CN111232208A - 翼尖柔性连接固定翼组合无人机及其姿态控制方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种翼尖柔性连接固定翼组合无人机及其姿态控制方法，其翼尖柔性连接固定翼组合无人机包括，一个中心单机和多个非中心单机；所述非中心单机对称设置于所述中心单机两侧，且相邻两个中心单机和/或非中心单机的机翼翼尖位置柔性连接。本公开既能够完成柔性组合体无人机的姿态控制，又能够使系统具有一定的抗干扰性，硬件成本低，组合方式灵活，控制方法简单，易于实现。
Description
技术领域
本公开涉及飞行器制导、导航与控制领域，尤其涉及一种翼尖柔性连接固定翼组合无人机及其姿态控制方法。
背景技术
固定翼飞机的机翼产生升力时，机翼下表面的压力比上表面的大，而机翼翼展长度又是有限的，所以下翼面的高压气流会绕过两端翼尖，力图向上翼面的低压区流去。当气流绕过翼尖时，在翼尖部分形成翼尖涡流，进而形成下洗流，导致诱导阻力。诱导阻力影响了飞机的气动性能，降低了航程航时。利用仿生学原理和空气动力学理论，一种解决诱导阻力问题的创新思路是将多架飞机机翼通过翼尖链接机构相连，形成组合式无人机。组合式无人机消除了单个飞机的翼尖涡和诱导阻力，同时增加了飞机展弦比，因此组合无人机比单个飞机具有更高的升阻比，能获得更远的航程和更大的装载量增益。在执行任务方面，组合式无人机具有较高的自由度。单个飞机适合执行小范围任务；组合时，利用航程远、载重大等优势可以执行大型任务。由于飞机结构的更新，飞行控制相比单机更为复杂，而姿态控制技术将是组合无人机的关键技术之一，目前还少有针对此类组合体的飞行控制技术，这是因为：1.组合体的飞行控制由多个单机协调完成，而整体和单机飞行姿态高度耦合，故需设计新的控制逻辑；2.根据新控制逻辑，需选择适合组合体的硬件连接方式。
由于通过翼尖连接使多架无人机构成一个整体，因此单机通过改变舵面和电机转速进行姿态控制时，除了会影响到本身的姿态，同时也会对飞机整体姿态造成影响；同时控制整体姿态时，由中心飞控机发指令控制所有舵机和电机，此时单机的舵面和电机都被当作整体无人机的一部分，则单机本身的飞行姿态会受到影响，由于其自身气动特性的作用，可能会反过来威胁飞机整体的稳定性。因此需要针对组合式无人机飞行姿态控制的特点，研究合理的飞行控制逻辑，从而保证组合整体姿态控制的有效性和稳定性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种翼尖柔性连接固定翼组合无人机及其姿态控制方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种翼尖柔性连接固定翼组合无人机，包括：一个中心单机和多个非中心单机；所述非中心单机对称设置于所述中心单机两侧，且相邻两个中心单机和/或非中心单机的机翼翼尖位置柔性材料连接。
在本公开的一些实施例中，所述中心单机包括：
中心飞控机，用于分析处理所述中心单机和所述非中心单机的信息，同时控制中心单机的姿态；
接收机，与所述中心飞控机电性相连；所述接收机用于接收地面站信号，并发送至所述中心飞控机；
所述非中心单机包括：
非中心飞控机，与所述中心飞控机电性相连，所述非中心飞控机用于与所述中心飞控机进行信号交换，所述中心飞控机向所述非中心飞控机发送指令，所述非中心飞控机向所述中心飞控机回传状态信息，以控制所述非中心单机的姿态。
在本公开的一些实施例中，所述柔性材料为弹性橡胶材料；所述柔性材料的连接方式为可拆解的变柔性链接。
在本公开的一些实施例中，所述中心单机和非中心单机还包括：升降舵、舵机、电机、电调和储能电池，分别通过线缆连接；所述升降舵用于提供气动力矩；所述舵机用于控制舵面转动；所述电机用于为螺旋桨提供转矩；所述电调用于调节电机转速；所述储能电池用于为飞控及电机供电。
根据本公开的一个方面，还提供了一种翼尖柔性连接固定翼组合无人机的姿态控制方法，包括：
步骤A：中心无人机上的接受机接收地面站发出的指令并传给中心飞控机，中心飞控机根据当前系统状态发布信息并传输至各个非中心飞控机，同时发出对于自身舵面及电机的指令；各个非中心飞控机将信息处理后传送至各个非中心单机的舵机和电机执行；
步骤B：中心飞控机接收非中心飞控机对非中心单机的飞行状态进行的判断，作为中心飞控机分配姿态指令的判断依据；
步骤C：中心飞控机以周期方式运行，根据其他单机飞行状态决定整机飞行状态。
在本公开的一些实施例中，所述步骤A包括
