CN117707202A - 一种小型倾转四旋翼无人机分布式飞行控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型倾转四旋翼无人机分布式飞行控制系统及方法，系统包括主飞控计算机、数传电台、第二节点控制器、右副翼控制舵机、右升降舵控制舵机、第三节点控制器、方向舵控制舵机、第四节点控制器、左升降舵控制舵机、左副翼控制舵机和第一节点控制器。本发明采用模块化系统构型，交联关系明确，结构清晰，实现容易，成本较低，功能强大，能够实现三轴向控制、运动轨迹控制和一键自主飞行等功能，提高了无人机的操纵性和稳定性，适用于大多数小型倾转四旋翼无人机的应用需求。

Description

一种小型倾转四旋翼无人机分布式飞行控制系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机飞行控制系统技术领域，具体涉及一种小型倾转四旋翼无人机分布式飞行控制系统及方法。

背景技术

飞行控制系统属于无人机核心系统，其实现的功能不仅影响无人机的控制、飞行品质，同时也直接影响无人机的飞行安全。

目前小型无人机的飞行控制系统架构一般存在集中式和分布式两种。在集中式系统架构中，飞控计算机完成所有数据采集、余度管理、控制律计算、所有操纵机构的控制等功能，这种方式系统架构相对简单，但是系统的功能和安全性主要依赖飞控计算机的性能，如果该设备出现故障或者功能降级，则系统乃至整个无人机的安全性将随之下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种小型倾转四旋翼无人机分布式飞行控制系统及方法，用以实现对无人机的控制，提高操纵性和稳定性。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种小型倾转四旋翼无人机分布式飞行控制系统，包括主飞控计算机、数传电台、第二节点控制器、右副翼控制舵机、右升降舵控制舵机、第三节点控制器、方向舵控制舵机、第四节点控制器、左升降舵控制舵机、左副翼控制舵机和第一节点控制器，其中：

主飞控计算机通过信号输出CAN总线和输入CAN总线与第二节点控制器、第三节点控制器、第四节点控制器以及第一节点控制器连接，将控制指令分配到各节点控制器并与这些节点控制器进行数据交互；主飞控计算机通过信号线与方向舵控制舵机连接，实现对于方向舵舵面的控制；主飞控计算机通过信号线与无人机上的组合导航系统、大气数据系统和激光测高系统连接，接收姿态、航向、位置、空地速度、空速、气压高度、激光高度信息，进行控制律计算；主飞控计算机通过信号线与数传电台连接，实现与地面站的数据交互；

第一节点控制器与左副翼控制舵机以及无人机上的#倾转旋翼系统交联，第二节点控制器与右副翼控制舵机以及无人机上的#倾转旋翼系统交联，第三节点控制器与右升降舵控制舵机以及无人机上的#倾转旋翼系统交联，第四节点控制器与左升降舵控制舵机以及无人机上的#倾转旋翼系统交联。

一种基于所述飞行控制系统的小型倾转四旋翼无人机分布式飞行控制方法，包括三种不同操纵策略的飞行模式；

悬停和小速度前飞阶段为直升机模式，此时无人机构型类似四轴无人机，其操纵方式参照纵列式直升机；巡航大速度阶段为飞机模式，操纵方式参照固定翼飞机，直升机模式和飞机模式之间为过渡模式，操控方式为二者混合。

进一步地，倾转四旋翼无人机操纵量有25个，分别为5个舵面控制舵机，4个旋翼电机、4个倾转电机、12个旋翼周期变距控制舵机，飞行操纵具备冗余能力。

进一步地，直升机模式下无人机的主要升力面和操纵面为旋翼平面，操纵方式为总距差动，具体操纵形式为：

改变前后旋翼的总距，使得无人机低头，合力向前，倾转四旋翼无人机前飞；同理，改变前后旋翼总距，使无人机抬头，合力向后，倾转四旋翼无人机后飞；改变左右旋翼总距，使无人机向左/右滚转，合力向左/右，无人机向左/右侧飞；通过改变四个旋翼总距大小，实现无人机的高度控制；通过四个旋翼的总距差动，实现无人机的偏航运动。

