CN111516850B - 一种飞艇飞行姿态及浮力的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种飞艇飞行姿态及浮力的控制方法。所述控制方法包括：在飞艇的周围设置多个平衡点，该多个平衡点位于可对飞艇进行俯仰姿态调平的位置；所述俯仰姿态调平的位置包括飞艇头部、尾部和腹部；所述腹部为调节飞艇飞行姿态及浮力的液体输送动力输出的驱动部位，所述头部和尾部为被驱动部位，可存储液体增加或减少重量；腹部向头部或尾部增加重量，同时腹部减少相应重量以实现飞行姿态调节；通过将腹部的重量排出飞艇外的方法实现浮力控制。与相关技术相比，本发明仅在腹部设置一个动力输出端，仅仅用于飞艇飞行的俯仰姿态调节配平，单一可靠，可实现程度高。

Description

一种飞艇飞行姿态及浮力的控制方法

技术领域

本发明涉及轻于空气的飞行器技术领域，尤其涉及一种飞艇飞行姿态及浮力的控制方法。

背景技术

飞艇是一种主要依靠气体浮力来克服自身重力的飞行器，一般包括充满浮升气体的一个或多个封闭气囊、可以改变推力方向的推进系统、安装在飞艇尾部、用于调整飞行姿态的控制机构（如尾舵、尾部矢量推力等）和用于挂载设备或乘员的吊舱（或吊篮）。

当飞艇采用传统的布局方式时，飞艇的重心是基本固定的。由于飞艇要求能够垂直起降和巡航飞行，因此，一般采取将飞艇重心配置在飞艇浮心之前的方式，来兼顾这两种飞行状态。采用这种重心配置方式，使得飞艇飞行时，其推力系统在克服飞艇的阻力的同时还要克服飞艇的低头趋势，不利于发挥推力系统的效率。

传统的飞艇姿态的调整方法是依赖于飞艇飞行时作用在尾舵上的空气动力来调整飞艇的俯仰/偏航姿态，或依靠尾部矢量推力装置产生的俯仰/偏航力矩调整飞艇的姿态。当采用尾舵面调整姿态时，这种作用是被动的，即只有当飞艇有一定的飞行速度时才起作用，不适用于飞艇的垂直起降。当采用尾部矢量推力时，需要消耗比较多的能量才能产生足够的调整力矩，同时也显著增加了重量。因此，传统的姿态调整机构可以认为是有局限的、低效的。

如现有专利公告号CN104875877B，专利名称：一种无人机自动配平系统，其技术方案中设置了三个容器，其中第一容器和第二容器位于无人机的机翼，第三容器位于无人机的机身，用于调节无人机左右机翼的姿态滚转角度，不适合飞艇的俯仰姿态的调节。

又如现有专利公告号CN106114822A，专利名称：油动多旋翼农用植保直升机飞行姿态调控系统，其技术方案是通过调整三个或四个容器的重量分布，来调整直升机姿态和运动方向，要求响应速度快，控制可靠有效，该技术方案控制规律复杂，可工程化实现程度低。

且上述两篇现有技术设置的容器输液泵均为多个，每两个容器之间就设置有一个，多个输液泵的设置则意味着调整姿态的动力输出端有多个，则布置的系统复杂，产品化实现难度大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种只设置一个动力输出端实现自动调整飞艇俯仰姿态的飞艇飞行姿态及浮力的控制方法。

本发明的技术方案是：一种飞艇飞行姿态及浮力的控制方法，包括：

在飞艇的周围设置多个平衡点，该多个平衡点位于可对飞艇进行俯仰姿态调平的位置；

所述俯仰姿态调平的位置包括飞艇头部、尾部和腹部；所述腹部为调节飞艇飞行姿态及浮力的液体输送动力输出的驱动部位，所述头部和尾部为被驱动部位，可存储液体增加或减少重量；

