CN110228583A - 一种离子风固态飞行器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离子风固态飞行器及其控制方法。该飞行器包括机身和沿机身外周依次设置且均朝机身倾斜的第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器。第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器的结构相同，均包括小电极、大电极和立柱。小电极接高压电源正极，大电极接高压电源接地电极。本发明所述的离子风固态飞行器是基于毕费尔德‑布朗效应，通过四个倾斜设置的力发生器，能够使单个毕费尔德‑布朗效应力发生器产生二维作用效果，即：使机体向上飘升的推进力和使机体自旋的偏航力矩，从而实现俯仰、横滚、偏航全自由度的姿态可控飞行。

Description

一种离子风固态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，具体涉及一种离子风固态飞行器及其控制方法。

背景技术

航空飞行器是现代社会不可或缺的交通运输工具，广泛用于军事、民用领域。传统的航空飞行器包括：固定翼、旋翼式、扑翼式飞行器，其一般采用燃油动力、电动力发动机驱动螺旋桨、涡轮风扇、扑翼等可动部件进而产生推进力，或采用化学燃料燃烧喷射形成推进力实现飞行。此类飞行器存在机构庞杂、能量转化效率低、噪声大等诸多缺陷。

离子风固态飞行器是一种无可动部件的新型飞行器，由于采用毕费尔德-布朗效应力作为推进动力，其具有能量转化效率高、机构简单、噪声小、可靠性高等特点。目前已有的离子风飞行器采用毕费尔德-布朗效应力发生器只作为动力源驱动机体滑翔飞行或悬停飞行，无法实现俯仰、横滚、偏航全自由度的姿态控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种离子风固态飞行器及其控制方法，该离子风固态飞行器及其控制方法能够解决现有技术中存在的不足，实现俯仰、横滚、偏航全自由度的姿态可控飞行。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种离子风固态飞行器，包括机身和沿机身外周依次设置且均朝机身倾斜的第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器；所述机身的四个端角分别通过一根连杆与第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器相连；所述第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器的结构相同，均包括自上向下依次设置的小电极和大电极以及连接在小电极与大电极之间的若干均匀分布的立柱；所述小电极接高压电源正极，大电极接高压电源接地电极。

进一步的，所述机身包括正方形的机身本体以及分别开设在机身本体四个端角处的四个第一安装孔。

进一步的，所述大电极采用导电金属箔或金属板制成；所述大电极上开设有第一连接孔。

进一步的，所述若干均匀分布的立柱，包括第一立柱和第二立柱；所述第一立柱和第二立柱上均开设有第二连接孔；所述第一立柱上还开设有第二安装孔；所述连杆的内端与机身相连，外端与第一立柱相连。

进一步的，所述立柱的顶部设有用于安装小电极的接线柱。

进一步的，所述立柱采用轻质绝缘材料。

进一步的，所述第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器的倾斜角度相同。

本发明还涉及一种上述离子风固态飞行器的控制方法，该方法包括以下步骤：

(1)横滚运动控制：通过偏置第一力发生器、第三力发生器和第二力发生器、第四力发生器上的电压，使第一力发生器、第三力发生器的输出推进力大于第二力发生器、第四力发生器的输出推进力，或者使第一力发生器、第三力发生器的输出推进力小于第二力发生器、第四力发生器的输出推进力，从而产生使飞行器机体绕Roll轴旋转的力矩，实现飞行器机体绕Roll轴的横滚运动控制。通过对横滚角进行调节，能够产生横向分力，从而实现机体左、向右横向漂移运动。载体横轴与水平面之间的夹角叫横滚角。

(2)俯仰运动控制：通过偏置第一力发生器、第二力发生器和第三力发生器、第四力发生器上的电压，使第一力发生器、第二力发生器的输出推进力大于第三力发生器、第四力发生器的输出推进力，或者使第一力发生器、第二力发生器的输出推进力小于第三力发生器、第四力发生器的输出推进力，从而产生使飞行器机体绕Pitch轴旋转的力矩，实现机体的俯仰运动控制。通过对俯仰角的调节，能够产生纵向分力，从而实现机体前、后纵向漂移运动。载体纵轴与水平面之间的夹角叫俯仰角。

