CN112896485B - 一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器及控制方法，包括机身以及与机身活动连接的旋翼机构，机身包括机身本体、上盖和起落架，机身本体的内部空腔设置有电源模块，旋翼机构用于带动机身飞行，旋翼机构包括顺时针螺旋桨和逆时针螺旋桨，顺时针螺旋桨和逆时针螺旋桨分设于机身两侧，旋翼机构与机身之间设置有角度调节机构，角度调节机构用于驱动旋翼机构进行角度调节，角度调节机构与旋翼机构设置有控制系统。本发明通过结合流线型机身设计，利用机身在飞行过程中产生的升力提高负载容量，较大的机身空间装备更多的电源，有效地延长了续航时间和航线里程，同时通过角度调节机构和驱动旋翼机构实现多种飞行需求。

Description

一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器及控制方法

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，具体是一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器及控制方法。

背景技术

随着无人飞行器技术的快速发展，小型飞行器在军用、民用领域均得到广泛应用，使用飞行器进行巡航拍摄逐渐走入人们的生活中，使用飞行器进行农业作业和用于快递服务也成了新兴话题，飞行器在许多行业领域中扮演着越来越重要的角色。

当前飞行器主要分为固定翼飞行器和旋翼飞行器，固定翼飞行器飞行速度快，飞行时间长，通过上下翼面压强差提供向上的升力来维持飞行高度，一般通过调整翼面角度来实现姿态控制，通过左右固定翼的转速差实现转向，但由于对启停场合要求高，无法悬停且转向不够灵活等缺点，固定翼飞行器受用范围收到限制。

旋翼飞行器通过旋翼提供升力，通过平衡反扭力来维持机身稳定，通过调整飞行姿态，形成侧向合力来实现水平飞行。旋翼飞行器从旋翼数量上可以分为单旋翼型和多旋翼型，相较于固定翼飞行器，旋翼飞行器对起降场地条件要求不高；

但旋翼飞行器水平飞行速度有限，航行时间短等问题同样限制了旋翼飞行器在许多实际需求中的应用，和单旋翼飞行器相比，多旋翼飞行器传动结构相对简单，控制更加便捷，但是增设更多的旋翼意味着自身重量的增加，能量消耗变快，降低了整体的飞行效率。

如专利文件CN105197230A公开的一种双翼飞机，设置有双旋翼结构，以及专利文件CN106919179A公开的一种四旋翼飞行器控制系统及控制方法，采用四旋翼结构，这些飞行器多为运用旋翼飞行器与固定翼飞行器的结合，旋翼角度固定，加之旋翼飞行器的起降优势，在稳定飞行上得到了进一步提升，然而这种设定势必增加了能量消耗，使航行时间缩短，导致整体飞行效率下降。

针对当前飞行器存在以上问题，亟需提出一种新型的飞行器。具备速度快、对起降场地要求小以及可以悬停等优点，并且解决负载小，航行时间短的问题，满足日益复杂的飞行需求。

发明内容

本发明为解决现有旋翼飞行器飞行效率低的问题，提供了一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器及控制方法，本发明通过结合流线型机身设计，利用机身在飞行过程中产生的升力提高负载容量，较大的机身空间装备更多的电源，有效地延长了续航时间和航线里程，同时通过角度调节机构和驱动旋翼机构实现多种飞行需求。

本发明第一方面提出一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器，所述流线型机身的两轴倾斜翼飞行器包括：

机身以及与机身活动连接的旋翼机构，所述机身呈内部中空的流线型结构，机身包括机身本体、上盖和起落架，所述上盖为弧形板体，上盖与机身本体圆弧过渡，且与机身本体扣合连接，机身本体的内部空腔设置有电源模块；

所述旋翼机构用于带动机身飞行，旋翼机构包括顺时针螺旋桨和逆时针螺旋桨，所述顺时针螺旋桨和逆时针螺旋桨分设于机身两侧，旋翼机构与机身之间设置有角度调节机构；

所述角度调节机构用于驱动旋翼机构进行角度调节，角度调节机构与旋翼机构设置有控制系统，所述控制系统包括主控单元、电源模块、驱动单元和传感检测单元。

进一步地，所述顺时针螺旋桨和逆时针螺旋桨均设置有第一电机、电机固定架和桨叶固定器，且下端均分别与第一电机的电机轴固定连接，所述第一电机与电机固定架固定，所述电机固定架为一侧敞口、内部中空的三棱柱状结构，所述桨叶固定器设置于顺时针螺旋桨和逆时针螺旋桨的端部，用于固定所述顺时针螺旋桨和逆时针螺旋桨的桨叶。

