CN111413998B - 高抗风纵列式旋翼系留无人机及其飞行控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种高抗风纵列式旋翼系留无人机及其飞行控制方法，系留无人机包括机体、旋翼、系留线缆和控制系统，在机体上面装有两套所述的旋翼，两套该旋翼沿机体前后纵向布置组成纵列式双旋翼机构，在每一旋翼均装有所述的倾斜盘，两套旋翼的旋转方向相反以抵消旋翼产生的反扭矩；通过调整纵列式双旋翼机构旋翼的总距用于改变旋翼的产生的升力大小；通过调整旋翼的总距和周期变距用于改变旋翼推力的方向和大小，从而控制无人机的姿态和位置。本发明的有益效果是：该纵列式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。

Description

高抗风纵列式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纵列式旋翼系留无人机及其飞行控制方法，属于纵列式旋翼系留无人机高抗风技术领域，重点是通过气动构型设计、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。
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景。
发明内容
本发明针对现有系留无人机抗风能力差，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，提供一种高抗风纵列式旋翼系留无人机及其飞行控制方法。
为实现上述目的，本发明按以下技术方案予以实现：
一种高抗风纵列式旋翼系留无人机，包括机体、旋翼、系留线缆和控制系统，在机体的上面装有旋翼，在该旋翼的下面装有倾斜盘；在该机体的下面通过万向节连接系留线缆的上端，该系留线缆的下端与一系留线缆控制装置连接，其特征在于，在所述的机体上面装有两套所述的旋翼，两套该旋翼沿机体前后纵向布置组成纵列式双旋翼机构，在每一旋翼均装有所述的倾斜盘，两套旋翼的旋转方向相反以抵消旋翼产生的反扭矩；通过调整纵列式双旋翼机构旋翼的总距用于改变旋翼的产生的升力大小；通过调整旋翼的总距和周期变距用于改变旋翼推力的方向和大小，从而控制无人机的姿态和位置。
一种高抗风纵列式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)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(3)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，飞行控制系统的抗风控制算法解算出多旋翼的航向、倾转旋翼的垂直升力和水平推力大小；
4)根据解算出的多旋翼航向和升力，差动调节纵列式双旋翼(8)的周期变距，实现航向和升力改变；
5)根据解算出的水平推力的大小，差动调节纵列式双旋翼(8)的总距，产生推力差，实现水平推力的改变。
本发明的有益效果是：该纵列式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为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明飞行控制系统的控制原理图；
图3为本发明飞行控制系统的工作流程图；
图4为本发明系留线缆控制装置的结构示意图；
图5为本发明系留线缆控制装置的控制原理图。
具体实施方式
如图1-图5所示，本发明一种高抗风纵列式旋翼系留无人机，包括机体5、旋翼1、系留线缆7、系留线缆控制装置A和飞行控制系统，在该机体5的下面通过万向节6连接系留线缆7的上端，该系留线缆7的下端与一系留线缆控制装置A连接。在机体5的上面装有旋翼1，在该旋翼1上装有倾斜盘2。在所述的机体5上面装有两套所述的旋翼1，两套该旋翼1沿机体5前后纵向布置组成纵列式双旋翼机构，在每一旋翼1均装有所述的倾斜盘2，两套旋翼1的旋转方向相反以抵消两个旋翼产生的反扭矩。通过调整纵列式双旋翼机构的两个旋翼1的总距可改变旋翼的产生的升力大小；通过调整两个倾斜盘2的总距(旋翼的总距调整是通过倾斜盘实现的)和周期变距可改变旋翼推力的方向和大小，从而控制无人机的姿态和位置。
