CN111142565B - 一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器及其控制方法，包括机翼、机架、飞行控制模块、机载中央处理器、机载摄像头、伺服电机组和电源组件。无桨叶飞行器通过离子发生器提供动力，飞行器的控制方法分为两个部分，一个是飞行器自演化、自适应环境的控制方法；另一个是飞行器运动控制方法。自演化、自适应环境的控制方法是通过建立控制规则集并进行不断迭代，以实现飞行器在飞行过程中的自稳定。飞行器的姿态通过三组伺服电机进行控制，在空间三维模型下控制飞行器机翼分别绕三轴旋转的角度变化，进而改变飞行器的运动方向。本发明在多种运动情况下都具有自平衡功能，且无液体燃料消耗，消除了传动飞行器的噪声与排放污染。

Description

一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器及其控 制方法

技术领域

本发明涉及飞行器领域，尤其涉及一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器及其控制方法。

背景技术

现有的传统飞行器，特别是最常见的四旋翼无人机无人机，采用高效的无刷电机作为动力，具有尺寸小、重量轻、携带方便、易保养使用、机动性能好、维护成本低等优势。在特种机器人行业中占据着举足轻重的地位。而可以自主飞行的飞行器在民用领域有广阔的前景，如地图测绘、气象探测、智能航拍、农药喷洒等等，还在军事领域当中发挥着极其重要的作用，可以完成战场侦察和监视、定位校射、目标摧毁等等。

随着人们对小型无人飞行器的关注度持续提高，出现了多种不同结构、不同动力模式的飞行器模型，现有小型飞行器多为靠燃料推动或是依靠桨叶提供动力，一方面在飞行时会产生较大噪音，另一方面排放物会污染环境。现有的应用于小型飞行器的结构模型都是固定，这在一定程度上影响了飞行器的适用场景。比如当一个用于地形探测的飞行器在山谷间飞行时边无法穿越一个非常狭窄的缝隙；另外螺旋桨也增加了飞行器的损坏率。而结构无法改变的飞行器同样也较难适应气流多变情况下的复杂环境，容易收到侧向风力的影响，导致机身难以稳定平衡。

目前，小型无人飞行器的研究大部分研究学者都是围绕动力学建模和提出新的控制算法这两方面进行的，对其研究大都停留在理论探讨和初步试验的阶段。同时，尽管目前有一些相关的自演化仿真研究，但还没有基于硬件进行自演化的相关研究，同时也没有将其应用到飞行器的自稳定问题上。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器及其控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器，包括机翼、机架、飞行控制模块、机载中央处理器、伺服电机组。

所述机翼和机架组成飞行器的外部结构。所述机翼有两个，对称安装在机架两侧，机翼的上部呈流线型结构；两个机翼内部均包含离子发生器，用于电离空气产生带电粒子。

所述的离子发生器包括两个非对称的电极。通过在所述的两个非对称电极上施加数值可变的电压U(左右两侧机翼电压强度分别为U1、U2)，使空气被电离放电；两个非对称的电极附近的电场E(左右两侧电场强度分别为E1、E2)加速带电粒子，并通过与空气中的中性分子发生连续碰撞，产生级联电离。

气流中的正电荷离子从离子发生器的正极向负极的运动受高斯定理支配：

其中，E是离子发生器两级间电场强度，x为正电荷离子和离子发生器正极之间的距离，U为施加在离子发生器正负两极之间的电压，ρ是空气电荷密度，ε₀是空气介电常数。

假设气体为无粘流体，此时流体的动量方程由欧拉方程控制：

其中，p为单位距离中带电粒子产生的推力。

单侧机翼内部的离子发生器所能产生的推动飞行器前进的压强为：

其中S为离子发生器两级间电场截面的面积，l为两电极间距离，

为两极间电场的平均电场强度。

单侧机翼中的离子发生器推力功率比的公式如下：

其中P为离子发生器的功率，j为两极间电流密度，v为空气流速，μ为离子迁移率。可根据需求推力功率比计算出平均电场强度

进而求得离子发生器两极需施加的电压大小。

所述的机架外部结构为轴对称结构；机架内部包含飞行控制模块、机载中央处理器、三组伺服电机。所述三组伺服电机分别为伺服电机A1和A2、伺服电机B1和B2以及伺服电机C1和C2。