进一步地，所述角度调节机构对应两个所述电机固定架分设于机身两端，角度调节机构包括编码器、第二电机，所述第二电机连接有减速器，第二电机的电机轴经减速器连接电机固定架的背板。

进一步地，所述主控单元包括嵌入式控制芯片，主控单元通信连接传感检测单元，所述传感检测单元为多轴MEMS传感器，所述传感检测单元用于获取机身飞行参数，传感检测单元包括陀螺仪角度传感器、角速度传感器、加速度传感器、磁场传感器和气压检测传感器，所述驱动单元输入端连接主控单元控制端、输出端分别连接第一电机和第二电机；

主控单元根据所述飞行参数输出控制信号经驱动单元对第一电机和第二电机分别进行调节；

主控单元通信连接有输入单元。

进一步地，所述驱动单元，包括过温、过流保护电路和驱动电路，所述过温、过流保护电路的输出端与所述主控单元信号采集端连接，主控单元根据过流保护电路输出信号经驱动电路对角度调节机构和旋翼机构进行过温及过流保护。

进一步地，所述电源模块包括多个电池，多个所述电池之间相互并联；

多个电池均固定于机身本体内腔的底面，且关于与机身本体侧面平行的中轴面对称均布，电源模块用于使机身重心位于升力f和动力F的等效作用点之间，并且靠近升力f等效作用点。

本发明第二方面提出一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器的控制方法，所述方法包括：

步骤1：给定飞行行为，主控单元获取飞行参数解算机身位置姿态，并根据解算数据调节旋翼机构倾斜角度及旋翼机构转速；

步骤2：基于传感检测单元得到机身的实时飞行参数，采用闭环控制模型对机身位置姿态进行补正。

进一步地，所述飞行行为包括起飞、降落、俯仰、偏航、悬停和巡航行为；

所述飞行参数包括通过陀螺仪角度传感器、角速度传感器、加速度传感器得到机身的姿态信息、速度信息和加速度信息；

通过磁场传感器得到机身的世界位置信息；

通过气压检测传感器得到机身的飞行高度信息。

进一步地，所述步骤1还包括学习阶段：

将机身的飞行姿态划分为多个飞行行为，主控单元记录不同起始姿态下的机身飞行调节；

给定飞行行为，主控单元根据训练经验，对机身姿态进行调节。

通过上述技术方案，本发明的有益效果为：

1.本发明设置有机身以及与机身活动连接的旋翼机构，所述机身呈内部中空，且一侧敞口的流线型结构，机身包括机身本体、上盖和起落架，所述上盖为弧形板体，上盖与机身本体圆弧过渡，且与机身本体扣合连接，机身本体的内部空腔设置有电源模块；

进行飞行任务时，流线型结构较大的完整的翼面为飞行作业提供充足升力，从而增加了负重载荷，提高了飞行器的载重能力；另外机身较4旋翼以上结构具有更大内部空间设置电源模块提高了续航能力。

2. 本发明的旋翼机构包括顺时针螺旋桨和逆时针螺旋桨，所述顺时针螺旋桨和逆时针螺旋桨分设于机身两侧，旋翼机构与机身之间设置有角度调节机构；

飞行时，顺、逆时针方向的螺旋桨在飞行过程中，旋翼产生的扭力矩会相互抵消，从而无需再装载其他平衡装置，采用双旋翼提供动力，与单旋翼和四旋翼相比简化了机械结构，降低对零部件要求的同时保证了旋翼效率；

同时综合固定翼和旋翼飞行器的特点，降低了对起落场地的要求，同时具备较快的水平方向的飞行速度。

附图说明

图1为本发明一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器的结构示意图之一；

图2为本发明一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器的结构示意图之二；

图3为本发明一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器的结构示意图之三；

图4为本发明一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器的结构示意图之四；

图5为本发明一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器的控制原理图；

图6为本发明一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器的受力示意图；

图7为本发明一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器的控制方法的流程图。

附图标号：1为机身，2为旋翼机构，3为主控单元，4为电源模块，5为角度调节机构，6为传感检测单元，7为第一电机，8为电机固定架，9为桨叶固定器，10为驱动单元，11为输入单元，101为机身本体，102为上盖，103为起落架，201为顺时针螺旋桨，202为逆时针螺旋桨，501为减速器，502为第二电机，503为编码器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器，包括机身1以及与机身1活动连接的旋翼机构2，所述机身1呈内部中空的流线型结构，机身1包括机身本体101、上盖102和起落架103，所述上盖102为弧形板体，上盖102与机身本体101圆弧过渡，且与机身本体101扣合连接，机身本体101的内部空腔设置有电源模块4；