所述的控制系统包括风速风向传感器3、惯性导航传感器、位置传感器、速度传感器、高度传感器、航向传感器和信号处理单元，该风速风向传感器、惯性导航传感器、位置传感器、速度传感器、高度传感器、航向传感器分别与信号处理单元的输入接口连接，该信号处理单元的输出端输出控制信号，用于控制所述的旋翼的总距和转速。
所述的风速风向传感器3通过安装支架4固定在该机体5的下面，该安装支架4的下面通过该万向节6与系留线缆7的上端连接。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。
系留无人机在空中的风阻可分解为垂直和水平两个方向。垂直方向的风阻由垂直的升力或重力抵消。垂直方向的风阻发生变化时，通过调节纵列式双旋翼机构的转速或总距实现，转速或总结的变化改变垂直向上的升力以抵消风阻的变化。水平方向的风阻通过差动调整纵列式双旋翼机构的两个旋翼的总距实现，两个旋翼产生的推力差使无人机机体产生纵向的偏转，从而产生水平方向的推力以抵消水平方向的风阻。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，通过差动改变纵列式双旋翼的周期变距来产生航向的偏转力矩，以使无人机的机头方向与风向平行。
飞行控制系统可通过惯性导航传感器测量无人机的姿态和航向，同时接收风速风向传感器3测量的风速和风向，飞行控制系统的抗风控制算法可解算出多旋翼的航向、倾转旋翼的垂直升力和水平推力大小。多旋翼的航向可通过差动改变纵列式双旋翼的周期变距实现。作用在无人机上的垂直升力由纵列式双旋翼推力的垂直分量产生，作用在无人机上的水平推力由纵列式双旋翼推力的水平分量产生。同时增大两个旋翼的总距可提升作用在无人机上的垂直升力。减小一个旋翼的总距同时增大另一旋翼的总距可产生向前的水平拉力。
如图2所示：本发明飞行控制系统的控制原理如下：
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Pm与设定的位置Psp的误差为Perr，通过PID控制算法可解算出期望的速度Vd。通过速度传感器测量无人机当前的速度Vm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Vw，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Uh。
风向风速传感器3测量得到当前的风向Ψw，经过LPF滤波器后得到无人机期望的航向Ψd，航向传感器测量得到无人机当前的航向Ψm,经过运算得到航向的误差Ψerr,通过PID控制算法解算得到航向的控制量输出UΨ。
垂直方向的控制量Ut、水平方向的控制量Uh、航向的控制量输出UΨ通过矩阵Mix运算可得到两个旋翼转速M1、M2，总距Sz1、Sz2和周期变距Sb1、Sb2。
如图3所示：本发明所述的飞行控制系统的控制方法包括以下步骤：
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3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，飞行控制系统的抗风控制算法解算出多旋翼的航向、倾转旋翼的垂直升力和水平推力大小；
4)根据解算出的多旋翼航向和升力，差动调节纵列式双旋翼(8)的周期变距，实现航向和升力改变；
5)根据解算出的尾部推进装置推力大小，改变(1)和(2)号旋翼倾斜盘的总距，实现水平调节；
6)返回步骤2)。
如图4所示，本发明所述的系留线缆控制装置A包括绕线转轴10、转轴电机11、转轴控制器12和扭矩传感器13，绕线转轴10与转轴电机11的输出轴相连，所述的系留线缆7的下端连接并缠绕在该绕线转轴10上，通过控制该绕线转轴10的正反转实现系留线缆7的收放；在该绕线转轴10上装有扭矩传感器13，扭矩传感器13的信号输出端与转轴控制器12连接，后者接收扭矩传感器13测量的扭矩，换算成系留线缆7的拉力，根据所述的风速风向传感器3检测的风速，调整转轴电机11的输出扭矩，以调节系留线缆7拉力的大小，系留线缆7的拉力与风向成反比。
如图5所示：本发明的系留线缆控制装置的控制方法如下：
风速传感器测量3的风速Vw与比例因子
Figure BDA0002449723710000051
