CN111413997B - 高抗风倾转旋翼系留无人机及其飞行控制方法 - Google Patents

Abstract

一种高抗风倾转旋翼系留无人机及其飞行控制方法，主要由风速风向传感器、系留线缆、倾转旋翼机构、航向控制舵面、飞行控制系统和系留线缆控制装置组成。风速风向传感器固定在安装支架上，测量无人机所在位置的风向和风速，为飞行控制系统提供风阻信息。倾转旋翼机构由两个可倾转的水平旋翼组成，通过倾转角度的控制，可调节向上的升力或向前的推力，控制飞行器的姿态和位置。飞行控制系统利用无人机的姿态和航向，以及风速和风向信息，通过抗风控制算法调节倾转旋翼机构倾转角度和舵机，实现高抗风功能。系留线缆控制装置实现系留线缆自动收放。本发明的抗风能力可达到8级以上，结构简单，自适应工作，使用便捷。

Description

高抗风倾转旋翼系留无人机及其飞行控制方法

技术领域

本发明涉及一种高抗风倾转旋翼系留无人机及其飞行控制方法。

背景技术

系留无人机通过系留线缆为无人机持续供电，具有长时滞空特点，可广泛用于通信中继、光电侦察监视、无线电侦测等领域。现有的系留无人机通过控制多旋翼的转速，改变无人机的姿态，调节垂直和水平两个方向升力的分解力大小，抵消水平和垂直方向的风阻，实现抗风功能，没有专用的抗风装置，抗风能力差，最大抗风能力为6级，风力大于6级时，无人机容易倾翻，发生坠机，严重限制系留无人机的应用场合。

发明内容

本发明提供一种高抗风倾转旋翼系留无人机及其飞行控制方法，通过气动构型设计、传感器集成和飞控算法调控，解决系留无人机抗风能力弱的问题。

为实现上述目的，本发明按以下技术方案予以实现：

一种高抗风倾转旋翼系留无人机，包括风速风向传感器、系留线缆、倾转旋翼机构、方向舵、机体、飞行控制系统和系留线缆控制装置，风速风向传感器通过安装支架安装在机体的底部，该安装支架4的底端通过万向节与系留线缆的上端连接，该系留线缆的下端与系留线缆控制装置连接；在该机体上装有一倾转旋翼机构，在该机体的后端铰接有两个与机体上面垂直的方向舵，其特征在于：所述的无人机控制系统包括安装在机体上的惯性导航传感器、位置传感器、速度传感器和高度传感器；所述的飞行控制系统通过惯性导航传感器1测量无人机的姿态和航向，通过位置传感器测量无人机的位置，通过速度传感器测量无人机的速度，通过高度传感器测量无人机的高度，同时接收风速风向传感器3测量的风速和风向；所述的飞行控制系统根据测量的风向，控制方向舵舵面的倾转角度，调节无人机航向，使得无人机的机头方向与水平方向风阻平行并指向相反的方向；所述的飞行控制系统根据测量的风速，控制水平旋翼的转速和倾转旋翼偏转的角度，调节垂直和水平方向的升力，以抵消风阻的变化。

所述的倾转旋翼机构由对称设在机体9两侧的可倾转的水平旋翼组成，通过水平旋翼倾转角度的调整可提供向上的升力或向前的推力；通过调节水平旋翼的转速来实现升力或推力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。

所述的系留线缆控制装置包括框架、绕线转轴、转轴电机、转轴控制器和扭矩传感器，绕线转轴转动连接在框架内，该系留线缆的一端缠绕在该绕线转轴上；该绕线转轴的一端与转轴电机的输出轴传动连接，通过绕线转轴的正反转控制系留线缆的收放；在该绕线转轴上装有扭矩传感器，该扭矩传感器的输出信号端与转轴控制器连接，该转轴控制器接收扭矩传感器测量的扭矩，换算成系留线缆的拉力，根据风速风向传感器测量的风速，调整转轴电机的输出扭矩，以调节系留线缆拉力的大小。

一种根据所述的高抗风倾转旋翼系留无人机的飞行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)系统上电，飞行控制系统对系统进行初始化；

2)用惯性导航传感器测量无人机的姿态和航向，用风速风向传感器测量风速和风向，用位置传感器测量无人机的水平位置，用速度传感器测量无人机的水平速度和垂直速度，用高度传感器测试无人机的高度；