所述的飞行控制模块用于控制飞行器飞行，并保持飞行器飞行的稳定。飞行控制模块包含控制器、检测飞行器状态的传感器元件和视觉定位系统等。

所述传感器元件和视觉定位系统实时采集飞行器的状态数据，并将数据传输给机载中央处理器。

所述的机载中央处理器用于处理飞行器的状态数据以及发送控制指令到飞行控制模块中的控制器，通过控制器调整伺服电机A1、A2控制的机翼偏转角度θ，伺服电机B1、B2控制的机翼偏转角度

伺服电机C1、C2控制的机翼偏转角度φ_l、φ_r。

进一步地，所述的检测飞行器状态的传感器元件包括陀螺仪、加速度计、磁力计、GPS模块。

进一步地，控制器调整机翼的偏转角度具体如下：

以飞行器初始状态下前向方向为x轴正方向；飞行器右翼延展方向为y轴正方向；以飞行器上方方向为z轴正方向，建立空间三维坐标系。

所述的伺服电机A1、A2分别位于机架内部的左右两侧，控制两侧机翼绕y轴的偏转角度θ，为机翼下平面与y-z平面呈锐角的夹角，θ为正数时表示机翼向z轴正方向偏转，θ为负数时表示机翼向z轴负方向偏转；所述的伺服电机B1、B2分别位于机架内部的左右两侧，控制两侧机翼绕z轴的偏转角度

为机翼前进方向与x-z平面呈锐角的夹角，

为正数时表示机翼向y轴正方向偏转，

为负数时表示机翼向y轴负方向偏转；所述的伺服电机C1、C2分别位于机架内部的左右两侧，控制左右两侧机翼分别绕x轴的偏转角度φ_l和φ_r，分别为机翼下平面与x-y平面呈锐角的夹角，左侧机翼偏转角度为φ_l，φ_l为非负数，表示左侧机翼向z轴负方向的偏转角度，右侧机翼偏转角度为φ_r，φ_r为非负数，表示右侧机翼向z轴负方向的偏转角度。

进一步地，飞行器还包括机载摄像头，机载中央处理器接受机载摄像头读取的实时画面，记录飞行器周围的飞行环境并计算与障碍物的距离，同时计算出避障飞行轨迹，将控制指令发送到所述的飞行控制模块中的控制器，从而控制飞行器的运动。

进一步地，飞行器还包括电源组件，所述电源组件由两部分组成，一部分给所述的三组伺服电机、机载摄像头、飞行控制模块、机载中央处理器供电，另一部分提供离子发生器所需的电压。

一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器的控制方法，该方法包含了两个部分，一个是飞行器自演化、自适应环境的控制方法；另一个是飞行器运动控制方法。

所述的飞行器自演化、自适应环境的控制方法具体步骤如下：

1)关键变量选择与测定：选取环境中影响机理模型的关键变量，包括飞行器控制变量、环境控制变量等。所述的飞行器控制变量包括飞行器的初始速度v₀，飞行器的高度h,离子发生器产生的两级电压U1、U2，非对称的两电极之间的平均电场强度

机翼在空间三维坐标系中绕三个坐标轴的偏转角度θ、

φ_l、φ_r以及它们的一次、二次导数，所述的环境变量包括空气自由流速v、空气介电常数ε₀、空气电荷密度ρ。所述的空气自由流速v在空间三维坐标系中沿三个坐标轴可分解为三个方向的速度分量v_x,v_y,v_z。

2)设定机理模型：设定基本的物理规则，即建立关键变量需要遵守的物理规则；所述的物理规则包括飞行器结构的物理规则和演化环境下的物理规则；所述的演化环境包括如狭缝等各种不同方向、不同流速空气气流下的空间环境。