子步骤A1：中心无人机上的接受机接收地面站发出的指令并传给中心飞控机；
子步骤A2：中心飞控机根据当前系统状态发布信息并传输至各个非中心飞控机，同时发出对于自身舵面及电机的指令；各个非中心飞控机将信息处理后传送至各个非中心单机的舵机和电机执行；
子步骤A3：中心飞控机接收中心单机和/或非中心单机的飞行状态。
在本公开的一些实施例中，所述步骤B包括
子步骤B1：中心飞控机判断非稳定飞行状态的单机数量占单机总量的比例是否在预设范围内；
子步骤B2：如在预设范围内，则进入正常运行状态；
子步骤B3：如不在预设范围内，则进入应急模式。
在本公开的一些实施例中，所述子步骤A2包括：
子分步骤A21：非中心飞控机接收中心飞控机发送的信息，非中心飞控机将信息处理为指令；
子分步骤A22：非中心飞控机将指令传送至非中心单机的舵机和电机执行；
子分步骤A23：非中心飞控机判断自身飞行状态，回传至中心飞控机。
在本公开的一些实施例中，子步骤B3中整机进入应急模式时，中心飞控机向其他非中心飞控机发出自控指令，向中心单机发出自身舵机回零，电机转速不变的指令。
在本公开的一些实施例中，子步骤B2中进入正常运行状态，中心飞控机根据接收机传送的信息，分配姿态指令包括：
滚转方向令中心单机和非中心单机的副翼均进行差动；
偏航方向令非中心单机的电机转速进行差动；以及
俯仰方向令中心单机和非中心单机的升降舵均同向偏转。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开翼尖柔性连接固定翼组合无人机及其姿态控制方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本公开既能够完成柔性组合体无人机的姿态控制，又能够使系统具有一定的抗干扰性，硬件成本低，组合方式灵活，控制方法简单，易于实现。
(2)本公开由多架单机通过柔性结构连接，具有滚转方向上的自由度和恢复形变能力。
附图说明
图1为本公开实施例翼尖柔性连接固定翼组合无人机结构示意图。
图2为本发明的信号传输示意图。
图3为本公开实施例翼尖柔性连接固定翼组合无人机的姿态控制方法流程框图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
100-中心单机；
110-中心飞控机；
120-接收机；
200-非中心单机；
210-非中心飞控机；
300-副翼；
400-升降舵；
500-舵机；
600-电机；
700-电调；
800-储能电池；
900-线缆；
1000-柔性材料。
具体实施方式
本公开提供了一种翼尖柔性连接固定翼组合无人机及其姿态控制方法，其翼尖柔性连接固定翼组合无人机包括，一个中心单机和多个非中心单机；所述非中心单机对称设置于所述中心单机两侧，且相邻两个中心单机和/或非中心单机的机翼翼尖位置柔性连接。中心单机，包括中心飞控机、接收机、升降舵、舵机、电机、电调和储能电池。非中心单机，包括非中心飞控机、升降舵、舵机、电机、电调和储能电池。本公开既能够完成柔性组合体无人机的姿态控制，又能够使系统具有一定的抗干扰性，硬件成本低，组合方式灵活，控制方法简单，易于实现。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
以下分别对本实施例速调管的各个组成部分进行详细描述。
中心飞控机，用于分析处理中心单机和非中心单机的信息，同时控制中心单机的姿态。
接收机，与中心飞控机电性相连；接收机用于接收地面站信号，并发送至中心飞控机。
非中心飞控机，与中心飞控机电性相连，非中心飞控机用于与中心飞控机进行信号交换，中心飞控机向非中心飞控机发送指令，非中心飞控机向中心飞控机回传状态信息，以控制非中心单机的姿态。
升降舵，提供气动力矩。
舵机，控制舵面转动。
电机，为螺旋桨提供转矩。
电调和储能电池，调节电机转速及为飞控及电机供电。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种翼尖柔性连接固定翼组合无人机。图1为本公开实施例翼尖柔性连接固定翼组合无人机结构示意图。如图1所示，本公开翼尖柔性连接固定翼组合无人机包括0号中心单机100、1号非中心单机200、2号非中心单机200、3号非中心单机200和4号非中心单机200。如图1所示，0号中心单机100位于中间，左侧设置有1号非中心单机200和3号非中心单机200，右侧设置有2号非中心单机200和4号非中心单机200。相邻两个中心单机100和/或非中心单机200的机翼翼尖位置通过柔性材料1000连接。中心单机100包括，中心飞控机110、接收机120、副翼300、升降舵400、舵机500、电机600、电调700、储能电池800及其之间连接的线缆900。非中心单机200包括，非中心飞控机210、副翼300、升降舵400、舵机500、电机600、电调700、储能电池800及其之间连接的线缆900。全机线缆900从中心飞控机110出发，连接所有非中心飞控机210，既能够使非中心无人机将自身飞行状态反馈给中心无人机，作为其控制方法的判断依据；也能够将中心无人机的指令传给非中心无人机，以完成对翼尖柔性连接固定翼组合无人机的控制。