3)利用无人机的位置和速度，飞行控制系统解算无人机的水平控制量和垂直控制量，以实现无人机的悬停；

4)利用无人机的姿态和航向，以及风速和风向信息，飞行控制系统的抗风控制算法解算无人机的目标航向；根据解算出的无人机的目标航向，控制舵机，调节无人机航向；

5)利用无人机的姿态和航向，以及风速和风向信息，飞行控制系统的抗风控制算法解算出倾转旋翼偏转角；

6)根据解算出的倾转旋翼偏转角，改变倾转旋翼偏转角，调节水平推力；

7)返回步骤2)。

所述的步骤3)的具体解算方法为：高度传感器测量到的高度数据Hm与设定高度Hsp的误差为Herr，通过PID控制率解算得到垂直方向的升力，垂直方向的控制量Ut；位置传感器测量得到的位置数据P_m与设定的位置P_sp的误差为P_err，通过PID控制算法可解算出期望的速度V_d；通过速度传感器测量无人机当前的速度V_m以及通过风速风向传感器1测量无人机所处位置当前的风速V_w，经过运算得到期望的速度差，通过PID控制算法可解算出期望的水平方向的控制量U_h。

所述的步骤4)的具体解算方法为：风向风速传感器1测量得到当前的风向Ψ_w，经过LPF滤波器后得到无人机期望的航向Ψ_d，惯性导航传感器测量得到无人机当前的航向Ψ_m,经过运算得到航向的误差Ψ_err,通过PID控制算法解算得到航向的控制量输出U_Ψ，根据航向控制量U_Ψ可控制方向舵面的倾转角度以提供航向的调整力矩，推动飞机航向的偏转。

所述的步骤5)的具体解算方法为：倾转旋翼的倾斜角度可根据风速的大小进行调整，倾转旋翼的倾斜角度与无人机所处位置的风速大小成正比，具体公式为：

S₁＝k·V_f

其中S₁为倾转旋翼的倾斜角度，k为偏转系数，V_f为风速大小；通过调节偏转系数k可使倾转旋翼产生的推力抵消无人机的水平风阻；

垂直方向的控制量Ut和水平方向的控制量U_h通过动力分配矩阵运算可得到两个倾转旋翼的转速M1、M2和倾转舵机的舵面偏角S1；

U_Ψ通过舵机曲线和方程的解算可得到航向舵机的偏角S2。

本发明的有益效果是：该倾转旋翼系留无人机与现有抗风技术相比，抗风能力可从6级提高到8级以上，结构简单，自适应工作，使用便捷。

附图说明

图1为本发明高抗风系留无人机的立体结构示意图；

图2为本发明高抗风系留无人机的后视图；

图3为本发明飞行控制系统的构成和控制原理图；

图4为本发明飞行控制系统的工作流程图；

图5为本发明系留线缆控制装置的结构示意图；

图6为本发明系留线缆控制装置的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的最佳实施例作进一步描述。

如图1和图2所示，本发明一种高抗风倾转旋翼系留无人机主要由风速风向传感器3、系留线缆6、倾转旋翼机构7、航向控制舵面8、飞行控制系统组成。

风速风向传感器3固定在安装支架4上，支架4一端固定在机体9上，另一端通过万向节5与系留线缆6固定，风速风向传感器3测量无人机所在位置的风向和风速，经过内部的信号处理单元将风向和风速转换为飞行控制系统可用的数字信号。

倾转旋翼机构7由两个可倾转的水平旋翼12组成。通过倾转角度的调整可提供向上的升力或向前的推力。通过调节电机转速来改变旋翼转速，实现升力或推力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。

航向控制舵面8由两个垂直的方向舵10组成，通过舵机可控制方向舵面的倾转角度以提供航向的调整力矩，推动飞机航向的偏转。

系留无人机垂直方向的风阻发生变化时，通过调节两侧的水平旋翼1的转速改变垂直向上的升力以抵消风阻的变化。水平方向的风阻由倾转旋翼7偏转一定的角度实现向前的推力以抵消水平方向的风阻。倾转旋翼7的倾斜角度可根据风速的大小进行调整，角度越大倾转旋翼在水平方向的分力越大。无人机的机头方向应与水平方向风阻平行并指向相反的方向。风向发生变化时，通过舵机控制方向舵10舵面的倾转角度以提供航向的调整力矩，推动飞机航向的偏转，以使无人机的机头方向与风向平行。

