CN117270450B - 一种水上飞行器的控制系统 - Google Patents

Abstract

一种水上飞行器的控制系统，包括飞行器状态监测模块、飞行器控制模块以及控制器；所述飞行器状态监测模块包括用于检测飞行器在X、Y、Z轴上角速度的MEMS陀螺；所述飞行器控制模块包括用于控制飞行器行驶速度的动力组件、用于控制所述飞行器升力的前翼组件以及后翼组件，所述前翼组件包括前桅杆、固定设置于所述前桅杆底部的前翼本体、分别转动设置于所述前翼本体上的左副翼以及右副翼、分别用于驱动所述左副翼以及所述右副翼转动的驱动机构。

Description

一种水上飞行器的控制系统

技术领域

本申请涉及水翼载具技术领域，具体而言，涉及一种水上飞行器的控制系统。

背景技术

水翼载具具有飞行器的飞行特点，依靠水下的水翼作为支撑，人员驾驶或乘坐水翼载具时，是在水面上方进行控制，水翼载具一般都带有自动控制系统，水下的结构需要考虑整流，尽量减小突出物从而减小阻力。

现有的水翼载具如公开号为CN 109415105 B，公开的基于水翼的装置，其可选地安装在立式划桨板或冲浪板上，以当乘骑者站在板上并通过划桨保持在水中速度时，将板抬升到水面上方并将板支撑在水面上方的稳定位置处。在一个实施例中，装置包括，支柱；主体，其连接至所述支柱；后翼片部分，其连接至所述主体的后端，其中该后翼片部分包括从所述主体的所述后端向外延伸的两个后翼；以及前向的翼片部分，其连接至所述主体的前端，其中该前向的翼片部分包括从所述主体的所述前端向外延伸的两个前翼，并且其 中该前向的翼片部分具有定位在距该前向的翼片部分的前边缘的第一距离处的最大厚度。

上述方案存在的缺陷为：由于该水翼仅仅具有后翼，仅仅提供飞行器的升力，无法控制俯仰角度，因此在操作时，完全依靠操作人员自身重心的改变调节飞行器的俯仰角度。

再如公开号为CN 110382342 B，公开的人力驱动的水翼自行车包括集成在一起的多个子系统，包括具有相关转向和舵柄模块的结构车架子系统，用于提供车辆升力的水翼子系统，以及动力总成子系统。结构车架子系统可以 配备有浮力模块，以使整个车辆具有近乎中性的浮力特性。结构车架子系统还支撑操作者的座椅，并针对水翼子系统和传动系统为转向和舵柄模块提供结构支撑。翼子系统包括位于车辆 最下部的多个水翼元件。在优选实施方式中，这些水翼元件通常包括较大的后翼和较小的前翼。动力总成子系统通常包括可旋转支撑在车辆上的踏板，踏板位于方便的位置，以便操作员用脚进行接合和驾驶。动力传动元件从踏板向下延伸到诸如螺旋桨的原动机。

上述方案中虽然具备前翼以及后翼，但是其前翼在提供部分升力的同时主要作为方向舵使用控制飞行器的偏航角度，其无法用于控制飞行器的俯仰角度。

而在水翼载具在实际工作过程中，由于海面或者水面存在波浪，尤其是大波浪的情形下，飞行器的平稳性较差，目前均是需要操作人员人工进行控制，对于驾驶人员的要求较高，尤其是在转弯时，其滚转角度以及俯仰角度对于平衡性影响尤其重要，目前的水翼控制系统对于水翼载具在实现转弯过程由于水面波浪造成影响而进行相应的平衡性控制，鉴于此，研发一款能够进行自动实现平衡性控制的水翼控制系统尤其重要。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种水上飞行器的控制系统，能够自动根据飞行器的实时状态进行调整，保证水翼的平衡性。