3)基本控制规则集生成：在仿真环境下进行飞行器在空气流速恒定的对向气流环境下的物理仿真，通过进化算法进行筛选，得到能保持飞行器平稳飞行的控制规则。其中，飞行器对环境的适应度通过飞行器各关键变量是否在正常区间内来衡量，所述的正常区间为飞行器各变关键量在可实现范围内。再通过控制规则产生数据，即通过这些控制规则在仿真环境下进行飞行器飞行，得到能保持飞行器平衡飞行的控制数据。再通过这些数据进行新的控制规则的建立，并将得到的所有控制规则逐渐归纳为基本的控制规则集。

4)自演化：在飞行器保持稳定飞行的基本控制规则集的基础上，不断提高所需要的控制精度以及环境变量的复杂程度，对已有的控制规则集不断迭代，最终得到一个演化后的能够适应一定复杂环境且具有一定控制精度的控制规则集；所述的控制精度是指控制飞行器飞行的准确性和稳定性；所述的环境变量的复杂程度是指空气的气流流速不同，气流的方向有所不同，到不断随机出现从少到多的不定向空气气流；形成新的控制规则集的过程是控制规则的随机增加，若基本控制规则集加上随机增加的控制规则的控制结果不符合控制精度目标则重新随机增加控制规则，反之则将随机增加的控制规则加入基本控制规则集，形成新的控制规则集；增加控制规则后的控制规则集是基本控制规则集的迭代演化，且与之前的基本控制规则集存在相似或自相似关系，步骤2)中设定的基本规则对最终演化出的控制规则集有约束引导解空间作用。

5)建立自演化智能系统：基于自演化后输出的控制规则集，并结合飞行控制模块和机载中央处理器之间的数据通信，建立整个自演化智能系统。

所述的飞行器运动控制方法具体如下：

1)飞行控制模块调节：飞行控制模块通过读取内部传感器元件的数值，获得飞行器高度、机翼偏转角度等信息。并将信息传输至机载中央处理器。

2)机载中央处理器调节：根据接收的飞行控制模块传输的信息，并结合机载摄像头传输至机载中央处理器的周围环境障碍物画面，经过距离分析向飞行控制模块下达控制指令。

3)飞行控制模块接受机载中央处理器的控制指令，根据控制要求，通过飞行控制模块内部的控制器，控制机翼的偏转，进而实现飞行器的控制。

进一步地，飞行器的姿态控制可分为三类：俯仰、偏航和横滚。分别对应着飞行器的上下运动、左右运动和转向运动，具体如下：

所述的飞行器俯仰运动受飞行控制模块中的控制器控制，伺服电机A1、A2接收飞行控制模块传输的指令改变机翼绕y轴的偏转角度θ；

所述的飞行器偏航运动受飞行控制模块中的控制器控制，伺服电机B1、B2接收飞行控制模块传输的指令改变机翼绕z轴的偏转角度

所述的飞行器横滚运动受飞行控制模块中的控制器控制，伺服电机C1、C2分别接收飞行控制模块传输的指令改变左右两侧机翼绕x轴的偏转角度φ_l、φ_r。

本发明的有益成果是：

(1)本发明的飞行器在多种运动情况下都具有自平衡功能。

(2)本发明的飞行器通过电空气动力学原理为飞行提供动力，也无液体燃料消耗，消除了传动飞行器的噪声与排放污染。

(3)本发明的飞行器搭载摄像头可读取周围环境，机翼姿态可变换，适用于各种复杂空间环境下的飞行。

附图说明

图1是本发明的飞行器的整体结构图；

图2是本发明的飞行器的俯视图；

图3是本发明的飞行器的左视图；

图4是本发明的飞行器机翼内部离子发生器示意图；

图5-a是本发明的飞行器俯仰运动示意图；

图5-b是本发明的飞行器偏航运动示意图；

图5-c是本发明的飞行器横滚运动示意图；

图6是本发明的飞行器运动控制流程图；

图7是本发明的飞行器避障流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

下面以自演化控制方法在特定复杂环境中进行飞行器自适应环境的控制为例，具体说明一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器。