采集位于飞艇头部和尾部的平衡点的俯仰姿态，得出俯仰姿态角δ，将该俯仰姿态角δ与设定的俯仰姿态阀值比较，若超出设定的阀值时，计算飞艇所需平衡重量值x；

当x为正时，飞艇需要向尾部方向增加重量|x|，同时飞艇的腹部减轻增加重量|x|；当x为负时，飞艇需要向头部方向增加重量|x|，同时飞艇的腹部减轻增加重量|x|；

腹部向头部或尾部增加重量的过程实时感应，并通过计算得到增加重量值y，当|x|-y=0时，停止增加重量；

所述控制方法通过将腹部的重量排出飞艇外的方法实现浮力控制。

上述方案中，仅在腹部设置一个动力输出端，仅仅用于飞艇飞行的俯仰姿态调节配平，单一可靠，可实现程度高。

优选的，所述飞艇头部和尾部的平衡点的俯仰姿态采集通过陀螺仪或组合导航仪测量采集。

优选的，采用微分方法计算出姿态角变化的速度及加速度，通过数学模型迭代的方式计算飞艇所需平衡重量值x。

优选的，在飞艇头部、尾部和腹部共设置至少三个液体容腔，且该三个液体容腔临近各自采集点设置；

所有液体存入飞艇腹部的液体容腔中，当x为正时，飞艇腹部的液体向尾部的液体容腔中增加重量；当x为负时，飞艇腹部的液体向头部的液体容腔中增加重量。

优选的，在所述腹部设置的液体容腔上设有用于确保容腔内外压力平衡的通气孔。

各容腔之间的液体走向由水管压力决定，所述通气孔可保持容腔内外压力一致，充分考虑高海拔低气压、低温环境对姿态调节的影响。

优选的，如腹部容腔内液体重量小于飞艇要求最低重量时，通过重力回液的方法将位于头部容腔和尾部容腔内的液体回收到腹部容腔中。

优选的，所述重量回液方法包括以下步骤：

1）根据头部、尾部的液体重量模型，计算出两端可同时回收的液体重量a；

2）设定液体回收工作模式阀值为a；

3）先将腹部容腔的液体输送至头部，当头部液体增加重量到达a/16，将腹部容腔液体切换至尾部；当尾部液体增加重量到达a/16，再将腹部容腔液体切换至头部；

4）循环步骤3）完成预设的次数，完成回液。

优选的，还包括用于将腹部容腔内液体排出飞艇外、改变飞艇中心高度位置的调节飞艇浮力的方法。

优选的，所述调节飞艇浮力的方法包括以下步骤：

1）根据飞行控制模型，计算出所需排出液体重量c；

2）设定排出液体重量阀值为c；

3）液体由腹部容腔移动至吊舱外排出；

4）液体排出的重量实时感应，并通过计算得到减少重量值d，当c-d=0时，液体停止排出。

与相关技术相比，本发明的有益效果为：通过改变飞艇头、尾部容器的液体重量，从而调节飞艇飞行俯仰姿态；并且还可以将液体还可以通过控制随时排出舱外，减轻飞艇重量，增加飞艇浮力。

附图说明

图1为本发明提供的飞艇飞行姿态及浮力的控制方法的流程图。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

如图1所示，本实施例提供的一种飞艇飞行姿态及浮力的控制方法包括以下步骤：

步骤S1，在飞艇的周围设置多个平衡点，该多个平衡点位于可对飞艇进行俯仰姿态调平的位置；

所述俯仰姿态调平的位置包括飞艇头部、尾部和腹部；所述腹部为调节飞艇飞行姿态及浮力的液体输送动力输出的驱动部位，所述头部和尾部为被驱动部位，可存储液体增加或减少重量。