为了实现上述目的，本申请提供了一种水上飞行器的控制系统，包括飞行器状态监测模块、飞行器控制模块以及控制器；

所述飞行器状态监测模块包括用于检测飞行器在X、Y、Z轴上角速度的MEMS陀螺；

所述飞行器控制模块包括用于控制飞行器行驶速度的动力组件、用于控制所述飞行器升力的前翼组件以及后翼组件，所述前翼组件包括前桅杆、固定设置于所述前桅杆底部的前翼本体、分别转动设置于所述前翼本体上的左副翼以及右副翼、分别用于驱动所述左副翼以及所述右副翼转动的驱动机构；

所述控制器被配置为实时接收MEMS陀螺的检测信号，计算飞行器实时的姿态角度，所述姿态角度包括俯仰角度、滚转角度以及偏航角度，根据实时检测的偏航角度以及俯仰角度计算平稳状态下的理论滚转角度，基于所述理论滚转角度控制所述驱动机构相应调整所述左副翼以及所述右副翼的角度使得实时检测的滚转角度等于所述理论滚转角度。

进一步改进的是，计算所述理论滚转角度的公式为：tan(ψ) = sin(φ) * tan(θ)，其中ψ是飞行器的偏航角度，φ是飞行器的滚转角度，θ是飞行器的俯仰角度。

进一步改进的是，所述飞行器状态监测模块还包括用于检测飞行器飞行高度的超声波检测器，所述控制器将所述超声波检测器检测的飞行器的实时飞行高度与预设飞行高度对比，基于对比结果控制所述驱动机构同步调整所述左副翼以及所述右副翼的角度。

进一步改进的是，当飞行高度小于预设高度，所述控制器控制动力组件使得飞行器的飞行速度随着俯仰角度的增大而增大，当飞行高度大于预设高度，所述控制器控制动力组件使得飞行器的飞行速度随着俯仰角度的增大而减小。

进一步改进的是，所述飞行器包括飞行器本体，所述前桅杆设置于所述飞行器本体的前部，所述飞行器本体的后部连接有后桅杆，所述后翼组件设置于所述后桅杆的下端部。

进一步改进的是，所述动力组件为设置于所述飞行器本体底部的推进器或者螺旋桨。

进一步改进的是，所述左副翼以及所述右副翼的所述驱动机构均包括下端部与所述左副翼或者所述右副翼相转动连接的驱动杆、设置于所述前桅杆顶部用于驱动所述驱动杆直线往复运动的驱动组件。

进一步改进的是，所述驱动组件包括固定设置于所述前桅杆顶部的舵机、一端与所述舵机的电机轴相转动连接的摇臂，所述摇臂的另一端与所述驱动杆的上端部相转动连接。

进一步改进的是，所述前桅杆的下端部具有连接部，所述连接部与所述前翼本体相固定连接，所述连接部的厚度方向沿着所述前翼本体的长度方向延伸，且其厚度由前至后渐变渐宽。

进一步改进的是，所述前桅杆以及所述连接部均为中空结构，所述驱动杆穿设于两者的空腔内。

本发明提供的一种水上飞行器的控制系统，与现有技术相比，其有益效果为：首先对前翼组件进行改进，通过设置转动的左副翼以及右副翼，实现了前翼不仅具有提供升力、提供方向舵的同时还可以提供俯仰角以及滚转角度的调节，其次通过设置了飞行器状态的监测模块，通过对飞行器在不同环境下其姿态角度、飞行高度、偏航角度等实时状态的检测，通过算法实现飞行器平稳性的自动控制。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是：飞行器立体示意图；

图2是：前翼组件、前桅杆、驱动机构三者连接示意图；

图3是：前桅杆、驱动机构三者连接示意图；

图4是：图3的A处放大图；

图5是：飞行器的飞行状态示意图。

其中：1、飞行器本体；2、前桅杆；3、前翼本体；4、左副翼；5、右副翼；6、后桅杆；7、后翼组件；8、螺旋桨；9、尾翼；10、驱动杆；11、舵机；12、摇臂。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1-图5所示，一种水上飞行器的控制系统，包括飞行器状态监测模块、飞行器控制模块以及控制器；