实施例1：

步骤一，飞行器处于初始的静止状态放置于地面，如图1-3所示，以飞行器在该状态下的前向方向为x轴正方向；飞行器右翼延展方向为y轴正方向；飞行器上方方向为z轴正方向，建立空间三维坐标系。飞行器搭载摄像头、飞行控制模块、机载中央处理器(含传感器元件)等装置,该飞行器还包括电源组件，所述电源组件由两部分组成，一部分给所述的三组伺服电机、机载摄像头、飞行控制模块、机载中央处理器供电，另一部分提供离子发生器所需的电压。基于自演化的控制方法，建立控制系统。

所述的自演化控制方法具体步骤如下：

1)关键变量选择与测定：选取环境中影响机理模型的关键变量，包括飞行器控制变量、环境控制变量等。所述的飞行器控制变量包括飞行器的初始速度v，飞行器的高度h,离子发生器产生的两级电压U1、U2，平均电场强度

机翼在三个方向上的偏转角度θ、

φ_l、φ_r以及它们的一次、二次导数，所涉及到的环境变量包括气流的自由流速v0、介电常数ε0、气体电荷密度ρ。

2)设定机理模型：设定基本的物理规则，即建立关键变量需要遵守的物理规则；所述的物理规则包括飞行器结构的物理规则和演化环境下的物理规则；所述的演化环境包括如狭缝等各种不同方向、不同流速空气气流下的空间环境。

3)基本控制规则集生成：在模拟物理仿真空间进行飞行器在流速恒定的对向气流环境下的物理仿真，通过进化算法进行筛选，得到以带能保持飞行器基本平稳飞行的控制方法。其中，飞行器对环境的适应度通过飞行器各变量是否在正常区间中的某个值或稳定来衡量；所述的正常区间可以为所加在飞行器机翼左侧两极之间的电压E1在可实现范围内。再通过这些方法产生数据，即通过这些飞行器控制策略在模拟物理仿真空间进行飞行器飞行，得到能保持基本平衡的飞行器控制数据。通过数据进行控制规则的建立，并将细化规则逐渐归纳为基本的控制规则集。

4)自演化：在基本飞行器稳定飞行规则集的基础上，不断提高所需要的控制精度以及环境变量的复杂程度，对已有的控制规则集不断迭代，最终得到一个演化后的能够适应一定复杂环境且具有一定控制精度的控制规则集；所述的控制精度是指控制飞行器飞行的准确性和稳定性；所述的环境变量的复杂程度是指环境气流的流速不同，自然气流的方向有所不同，到不断随机出现从少到多的不定向气流；所述的所述的形成新的控制规则集的方法是控制规则或控制规则组的随机增加，若基本控制规则集加新规则的控制结果不符合目标则重新随机增加，反之则将新的控制规则或控制规则组划入控制规则集；增加控制规则后的规则集是基本控制规则集的迭代演化，且与之前的基本控制规则集存在相似或自相似关系，2)中设定的基本规则对最终演化出的控制规则集有约束引导解空间作用。

5)建立自演化智能系统：基于自演化后输出的控制规则集，通过协调飞行控制模块和机载中央处理器之间的数据通信，建立整个自演化智能系统。

步骤二，建立好具有自平衡功能和运动控制系统的飞行控制模块后，投入实际飞行。如图4所示，通过在所述的两个非对称电极上施加数值可变的电压U(左右两侧机翼电压强度分别为U1、U2)，使空气被电离放电，飞行器在气流形成的反向推力下开始向前运动。两个非对称的电极附近的电场E(左右两侧电场强度分别为E1、E2)加速带电粒子，并通过与空气中的中性分子发生连续碰撞，产生级联电离。