进一步地，飞机模式下，机翼成为了主要的升力面，副翼、升降舵和方向舵为主操纵面；

前飞时，升降舵下偏，此时无人机低头；同理，后飞时，升降舵上偏，无人机抬头；左/右飞时，左/右边机翼的副翼上偏，右/左边机翼的副翼下偏，无人机左/右滚转；通过控制副翼和方向舵舵偏量，实现无人机的偏航运动；通过四个旋翼的总距以及升降舵的联动，实现无人机的高度控制。

进一步地，在过渡模式下采用直升机模式、飞机模式混合操纵的方式，根据倾转旋翼短舱倾角的变化，调整直升机和固定翼操纵机构的操纵权重系数，实现由直升机模式向飞机模式过渡。

一种计算机可读存储介质，所述介质中存储有计算机程序；计算机程序被处理器执行时，实现所述控制方法的步骤。

一种小型倾转四旋翼无人机，该无人机采用所述分布式飞行控制系统。

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

1.本发明的特点是采用模块化系统构型，交联关系明确，结构清晰，实现容易，成本较低，功能强大，能够实现对于倾转四旋翼无人机上25个操纵机构(包含5个舵面控制舵机，4个旋翼电机、4个倾转电机、12个旋翼周期变距控制舵机)的控制，可扩展性好，适用于大多数小型倾转四旋翼无人机的应用需求。

2.本发明已经应用到KT101电动倾转四旋翼无人机飞控系统上。由于加装了该方案，使该无人机能够实现三轴向控制、运动轨迹控制和一键自主飞行等功能，提高了无人机的操纵性和稳定性。

3.本发明解决了电动倾转四旋翼无人机飞控系统设计的关键技术，同时可供其他同级别无人机飞控系统设计参考。

附图说明

图1为分布式飞控系统的交联图；

图2为本分布式飞控系统的控制方法示意图；

图3为分布式飞控系统各设备机上安装示意图；

图4为分布式飞控系统控制的机上部件示意图。

具体实施方式

本发明的分布式飞控系统由1个主飞控计算机、4个节点控制器、5个舵面控制舵机和1个数传电台等组成。系统能够实现对倾转四旋翼无人飞行机的三轴姿态稳定控制、三轴线运动轨迹控制、飞行任务规划、自主飞行等功能；其中在小型倾转四旋翼无人机上有1#至4#四组倾转旋翼系统，分别用于驱动四旋翼。

参见附图，本发明提供的一种小型倾转四旋翼无人机分布式飞行控制系统，包括主飞控计算机1、数传电台2、第二节点控制器3、右副翼控制舵机4、右升降舵控制舵机5、第三节点控制器6、方向舵控制舵机7、第四节点控制器8、左升降舵控制舵机9、左副翼控制舵机10和第一节点控制器11，其中：

主飞控计算机1通过信号输出CAN总线和输入CAN总线与第二节点控制器3、第三节点控制器6、第四节点控制器8以及第一节点控制器11连接，将控制指令分配到各节点控制器并与这些节点控制器进行数据交互；主飞控计算机1通过信号线与方向舵控制舵机7连接，实现对于方向舵舵面的控制；主飞控计算机1通过信号线与无人机上的组合导航系统、大气数据系统和激光测高系统连接，接收姿态、航向、位置、空地速度、空速、气压高度、激光高度等信息，进行控制律计算；主飞控计算机通过信号线与数传电台2连接，实现与地面站的数据交互。

第一节点控制器11与左副翼控制舵机10以及无人机上的1#倾转旋翼系统交联，实现对于这2个系统/设备的控制；第二节点控制器3与右副翼控制舵机4以及无人机上的2#倾转旋翼系统交联，实现对于这2个系统/设备的控制；第三节点控制器6与右升降舵控制舵机5以及无人机上的3#倾转旋翼系统交联，实现对于这2个系统/设备的控制；第四节点控制器8与左升降舵控制舵机9以及无人机上的4#倾转旋翼系统交联，实现对于这2个系统/设备的控制。

基于上述分布式飞行控制系统，本发明还提供了一种飞行控制方法：

系统具有三种不同操纵策略的飞行模式。悬停和小速度前飞阶段为直升机模式，此时无人机构型类似四轴无人机，其操纵方式可以参照纵列式直升机。巡航大速度阶段为飞机模式，操纵方式参考固定翼飞机。直升机模式和飞机模式之间为过渡模式，操控方式为二者混合。