所述飞行器状态监测模块包括用于检测飞行器在X、Y、Z轴上角速度的MEMS陀螺，其中三个方向上的角速度分别表示为ωx、ωy、ωz；

所述飞行器控制模块包括用于控制飞行器行驶速度的动力组件、用于控制所述飞行器升力的前翼组件以及后翼组件7，所述前翼组件包括前桅杆2、固定设置于所述前桅杆2底部的前翼本体3、分别转动设置于所述前翼本体3上的左副翼4以及右副翼5、分别用于驱动所述左副翼4以及所述右副翼5转动的驱动机构；

所述控制器被配置为实时接收MEMS陀螺的检测信号，计算飞行器实时的姿态角度，所述姿态角度包括俯仰角度、滚转角度以及偏航角度，具体计算采用微积分计算，ψ=∫ωz * dt，θ=∫ωx* dt，φ=∫ωy* dt，其中dt是采样周期。根据实时检测的偏航角度以及俯仰角度计算平稳状态下的理论滚转角度，基于所述理论滚转角度控制所述驱动机构相应调整所述左副翼4以及所述右副翼5的角度使得实时检测的滚转角度等于所述理论滚转角度。

飞行器在波浪水面进行飞行时，由于波浪对水翼系统的稳定性影响非常重要，因为波浪会引起睡衣系统受力和运动的变化，首先波浪力，是波浪对水翼系统施加的力，它会改变水翼系统的受力分布和运动特性，波浪力的大小和方向取决于波浪的振幅、频率、传播方向等因素，波浪力的变化会导致水翼系统产生不稳定的运动，如摆动、俯仰等，由于波浪的干扰与水翼相互作用，波浪与水翼之间存在相互作用，波浪在与水翼接触时会发生反射、透射和散射等现象，这种相互作用会改变水翼系统的流畅分布，进而影响水翼的升力和阻力特性，从而对系统的稳定性产生影响。

尤其是转弯过程中，上述的影响力尤其重要，在转弯过程中飞行器的偏航角度由方向舵进行控制，而其俯仰角度随着波浪实时变化，而滚转角度对飞行器的平稳性的影响尤其重要，滚转角度是飞行器绕纵轴旋转的角度，它会影响飞行器的侧向稳定性和操纵性，当飞行器发生滚转时，它会受到滚转力矩的作用，导致飞行器的侧向运动，如果滚转角度过大或者变化过快，飞行器可能会失去平衡，造成不稳定的飞行状态，可能导致飞行器失控、失去操纵性、甚至发生危险，因此控制滚转角度尤为重要，而本方案通过对目前的前翼组件进行了改进，使得其能够调节飞行器的滚转角度，首先监测飞行器在遇到波浪转弯时的偏航角度以及俯仰角度，而后利用在平衡体系下，该偏航角度以及俯仰角度对应的滚转角度，再通过检测到的实时滚转角度与之进行对比后，通过控制算法，比如PID控制器等，对水翼系统进行自动调整，使用PID控制器来控制水翼的角度或位置，其中比例（P）、积分（I）和微分（D）增益根据系统的动态特性进行调节，以实现稳定的控制，将实时的滚转角度调整至接近理论值，从而使得整个飞行器始终处于平衡体系下，而在平衡体系下计算所述理论滚转角度的公式为：tan(ψ) = sin(φ) * tan(θ)，其中ψ是飞行器的偏航角度，φ是飞行器的滚转角度，θ是飞行器的俯仰角度，在通过检测得到ψ值与θ值的前提下，能够得出理论的φ值，将其与MEMS陀螺监测的实时滚转角度进行对比。

