CN112744352B - 一种分布式倾转多旋翼飞行器及飞行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式倾转多旋翼飞行器及飞行控制方法，减少了飞行器副翼、襟翼、方向舵等结构，提高控制效果。其技术方案要点是分布式倾转多旋翼飞行器包括机身、主机翼、副机翼、分布式倾转动力系统、垂直尾翼、升降舵，主副机翼形成串列翼；所述的分布式倾转动力系统固定于主机翼、副机翼的前缘，并包括至少6套，通过分步的倾转控制策略实现控制优化，实现多飞行模式切换，包括多旋翼垂直起降模式、固定翼高速巡航模式、复合翼融合任务模式，实现飞行器极高的自由控制能力；采用分布式的倾转多旋翼动力系统作为控制装置，减少固定翼模式下的副翼、襟翼、方向舵等结构，代替其实现滚转、增升/减速、偏航的控制功能。

Description

一种分布式倾转多旋翼飞行器及飞行控制方法

技术领域

本发明涉及飞行器飞行控制领域，尤其涉及一种分布式倾转多旋翼飞行器的飞行控制。

背景技术

垂直起降飞行器一般指旋翼类飞行器(如直升机、多旋翼飞行器等)，这类飞行器具有较为高效的垂直起降性能、悬停、低空低速飞行以及独特的后飞和侧飞能力，使得其可以在舰艇、海岛、山区以及高楼林立的城市等复杂地域垂直起降，但由于前飞时旋翼桨叶左右气流不对称，其最大飞行速度受到很大的限制；同时，受限于旋翼类飞行器的气动效率问题，其航程和航时均十分有效，无法执行大范围、广目标的飞行任务。然而，传统固定翼飞行器却在高速飞行以及长航时飞行上极具优势。倾转旋翼飞行器通过融合旋翼飞行器和固定翼飞行器发展出独特构型，可兼具传统旋翼飞行器和固定翼飞行器的优势，拥有垂直起降、悬停等功能以及高巡航速度、长航程等性能，是未来飞行器的必然发展方向之一，成为了当前航空行业的研究热点。但是，由于倾转控制的难度大，倾转旋翼飞行器在倾转过渡段容易发生事故，动力部分失效也是其中一个事故原因。分布式倾转多旋翼飞行器具有较高的动力冗余度，同时还可以实现分步倾转，在倾转控制方式上可靠性更高、实现性更强，极大降低倾转过渡段的事故率。分布式动力技术与倾转旋翼技术的融合能够进一步改善飞行器的飞行控制性能，提高其灵活性、机动性、安全性等。目前常规固定翼飞行的飞行控制依靠舵面和伺服机构，需要设计舵面同时布置伺服机构到飞行器上，由于气动非线性问题的存在，导致以舵面为控制装置的飞行控制，常出现舵效低、控制失效等问题。

发明内容

针对当前固定翼飞机舵面控制问题多的现状，结合分布式倾转多旋翼飞行器的构型优势，本发明提出了一种分布式倾转多旋翼飞行器的控制装置及飞行控制方法。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种分布式倾转多旋翼飞行器，所述分布式倾转多旋翼飞行器还包括机身、主机翼、副机翼和垂直尾翼、至少6套倾转动力系统和升降舵，所述的主机翼和副机翼分别设于机身的前部和后部形成串列翼布局，主机翼和副机翼共同提供飞行器在固定翼模式下的升力。所述的升降舵铰接在副机翼后缘切口处，且升降舵可绕其前缘顺逆时针转动，副机翼位于机身后部，与传统固定翼飞行器的平尾位置一致，故用作固定翼飞行器俯仰控制的升降舵布置于副机翼上。所述的倾转动力系统相对于机身轴对称分设于主机翼和副机翼上，包括倾转机构、动力电机和旋翼，所述的旋翼设于动力电机输出轴上、动力电机活动设于倾转机构上、倾转机构分布设于主机翼和副机翼上，所述的动力电机通过倾转机构实现动力方向的角度变化，进而实现不同飞行模式即旋翼水平前飞和垂直起降功能的切换。其中，倾转动力系统动力方向全水平为固定翼模式，主要实现水平前飞；倾转动力系统动力方向全竖直为多旋翼模式，主要实现垂直起降；倾转动力系统动力方向部分竖直部分水平为复合翼模式。

