CN107229282A - 一种垂直起降固定翼无人机姿态控制方法 - Google Patents

一种垂直起降固定翼无人机姿态控制方法 Download PDF

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毛有斌
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Xiang Hung Electronic Technology (shenzhen) Co Ltd
Shandong Xiang Hong Electronic Technology Co Ltd
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Xiang Hung Electronic Technology (shenzhen) Co Ltd
Shandong Xiang Hong Electronic Technology Co Ltd
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    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本技术涉及无人机技术领域，提供一种垂直起降固定翼无人机姿态控制方法，包括以下步骤：飞机在飞行过程中以垂直飞行的姿态进行悬停或起降，机腹向来风方向转动；飞机发动机转速调整，副翼联动控制机身俯仰角；飞机机腹迎风，发动机产生动力与风力向抵消，使飞机机身保持垂飞航线或悬停位置。本发明通过主动调整机腹指向、机身倾角及发动机转速，使飞机产生的动力抵消风力，增强飞机机身的稳定性，解决现有飞行器在垂飞或悬停状态需通过调整飞行方向来解决飞行稳定性的问题，保证飞机起飞、降落、悬停的平稳和安全。

Description

一种垂直起降固定翼无人机姿态控制方法
技术领域
本技术涉及无人机技术领域，具体涉及一种垂直起降固定翼无人机在垂直飞行、悬停过程中保持机身稳定性的方法。
背景技术
垂直起降固定翼无人机同时具备垂直起降和高速巡航的能力，克服了传统固定翼无人机需借助较长跑道起降的弊端，这种优势保证它能在山区、丘陵、丛林等复杂地形和建筑物密集区域顺利作业，极大拓展了固定翼无人机在国土资源测绘、警用消防侦察、应急救援等领域的应用范围。随着垂直起降固定翼无人机技术的广泛应用，其在垂飞过程中的稳定性受风力影响大的缺陷也暴露出来，如何解决垂飞过程中的稳定性成为急需解决的重大问题。
现有技术的垂直起降固定翼无人机在垂飞过程中机腹指向是随机的，与风向无关。当风从机身背面、侧面吹来时，机身难以保持原有航线，随着风的吹向而出现偏转。为回到原有航线，需不断调整无人机的飞行方向，这种操作方式难度大、不稳定因素多、消耗无人机动力多。
现有技术（公开号CN105905295）为申请人研发的固定翼飞行器，该飞行器前置鸭翼及水平尾翼设计增加俯仰安定性，为本申请的提出奠定硬件基础。
发明内容
本申请需要解决的问题是解决现有垂飞过程中，遭遇侧风、背风时飞行器需要调整飞行方向,在此过程中出现飞行稳定性差,动力消耗多、控制难度大的缺陷。
1.一种垂直起降固定翼无人机姿态控制方法，包括以下步骤：
1）飞机在飞行过程中以垂直飞行的姿态进行悬停或起降，遭遇侧风或背风时，控制系统控制飞机机身方向转动，机腹向来风方向转动；
2）飞机发动机转速调整，副翼联动控制机身俯仰角；
3）飞机机腹迎风，发动机产生动力与风力向抵消，使飞机机身保持垂飞航线或悬停位置。
进一步地，所述步骤1）中，侧风引起的横滚角信息传递给飞机控制系统，两侧副翼差动使得飞机绕机身中轴线进行旋转，飞机机腹转向来风方向，当横滚角度小于设定值时停止转动。
更进一步地，所述步骤2）中，飞机控制系统通过测定机身俯仰角度变化，控制发动机转速改变，同时两侧副翼联动，使俯仰角保持在设定范围内。
本发明有益之处在于，通过主动调整机腹指向、机身倾角及发动机转速，使飞机产生的动力抵消风力，增强飞机机身的稳定性，解决现有飞行器在垂飞或悬停状态需通过调整飞行方向来解决飞行稳定性的问题，保证飞机起飞、降落、悬停的平稳和安全。
附图说明
图1 飞机姿态变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明提供一种垂直起降固定翼无人机姿态控制方法，在垂飞过程中，遭遇侧风、背风时飞行器需要调整飞行方向，包括以下步骤：步骤1）飞机在飞行过程中以垂直飞行的姿态进行悬停或起降，遭遇侧风或背风时，控制系统控制飞机机身方向转动，机腹向来风方向转动。
在本申请实施中，由于风的原因，两侧机翼在没有正对风向的情况下，飞机会产生横滚的倾向从而产生横滚角，而飞机通过控制系统控制两侧副翼差动使飞机绕轴线旋转，而使得机腹所对的方向进行改变，通过控制该横滚角的减小，从而控制飞机机腹逐渐转向来风方向。
该横滚角为零时，两侧机翼和机腹方向正对风向，而实际上当横滚角度小于设定的范围时，认为机腹已经对风，即可停止转动。
步骤2）飞机发动机转速调整，控制机身俯仰角。垂直飞行的飞机，其俯仰角度受飞行控制系统控制，而该俯仰角是由副翼联动进行控制的。飞机控制系统通过测定机身俯仰角度变化，控制两侧副翼的角度，使俯仰角保持在设定范围内，同时控制发动机转速改变，维持飞机垂直飞行的姿态。
步骤3）飞行控制系统控制飞机保持机腹迎风，达到发动机产生动力与风力抵消，使飞机机身保持垂飞航线或悬停位置。
其中，横滚角和俯仰角的控制采用以下公式，
ref_roll - 控制系统生成的指令横滚角；
ref_pitch - 控制系统生成的指令俯仰角；
ref_yaw_rate - 主动风向标技术输出的指令指向角速率。
float roll_sign;
if (ref_roll < 0.0) {
roll_sign = -1.0;
} else {
roll_sign = -1.0;
}
float deadband = 0.15; // 死区；实际中使用0.15弧度效果较好
float coeff = 1.0; // 风向标转向系数；试飞发现 0.5-1.0 范围效果较好
// 主动风向标 - 悬飞时主动调整指向使得腹部对风。
if (ref_roll > deadband) { // 如果横滚指令较大，转指向使得腹部对风
ref_yaw_rate = coeff * ref_roll;
} else if (ref_roll < -deadband) { // 如果横滚指令较大，转指向使得腹部对风
ref_yaw_rate = coeff * ref_roll;
} else if (ref_pitch > deadband) { // 如果主要是背部对风，转指向使得腹部对风
ref_yaw_rate = coeff * roll_sign;
} else {
ref_yaw_rate = 0.0;
}。

Claims (3)

1.一种垂直起降固定翼无人机姿态控制方法，包括以下步骤：
1）飞机在飞行过程中以垂直飞行的姿态进行悬停或起降，遭遇侧风或背风时，控制系统控制飞机机身方向转动，机腹向来风方向转动；
2）飞机发动机转速调整，副翼联动控制机身俯仰角；
3）飞机机腹迎风，发动机产生动力与风力向抵消，使飞机机身保持垂飞航线或悬停位置。
2.根据权利要求1所述垂直起降固定翼无人机姿态控制方法，其特征在于，所述步骤1）中，侧风引起的横滚角信息传递给飞机控制系统，两侧副翼差动使得飞机绕机身中轴线进行旋转，飞机机腹转向来风方向，当横滚角度小于设定值时停止转动。
3.根据权利要求2所述垂直起降固定翼无人机姿态控制方法，其特征在于，所述步骤2）中，飞机控制系统通过测定机身俯仰角度变化，控制发动机转速改变，同时两侧副翼联动，使俯仰角保持在设定范围内。
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