步骤S2，在飞艇头部、尾部和腹部共设置至少三个液体容腔，且该三个液体容腔临近各自平衡点设置，并作为采集点。所有液体存入飞艇腹部的液体容腔中。

步骤S3，采集位于飞艇头部和尾部的平衡点的俯仰姿态，得出俯仰姿态角δ。其中，所述飞艇头部和尾部的平衡点的俯仰姿态采集通过陀螺仪或组合导航仪测量采集。

步骤S4，将得出的俯仰姿态角δ与设定的俯仰姿态阀值比较，若超出设定的阀值时，计算飞艇所需平衡重量值x。

当x为正时，飞艇腹部的液体向尾部的液体容腔中增加重量|x|，同时飞艇的腹部减轻增加重量|x|；

当x为负时，飞艇腹部的液体向头部的液体容腔中增加重量|x|，同时飞艇的腹部减轻增加重量|x|。

腹部向头部或尾部增加重量的过程实时感应，并通过计算得到增加重量值y（头部为负、尾部为正），当|x|-y=0时，停止增加重量。

为保证液体容腔的压力平衡，在所述腹部设置的液体容腔上设有用于确保容腔内外压力平衡的通气孔。

如腹部容腔内液体重量小于飞艇要求最低重量时，通过重力回液(也可使用动力装置回抽)的方法将位于头部容腔和尾部容腔内的液体回收到腹部容腔中。

所述重量回液方法包括以下步骤：

1）根据头部、尾部的液体重量模型，计算出两端可同时回收的液体重量a；

2）设定液体回收工作模式阀值为a；

3）先将腹部容腔的液体输送至头部，当头部液体增加重量到达a/16，将腹部容腔液体切换至尾部；当尾部液体增加重量到达a/16，再将腹部容腔液体切换至头部；

4）循环步骤3）完成预设的次数，完成回液。

上述循环次数为人工判断预设值，切换频率越高对飞艇姿态的振荡影响越小。在本实施例中，所述循环次数为8。

如需对飞艇的浮力进行控制，可采用将腹部容腔内液体排出飞艇外、改变飞艇中心高度位置的调节飞艇浮力的方法实现。

所述调节飞艇浮力的方法包括以下步骤：

1）根据飞行控制模型，计算出所需排出液体重量c；

2）设定排出液体重量阀值为c；

3）液体由腹部容腔移动至吊舱外排出；

4）液体排出的重量实时感应，并通过计算得到减少重量值d，当c-d=0时，液体停止排出。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种飞艇飞行姿态及浮力的控制方法，其特征在于，包括：

在飞艇的周围设置多个平衡点，该多个平衡点位于可对飞艇进行俯仰姿态调平的位置；

所述俯仰姿态调平的位置包括飞艇头部、尾部和腹部；所述腹部为调节飞艇飞行姿态及浮力的液体输送动力输出的驱动部位，所述头部和尾部为被驱动部位，可存储液体增加或减少重量；

采集位于飞艇头部和尾部的平衡点的俯仰姿态，得出俯仰姿态角δ，将该俯仰姿态角δ与设定的俯仰姿态阀值比较，若超出设定的阀值时，计算飞艇所需平衡重量值x；

当x为正时，飞艇需要向尾部方向增加重量|x|，同时飞艇的腹部减轻增加重量|x|；当x为负时，飞艇需要向头部方向增加重量|x|，同时飞艇的腹部减轻增加重量|x|；

腹部向头部或尾部增加重量的过程实时感应，并通过计算得到增加重量值y，当|x|-y=0时，停止增加重量；

所述控制方法通过将腹部的重量排出飞艇外的方法实现浮力控制；在飞艇头部、尾部和腹部共设置至少三个液体容腔，且该三个液体容腔临近各自采集点设置；

所有液体存入飞艇腹部的液体容腔中，当x为正时，飞艇腹部的液体向尾部的液体容腔中增加重量；当x为负时，飞艇腹部的液体向头部的液体容腔中增加重量；

如腹部容腔内液体重量小于飞艇要求最低重量时，通过重力回液的方法将位于头部容腔和尾部容腔内的液体回收到腹部容腔中；

所述重量回液方法包括以下步骤：

1）根据头部、尾部的液体重量模型，计算出两端可同时回收的液体重量a；

2）设定液体回收工作模式阀值为a；

3）先将腹部容腔的液体输送至头部，当头部液体增加重量到达a/16，将腹部容腔液体切换至尾部；当尾部液体增加重量到达a/16，再将腹部容腔液体切换至头部；

4）循环步骤3）完成预设的次数，完成回液。

2.根据权利要求1所述的飞艇飞行姿态及浮力的控制方法，其特征在于，所述飞艇头部和尾部的平衡点的俯仰姿态采集通过陀螺仪或组合导航仪测量采集。

3.根据权利要求1所述的飞艇飞行姿态及浮力的控制方法，其特征在于，采用微分方法计算出姿态角变化的速度及加速度，通过数学模型迭代的方式计算飞艇所需平衡重量值x。

4.根据权利要求1所述的飞艇飞行姿态及浮力的控制方法，其特征在于，在所述腹部设置的液体容腔上设有用于确保容腔内外压力平衡的通气孔。

5.根据权利要求1所述的飞艇飞行姿态及浮力的控制方法，其特征在于，还包括用于将腹部容腔内液体排出飞艇外、改变飞艇中心高度位置的调节飞艇浮力的方法。

6.根据权利要求5所述的飞艇飞行姿态及浮力的控制方法，其特征在于，所述调节飞艇浮力的方法包括以下步骤：

1）根据飞行控制模型，计算出所需排出液体重量c；

2）设定排出液体重量阀值为c；

3）液体由腹部容腔移动至吊舱外排出；

4）液体排出的重量实时感应，并通过计算得到减少重量值d，当c-d=0时，液体停止排出。

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