气流中的正电荷离子从离子发生器的正极向负极的运动受高斯定理支配：

其中，E是离子发生器两级间电场强度，x为正电荷离子和离子发生器正极之间的距离，U为施加在离子发生器正负两极之间的电压，ρ是空气电荷密度，ε₀是空气介电常数。

假设气体为无粘流体，此时流体的动量方程由欧拉方程控制：

其中，p为单位距离中带电粒子产生的推力。单侧机翼内部的离子发生器所能产生的推动飞行器前进的压强为：

其中S为离子发生器两级间电场截面的面积，l为两电极间距离，

为两极间电场的平均电场强度。单侧机翼中的离子发生器推力功率比的公式如下：

其中P为离子发生器的功率，j为两极间电流密度，v为空气流速，μ为离子迁移率。可根据需求推力功率比计算出平均电场强度

进而求得离子发生器两极需施加的电压大小。

由于机翼外部呈流线型构造，前向飞行过程中依靠气压差产生升力，使得飞行器可向上运动。飞行器所受到的升力收伯努利方程支配，单侧机翼提供的升力：

其中，ρ₀为空气密度，A为单侧机翼面积，v₀是飞行器飞行速度，C_L是机翼的升力系数。离子发生器两极间电场加速度的离子流产生的推力使得飞行器满足最小初速度，产生的升力大于飞行器重力G时即可实现飞行器向上运动。

步骤三，改变环境中初始气流流速与方向，不断训练迭代，当机身稳定程度较低时，增加新的控制规则，替代原有控制规则，来适应环境的变化。

步骤四，保存训练好的控制规则集，飞行器停止运动，等待下一次飞行。

实施例2：

下面以飞行器自适应环境改变姿态与航线为例，具体说明飞行器在复杂环境下的飞行控制方法。

步骤一，飞行器处于初始的静止状态放置于地面，以飞行器在该状态下的前向方向为x轴正方向；飞行器右翼延展方向为y轴正方向；飞行器上方方向为z轴正方向，建立空间三维坐标系。飞行器搭载摄像头、飞行控制模块、机载中央处理器(含传感器元件)等装置,传感器元件包括陀螺仪、加速度计、磁力计、GPS模块。基于自演化的控制方法，建立控制系统。

所述的自演化控制方法具体步骤如下：

1)关键变量选择与测定：选取环境中影响机理模型的关键变量，包括飞行器控制变量、环境控制变量等。所述的飞行器控制变量包括飞行器的初始速度v，飞行器的高度h,离子发生器产生的两级电压U1、U2，平均电场强度

机翼在三个方向上的偏转角度θ、

φ_l、φ_r以及它们的一次、二次导数，所涉及到的环境变量包括气流的自由流速v0、介电常数ε0、气体电荷密度ρ。

2)设定机理模型和演化目标：设定基本的物理规则，即建立关键变量需要遵守的物理规则；设定演化目标，即建立飞行器稳定飞行需要满足的关键变量的演化目标；所述的物理规则包括飞行器结构的物理规则和演化环境下的物理规则；所述的演化环境包括如狭缝等各种不同方向、不同流速空气气流下的空间环境。

3)基本控制规则集生成：在模拟物理仿真空间进行飞行器在流速恒定的对向气流环境下的物理仿真，通过进化算法进行筛选，得到以带能保持飞行器基本平稳飞行的控制方法。其中，飞行器对环境的适应度通过飞行器各变量是否在正常区间中的某个值或稳定来衡量；所述的正常区间可以为所加在飞行器机翼左侧两极之间的电压E1在可实现范围内。再通过这些方法产生数据，即通过这些飞行器控制策略在模拟物理仿真空间进行飞行器飞行，得到能保持基本平衡的飞行器控制数据。通过数据进行控制规则的建立，并将细化规则逐渐归纳为基本的控制规则集。

4)自演化：在基本飞行器稳定飞行规则集的基础上，不断提高所需要的控制精度以及环境变量的复杂程度，对已有的控制规则集不断迭代，最终得到一个演化后的能够适应一定复杂环境且具有一定控制精度的控制规则集；所述的控制精度是指控制飞行器飞行的准确性和稳定性；所述的环境变量的复杂程度是指环境气流的流速不同，自然气流的方向有所不同，到不断随机出现从少到多的不定向气流；所述的所述的形成新的控制规则集的方法是控制规则或控制规则组的随机增加，若基本控制规则集加新规则的控制结果不符合目标则重新随机增加，反之则将新的控制规则或控制规则组划入控制规则集；增加控制规则后的规则集是基本控制规则集的迭代演化，且与之前的基本控制规则集存在相似或自相似关系，2)中设定的基本规则对最终演化出的控制规则集有约束引导解空间作用。