(3)偏航运动控制：由于第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器、第四力发生器分别朝机身倾斜，也就是向Roll轴侧倾转，且倾转角度相同，第一力发生器和第四力发生器产生使飞行器机体向右偏航的力矩，第二力发生器和第三力发生器产生向左偏航的力矩。通过偏置施加在第一力发生器、第四力发生器与第二力发生器、第三力发生器上的电压，使第一力发生器、第四力发生器产生的偏航力矩大于第二力发生器、第三力发生器产生的偏航力矩，或者使第一力发生器、第四力发生器产生的偏航力矩小于第二力发生器、第三力发生器产生的偏航力矩，最终分别使飞行器机体产生向右、向左的偏航力矩，从而实现飞行器机体的偏航控制；通过同步增加、减小四组力发生器的施加电压，能够增大或减小离子风固态飞行器输出推进力大小，从而实现控制机体升降运动。

由以上技术方案可知，本发明所述的离子风固态飞行器是基于毕费尔德-布朗效应，通过四个倾斜设置的力发生器，能够使单个毕费尔德-布朗效应力发生器产生二维作用效果，即：使机体向上飘升的推进力和使机体自旋的偏航力矩，从而实现俯仰、横滚、偏航全自由度的姿态可控飞行。

附图说明

图1是本发明的结构示意图一；

图2是本发明的结构示意图二；

图3是本发明的结构示意图三(图中标示出了飞行器机首的指向)；

图4是本发明的结构示意图四(图中标示出了Roll、Pitch和Yaw三个轴)；

图5是本发明的结构示意图五；

图6是单个力发生器的结构示意图；

图7是机身的结构示意图；

图8大电极的结构示意图；

图9是连杆的结构示意图；

图10是位于外侧的不与连杆相连的第二立柱的结构示意图；

图11是位于内侧的与连杆相连的第一立柱的结构示意图。

其中：

1、第一力发生器，2、第二力发生器，3、第三力发生器，4、第四力发生器，5、机身，6、连杆，7、小电极，8、大电极，9和10均为第二立柱，11、第一立柱，12、接线柱，13、第二连接孔，14、第二安装孔，51、切口，52、第一安装孔，81、第一连接孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1-图5所示的一种离子风固态飞行器，包括机身5和沿机身5外周依次设置且均朝机身5倾斜的第一力发生器1、第二力发生器2、第三力发生器3和第四力发生器4；所述机身5的四个端角分别通过一根连杆6与第一力发生器1、第二力发生器2、第三力发生器3和第四力发生器4相连；所述第一力发生器1、第二力发生器2、第三力发生器3和第四力发生器4的结构相同，均包括自上向下依次设置的小电极7和大电极8以及连接在小电极7与大电极8之间的若干均匀分布的立柱；所述小电极7接高压电源正极，大电极8接高压电源接地电极。在大电极、小电极上施加高压直流电源，即可产生由大电极指向小电极的作用力。在本实施例中提出了一种四组力发生器构造的离子风固态飞行器，在实际实施过程中不局限于四组构造形式。借助倾斜毕费尔德-布朗效应力发生器的二维作用效果，在由多组力发生器构成的离子风固态飞行器上依然能够达到相同的作用效果。本实施例中的所述第一力发生器1、第二力发生器2、第三力发生器3和第四力发生器4均为毕费尔德-布朗效应力发生器。所述第一力发生器1、第二力发生器2、第三力发生器3和第四力发生器4可采用三角形、四边形、六边形、八边形、圆形等不同形式的结构构造。本实施例中采用的是三角形。如图1所示，在每个力发生器中，所述大电极8、小电极7和立柱的数量均为三个。三个大电极8完全相同，采用导电金属箔或金属板制成。

进一步的，所述机身5包括正方形的机身本体以及分别开设在机身本体四个端角处的四个第一安装孔52。所述机身的四个端角处设有切口51，所述第一安装孔52开设在切口51上。所述第一安装孔，用于连接连杆的内端部。连接杆的端部插入到第一安装孔中，与第一安装孔过盈配合形成刚性连接。

