道风扇3位置如果远离重心且推力很大的时候，会使得机身产生向前翻滚的趋势，形成弧形箭头C所示的扭矩M。如何利用现有飞控混合控制尾翼动态抵消这个扭矩M，是难点。
因此，涵道风扇3位置尽量靠近飞行器的重心处。图1中虚线圈所标位置为飞行器的重心CG。
可选地，可将涵道风扇逆时针旋转一定角度。推力方向垂直于推力中心与飞行器重心的连接线，占用一个混控通道用于混控飞行器的俯仰。
S1-2，将涵道风扇3的转速加入混控用于混控俯仰。
涵道风扇3替代了水平尾翼控制俯仰的作用(飞控里可以定义控制对象是舵机还是电机，都是用PWM控制)，但是当飞行器在高速飞行的状态下，涵道风扇能提供的俯仰调节能力越来越小，而固定翼型类似于水平尾翼的调节能力越来越强。所以就Bi-copter这一类两轴飞行器来说，高速飞行的情况可以采用有尾翼设计，而只需低速飞行的场合，只需一个受飞控混控调节的风扇，用于调解飞行器俯仰姿态。
集成在飞控中的陀螺仪可以检测到机身姿态的变化。当陀螺仪检测到姿态有变化，飞控则会输出补偿信号来使控制系统恢复至原先稳定的状态。例如：飞行器左端下沉，则增大左端的电机转速，用于保持整个系统稳定。
在一个场景下，当飞行器处在悬停状态时，机头向上扬起，说明需要增加向前倾的力矩，那么系统要增大涵道风扇转速；如果机头下沉，说明需要减小向前倾的力矩，并增大后仰的力矩，要减小涵道风扇转速，从而通过涵道风扇的转速来控制飞行器的俯仰。同样的，用来控制两轴机臂的舵机也将调整机臂角度，从而提高飞行器的抬头力矩。
第二实施方式
在第一实施方式的基础上，提出了第二实施方式。
如图4所示，本发明的方法包括：
S2-1，在飞行器机身腹部内置了朝向为机身方向的涵道风扇3。
S2-2，在飞行器的尾部设置为水平尾翼22，将涵道风扇3向后吹的气流转换为一变量F。
飞行器飞行过程中，受舵机的控制，水平尾翼22可以在图1所示的纸面平面上旋转，将涵道风扇3向后吹的气流(图1中箭头B所示方向)转换为一变量F，如图1。同时，如图2所示，水平尾翼22后的附近区域(箭头G所示)为高压区。
S2-3，将涵道风扇3的转速，以及水平尾翼22的角度加入混控，根据飞控信号变动产生的力矩以修正水平尾翼22的角度。
这是一个动态变化，拿四轴飞行器作为例子，当飞行器的陀螺仪检测到机身非操作导致的俯仰变化，沉下去那一侧的电机会做相应升力补偿，来抵抗这个俯仰变化，达到机身的平衡。
同样的，当陀螺仪检测到该飞行器俯仰姿态有变化，舵机就会转动到按照预先定义在飞控的角度作为动态补偿，舵机转动的角度和水平尾翼22的角度是一样的，所以飞行器可以根据飞控信号变动产生的力矩以修正水平尾翼22的角度。
以KK-VTOL(vertical take-off and landing垂直起降)飞控可以自定义8个混合控制通道，可以是接电子调速器，也可以是航模舵机。涵道风扇3的横向推力不进入混合控制通道，是为了保证向前加速的实时性。而涵道风扇3向后吹出的气流越大，传递至水平尾翼22(舵面)的可控压力F也越大。那么就构成了线性的关系，理解为扭矩M＝F*L，其中L为水平尾翼22转轴到重心(CG)的距离。
在一个场景下，当飞行器处在悬停状态时，机头向上扬起，说明需要增加向前倾的力矩，那么系统要增大涵道风扇转速，扭矩M增大，并增大后仰的力矩，控制涵道电机的转速会降低，从而通过涵道风扇的转速来控制飞行器的俯仰。同样的，负责控制两轴机臂的舵机也将调整机臂角度，从而提高飞行器的抬头力矩。
另外，优选地，还要考虑机身重量分布及舵面大小和涵道风扇的选型。
机身重量，机身质量分布尽量集中，尾翼部分都以铝管，碳纤维棒，ABS塑料组成，这样较轻的质量分布有利于尾翼的控制。
舵面大小，尾翼部分相对独立，可以根据实验结果调整尾管长度及舵面大小，总的来说就是在不使尾翼过重的情况下，要满足M＝F*L这个公式，因为这个公式没有考虑重心的改变。
涵道风扇，实验采用的参数为：4S 50mm 4200KV最大拉力550g自重85g
竞速用的无人机在电池允许的条件下可以采用高功率的方案，以达到强大的加速能力；而室内用安全无人机则可采用迷你涵道风扇，只需满足俯仰控制就行。
第三实施方式
优选地，在第二实施方式的基础上，在飞行器尾部设置垂直尾翼21，垂直尾翼21位于水平尾翼22的前方，垂直尾翼21在前方可以将气流整流，使得水平尾翼22更好的在气动中心产生力矩。