相乘后得到等价扭矩Td，然后与扭矩传感器13测量的扭矩Tm相比较，作为PID控制器的输入Ψerr，PID控制器根据风速大小自动调节转轴电机11的扭矩，具体如下：
风速大时，转轴电机11输出较大的扭矩；
风速小时，转轴电机11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11输出的扭矩，绕线转轴10放线；
当无人机所处风速变小时，绕线转轴10收线。

Claims (3)

1.一种高抗风纵列式旋翼系留无人机，包括机体（5）、旋翼（1）、系留线缆（7）和控制系统，在机体（5）的上面装有旋翼（1），在该旋翼（1）上装有倾斜盘（2）；在该机体（5）的下面通过万向节（6）连接系留线缆（7）的上端，该系留线缆（7）的下端与一系留线缆控制装置（A）连接，其特征在于，在所述的机体上面装有两套所述的旋翼，两套该旋翼沿机体前后纵向布置组成纵列式双旋翼机构，在每一旋翼均装有所述的倾斜盘，两套旋翼的旋转方向相反以抵消旋翼产生的反扭矩；通过调整纵列式双旋翼机构旋翼的总距用于改变旋翼的产生的升力大小；通过调整旋翼的总距和周期变距用于改变旋翼推力的方向和大小，从而控制无人机的姿态和位置；
所述的控制系统包括风速风向传感器、惯性导航传感器、位置传感器、速度传感器、高度传感器、航向传感器和信号处理单元，该风速风向传感器、惯性导航传感器、位置传感器、速度传感器、高度传感器、航向传感器分别与信号处理单元的输入接口连接，该信号处理单元的输出端输出控制信号，用于控制所述的旋翼的总距和转速；所述的风速风向传感器通过安装支架固定在该机体的下面，该安装支架的下面通过该万向节与系留线缆的上端连接；
所述的系留线缆控制装置（A）包括绕线转轴(10)、转轴电机(11)、转轴控制器(12)和扭矩传感器(13)，绕线转轴(10)与转轴电机(11)的输出轴相连，所述的系留线缆(7)的下端连接并缠绕在该绕线转轴(10)上，通过控制该绕线转轴(10)的正反转实现系留线缆(7)的收放；在该绕线转轴(10)上装有扭矩传感器(13)，扭矩传感器(13)的信号输出端与转轴控制器(12)连接，后者接收扭矩传感器(13)测量的扭矩，换算成系留线缆(7)的拉力，根据所述的风速风向传感器(3)检测的风速，调整转轴电机(11)的输出扭矩，以调节系留线缆(7)拉力的大小；系留线缆(7)的拉力与风向成反比，具体的控制方法是：风速大时，转轴电机(11)输出较大的扭矩；风速小时，转轴电机(11)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，限制输出的扭矩，绕线转轴(10)放线；当无人机所处风速变小时，绕线转轴(10)收线。
2.根据权利要求1所述的高抗风纵列式旋翼系留无人机，其特征在于，所述的控制系统通过该惯性导航传感器测量无人机的姿态和航向，同时接收该风速风向传感器测量的风速和风向；所述的控制系统利用无人机的姿态和航向，以及风速和风向信息，在垂直方向的风阻发生变化时，通过调节纵列式双旋翼机构的转速或总距，改变垂直向上的升力以抵消风阻的变化；所述的控制系统利用无人机的姿态和航向，以及风速和风向信息，差动调整纵列式双旋翼机构的两个旋翼的总距，两个旋翼产生的推力差使无人机机体产生纵向的偏转，从而产生水平方向的推力以抵消水平方向的风阻；所述的控制系统利用无人机的姿态和航向，以及风速和风向信息，在风向发生变化时，通过差动改变纵列式双旋翼的周期变距来产生航向的偏转力矩，以使无人机的机头方向与风向平行。
3.一种权利要求1所述的高抗风纵列式旋翼系留无人机的飞行控制方法，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（3）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，飞行控制系统的抗风控制算法解算出多旋翼的航向、倾转旋翼的垂直升力和水平推力大小；
4）根据解算出的多旋翼航向和升力，差动调节纵列式双旋翼(8)的周期变距，实现航向和升力改变；
5）根据解算出的水平推力的大小，差动调节纵列式双旋翼（8）的总距，产生推力差，实现水平推力的改变。
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