此外为了使得飞行器保持平稳状态，所述飞行器状态监测模块还包括用于检测飞行器飞行高度的超声波检测器，所述控制器将所述超声波检测器检测的飞行器的实时飞行高度与预设飞行高度对比，基于对比结果控制所述驱动机构同步调整所述左副翼4以及所述右副翼5的角度，当飞行高度小于预设飞行高度时，需要对飞行器提供升力，由此驱动机构同步控制左副翼4以及右副翼5同时为正迎角，由此飞行器上升，当达到预设高度时，再控制两者恢复至初始状态，使得飞行器稳定飞行，反之亦然。

从而左副翼4与右副翼5同步控制时，能够达到控制升力，调整俯仰角度的目的，当独立驱动左副翼4以及右副翼5的时候，可以达到控制滚转角度的目的。

本实施例中进一步优选的方案是，当飞行高度小于预设高度，所述控制器控制动力组件使得飞行器的飞行速度随着俯仰角度的增大而增大，当飞行高度大于预设高度，所述控制器控制动力组件使得飞行器的飞行速度随着俯仰角度的增大而减小，飞行高度小于预设高度，则飞行器还在升起过程中，由于在升起过程中由于俯仰角度越大越需要较大的升力，因此加大飞行速度，使得飞行器能够快速达到平稳状态，而当飞行器在预设高度飞行时，遇到波浪的波峰，造成飞行时的俯仰角度增大，此时为了保持平稳，减小飞行速度，避免飞行器失控。

如图1、图5所示，所述飞行器采用鸭式布局，具体地其包括飞行器本体1，所述前桅杆2设置于所述飞行器本体1的前部，所述飞行器本体1的后部连接有后桅杆6，所述后翼组件7设置于所述后桅杆6的下端部，因此飞行器在水面飞行时仅由前翼组件以及后翼组件7位于水中，而且前桅杆2、后桅杆6处于沿载具前进方向的同一纵向平面。该实施例仅需两根桅杆支撑有利于减小水阻力，并且能提高水翼载具滚转操作的灵活性。

此外需要说明的是，为了飞行器靠岸方便以及入水深度不同，前桅杆2以及后桅杆6可以相对飞行器本体1转动连接、滑动连接或者采用固定连接，当固定连接时两者采用伸缩杆的形式可以进行高度调节，具体结构不再赘述。

本实施例中优选地，所述动力组件为设置于所述飞行器本体1底部的推进器或者螺旋桨8，在本实施例中优选采用螺旋桨8，而且动力组件的设置位置以及数量并不受到限制，本实施例中优选将螺旋桨8设置在后翼组件7的尾部，当然设置在后翼组件7与前翼组件之间对称的两侧也是可以的，具体根据实际产品型号以及性能要求进行选择，当然为了进一步提高稳定性，还包括设置在螺旋桨8外侧的尾翼9。

另外，所述左副翼4以及所述右副翼5的所述驱动机构均包括下端部与所述左副翼4或者所述右副翼5相转动连接的驱动杆10、设置于所述前桅杆2顶部用于驱动所述驱动杆10直线往复运动的驱动组件，本实施例中由于需要进行自动控制，因此驱动组件采用固定设置于所述前桅杆2顶部的舵机11、一端与所述舵机11的电机轴相转动连接的摇臂12，所述摇臂12的另一端与所述驱动杆10的上端部相转动连接，在不涉及自动控制时，也可以人工手动操作驱动杆10的端部实现左副翼4以及右副翼5的动作。另外将舵机11设在前桅杆2的顶部且通过外罩壳包裹，进行了良好的防水密封，优选在其表面设置防水材料层，保证水中工作不受影响，而控制器、MEMS陀螺同样可以设置在该外罩壳内，而超声波检测器可以是设置在飞行器本体1底部的前端。

另外为了进一步减少飞行器在水中的阻力，所述前桅杆2的下端部具有连接部，所述连接部与所述前翼本体3相固定连接，所述连接部的厚度方向沿着所述前翼本体3的长度方向延伸，且其厚度由前至后渐变渐宽，在飞行过程中该连接部位于水中，通过对其表面进行流线型设计，达到降低了在水中的阻力，而且其优选采用合金材质制作。