5)建立自演化智能系统：基于自演化后输出的控制规则集，通过协调飞行控制模块和机载中央处理器之间的数据通信，建立整个自演化智能系统。

步骤二，飞行器平稳起飞，按照前述自演化控制方法，按照预设航线飞行。

步骤三，所述的机载摄像头位于飞行器前方，摄取飞行器环境画面并传输至中央处理器分析。中央处理器根据实时传输回来的画面，计算得到飞行器前方10米处出现障碍物。中央处理器进行避障计算，规划新的飞行航线，并向飞行控制模块发送指令，再由飞行控制模块中的控制器控制对应的伺服电机A1和A2、伺服电机B1和B2以及伺服电机C1和C2。根据飞行器运动控制方法，调节机翼偏转角度，进而改变飞行器航向。

如图5-a、图5-b和图5-c所示，所述的伺服电机A1、A2分别位于机架内部的左右两侧，控制两侧机翼绕y轴的偏转角度θ，为机翼下平面与y-z平面呈锐角的夹角，θ为正数时表示机翼向z轴正方向偏转，θ为负数时表示机翼向z轴负方向偏转；所述的伺服电机B1、B2分别位于机架内部的左右两侧，控制两侧机翼绕z轴的偏转角度

为机翼前进方向与x-z平面呈锐角的夹角，

为正数时表示机翼向y轴正方向偏转，

为负数时表示机翼向y轴负方向偏转；所述的伺服电机C1、C2分别位于机架内部的左右两侧，控制左右两侧机翼分别绕x轴的偏转角度φ_l和φ_r，分别为机翼下平面与x-y平面呈锐角的夹角，左侧机翼偏转角度为φ_l，φ_l为非负数，表示左侧机翼向z轴负方向的偏转角度，右侧机翼偏转角度为φ_r，φ_r为非负数，表示右侧机翼向z轴负方向的偏转角度。

飞行器的姿态控制可分为三类：俯仰、偏航和横滚。分别对应着飞行器的上下运动、左右运动和转向运动，具体如下：

所述的飞行器俯仰运动受飞行控制模块中的控制器控制，伺服电机A1、A2接收飞行控制模块传输的指令改变机翼绕y轴的偏转角度θ；

所述的飞行器偏航运动受飞行控制模块中的控制器控制，伺服电机B1、B2接收飞行控制模块传输的指令改变机翼绕z轴的偏转角度

所述的飞行器横滚运动受飞行控制模块中的控制器控制，伺服电机C1、C2分别接收飞行控制模块传输的指令改变左右两侧机翼绕x轴的偏转角度φ_l、φ_r。

如图6和图7所示，飞行器运动控制方法具体如下：

1)飞行控制模块调节：飞行控制模块通过读取内部传感器元件的数值，获得飞行器高度、机翼偏转角度等信息。并将信息传输至机载中央处理器。

2)机载中央处理器调节：根据接收的飞行控制模块传输的信息，并结合机载摄像头传输至机载中央处理器的周围环境障碍物画面，经过距离分析向飞行控制模块下达控制指令。

3)飞行控制模块接受机载中央处理器的控制指令，根据控制要求，通过飞行控制模块内部的控制器，控制机翼的偏转，进而实现飞行器的控制。

步骤四，飞行器按照新建航线返回并平稳停止，等待下一次飞行。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器，其特征在于，包括机翼、机架、飞行控制模块、机载中央处理器、伺服电机组；

所述机翼和机架组成飞行器的外部结构；所述机翼有两个，对称安装在机架两侧，机翼的上部呈流线型结构；两个机翼内部均包含离子发生器，用于电离空气产生带电粒子；

所述的离子发生器包括两个非对称的电极；通过在所述的两个非对称电极上施加数值可变的电压U，左右两侧机翼电压强度分别为U1、U2，使空气被电离放电；两个非对称的电极附近的电场E，左右两侧电场强度分别为E1、E2，加速带电粒子，并通过与空气中的中性分子发生连续碰撞，产生级联电离；