关于柔性材料1000为弹性橡胶材料中一种或多种，本领域技术人员能够获知的弹性橡胶材料均在本公开范围内。
关于柔性材料1000的连接方式为可拆解的变柔性链接，本领域技术人员能够获知的可拆解的变柔性链接均在本公开范围内。
如图2所示，地面站发出指令，由中心单机上的接收机接收并传给中心飞控机。中心飞控机进行解算后，将中心单机的姿态指令传给舵机及电机，其他非中心单机的姿态指令经过全机线缆传给所有非中心飞控机，对应的非中心飞控机将信息处理后传给自身舵机及电机执行。
其中，非中心飞控根据传感器数据对本机的飞行状态进行判断，并将判断结果通过全机线缆回传给中心飞控机，作为中心飞控机姿态模式切换的判断依据。
在本公开还提供了一种翼尖柔性连接固定翼组合无人机的姿态控制方法，如图3所示，包括：
步骤A：中心无人机上的接受机接收地面站发出的指令并传给中心飞控机，中心飞控机根据当前系统状态发布指令并传输至各个非中心飞控机，同时发出对于自身舵面及电机的指令；各个非中心飞控机将信息处理后传送至各个非中心单机的舵机和电机执行。所述步骤A包括：
子步骤A1：中心无人机上的接受机接收地面站发出的指令并传给中心飞控机。
子步骤A2：中心飞控机根据当前系统状态发布信息并传输至各个非中心飞控机，同时发出对于自身舵面及电机的指令；各个非中心飞控机将信息处理后传送至各个非中心单机的舵机和电机执行。子步骤A2包括：
子分步骤A21：非中心飞控机接收中心飞控机发送的信息，非中心飞控机将信息处理为指令；
子分步骤A22：非中心飞控机将指令传送至非中心单机的舵机和电机执行；
子分步骤A23：非中心飞控机判断自身飞行状态，回传至中心飞控机。
子步骤A3：中心飞控机接收中心单机和/或非中心单机的飞行状态。
中心飞控机判断系统处于正常运行状态时，则中心飞控机根据接收机传送的信息，分配姿态指令。具体的，中心飞控机分配姿态指令时，在滚转方向令中心单机和非中心单机的副翼均进行差动。中心飞控机分配姿态指令时，在偏航方向令非中心单机的电机转速进行差动。中心飞控机分配姿态指令时，在俯仰方向令中心单机和非中心单机的升降舵均同向偏转。
在一具体实施方式中，正常工作状态下对翼尖柔性连接固定翼组合无人机的整机姿态信息进行分配。具体的，
滚转方向，以中心单机为中间位置，非中心单机两侧的副翼进行差动，即一侧非中心单机的副翼舵机向一侧偏转同一舵量，另一侧非中心单机的副翼舵机向另一侧偏转同等大小的舵量，所有舵面共同为整机提供所需滚转力矩。
俯仰方向，所有单机(中心单机和非中心单机)的升降舵向同一方向偏转相同舵量，共同为翼尖柔性连接固定翼组合无人机的整机提供所需俯仰力矩。
偏航方向，一侧非中心单机的电机增加(或减少)同等转速，另一侧非中心单机的电机减少(或增加)同等转速，中心单机的电机转速不变，使两侧的电机实现差动，共同为整机提供所需偏航力矩。
电机转速仅在翼尖柔性连接固定翼组合无人机起飞和降落期间以及需要产生偏航运动时进行调整，调整信息由中心飞控机进行发出，非中心单机不发出电机调速信息。
单机(中心单机和非中心单机)调整自身空速时，不能改变电机转速，需要通过能量法，即更改俯仰角完成。
整机进入应急模式时，中心飞控机向其他非中心飞控机发出自控指令，向中心单机发出自身舵机回零，电机转速不变的指令。
步骤B：中心飞控机接收非中心飞控机对非中心单机的飞行状态进行的判断，作为中心飞控机分配姿态指令的判断依据。所述步骤B包括
子步骤B1：中心飞控机判断非稳定飞行状态的单机数量占单机总量的比例是否在预设范围内；如在预设范围内，则进入正常运行状态。需要说明的是本公开中提到的预设范围可根据环境和任务情况进行调整，一般设置为20％。
子步骤B2：如在预设范围内，则进入正常运行状态。
子步骤B3：如不在预设范围内，则进入应急模式，中心飞控机向其他非中心飞控机发出自控指令，向中心单机发出自身舵机回零，电机转速不变的指令。