进一步的，所述大电极8采用导电金属箔或金属板制成；所述大电极8上开设有四个第一连接孔81，用于和立柱连接。

进一步的，所述若干均匀分布的立柱，包括1根第一立柱11和2根第二立柱9和10；所述第一立柱和第二立柱上均开设有第二连接孔13；所述第一立柱11上还开设有第二安装孔14；所述连杆6的内端与机身5相连，外端与第一立柱相连。三根立柱相互平行布置。第二立柱9和10的结构完全相同，主体为采用轻质绝缘材料(如轻木)制成的杆，在杆的两个相邻面上开设有四个螺孔作为第二连接孔。第二连接孔与第一连接孔相对应设置，用于和大电极相连。所述第一立柱的主体也是采用轻质绝缘材料制成的杆，其与第二立柱的区别是，在杆的下端开设有用于安装连杆的第二安装孔。

进一步的，所述立柱的顶部设有用于安装小电极的接线柱12。

进一步的，所述立柱采用轻质绝缘材料。

进一步的，所述第一力发生器1、第二力发生器2、第三力发生器3和第四力发生器4的倾斜角度相同。四组力发生器均为毕费尔德-布朗效应力发生器，四组毕费尔德-布朗效应力发生器分别通过四根连杆与机身连接，同时四组力发生器分别沿连杆向Roll轴侧倾斜相同角度，组成离子风固态飞行器。毕费尔德-布朗效应指用很高的电压将电能输入电容器就会于某个方向产生作用力。在毕费尔德-布朗效应中由电晕引起的空气射流现象被称作离子风。固态飞行器指整机无需可动部件即可实现飞行的飞行器。

由于改变施加在毕费尔德-布朗效应力发生器上的电压，可以调节力发生器输出的推进力，因此，通过调压、脉宽调制等方式，可以实现对离子风固态飞行器的姿态控制。在图4中，设Roll轴正向为本发明所述的离子风固态飞行器的机首。本发明还涉及一种上述离子风固态飞行器的控制方法，该方法包括以下步骤：

(1)横滚(Roll)运动控制：通过偏置第一力发生器1、第三力发生器3和第二力发生器2、第四力发生器4上的电压，使第一力发生器1、第三力发生器3的输出推进力大于第二力发生器2、第四力发生器4的输出推进力，或者使第一力发生器1、第三力发生器3的输出推进力小于第二力发生器2、第四力发生器4的输出推进力，从而产生使飞行器机体绕Roll轴旋转的力矩，实现飞行器机体绕Roll轴的横滚运动控制。

具体地说，增大第一力发生器1、第三力发生器3上的电压，同时减小第二力发生器2、第四力发生器4上的电压，使第一力发生器1、第三力发生器3输出的推进力大于第二力发生器2、第四力发生器4产生的推进力，进而形成一个使飞行器向右倾斜的力矩，在此力矩作用下，飞行器将向右倾斜；同样地，减小第一力发生器1、第三力发生器3上的电压，同时增大第二力发生器2、第四力发生器4上的电压，使第一力发生器1、第三力发生器3输出的推进力小于第二力发生器2、第四力发生器4产生的推进力，进而形成一个使飞行器向左倾斜的力矩，在此力矩作用下，飞行器将向左倾斜。通过对横滚角进行调节，也就是通过调节施加在第一力发生器1、第三力发生器3与第二力发生器2、第四力发生器4上的电压差，使飞行器左、右倾斜，进而产生横向分力，实现机体左、右横向漂移运动。

(2)俯仰(Pitch)运动控制：通过偏置第一力发生器1、第二力发生器2和第三力发生器3、第四力发生器4上的电压，使第一力发生器1、第二力发生器2的输出推进力大于第三力发生器3、第四力发生器4的输出推进力，或者使第一力发生器1、第二力发生器2的输出推进力小于第三力发生器3、第四力发生器4的输出推进力，从而产生使飞行器机体绕Pitch轴旋转的力矩，实现机体的俯仰运动控制。