如图5所示，另外为了保持整体造型以及结构的紧凑，所述前桅杆2以及所述连接部均为中空结构，所述驱动杆10穿设于两者的空腔内。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水上飞行器的控制系统，其特征在于：包括飞行器状态监测模块、飞行器控制模块以及控制器；

所述飞行器状态监测模块包括用于检测飞行器在X、Y、Z轴上角速度的MEMS陀螺；

所述飞行器控制模块包括用于控制飞行器行驶速度的动力组件、用于控制所述飞行器升力的前翼组件以及后翼组件（7），所述前翼组件包括前桅杆（2）、固定设置于所述前桅杆（2）底部的前翼本体（3）、分别转动设置于所述前翼本体（3）上的左副翼（4）以及右副翼（5）、分别用于驱动所述左副翼（4）以及所述右副翼（5）转动的驱动机构；

所述控制器被配置为实时接收MEMS陀螺的检测信号，计算飞行器实时的姿态角度，所述姿态角度包括俯仰角度、滚转角度以及偏航角度，根据实时检测的偏航角度以及俯仰角度计算平稳状态下的理论滚转角度，基于所述理论滚转角度控制所述驱动机构相应调整所述左副翼（4）以及所述右副翼（5）的角度使得实时检测的滚转角度等于所述理论滚转角度，计算所述理论滚转角度的公式为：tan(ψ) = sin(φ) * tan(θ)，其中ψ是飞行器的偏航角度，φ是飞行器的滚转角度，θ是飞行器的俯仰角度。

2.如权利要求1所述的一种水上飞行器的控制系统，其特征在于：所述飞行器状态监测模块还包括用于检测飞行器飞行高度的超声波检测器，所述控制器将所述超声波检测器检测的飞行器的实时飞行高度与预设飞行高度对比，基于对比结果控制所述驱动机构同步调整所述左副翼（4）以及所述右副翼（5）的角度。

3.如权利要求2所述的一种水上飞行器的控制系统，其特征在于：当飞行高度小于预设高度，所述控制器控制动力组件使得飞行器的飞行速度随着俯仰角度的增大而增大，当飞行高度大于预设高度，所述控制器控制动力组件使得飞行器的飞行速度随着俯仰角度的增大而减小。

4.如权利要求1所述的一种水上飞行器的控制系统，其特征在于：所述飞行器包括飞行器本体（1），所述前桅杆（2）设置于所述飞行器本体（1）的前部，所述飞行器本体（1）的后部连接有后桅杆（6），所述后翼组件（7）设置于所述后桅杆（6）的下端部。

5.如权利要求4所述的一种水上飞行器的控制系统，其特征在于：所述动力组件为设置于所述飞行器本体（1）底部的推进器或者螺旋桨（8）。

6.如权利要求1所述的一种水上飞行器的控制系统，其特征在于：所述左副翼（4）以及所述右副翼（5）的所述驱动机构均包括下端部与所述左副翼（4）或者所述右副翼（5）相转动连接的驱动杆（10）、设置于所述前桅杆（2）顶部用于驱动所述驱动杆（10）直线往复运动的驱动组件。

7.如权利要求6所述的一种水上飞行器的控制系统，其特征在于：所述驱动组件包括固定设置于所述前桅杆（2）顶部的舵机（11）、一端与所述舵机（11）的电机轴相转动连接的摇臂（12），所述摇臂（12）的另一端与所述驱动杆（10）的上端部相转动连接。

8.如权利要求6所述的一种水上飞行器的控制系统，其特征在于：所述前桅杆（2）的下端部具有连接部，所述连接部与所述前翼本体（3）相固定连接，所述连接部的厚度方向沿着所述前翼本体（3）的长度方向延伸，且其厚度由前至后渐变渐宽。

9.如权利要求8所述的一种水上飞行器的控制系统，其特征在于：所述前桅杆（2）以及所述连接部均为中空结构，所述驱动杆（10）穿设于两者的空腔内。