所述的分布式倾转动力系统组与主机翼、副机翼固定连接，位于主机翼或副机翼上的分布式倾转动力系统均匀分布于机翼且呈现左右对称，且分布式倾转动力系统后半部分与机翼连接，前半部分伸出主机翼前缘，其中优选方案为在机翼翼尖布置有一对分布式倾转动力系统，翼尖的动力系统将有效减少翼尖涡，提高气动性能。所述的分布式倾转动力系统在整个飞行器上的分布数量不少于6个，少于6个的动力系统无法满足分布式动力系统的控制要求。分布式倾转动力系统伸出机翼前缘部分可折转90°，所有分布式倾转动力系统呈现竖直状态时飞行器重心应满足多旋翼飞行器对重心分布及动力分布的要求。所述的控制装置升降舵铰接在副机翼后缘，升降舵面上偏则飞行器抬头飞行，升降舵面下偏则飞行器低头飞行。

进一步地，所述的分布式倾转多旋翼飞行器的飞行控制主要由倾转动力系统及升降舵作为飞行姿态的主要控制装置，倾转动力系统倾转位置、电机转速和升降舵偏转角度作为主要的控制参数，所述的飞行姿态包括：俯仰、滚转、偏航，以及对应的飞行状态为：低头/抬头前飞/后飞、侧飞、改变航向，其中根据飞行器处于的不同飞行模式，对应的控制方式：

倾转动力系统动力方向竖直(多旋翼飞行模式)：通过控制位于飞行器横向轴线前后分布的倾转动力系统的电机转速不同，达到俯仰控制效果；通过控制位于飞行器纵向轴线左右分布的倾转动力系统的电机转速不同，达到滚转控制效果；通过控制飞行器顺时针和逆时针旋转的倾转动力系统的电机转速不同，达到偏航控制效果；通过控制飞行器所有倾转动力系统的电机转速一致性变化，达到飞行器高度升降的控制效果。

倾转动力系统动力方向水平(固定翼飞行模式)：通过控制位于飞行器副机翼上的升降舵上偏或者下偏，达到飞行器抬头低头飞行的效果；通过控制飞行器顺时针和逆时针旋转的倾转动力系统的电机转速不同，达到滚转控制效果；通过控制位于飞行器纵向轴线左右分布的倾转动力系统的电机转速不同，达到偏航控制效果；通过控制飞行器所有倾转动力系统的电机转速一致变化，达到前飞速度快慢的控制效果。

倾转动力系统动力部分竖直部分水平(复合翼飞行模式)：通过控制位于飞行器副机翼上的升降舵上偏或者下偏，以及所有竖直倾转动力系统中相对飞行器横向轴线前后分布的电机转速不同，达到飞行器抬头低头飞行的效果俯仰；通过控制所有水平倾转动力系统中顺时针和逆时针旋转的电机转速不同，以及所有竖直倾转动力系统中相对纵向轴线左右分布的电机转速不同，达到飞行器的滚转控制效果；通过控制所有水平倾转动力系统中相对纵向轴线左右分布的电机转速不同，以及所有竖直倾转动力系统中顺时针和逆时针旋转的电机转速不同，达到偏航控制效果；飞行器的高度升降则可由竖直倾转动力系统整体加减速以及副机翼上的升降舵上偏或者下偏完成控制，其中竖直动力整体加减速对飞行器的高度升降效果直接，而升降舵的偏转需要在飞行前飞中逐步体现飞行器升降效果；飞行器的前飞速度则可由所有水平倾转动力系统的电机转速快慢控制。

所述的分布式倾转多旋翼飞行器的飞行控制方法包括以下步骤：

(1)飞控系统接收地面站的位置指令以及实时接收来自GPS提供的位置信息，并由获得的当前位置信息分析出飞行器下一时刻的期望姿态，输出到步骤(6)；

(2)飞控系统接收到的地面站指令后进行当前飞行状态(飞行模式)的判断，如果处于多旋翼模式则进入步骤(3)，如果处于复合翼模式则进入步骤(4)，如果处于固定翼模式则进入步骤(5)；

(3)飞行器将采用控制模式1进行飞行控制，此模式基于多旋翼构型，将通过控制倾转动力系统电机转速进行一致变化以及通过不同倾转动力系统电机差速实现飞行器姿态调整；

(4)飞行器将采用控制模式2进行飞行控制，此模式基于复合翼构型，将通过控制倾转动力系统电机转速的一致变化、不同倾转动力系统电机的差速、舵面的偏转实现飞行器姿态调整；