如图3所示：本发明所述的一种高抗风系留无人机的飞行控制系统包括以下步骤：

1)系统上电，飞行控制系统对系统进行初始化；

2)惯性导航传感器测量无人机的姿态和航向，风速风向传感器测量风速和风向；

3)利用无人机的姿态和航向，以及风速和风向信息，飞行控制系统解算出多旋翼的航向；

4)根据解算出的多旋翼航向值，控制舵机，调节无人机航向；

5)利用无人机的姿态和航向，以及风速和风向信息，飞行控制系统解算出倾转旋翼偏转角；

6)根据解算出的倾转旋翼偏转角，改变倾转旋翼偏转角，调节水平推力；

7)返回步骤2)。

如图4所示：本发明所述的一种高抗风系留无人机的飞行控制系统的控制原理(流程)如下：

高度传感器测量到的高度数据Hm与设定高度Hsp的误差为Herr，通过PID控制率解算得到垂直方向的控制量Ut。

位置传感器测量得到的位置数据P_m与设定的位置P_sp的误差为P_err，通过PID控制算法可解算出无人机的期望的速度V_d。通过速度传感器测量无人机当前的速度V_m以及通过风速风向传感器测量无人机所处位置当前的风速V_w，经过运算得到期望的速度差(V_d+V_w-V_m)，通过PID控制算法可解算出期望的水平方向的控制量U_h。期望的速度V_d是指无人机的期望速度，系留无人机悬停时无人机的期望速度为0；速度V_m是指无人机相对于地面的实际速度。

垂直方向的控制量Ut和水平方向的控制量U_h通过矩阵Mix运算可得到两个倾转旋翼1驱动电动M1、M2的转速和倾转舵机的(倾转旋翼的倾转舵机)舵面偏角S1。

风向风速传感器3测量得到当前的风向Ψ_w，经过LPF滤波器后得到无人机期望的航向Ψ_d，航向传感器测量得到无人机当前的航向Ψ_m,经过运算得到航向的误差Ψ_err,通过PID控制算法解算得到航向的控制量输出U_Ψ。U_Ψ通过舵机曲线和方程的解算可得到航向舵机的偏角S2。

如图5所示：本发明所述的系留线缆控制装置A包括框架15、绕线转轴11、转轴电机12、转轴控制器13和扭矩传感器14，绕线转轴11转动连接在框架15内，该系留线缆6的一端缠绕在该绕线转轴11上；该绕线转轴11的一端与转轴电机12的输出轴传动连接，通过绕线转轴11的正反转控制系留线缆6的收放；在该绕线转轴11上装有扭矩传感器14，该扭矩传感器14的输出信号端与转轴控制器13连接，该转轴控制器13接收扭矩传感器14测量的扭矩，换算成系留线缆6的拉力，根据风速风向传感器3测量的风速，调整转轴电机12的输出扭矩，以调节系留线缆6拉力的大小。

如图6所示：本发明所述的一种高抗风共轴反桨式系留无人机的系留线缆控制装置的控制原理如下：

风速传感器测量3的风速Vw与比例因子相乘后得到等价扭矩Td，然后与扭矩传感器14测量的扭矩Tm相比较，作为PID控制器(转轴控制器13)的输入Ψ_err，PID控制器根据风速大小自动调节转轴电机12的扭矩，具体如下：

风速大时，转轴电机12输出较大的扭矩；

风速小时，转轴电机12输出较小的扭矩；

当无人机所处风速大于系统可承受的最大风速时，限制转轴电机12输出的扭矩，绕线转轴11放线；

当无人机所处风速变小时，绕线转轴11收线。

本发明提到的各参数的具体解算或运算方法为本领域常规技术。

Claims (4)

1.一种高抗风倾转旋翼系留无人机，包括风速风向传感器（3）、系留线缆（6）、倾转旋翼机构（7）、方向舵（10）、机体（9）、飞行控制系统和系留线缆控制装置（A），风速风向传感器（3）通过安装支架（4）安装在机体的底部，该安装支架（4）的底端通过万向节（5）与系留线缆（6）的上端连接，该系留线缆（6）的下端与系留线缆控制装置（A）连接；在该机体（9）上装有一倾转旋翼机构（7），在该机体（9）的后端铰接有两个与机体上面垂直的方向舵（10），其特征在于：所述无人机的控制系统包括安装在机体上的惯性导航传感器、位置传感器、速度传感器和高度传感器；所述的飞行控制系统通过惯性导航传感器测量无人机的姿态和航向，通过位置传感器测量无人机的位置，通过速度传感器测量无人机的速度，通过高度传感器测量无人机的高度，同时接收该风速风向传感器（3）测量的风速和风向；所述的飞行控制系统根据测量的风向，控制方向舵（10）舵面的倾转角度，调节无人机航向，使得无人机的机头方向与水平方向风阻平行并指向相反的方向；所述的飞行控制系统根据测量的风速，控制水平旋翼（1）的转速和倾转旋翼偏转的角度，调节垂直和水平方向的升力，以抵消风阻的变化。