双垂直尾翼21同样受飞控混合控制，双垂直尾翼21与双机臂3(见图2)共同控制飞行器偏航(Yaw)。当飞行器进入高速向前飞行状态时(FFF)，双机臂3的偏航权重变小，双垂直尾翼21偏航权重变大。以上的设计可以让飞行器在高速飞行过程中可以实现类似于汽车的甩尾，涵道风扇的油门由于不受飞控控制，完全手动，可以理解为汽车的油门。
垂直尾翼21在后缘出垂直升起一定百分比弦长的挡板23，类似F1赛车的尾翼，目的是在翼面积被限制的条件下，最大程度的保证流体气泡不分离，最终使得尾翼可以更好地控制气流。
第四实施方式
本发明还对应提出了一种控制装置。
如图5所示，所述控制装置包括：
涵道风扇，所述涵道风扇设置在在飞行器机身腹部，朝向为机身方向。涵道风扇的位置、工作原理见第一至第三实施方式，在此不再详述。
陀螺仪，所述陀螺仪监控飞行器的飞行姿态。当陀螺仪检测到姿态有变化，飞控则会输出补偿信号来使控制系统恢复至原先稳定的状态。例如：飞行器左端下沉，则增大左端的电机转速，用于保持整个系统稳定。在一个场景下，当飞行器处在悬停状态时，机头向上扬起，说明需要增加向前倾的力矩，那么系统要增大涵道风扇转速，从而通过涵道风扇的转速来控制飞行器的俯仰。
在一个优先方案中，所述控制装置包括：水平尾翼22，水平尾翼22设置在飞行器的尾部，水平尾翼22将涵道风扇3向后吹的气流转换为一变量F。
在一个场景下，当飞行器处在悬停状态时，机头向上扬起，说明需要增加向前倾的力矩，那么系统要增大涵道风扇转速，扭矩M增大，并增大后仰的力矩，控制涵道电机的转速会降低，从而通过涵道风扇的转速来控制飞行器的俯仰。同样的，负责控制两轴机臂的舵机也将调整机臂角度，从而提高飞行器的抬头力矩。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种控制飞行器的俯仰的方法，其特征在于，包括：
S1，在飞行器机身腹部内置了朝向为机身方向的涵道风扇，在飞行器的尾部设置为水平尾翼，在飞行器尾部设置垂直尾翼，垂直尾翼位于水平尾翼的前方，水平尾翼和垂直尾翼将涵道风扇向后吹的气流转换为一变量F；
S2，将涵道风扇的转速以及水平尾翼的角度加入混控，根据飞控信号变动产生的力矩以修正水平尾翼的角度，来控制飞行器的俯仰；
S3，当飞行器的陀螺仪根据S2的混控检测到飞行器俯仰姿态有变化，飞行器的舵机根据飞控信号变动产生的扭矩M来修正水平尾翼的角度，所述扭矩M＝F*L，其中L为水平尾翼转轴到飞行器重心的距离。
2.根据权利要求1所述的控制飞行器的俯仰的方法，其特征在于，包括：
S3，当飞行器的陀螺仪根据S2的混控检测到机身非操作导致的俯仰变化，如果机头扬起，则加大涵道风扇转速，如果机头下沉，则减小涵道风扇转速。
3.根据权利要求1所述的控制飞行器的俯仰的方法，其特征在于，包括：
在S3中，垂直尾翼与机臂共同控制飞行器偏航，当飞行器进入高速向前飞行状态时，机臂的偏航权重变小，垂直尾翼偏航权重变大。
4.一种控制飞行器的俯仰的装置，其特征在于，包括：
涵道风扇，所述涵道风扇设置在在飞行器机身腹部，朝向为机身方向；
陀螺仪，所述陀螺仪监控飞行器的飞行姿态，所述陀螺仪根据飞行器的姿态变化来控制所述涵道风扇的转速以控制飞行器的俯仰；
水平尾翼，设置在飞行器的尾部；
垂直尾翼，位于在飞行器尾部，垂直尾翼位于水平尾翼的前方，水平尾翼和垂直尾翼将涵道风扇向后吹的气流转换为一变量F，
其中，当所述陀螺仪检测到飞行器俯仰姿态有变化，则根据飞控信号变动产生的扭矩M来修正水平尾翼的角度，所述扭矩M＝F*L，其中L为水平尾翼转轴到飞行器重心的距离。
5.根据权利要求4所述的控制飞行器的俯仰的装置，其特征在于，包括：
所述陀螺仪根据飞行器的姿态变化来控制所述水平尾翼的角度，来控制飞行器的俯仰。
6.根据权利要求4所述的控制飞行器的俯仰的装置，其特征在于，
当所述陀螺仪检测到机身非操作导致的俯仰变化，如果机头扬起，则加大涵道风扇转速，如果机头下沉，则减小涵道风扇转速。
7.根据权利要求5所述的控制飞行器的俯仰的装置，其特征在于，
垂直尾翼与机臂共同控制飞行器偏航，当飞行器进入高速向前飞行状态时，机臂的偏航权重变小，垂直尾翼偏航权重变大。
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