CN111422351B - 高抗风尾椎式系留无人机及其飞行控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种高抗风尾椎式系留无人机及其飞行控制方法,包括风速风向传感器、系留线缆、多旋翼机构、尾部推进旋翼、飞行控制系统和系留线缆控制装置。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。多旋翼机构由多个水平安装的旋翼组成,用于调节升力大小,控制无人机的姿态和位置。尾部推进旋翼由尾杆和一个垂直安装的旋翼组成,提供水平推力,用于抵抗水平方向的风阻。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多旋翼和水平旋翼的转速,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。结构简单,自适应工作,使用便捷。
Description
技术领域
本发明涉及系留无人机高抗风技术领域,具体是一种高抗风尾椎式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。
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
本发明针对现有系留无人机抗风能力差的问题,提供一种高抗风尾椎式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:
本发明一种高抗风尾椎式系留无人机主要由风速风向传感器、系留线缆、多旋翼机构、尾部推进旋翼和飞行控制系统组成。
风速风向传感器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。风速风向传感器采用结构紧凑、无移动部件的结构以提高可靠性,风速传感器固定在安装支架上,支架一端固定在机体上,另一端通过万向节与系留线缆固定。
多旋翼机构由多个水平安装的旋翼组成,可提供垂直向上的升力。通过调节电机转速来改变旋翼转速,实现升力的变化,从而控制飞行器的姿态和位置。
尾部推进旋翼由尾杆和一个垂直安装的旋翼组成,可提供水平的推力,用于抵抗水平方向的风阻。
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,通过调节水平多旋翼的转速改变垂直向上的升力以抵消风阻的变化。水平方向的风阻由尾部推进旋翼产生的水平推力抵消。尾部推进旋翼的推力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,调节多旋翼的航向以使尾部推进旋翼的推力方向与风向平行。
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测量的风速和风向,飞行控制系统的抗风控制算法解算出多旋翼的航向、水平旋翼的升力和尾部推进旋翼的推力大小。飞行控制系统通过差动调节水平多旋翼的转速改变多旋翼的航向,多旋翼航向顺时针偏转可通过增大逆时针旋转旋翼的转速,减小顺时针旋转旋翼的转速完成。多旋翼航向逆时针偏转可通过增大顺时针旋转旋翼的转速,减小逆时针旋转旋翼的转速完成。水平旋翼的升力的变化可通过同时增大或减小水平旋翼的转速完成。尾部推进旋翼的推力大小可通过减小或增大尾部推进旋翼的转速完成。
系留线缆控制装置由绕线转轴、转轴电机、转轴控制器、扭矩传感器组成。转轴电机与绕线转轴相连,通过正反转控制系留线缆的收放。转轴控制器接收扭矩传感器测量的扭矩,换算成线缆的拉力,根据风速传感器测量的风速,调整电机的输出扭矩,以调节线缆拉力的大小。线缆的拉力与风向相反,可抵消部分无人机的承受的阻力。控制策略如下:风速大时,电机输出较大的扭矩;风速小时,电机输出较小的扭矩;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,转轴放线;当无人机所处风速变小时,转轴收线。
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,抗风能力可达到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结构示意图;
图2为本发明飞行控制系统的工作流程图;
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
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所示:本发明所述的一种高抗风尾椎式系留无人机主要由风速风向传感器6、系留线缆7、多旋翼机构、尾部推进旋翼5和飞行控制系统组成。
风速风向传感器6固定在安装支架8上,支架8一端固定在机体9上,另一端通过万向节11与系留线缆7固定,风速风向传感器6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。
多旋翼机构由多个水平安装的旋翼1-4组成,可提供垂直向上的升力,通过调节电机转速来改变旋翼1-4转速,实现升力的变化,从而控制无人机的姿态和位置。
尾部推进旋翼由尾杆10和一个垂直安装的旋翼5组成,可提供水平的推力,用于抵抗水平方向的风阻。
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,通过调节水平多旋翼1-4的转速改变垂直向上的升力以抵消风阻的变化。水平方向的风阻由尾部推进旋翼产生的水平推力抵消。尾部推进旋翼的推力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,调节多旋翼的航向以使尾部推进旋翼的推力方向与风向平行。
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、水平旋翼的升力和尾部推进旋翼的推力大小。多旋翼的航向可通过差动调节水平多旋翼的转速改变,多旋翼航向顺时针偏转可通过增大旋翼1和旋翼3的转速,减小旋翼2和旋翼4的转速完成。多旋翼航向逆时针偏转可通过增大旋翼2和旋翼4的转速,减小旋翼1和旋翼3的转速完成。水平旋翼的升力的变化可通过同时增大或减小1234旋翼1-4的转速完成。尾部推进旋翼的推力大小可通过减小或增大号翼5的转速完成。
如图2所示:本发明所述的一种高抗风尾椎式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6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和水平旋翼的升力;
4)根据解算出的多旋翼航向和升力,差动调节水平旋翼1-4的转速,改变航向和升力;
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尾部推进旋翼5的推力大小;