所述旋翼机构2用于带动机身1飞行，旋翼机构2包括顺时针螺旋桨201和逆时针螺旋桨202，所述顺时针螺旋桨201和逆时针螺旋桨202分设于机身1两侧，旋翼机构2与机身1之间设置有角度调节机构5；

所述角度调节机构5用于驱动旋翼机构2进行角度调节，角度调节机构5与旋翼机构2设置有控制系统，所述控制系统包括主控单元3、电源模块4、驱动单元10和传感检测单元6。

本发明机身1采用流线型结构，顺时针螺旋桨201和逆时针螺旋桨202在飞行过程中，产生的扭力矩会相互抵消，从而无需再装载其他平衡装置，采用双旋翼提供动力，与单旋翼和四旋翼相比简化了机械结构，降低对零部件要求的同时保证了旋翼效率；

控制系统精确调节旋翼机构2倾斜角度及旋翼机构2转速，使飞行过程更加顺畅，满足起飞、降落、俯仰、偏航、悬停、巡航多飞行要求。

实施例2

在上述实施例1的基础上，本发明实施例与上述实施例的不同之处在于，本发明对旋翼机构2和角度调节机构5进行优化，具体的：

如图2和3所示，所述顺时针螺旋桨201和逆时针螺旋桨202均设置有第一电机7、电机固定架8和桨叶固定器9，且下端均分别与第一电机7的电机轴固定连接，所述第一电机7与电机固定架8固定，所述电机固定架8为一侧敞口、内部中空的三棱柱状结构，所述桨叶固定器9设置于顺时针螺旋桨201和逆时针螺旋桨202的端部，用于固定所述顺时针螺旋桨201和逆时针螺旋桨202的桨叶。

在本实施例中，所述第一电机7为直流无刷电机。

作为一种可实施方式如图4所示，所述角度调节机构5对应两个所述电机固定架8分设于机身1两端，角度调节机构5包括编码器503、第二电机502，所述第二电机502连接有减速器501，第二电机502的电机轴经减速器501连接电机固定架8的背板。

在本实施例中，所述第二电机502为伺服电机，为了提高旋翼机构2的驱动效果，第二电机502连接有编码器503和减速器501；

作业时，通过调节第二电机502实现电机固定架8带动顺时针螺旋桨201和逆时针螺旋桨202的角度调节，从而调整飞行中的姿态满足飞行需要。

实施例3

在上述实施例2的基础上，如图5所示，为简化电路结构，且便于姿态调节，在本实施例中对控制系统进行优化，具体的：

所述主控单元3包括嵌入式控制芯片，主控单元3通信连接传感检测单元6，所述传感检测单元6为多轴MEMS传感器，所述传感检测单元6用于获取机身1飞行参数，传感检测单元6包括陀螺仪角度传感器、角速度传感器、加速度传感器、磁场传感器和气压检测传感器，所述驱动单元10输入端连接主控单元3控制端、输出端分别连接第一电机7和第二电机502；

主控单元3根据所述飞行参数输出控制信号经驱动单元10对第一电机7和第二电机502分别进行调节；

主控单元3通信连接有输入单元11。

在本实施例中，所述输入单元11为手持终端设备，所述输入单元11与主控单元3通过蓝牙模块通信或移动网络模块通信。

作为一种可实施方式，所述驱动单元10，包括过温、过流保护电路和驱动电路，所述过温、过流保护电路的输出端与所述主控单元3信号采集端连接，主控单元3根据过流保护电路输出信号经驱动电路对角度调节机构5和旋翼机构2进行过温及过流保护。

作业时，通过输入单元11设定飞行行为，主控单元3通过输出四路PWM信号经驱动单元10对第一电机7和第二电机502分别进行调节，传感检测单元6获取机身1当前的飞行参数，所述飞行参数包括通过陀螺仪角度传感器、角速度传感器、加速度传感器得到机身1的姿态信息、速度信息和加速度信息，通过磁场传感器得到机身1的世界位置信息，通过气压检测传感器得到机身1的飞行高度信息；

主控单元3通过传感检测单元6反馈解算所述飞行参数得到偏差值，主控单元3通过所述偏差值，调节对应的引脚输出的PWM信号幅值，由驱动单元10分别控制两个旋翼机构2的转速和两个角度调节机构5的偏转角度，从而改变机身1的整体合力方向，实现机身1姿态的调整。