步骤C：中心飞控机以周期方式运行，根据其他单机飞行状态决定整机飞行状态。系统处于应急状态时，中心飞控机向中心单机发出自身舵机回零，电机转速不变的指令，同时向其他非中心飞控机发出自控指令。非中心单机接到指令后，非中心单机姿态由非中心飞控机进行控制，目标是回到稳定飞行状态。非中心飞控机执行当前指令直至收到中心飞控机发来的新指令。
需要具体说明的是，单机稳定飞行状态的判断标准为其滚转角及俯仰角在一定范围内。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开翼尖柔性连接固定翼组合无人机及其姿态控制方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供一种翼尖柔性连接固定翼组合无人机及其姿态控制方法，可以实现多架无人机组合成的组合体整体姿态调整。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种翼尖柔性连接固定翼组合无人机，包括：一个中心单机和多个非中心单机；所述非中心单机对称设置于所述中心单机两侧，且相邻两个中心单机和/或非中心单机的机翼翼尖位置柔性材料连接。
2.根据权利要求1所述的翼尖柔性连接固定翼组合无人机，其中，所述中心单机包括：
中心飞控机，用于分析处理所述中心单机和所述非中心单机的信息，同时控制中心单机的姿态；
接收机，与所述中心飞控机电性相连；所述接收机用于接收地面站信号，并发送至所述中心飞控机；
所述非中心单机包括：
非中心飞控机，与所述中心飞控机电性相连，所述非中心飞控机用于与所述中心飞控机进行信号交换，所述中心飞控机向所述非中心飞控机发送指令，所述非中心飞控机向所述中心飞控机回传状态信息，以控制所述非中心单机的姿态。
3.根据权利要求1所述的翼尖柔性连接固定翼组合无人机，其中，所述柔性材料为弹性橡胶材料；所述柔性材料的连接方式为可拆解的变柔性链接。
4.根据权利要求1至3任一项所述的翼尖柔性连接固定翼组合无人机，其中，所述中心单机和非中心单机还包括：升降舵、舵机、电机、电调和储能电池，分别通过线缆连接；所述升降舵用于提供气动力矩；所述舵机用于控制舵面转动；所述电机用于为螺旋桨提供转矩；所述电调用于调节电机转速；所述储能电池用于为飞控及电机供电。
5.一种翼尖柔性连接固定翼组合无人机的姿态控制方法，包括：
步骤A：中心无人机上的接受机接收地面站发出的指令并传给中心飞控机，中心飞控机根据当前系统状态发布信息并传输至各个非中心飞控机，同时发出对于自身舵面及电机的指令；各个非中心飞控机将信息处理后传送至各个非中心单机的舵机和电机执行；
步骤B：中心飞控机接收非中心飞控机对非中心单机的飞行状态进行的判断，作为中心飞控机分配姿态指令的判断依据；
步骤C：中心飞控机以周期方式运行，根据其他单机飞行状态决定整机飞行状态。
6.根据权利要求5所述的姿态控制方法，其中，所述步骤A包括
子步骤A1：中心无人机上的接受机接收地面站发出的指令并传给中心飞控机；
子步骤A2：中心飞控机根据当前系统状态发布信息并传输至各个非中心飞控机，同时发出对于自身舵面及电机的指令；各个非中心飞控机将信息处理后传送至各个非中心单机的舵机和电机执行；
子步骤A3：中心飞控机接收中心单机和/或非中心单机的飞行状态。
7.根据权利要求5所述的姿态控制方法，其中，所述步骤B包括
子步骤B1：中心飞控机判断非稳定飞行状态的单机数量占单机总量的比例是否在预设范围内；
子步骤B2：如在预设范围内，则进入正常运行状态；
子步骤B3：如不在预设范围内，则进入应急模式。
8.根据权利要求6所述的姿态控制方法，其中，所述子步骤A2包括：
子分步骤A21：非中心飞控机接收中心飞控机发送的信息，非中心飞控机将信息处理为指令；
子分步骤A22：非中心飞控机将指令传送至非中心单机的舵机和电机执行；
子分步骤A23：非中心飞控机判断自身飞行状态，回传至中心飞控机。
9.根据权利要求7所述的姿态控制方法，其中，子步骤B3中整机进入应急模式时，中心飞控机向其他非中心飞控机发出自控指令，向中心单机发出自身舵机回零，电机转速不变的指令。
10.根据权利要求7所述的姿态控制方法，其中，子步骤B2中进入正常运行状态，中心飞控机根据接收机传送的信息，分配姿态指令包括：
滚转方向令中心单机和非中心单机的副翼均进行差动；
偏航方向令非中心单机的电机转速进行差动；以及
俯仰方向令中心单机和非中心单机的升降舵均同向偏转。
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