2.根据权利要求1所述的高抗风倾转旋翼系留无人机，其特征在于：所述的倾转旋翼机构（7）由对称设在机体（9）两侧的可倾转的水平旋翼（1）组成，通过水平旋翼（1）倾转角度的调整可提供向上的升力或向前的推力；通过调节水平旋翼（1）的转速来实现升力或推力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。

3.根据权利要求1所述的高抗风倾转旋翼系留无人机，其特征在于：所述的系留线缆控制装置（A）包括框架（15）、绕线转轴（11）、转轴电机（12）、转轴控制器（13）和扭矩传感器（14），绕线转轴（11）转动连接在框架（15）内，该系留线缆（6）的一端缠绕在该绕线转轴（11）上；该绕线转轴（11）的一端与转轴电机（12）的输出轴传动连接，通过绕线转轴（11）的正反转控制系留线缆（6）的收放；在该绕线转轴（11）上装有扭矩传感器（14），该扭矩传感器（14）的输出信号端与转轴控制器（13）连接，该转轴控制器（13）接收扭矩传感器（14）测量的扭矩，换算成系留线缆（6）的拉力，根据风速风向传感器（3）测量的风速，调整转轴电机（12）的输出扭矩，以调节系留线缆（6）拉力的大小。

4.一种根据权利要求1所述的高抗风倾转旋翼系留无人机的飞行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）系统上电，飞行控制系统对系统进行初始化；

2）用惯性导航传感器测量无人机的姿态和航向，用风速风向传感器（1）测量风速和风向，用位置传感器测量无人机的水平位置，用速度传感器测量无人机的水平速度和垂直速度，用高度传感器测试无人机的高度；

3）利用无人机的位置和速度，飞行控制系统解算无人机的水平控制量和垂直控制量，以实现无人机的悬停；

4）利用无人机的姿态和航向，以及风速和风向信息，飞行控制系统的抗风控制算法解算无人机的目标航向；根据解算出的无人机的目标航向，控制舵机，调节无人机航向；

5）利用无人机的姿态和航向，以及风速和风向信息，飞行控制系统的抗风控制算法解算出倾转旋翼偏转角；

6）根据解算出的倾转旋翼偏转角，改变倾转旋翼偏转角，调节水平推力；

7）返回步骤2）；

所述的步骤3）的具体解算方法为：高度传感器测量到的高度数据Hm与设定高度Hsp的误差为Herr，通过PID控制率解算得到垂直方向的升力，垂直方向的控制量Ut；位置传感器测量得到的位置数据P_m与设定的位置P_sp的误差为P_err，通过PID控制算法可解算出期望的速度V_d；通过速度传感器测量无人机当前的速度V_m以及通过风速风向传感器测量无人机所处位置当前的风速V_w，经过运算得到期望的速度差，通过PID控制算法可解算出期望的水平方向的控制量U_h；

所述的步骤4）的具体解算方法为：风向风速传感器测量得到当前的风向Ψ_w，经过LPF滤波器后得到无人机期望的航向Ψ_d，惯性导航传感器测量得到无人机当前的航向Ψ_m,经过运算得到航向的误差Ψ_err,通过PID控制算法解算得到航向的控制量输出U_Ψ，根据航向控制量U_Ψ可控制方向舵面的倾转角度以提供航向的调整力矩，推动飞机航向的偏转；

所述的步骤5）的具体解算方法为：倾转旋翼的倾斜角度可根据风速的大小进行调整，倾转旋翼的倾斜角度与无人机所处位置的风速大小成正比，具体公式为：

，

其中S₁为倾转旋翼的倾斜角度，k为偏转系数，V_f为风速大小；通过调节偏转系数k可使倾转旋翼产生的推力抵消无人机的水平风阻；

垂直方向的控制量Ut和水平方向的控制量U_h通过动力分配矩阵运算可得到两个倾转旋翼的转速M1、M2和倾转舵机的舵面偏角S1；

U_Ψ通过舵机曲线和方程的解算可得到航向舵机的偏角S2。