实施例4

基于实施例1，如图2所示，为提高续航能力，在本实施例中对电源模块4进行优化，具体的：

所述电源模块4包括多个电池，多个所述电池之间相互并联；

多个电池均固定于机身本体101内腔的底面，且关于与机身本体101侧面平行的中轴面对称均布。

在本实施例中为了保证机身1的稳定性如图6所示，其中，G为飞行器整体重力，F为螺旋桨提供的动力，f为飞行器上下翼面存在压差，而产生斜向上方的升力。通过分析合力，可以计算出飞行器位置姿态变化的加速度，速度等数据。

通过调整电源模块4位置，使得机身1重心位于升力f和动力F的等效作用点之间，并且靠近升力f等效作用点，从而当机身1达到飞行满足速度时，升力f与重力G趋于平衡。

实施例5

对应上述的一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器，如图7所示，本发明第二方面提出一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器的控制方法，所述控制方法包括：

步骤1：给定飞行行为，主控单元3获取飞行参数解算机身1位置姿态，并根据解算数据调节旋翼机构2倾斜角度及旋翼机构2转速；

步骤2：基于传感检测单元6得到机身1的实时飞行参数，采用闭环控制模型对机身1位置姿态进行补正。

作为一种可实施方式，所述飞行行为包括起飞、降落、俯仰、偏航、悬停和巡航行为；

所述飞行参数包括通过陀螺仪角度传感器、角速度传感器、加速度传感器得到机身1的姿态信息、速度信息和加速度信息；

通过磁场传感器得到机身1的世界位置信息；

通过气压检测传感器得到机身1的飞行高度信息。

作为一种可实施方式，所述步骤1还包括学习阶段：

将机身1的飞行姿态划分为多个飞行行为，主控单元3记录不同起始姿态下的机身1飞行调节；

给定飞行行为，主控单元3根据训练经验，对机身1姿态进行调节。

本发明方法通过给定飞行行为，机身1可以根据训练经验，执行正确的动作，达到给定飞行行为对应的位置姿态。降低了人工操作难度，提高了抗干扰能力。

为进一步对本方法进行说明结合图6对起飞、降落、俯仰、偏航、悬停和巡航行为进行分析：

起飞：如图6所示当机身1起飞时，随着旋翼机构2旋转，升力f加大，机身1位置提高，机身本体101与地面形成夹角α，通过角度调节机构5改变旋翼机构2角度β，当角α与角β之和等于90°，此时旋翼机构2方向垂直向上；

当角α为90°，角β为0°，机身1与旋翼机构2在成同一直线，且方向为垂直向上，此时机身1在竖直方向上飞行；

通过调节第一电机7的转速，使机身1达到设定高度。

降落：类比起飞行为降低机身1竖直高度，与起飞行为不同之处在于，当起落架103尾部着陆，通过角度调节机构5调整角β为负值，此时机身1重心偏向前侧；

角α开始从90°减小，调整角β，使角α与角β之和为90°，旋翼机构2方向垂直向上，缓慢降低旋翼机构2转速，最终机身1稳定着陆。

俯仰：当机身1固定在一定高度，机身1处于飞行速度稳定状态，此时通过角度调节机构5调节旋翼机构2，既调节角β，实现角α变化，从而实现机身1的俯仰调节。

偏航：当分别调节顺时针螺旋桨201和逆时针螺旋桨202转速，使二者之间存在转速差，利用整体合力在水平方向上的分力实现偏航的飞行行为。

悬停：当机身1需要执行悬停行为时，通过传感检测单元6获得机身1的倾斜角度α，通过调整旋翼机构2倾斜角度β，使旋翼机构2始终垂直向上。由于没有水平方向上的动力，升力f为0，受重力G作用，角α会逐渐加大到90°，角β为0°，此时机身1受整体重力和旋翼机构2提供的升力平衡，实现机身1在竖直方向的悬停；

机身1上下翼面正对水平方向，易受水平方向的气流扰动，通过传感检测单元6获得机身1水平方向上的加速度，调整角β，使水平方向分力处于平衡，从而实现机身1在水平方向上的悬停。

巡航：改变旋翼机构2的转速，提高动力F，动力F在水平方向上的分力使得机身1在水平方向上速度加快，进而翼面产生的升力也随之提高；结合机身1的流线型特点，利用升力f平衡重力G，进而减小旋翼机构2夹角β，即减小动力F在竖直方向上的分力，提高在水平方向上的分力，从而提高机身1水平飞行速度和航行里程。

以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (6)