气流中的正电荷离子从离子发生器的正极向负极的运动受高斯定理支配：

其中，E是离子发生器两级间电场强度，x为正电荷离子和离子发生器正极之间的距离，U为施加在离子发生器正负两极之间的电压，ρ是空气电荷密度，ε₀是空气介电常数；

假设气体为无粘流体，此时流体的动量方程由欧拉方程控制：

其中，p为单位距离中带电粒子产生的推力；

单侧机翼内部的离子发生器所能产生的推动飞行器前进的压强为：

其中S为离子发生器两级间电场截面的面积，l为两电极间距离，

为两极间电场的平均电场强度；

单侧机翼中的离子发生器推力功率比的公式如下：

其中P为离子发生器的功率，j为两极间电流密度，v为空气流速，μ为离子迁移率；可根据需求推力功率比计算出平均电场强度

进而求得离子发生器两极需施加的电压大小；

所述的机架外部结构为轴对称结构；机架内部包含飞行控制模块、机载中央处理器、三组伺服电机；所述三组伺服电机分别为伺服电机A1和A2、伺服电机B1和B2以及伺服电机C1和C2；

所述的飞行控制模块用于控制飞行器飞行，并保持飞行器飞行的稳定；飞行控制模块包含控制器、检测飞行器状态的传感器元件和视觉定位系统；

所述传感器元件和视觉定位系统实时采集飞行器的状态数据，并将数据传输给机载中央处理器；

所述的机载中央处理器用于处理飞行器的状态数据以及发送控制指令到飞行控制模块中的控制器，通过控制器调整伺服电机A1、A2控制的机翼偏转角度θ，伺服电机B1、B2控制的机翼偏转角度

伺服电机C1、C2控制的机翼偏转角度φ_l、φ_r。

2.根据权利要求1所述的一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器，其特征在于，所述的检测飞行器状态的传感器元件包括陀螺仪、加速度计、磁力计、GPS模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器，其特征在于，控制器调整机翼的偏转角度具体如下：

以飞行器初始状态下前向方向为x轴正方向；飞行器右翼延展方向为y轴正方向；以飞行器上方方向为z轴正方向，建立空间三维坐标系；

所述的伺服电机A1、A2分别位于机架内部的左右两侧，控制两侧机翼绕y轴的偏转角度θ，为机翼下平面与y-z平面呈锐角的夹角，θ为正数时表示机翼向z轴正方向偏转，θ为负数时表示机翼向z轴负方向偏转；所述的伺服电机B1、B2分别位于机架内部的左右两侧，控制两侧机翼绕z轴的偏转角度

为机翼前进方向与x-z平面呈锐角的夹角，

为正数时表示机翼向y轴正方向偏转，

为负数时表示机翼向y轴负方向偏转；所述的伺服电机C1、C2分别位于机架内部的左右两侧，控制左右两侧机翼分别绕x轴的偏转角度φ_l和φ_r，分别为机翼下平面与x-y平面呈锐角的夹角，左侧机翼偏转角度为φ_l，φ_l为非负数，表示左侧机翼向z轴负方向的偏转角度，右侧机翼偏转角度为φ_r，φ_r为非负数，表示右侧机翼向z轴负方向的偏转角度。

4.根据权利要求1所述的一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器，其特征在于，该飞行器还包括机载摄像头，机载中央处理器接受机载摄像头读取的实时画面，记录飞行器周围的飞行环境并计算与障碍物的距离，同时计算出避障飞行轨迹，将控制指令发送到所述的飞行控制模块中的控制器，从而控制飞行器的运动。

5.根据权利要求1所述的一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器，其特征在于，该飞行器还包括电源组件，所述电源组件由两部分组成，一部分给所述的三组伺服电机、机载摄像头、飞行控制模块、机载中央处理器供电，另一部分提供离子发生器所需的电压。

6.一种基于权利要求1所述的电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器的控制方法，其特征在于，该方法包含了两个部分，一个是飞行器自演化、自适应环境的控制方法；另一个是飞行器运动控制方法；