具体地说，增大第一力发生器1、第二力发生器2上的电压，同时减小第三力发生器3、第四力发生器4上的电压，使第一力发生器1、第二力发生器2输出的推进力大于第三力发生器3、第四力发生器4产生的推进力，进而形成一个使飞行器向后倾斜的力矩，在此力矩作用下，飞行器将向后倾斜；同样地，减小第一力发生器1、第二力发生器2上的电压，同时增大第三力发生器3、第四力发生器4上的电压，使第一力发生器1、第二力发生器2输出的推进力小于第三力发生器3、第四力发生器4产生的推进力，进而形成一个使飞行器向前倾斜的力矩，在此力矩作用下，飞行器将向前倾斜。通过对俯仰角的调节，也就是通过调节施加在第一力发生器1、第二力发生器2与第三力发生器3、第四力发生器4上的电压差，使飞行器前、后倾斜，进而产生纵向分力，实现机体前、后纵向漂移运动。

(3)偏航(Yaw)运动控制：由于第一力发生器1、第二力发生器2、第三力发生器3、第四力发生器4分别朝机身5倾斜，也就是向Roll轴侧倾转，且倾转角度相同，第一力发生器1和第四力发生器4产生使飞行器机体向右偏航的力矩，第二力发生器2和第三力发生器3产生向左偏航的力矩。通过偏置施加在第一力发生器1、第四力发生器4与第二力发生器2、第三力发生器3上的电压，使第一力发生器1、第四力发生器4产生的偏航力矩大于第二力发生器2、第三力发生器3产生的偏航力矩，或者使第一力发生器1、第四力发生器4产生的偏航力矩小于第二力发生器2、第三力发生器3产生的偏航力矩，最终分别使飞行器机体产生向右、向左的偏航力矩，从而实现飞行器机体的偏航控制；通过同步增加、减小四组力发生器的施加电压，能够增大或减小离子风固态飞行器输出推进力大小，从而实现控制机体升降运动。

具体地说，如图4所示，第一力发生器1、第二力发生器2、第三力发生器3和第四力发生器4分别向Roll轴侧倾转，且倾转角度相同。如图5所示，当第一力发生器1、第二力发生器2、第三力发生器3和第四力发生器4被施加一定电压后，将分别产生沿各自轴向的作用力，此轴向力具有水平和垂直两个分量；其中，第一力发生器1、第二力发生器2、第三力发生器3和第四力发生器4作用力的垂直分力均产生使飞行器飘升的升举力；第二力发生器2和第三力发生器3的作用力的水平分力产生使飞行器向左旋转的力矩，在此力矩作用下，飞行器将向左旋转(向左偏航)；第一力发生器1和第四力发生器4作用力的水平分力产生使飞行器向右旋转的力矩，在此力矩作用下，飞行器将向右旋转(向右偏航)。

当施加在第一力发生器1、第二力发生器2、第三力发生器3和第四力发生器4上的电压相同时，第二力发生器2、第三力发生器3与第一力发生器1、第四力发生器4的水平分力产生的偏航力矩大小相等、方向相反，因而相互抵消。

当增大施加在第二力发生器2、第三力发生器3上的电压，同时减小施加在第一力发生器1、第四力发生器4上的电压，第二力发生器2、第三力发生器3产生的作用力大于第一力发生器1、第四力发生器4产生的作用力；相应地，第二力发生器2、第三力发生器3水平分力产生的向左偏航力矩大于第一力发生器1、第四力发生器4水平分力产生的向右偏航力矩；因此，飞行器将具有一个使之向左偏航的偏航力矩，在此力矩作用下，飞行器将向左旋转(向左偏航)。

当增大施加在第一力发生器1、第四力发生器4上的电压，同时减小施加在第二力发生器2、第三力发生器3上的电压，第一力发生器1、第四力发生器4产生的作用力大于第二力发生器2、第三力发生器3产生的作用力；相应地，第一力发生器1、第四力发生器4水平分力产生的向右偏航力矩大于第二力发生器2、第三力发生器3水平分力产生的向左偏航力矩；因此，飞行器将具有一个使之向右偏航的偏航力矩，在此力矩作用下，飞行器将向右旋转(向右偏航)。