(5)飞行器将采用控制模式3进行飞行控制，此模式基于固定翼构型，将通过控制倾转动力系统电机转速的一致变化、不同倾转动力系统电机差速、舵面偏转实现飞行器姿态调整；

(6)飞行器利用步骤(3)、(4)或(5)的控制模式并基于步骤(1)分析得到的飞行器下一时刻期望姿态，进行飞行器姿态的调整；

(7)飞行器位置调整完成，来自地面站的任务指令执行完毕。

本发明的有益效果如下：

本发明采用分布式的倾转多旋翼动力系统组，通过倾转动力系统来控制飞行器的飞行模式，包括多旋翼垂直起降模式、固定翼高速巡航模式、复合翼融合任务模式，实现飞行器极高的自由控制能力；采用分布式的倾转多旋翼动力系统组，减少固定翼模式下的副翼、襟翼、方向舵等结构，通过分布式的旋翼可代替其滚转、增升/减速、偏航的功能，通过减少控制舵面这类机械机构来提高操作的可靠性及有效性，同时减小了附加结构的重量；采用分布式动力系统，拥有极高的动力冗余，在部分动力失效情况下仍可执行任务，在少量动力仅存情况下以固定翼模式进行迫降。

附图说明

图1是分布式倾转多旋翼飞行器的飞行控制方法的框架图；

图2是分布式倾转多旋翼飞行器巡航飞行模式(固定翼)示意图；

图3是分布式倾转多旋翼飞行器垂直起降模式(多旋翼)示意图；

图中，机身(1)，主机翼(2)，垂直尾翼(3)，副机翼(4)，升降舵(5)，分布式倾转动力系统(6-1～6-20)。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2-3所示，本发明的一种分布式倾转多旋翼飞行器，包括机身(1)，主机翼(2)，垂直尾翼(3)，副机翼(4)，升降舵(5)，分布式倾转动力系统(6-1～6-20)，其中，所述的倾转动力系统包括倾转机构、动力电机和旋翼，所述的旋翼设于动力电机输出轴上，动力电机设于倾转机构上，倾转机构实现动力电机和旋翼相对机翼的运动。主机翼和副机翼共同提供飞行器在固定翼模式下的升力，倾转动力系统对称分布设于主副机翼上，倾转动力系统动力方向全水平，此状态为本发明的分布式倾转多旋翼飞行器的巡航飞行模式，飞行器呈现固定翼的基本构型，可实现飞行器高速巡航，保证一定的航时航程。分布式倾转动力系统(6-1～6-20)分别利用倾转机构绕其部件中部折转90°，则倾转动力系统的施力方向由水平向后变换成垂直向下，实现本发明飞行器从固定翼模式转换至多旋翼模式，如图3所示，可实现飞行器的垂直起降以及悬停。另外，分布式倾转动力系统中的部分动力倾转成水平，剩余部分动力倾转成竖直，则此时分布式倾转多旋翼飞行器呈现出复合式旋翼飞行器的构型，升力由机翼与动力旋翼共同提供。

所述的分布式倾转多旋翼飞行器的飞行控制方法主要由倾转动力系统及升降舵作为飞行姿态的主要控制装置，其倾转动力系统的倾转位置、电机转速(旋翼转速)和升降舵的偏转角度作为主要的控制参数，所述的飞行姿态包括：俯仰、滚转、偏航，以及对应的飞行状态为：低头/抬头前飞/后飞、侧飞、改变航向，其中根据飞行器所处的不同飞行模式，对应的控制方式具体如下：

倾转动力系统动力方向竖直(多旋翼飞行模式)：通过控制位于飞行器横向轴线前后分布的倾转动力系统的电机转速不同，达到俯仰控制效果；通过控制位于飞行器纵向轴线左右分布的动力系统的电机转速不同，达到滚转控制效果；通过控制飞行器顺时针和逆时针旋转的倾转动力系统的电机转速不同，达到偏航控制效果；通过控制飞行器所有倾转动力系统的电机转速的一致变化，达到飞行器高度升降的控制效果。