6)根据解算出的尾部推进旋翼推力大小,调节尾部推进旋翼5的转速,改变尾部推进旋翼推力大小;
7)返回步骤2)。
如图3所示:本发明所述的一种高抗风尾椎式系留无人机的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,Ut通过输出的Mix矩阵算法得到四个水平旋翼1-4的驱动电机M1-M4的转速变化。
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控制算法可解算出无人机的期望速度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(Vd+Vw-Vm),通过PID控制算法可解算出期望的推力输入,经过螺旋桨拉力曲线的解算,可得到尾部推进旋翼5的输入转速。期望的速度Vd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;无人机当前的速度Vm是指无人机相对于地面的实际速度。
风向风速传感器6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。UΨ通过输出的Mix矩阵算法得到四个水平旋翼1-4的驱动电机M1-M4的转速变化。
上述各参数的具体解算方法属于本领域的常规技术。
如图4所示:本发明所述的系留线缆控制装置由绕线转轴12、转轴电机13、转轴控制器14、扭矩传感器15和系留线缆7组成。转轴电机13与绕线转轴12相连,通过正反转控制系留线缆7的收放。转轴控制器13接收扭矩传感器15测量的扭矩,换算成系留线缆7的拉力,根据风速传感器测量6的风速,调整电机的输出扭矩,以调节系留线缆7拉力的大小。系留线缆7的拉力与风向相反,可抵消部分无人机的承受的阻力。
如图5所示:本发明所述的系留线缆控制装置A的控制原理如下:
风向风速传感器6测量的风速Vw与比例因子相乘后得到等价扭矩Td,然后与扭矩传感器15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13的扭矩,具体如下:
风速大时,转轴电机13输出较大的扭矩;
风速小时,转轴电机13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13输出的扭矩,绕线转轴12放线;
当无人机所处风速变小时,绕线转轴12收线。
Claims (5)
1.一种高抗风尾椎式系留无人机,包括机体(9)、风速风向传感器(6)、系留线缆(7)、水平旋翼、飞行控制系统和系留线缆控制装置(A),风速风向传感器(6)固定在安装支架(8)上,安装支架(8)的顶端固定在机体(9)上,下端通过万向节(11)与系留线缆(7)的上端连接,该系留线缆(7)的下端与系留线缆控制装置(A)连接;在机体(9)的顶端沿圆周水平安装多个水平旋翼,其特征在于:在所述的机体(9)的侧面连接一水平设置的尾杆(10)的首端,在该尾杆(10)的尾端垂直安装有尾部推进旋翼(5);
所述的飞行控制系统含有惯性导航传感器、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,同时接收风速风向传感器(6 )测量的风速和风向;所述的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,通过差动调节多个水平旋翼的转速,以改变无人机的航向;所述的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,通过调节水平旋翼的转速改变无人机的升力;所述的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,通过调节尾部推进旋翼(5)的转速改变尾部推进旋翼推力的大小,用于抵抗水平方向的风阻。
2.根据权利要求1所述的高抗风尾椎式系留无人机,其特征在于:所述的水平旋翼设有四个。
3.根据权利要求1所述的高抗风尾椎式系留无人机,其特征在于:所述的系留线缆控制装置(A)包括框架(16)、绕线转轴(12)、转轴电机(13)、转轴控制器(14)和扭矩传感器(15),绕线转轴(12)转动连接在框架(16)内,该系留线缆(7)的一端缠绕在该绕线转轴(12)上;该绕线转轴(12)的一端与转轴电机(13)的输出轴传动连接,通过绕线转轴(12)的正反转控制系留线缆(7)的收放;在该绕线转轴(12)上装有扭矩传感器(15),该扭矩传感器(15)的输出信号端与转轴控制器(14)连接,该转轴控制器(14)接收扭矩传感器(15)测量的扭矩,换算成系留线缆(7)的拉力,根据风速风向传感器(6)测量的风速,调整转轴电机(13)的输出扭矩,以调节系留线缆(7)拉力的大小。
4.一种权利要求1所述的高抗风尾椎式系留无人机的飞行控制方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)飞行控制系统上电,并进行初始化;
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(6)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水平旋翼的航向和升力;
4)根据解算出的水平旋翼的航向和升力,差动调节多个水平旋翼(1-4)的转速,改变航向和升力;
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尾部推进旋翼(5)的推力大小;
6)根据解算出的尾部推进旋翼(5)推力大小,调节尾部推进旋翼(5)的转速,改变尾部推进旋翼(5)推力的大小;
7)返回步骤2)。
5.根据权利要求4所述的飞行控制方法,其特征在于: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,Ut通过输出的Mix矩阵算法得到四个水平旋翼(1-4)的驱动电机(M1-M4)的转速变化;
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控制算法可解算出无人机的期望的速度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(Vd+Vw-Vm),通过PID控制算法可解算出期望的推力输入,经过螺旋桨拉力曲线的解算,可得到尾部推进旋翼(5)的输入;
风速风向传感器(6)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;UΨ通过输出的Mix矩阵算法得到四个水平旋翼(1-4)的驱动电机(M1-M4)的转速变化。
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