1.一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器，其特征在于，包括机身（1）以及与机身（1）活动连接的旋翼机构（2），所述机身（1）呈内部中空的流线型结构，机身（1）包括机身本体（101）、上盖（102）和起落架（103），所述上盖（102）为弧形板体，上盖（102）与机身本体（101）圆弧过渡，且与机身本体（101）扣合连接，机身本体（101）的内部空腔设置有电源模块（4）；

所述旋翼机构（2）用于带动机身（1）飞行，旋翼机构（2）包括顺时针螺旋桨（201）和逆时针螺旋桨（202），所述顺时针螺旋桨（201）和逆时针螺旋桨（202）分设于机身（1）两侧，旋翼机构（2）与机身（1）之间设置有角度调节机构（5）；

所述角度调节机构（5）用于驱动旋翼机构（2）进行角度调节来改变旋翼机构（2）的旋转角度β；

角度调节机构（5）与旋翼机构（2）设置有控制系统，所述控制系统包括主控单元（3）、电源模块（4）、驱动单元（10）和传感检测单元（6）；

所述顺时针螺旋桨（201）和逆时针螺旋桨（202）均设置有第一电机（7）、电机固定架（8）和桨叶固定器（9），且下端均分别与第一电机（7）的电机轴固定连接，所述第一电机（7）与电机固定架（8）固定，所述电机固定架（8）为一侧敞口、内部中空的三棱柱状结构，所述桨叶固定器（9）设置于顺时针螺旋桨（201）和逆时针螺旋桨（202）的端部，用于固定所述顺时针螺旋桨（201）和逆时针螺旋桨（202）的桨叶；

所述角度调节机构（5）对应两个所述电机固定架（8）分设于机身（1）两端，角度调节机构（5）包括编码器（503）、第二电机（502），所述第二电机（502）连接有减速器（501），第二电机（502）的电机轴经减速器（501）连接电机固定架（8）的背板；

所述电源模块（4）包括多个电池，多个所述电池之间相互并联；

多个电池均固定于机身本体（101）内腔的底面，且关于与机身本体（101）侧面平行的中轴面对称均布，电源模块（4）用于使机身（1）重心位于升力f和动力F的等效作用点之间，并且靠近升力f等效作用点。

2.根据权利要求1所述的一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器，其特征在于， 所述主控单元（3）包括嵌入式控制芯片，主控单元（3）通信连接传感检测单元（6），所述传感检测单元（6）为多轴MEMS传感器，所述传感检测单元（6）用于获取机身（1）飞行参数，传感检测单元（6）包括陀螺仪角度传感器、角速度传感器、加速度传感器、磁场传感器和气压检测传感器，所述驱动单元（10）输入端连接主控单元（3）控制端、输出端分别连接第一电机（7）和第二电机（502）；

主控单元（3）根据所述飞行参数输出控制信号经驱动单元（10）对第一电机（7）和第二电机（502）分别进行调节；

主控单元（3）通信连接有输入单元（11）。

3.根据权利要求1所述的一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器，其特征在于，所述驱动单元（10），包括过温、过流保护电路和驱动电路，所述过温、过流保护电路的输出端与所述主控单元（3）信号采集端连接，主控单元（3）根据过流保护电路输出信号经驱动电路对角度调节机构（5）和旋翼机构（2）进行过温及过流保护。

4.基于权利要求1~3任一项所述的一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器的一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：给定飞行行为，主控单元（3）获取飞行参数解算机身（1）位置姿态，并根据解算数据调节旋翼机构（2）倾斜角度及旋翼机构（2）转速；

步骤2：基于传感检测单元（6）得到机身（1）的实时飞行参数，采用闭环控制模型对机身（1）位置姿态进行补正。

5.根据权利要求4所述的一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器的控制方法，其特征在于，所述飞行行为包括起飞、降落、俯仰、偏航、悬停和巡航行为；

所述飞行参数包括通过陀螺仪角度传感器、角速度传感器、加速度传感器得到机身（1）的姿态信息、速度信息和加速度信息；

通过磁场传感器得到机身（1）的世界位置信息；

通过气压检测传感器得到机身（1）的飞行高度信息。

6.根据权利要求4所述的一种流线型机身的两轴倾斜翼飞行器的控制方法，其特征在于，所述步骤1还包括学习阶段：

将机身（1）的飞行姿态划分为多个飞行行为，主控单元（3）记录不同起始姿态下的机身（1）飞行调节；

给定飞行行为，主控单元（3）根据训练经验，对机身（1）姿态进行调节。

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