倾转动力系统动力方向水平(固定翼飞行模式)：通过控制位于飞行器副机翼上的升降舵上偏或者下偏，达到飞行器抬头低头飞行的效果；通过控制飞行器顺时针和逆时针旋转的倾转动力系统的电机转速不同，达到滚转控制效果；通过控制位于飞行器纵向轴线左右分布的倾转动力系统的电机转速不同，达到偏航控制效果；通过控制飞行器所有倾转动力系统的电机转速一致变化，达到前飞速度快慢的控制效果。

倾转动力系统动力部分竖直部分水平(复合翼飞行模式)：通过控制位于飞行器副机翼上的升降舵上偏或者下偏，以及所有竖直倾转动力系统中相对飞行器横向轴线前后分布的倾转动力系统的电机转速不同，达到飞行器抬头低头飞行的效果俯仰；通过控制所有水平倾转动力系统中顺时针和逆时针旋转的电机转速不同，以及所有竖直动力系统中相对纵向轴线左右分布的倾转动力系统的电机转速不同，达到飞行器的滚转控制效果；通过控制所有水平倾转动力系统中相对纵向轴线左右分布的电机转速不同，以及所有竖直动力系统中顺时针和逆时针旋转的倾转动力系统的电机转速不同，达到偏航控制效果；飞行器的高度升降则可由竖直倾转动力系统整体加减速以及副机翼上的升降舵上偏或者下偏完成控制，其中竖直倾转动力系统整体加减速对飞行器的高度升降效果直接，而升降舵的偏转需要在飞行前飞中逐步体现飞行器升降效果；飞行器的前飞速度则可由所有水平倾转动力系统转速快慢控制。

具体控制流程如图1所示，步骤如下：

(1)飞控系统接收地面站的位置指令以及实时接收来自GPS提供的位置信息，并由获得的当前位置信息分析出飞行器下一时刻的期望姿态，具体为：

飞控系统以一定的频率实时接收来自GPS提供的位置信息，识别本体所在实时位置，并实时接收到来自地面站的位置指令作为下一时刻期望位置，将两个位置参数进行对比分析后获得飞行器为了进行位置调整的下一时刻的期望姿态，输出给步骤(6)。

(2)飞控系统接收到的地面站指令后进行当前飞行状态(飞行模式)的判断，具体为：

飞控系统接收到地面站指令后先进入飞行状态的判断中，飞行状态即根据本飞行器构型可变换的三种飞行模式：多旋翼、固定翼、复合翼，若飞行器处于多旋翼模式，则进入步骤(3)的飞行控制方法；若飞行器处于复合翼模式，则进入步骤(4)的飞行控制方法；若飞行器处于固定翼模式，则进入步骤(5)的飞行控制方法。

(3)飞行器将采用控制模式1进行飞行控制，此模式基于多旋翼构型，将通过直接控制倾转动力系统电机转速联动旋翼的转速进行一致变化以及通过不同电机差速实现飞行器姿态调整；

飞行器在多旋翼模式下，电机方向全为垂直，将采用控制模式1进行飞行控制，其中电机的转速作为控制参数，通过电机转速的统一一致变化，可以调整飞行器高度方向的位置；通过电机的差速变化，可以调整飞行器俯仰、滚转、偏航来实现姿态变换达到位置变换目的，顺逆时针转动的电机差动实现飞行器偏航，纵轴左右分布的电机差动实现飞行器滚转，横轴前后分布的电机差动实现飞行器俯仰。

(4)飞行器将采用控制模式2进行飞行控制，此模式基于复合翼构型，将通过控制倾转动力系统电机转速的一致变化、不同电机的差速、舵面的偏转实现飞行器姿态调整；

飞行器在复合翼模式下，电机方向部分垂直、部分水平，将采用控制模式2进行飞行控制，其中电机的转速和升降舵的偏转作为控制参数，通过水平方向动力电机的转速控制飞行器前飞速度；通过垂直方向动力电机转速的统一一致变化以及通过升降舵的偏转，可以调整飞行器高度方向的位置；顺逆时针转动的垂直方向动力电机差动实现飞行器偏航，纵轴左右分布的垂直方向动力电机差动实现飞行器滚转，横轴前后分布的垂直方向动力电机差动实现飞行器俯仰(可作为辅助升降舵偏转的操作)。

(5)飞行器将采用控制模式3进行飞行控制，此模式基于固定翼构型，将通过控制电机转速的一致变化、不同电机差速、舵面偏转实现飞行器姿态调整；

飞行器在固定翼模式下，电机方向全为水平，将采用控制模式3进行飞行控制，其中电机的转速和升降舵的偏转作为控制参数，通过电机的转速控制飞行器前飞的速度；顺逆时针转动电机的差动实现飞行器滚转，纵轴左右分布电机的差动实现飞行器偏航；通过升降舵的偏转可以调整飞行器俯仰。