所述的飞行器自演化、自适应环境的控制方法具体步骤如下：

1)关键变量选择与测定：选取环境中影响机理模型的关键变量，包括飞行器控制变量、环境控制变量；所述的飞行器控制变量包括飞行器的初始速度v₀，飞行器的高度h,离子发生器产生的两级电压U1、U2，非对称的两电极之间的平均电场强度

机翼在空间三维坐标系中绕三个坐标轴的偏转角度θ、

φ_l、φ_r以及它们的一次、二次导数，所述的环境变量包括空气自由流速v、空气介电常数ε₀、空气电荷密度ρ；所述的空气自由流速v在空间三维坐标系中沿三个坐标轴可分解为三个方向的速度分量v_x,v_y,v_z；

2)设定机理模型：设定基本的物理规则，即建立关键变量需要遵守的物理规则；所述的物理规则包括飞行器结构的物理规则和演化环境下的物理规则；所述的演化环境包括各种不同方向、不同流速空气气流下的空间环境；

3)基本控制规则集生成：在仿真环境下进行飞行器在空气流速恒定的对向气流环境下的物理仿真，通过进化算法进行筛选，得到能保持飞行器平稳飞行的控制规则；其中，飞行器对环境的适应度通过飞行器各关键变量是否在正常区间内来衡量，所述的正常区间为飞行器各变关键量在可实现范围内；再通过控制规则产生数据，即通过这些控制规则在仿真环境下进行飞行器飞行，得到能保持飞行器平衡飞行的控制数据；再通过这些数据进行新的控制规则的建立，并将得到的所有控制规则逐渐归纳为基本的控制规则集；

4)自演化：在飞行器保持稳定飞行的基本控制规则集的基础上，不断提高所需要的控制精度以及环境变量的复杂程度，对已有的控制规则集不断迭代，最终得到一个演化后的能够适应一定复杂环境且具有一定控制精度的控制规则集；所述的控制精度是指控制飞行器飞行的准确性和稳定性；所述的环境变量的复杂程度是指空气的气流流速不同，气流的方向有所不同，到不断随机出现从少到多的不定向空气气流；形成新的控制规则集的过程是控制规则的随机增加，若基本控制规则集加上随机增加的控制规则的控制结果不符合控制精度目标则重新随机增加控制规则，反之则将随机增加的控制规则加入基本控制规则集，形成新的控制规则集；增加控制规则后的控制规则集是基本控制规则集的迭代演化，且与之前的基本控制规则集存在相似或自相似关系，步骤2)中设定的基本规则对最终演化出的控制规则集有约束引导解空间作用；

5)建立自演化智能系统：基于自演化后输出的控制规则集，并结合飞行控制模块和机载中央处理器之间的数据通信，建立整个自演化智能系统；

所述的飞行器运动控制方法具体如下：

a)飞行控制模块调节：飞行控制模块通过读取内部传感器元件的数值，获得飞行器高度、机翼偏转角度信息；并将信息传输至机载中央处理器；

b)机载中央处理器调节：根据接收的飞行控制模块传输的信息，并结合机载摄像头传输至机载中央处理器的周围环境障碍物画面，经过距离分析向飞行控制模块下达控制指令；

c)飞行控制模块接受机载中央处理器的控制指令，根据控制要求，通过飞行控制模块内部的控制器，控制机翼的偏转，进而实现飞行器的控制。

7.根据权利要求6所述的一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器的控制方法，其特征在于，飞行器的姿态控制可分为三类：俯仰、偏航和横滚；分别对应着飞行器的上下运动、左右运动和转向运动，具体如下：

所述的飞行器俯仰运动受飞行控制模块中的控制器控制，伺服电机A1、A2接收飞行控制模块传输的指令改变机翼绕y轴的偏转角度θ；

所述的飞行器偏航运动受飞行控制模块中的控制器控制，伺服电机B1、B2接收飞行控制模块传输的指令改变机翼绕z轴的偏转角度

所述的飞行器横滚运动受飞行控制模块中的控制器控制，伺服电机C1、C2分别接收飞行控制模块传输的指令改变左右两侧机翼绕x轴的偏转角度φ_l、φ_r。

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