同时增大或减小施加在第一力发生器1、第二力发生器2、第三力发生器3和第四力发生器4上的电压，将分别增大或减小第一力发生器1、第二力发生器2、第三力发生器3和第四力发生器4产生的垂直分力(升举力)，使飞行器上升、下降运动，从而实现了升降运动控制。

本发明所述的离子风固态飞行器采用倾转毕费尔德-布朗效应力发生器构造，通过倾转力发生器构造使单个力发生器产生二维作用效果，即产生使机体向上飘升的推进力和使机体自旋的偏航力矩。借助所述的倾转力发生器构造产生的二维作用效果，本发明还提出一种相应的控制方法，实现了俯仰、横滚、偏航全自由度的姿态控制，并通过调节离子风固态飞行器飞行姿态角，使机体产生横向、纵向的分力，能够实现横向、纵向平移运动，同时通过同步调节四组力发生器输出推进力，能够实现机体升降控制。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种离子风固态飞行器，其特征在于：包括机身和沿机身外周依次设置且均朝机身倾斜的第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器；所述机身的四个端角分别通过一根连杆与第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器相连；所述第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器的结构相同，均包括自上向下依次设置的小电极和大电极以及连接在小电极与大电极之间的若干均匀分布的立柱；所述小电极接高压电源正极，大电极接高压电源接地电极。

2.根据权利要求1所述的一种离子风固态飞行器，其特征在于：所述机身包括正方形的机身本体以及分别开设在机身本体四个端角处的四个第一安装孔。

3.根据权利要求1所述的一种离子风固态飞行器，其特征在于：所述大电极采用导电金属箔或金属板制成；所述大电极上开设有第一连接孔。

4.根据权利要求1所述的一种离子风固态飞行器，其特征在于：所述若干均匀分布的立柱，包括第一立柱和第二立柱；所述第一立柱和第二立柱上均开设有第二连接孔；所述第一立柱上还开设有第二安装孔；所述连杆的内端与机身相连，外端与第一立柱相连。

5.根据权利要求1所述的一种离子风固态飞行器，其特征在于：所述立柱的顶部设有用于安装小电极的接线柱。

6.根据权利要求1所述的一种离子风固态飞行器，其特征在于：所述立柱采用轻质绝缘材料。

7.根据权利要求1所述的一种离子风固态飞行器，其特征在于：所述第一力发生器、第二力发生器、第三力发生器和第四力发生器的倾斜角度相同。

8.根据权利要求1～7任意一项所述的离子风固态飞行器的控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)横滚运动控制：通过偏置第一力发生器、第三力发生器和第二力发生器、第四力发生器上的电压，使第一力发生器、第三力发生器的输出推进力大于第二力发生器、第四力发生器的输出推进力，或者使第一力发生器、第三力发生器的输出推进力小于第二力发生器、第四力发生器的输出推进力，从而产生使飞行器机体绕Roll轴旋转的力矩，实现飞行器机体绕Roll轴的横滚运动控制；

(2)俯仰运动控制：通过偏置第一力发生器、第二力发生器和第三力发生器、第四力发生器上的电压，使第一力发生器、第二力发生器的输出推进力大于第三力发生器、第四力发生器的输出推进力，或者使第一力发生器、第二力发生器的输出推进力小于第三力发生器、第四力发生器的输出推进力，从而产生使飞行器机体绕Pitch轴旋转的力矩，实现飞行器机体的俯仰运动控制；

(3)偏航运动控制：通过偏置施加在第一力发生器、第四力发生器与第二力发生器、第三力发生器上的电压，使第一力发生器、第四力发生器产生的偏航力矩大于第二力发生器、第三力发生器产生的偏航力矩，或者使第一力发生器、第四力发生器产生的偏航力矩小于第二力发生器、第三力发生器产生的偏航力矩，最终分别使飞行器机体产生向右、向左的偏航力矩，从而实现飞行器机体的偏航控制；通过同步增加、减小四组力发生器的施加电压，能够增大或减小离子风固态飞行器输出推进力大小，从而实现控制飞行器机体升降运动。