(6)飞行器利用步骤(3)、(4)或(5)的控制模式并基于步骤(1)分析得到的飞行器下一时刻期望姿态，进行飞行器姿态的调整；

飞控根据飞行器下一时刻的期望姿态通过三种控制模式进行姿态调整。

(7)飞行器位置调整完成，来自地面站的任务指令执行完毕。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种分布式倾转多旋翼飞行器，其特征在于：所述分布式倾转多旋翼飞行器由机身、主机翼、副机翼、垂直尾翼、至少6套倾转动力系统和升降舵组成，其中，主机翼与副机翼分设于机身前部与后部，形成串列翼布局；升降舵布置在副机翼后缘切口处，所述倾转动力系统包括倾转机构、电机和旋翼；旋翼固定在电机输出轴上，电机安装在倾转机构上，电机通过倾转机构实现动力方向的变化；所述倾转动力系统通过倾转机构安装于主机翼和副机翼上，且相对于机身轴对称分布；所述分布式倾转多旋翼飞行器的飞行控制方法为：

采用所述倾转动力系统的倾转位置和电机转速、所述升降舵的偏转作为主要的控制参数，根据分布式倾转多旋翼飞行器的飞行模式，对分布式倾转多旋翼飞行器的飞行姿态进行控制：

多旋翼飞行模式：俯仰由位于飞行器横向轴线前后分布的倾转动力系统电机转速差控制；滚转由位于飞行器纵向轴线左右分布的倾转动力系统电机转速差控制；偏航由顺逆时针倾转动力系统电机转速差控制；高度由整体倾转动力系统电机加减速控制；

固定翼飞行模式：俯仰由升降舵偏转控制；滚转由顺逆时针倾转动力系统电机转速差控制；偏航由位于飞行器纵向轴线左右分布的倾转动力系统电机转速差控制；前飞速度由整体倾转动力系统电机加减速控制；

复合翼飞行模式：俯仰由升降舵偏转及位于飞行器横向轴线前后分布的竖直倾转动力系统电机转速差控制；滚转由位于飞行器纵向轴线左右分布的竖直倾转动力系统电机转速差及顺逆时针水平倾转动力系统电机转速差控制；偏航由顺逆时针竖直倾转动力系统电机转速差及位于飞行器纵向轴线左右分布的水平倾转动力系统电机转速差控制；

其中，倾转动力系统动力方向全水平为固定翼模式；倾转动力系统动力方向全竖直为多旋翼模式；倾转动力系统动力方向部分竖直部分水平为复合翼模式。

2.根据权利要求1所述分布式倾转多旋翼飞行器，其特征在于：所有倾转动力系统动力方向为竖直状态时，飞行器重心满足多旋翼飞行器对重心分布及动力分布的要求。

3.根据权利要求1所述分布式倾转多旋翼飞行器，其特征在于，倾转机构可使动力电机和旋翼整体折转90°。

4.根据权利要求1所述的分布式倾转多旋翼飞行器的控制装置，其特征在于：主机翼的翼尖布置有一对倾转动力系统。

5.根据权利要求1所述的分布式倾转多旋翼飞行器的控制装置，其特征在于：所述分布式倾转多旋翼飞行器的飞行控制方法具体包括以下步骤：

（1）飞控系统接收地面站的位置指令以及实时接收来自GPS提供的位置信息，并由获得的当前位置信息分析出飞行器下一时刻的期望姿态，输出到步骤（2）；

（2）飞控系统接收到的地面站指令后进行当前飞行模式的判断，并结合步骤（1）得到的期望姿态进行飞行器姿态的调整：

若为多旋翼模式，则通过控制倾转动力系统电机转速进行一致变化以及通过不同倾转动力系统电机差速实现飞行器姿态调整；

若为复合翼模式，则通过控制倾转动力系统电机转速的一致变化、不同倾转动力系统电机的差速、升降舵的偏转实现飞行器姿态调整；

若为固定翼模式，则通过控制倾转动力系统电机转速的一致变化、不同倾转动力系统电机差速、升降舵偏转实现飞行器姿态调整；

（3）飞行器位置调整完成，任务指令执行完毕。

Images