倾转四旋翼无人机操纵量有25个，分别为5个舵面控制舵机，4个旋翼电机、4个倾转电机、12个旋翼周期变距控制舵机，飞行操纵具备冗余能力。根据倾转四旋翼无人机的结构特点，对25个操纵量进行整合，融合到纵向、横向、航向、垂向4个控制通道，解决倾转四旋翼无人机的操纵冗余问题。操纵方如下：

1)直升机模式

直升机模式下无人机的主要升力面和操纵面为旋翼平面，操纵方式为总距差动。

具体形式为：改变前后旋翼的总距，使得无人机低头，合力向前，倾转四旋翼无人机前飞；同理，改变前后旋翼总距，使无人机抬头，合力向后，倾转四旋翼无人机后飞；改变左右旋翼总距，使无人机向左/右滚转，合力向左/右，无人机向左/右侧飞；通过改变四个旋翼总距大小，实现无人机的高度控制；通过四个旋翼的总距差动，实现无人机的偏航运动。

2)飞机模式

飞机模式下，机翼成为了主要的升力面，副翼、升降舵和方向舵为主操纵面。前飞时，升降舵下偏，此时无人机低头；同理，后飞时，升降舵上偏，无人机抬头。左/右飞时，左/右边机翼的副翼上偏，右/左边机翼的副翼下偏，无人机左/右滚转；通过控制副翼和方向舵舵偏量，实现无人机的偏航运动；通过四个旋翼的总距以及升降舵的联动，实现无人机的高度控制。

3)过渡模式

倾转四旋翼无人机是直升机和固定翼飞机相结合的新构型无人机，在过渡模式下采用两种模式混合操纵的方式，根据倾转旋翼短舱倾角的变化，调整直升机和固定翼操纵机构的操纵权重系数，实现由直升机模式向飞机模式过渡。

实施例：

图3为本发明一个实施例中分布式飞控系统的安装示意图，该分布式飞控系统按照设备安装图纸进行安装，按照布线要求连接、敷设线路，见图3和图4。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种小型倾转四旋翼无人机分布式飞行控制系统，其特征在于，包括主飞控计算机(1)、数传电台(2)、第二节点控制器(3)、右副翼控制舵机(4)、右升降舵控制舵机(5)、第三节点控制器(6)、方向舵控制舵机(7)、第四节点控制器(8)、左升降舵控制舵机(9)、左副翼控制舵机(1 0)和第一节点控制器(11)，其中：

主飞控计算机(1)通过信号输出CAN总线和输入CAN总线与第二节点控制器(3)、第三节点控制器(6)、第四节点控制器(8)以及第一节点控制器(11)连接，将控制指令分配到各节点控制器并与这些节点控制器进行数据交互；主飞控计算机(1)通过信号线与方向舵控制舵机(7)连接，实现对于方向舵舵面的控制；主飞控计算机(1)通过信号线与无人机上的组合导航系统、大气数据系统和激光测高系统连接，接收姿态、航向、位置、空地速度、空速、气压高度、激光高度信息，进行控制律计算；主飞控计算机通过信号线与数传电台(2)连接，实现与地面站的数据交互；

第一节点控制器(11)与左副翼控制舵机(10)以及无人机上的(1)#倾转旋翼系统交联，第二节点控制器(3)与右副翼控制舵机(4)以及无人机上的(2)#倾转旋翼系统交联，第三节点控制器(6)与右升降舵控制舵机(5)以及无人机上的(3)#倾转旋翼系统交联，第四节点控制器(8)与左升降舵控制舵机(9)以及无人机上的(4)#倾转旋翼系统交联。

2.一种基于根据权利要求1所述飞行控制系统的小型倾转四旋翼无人机分布式飞行控制方法，其特征在于，包括三种不同操纵策略的飞行模式；

悬停和小速度前飞阶段为直升机模式，此时无人机构型类似四轴无人机，其操纵方式参照纵列式直升机；巡航大速度阶段为飞机模式，操纵方式参照固定翼飞机，直升机模式和飞机模式之间为过渡模式，操控方式为二者混合。

3.根据权利要求2所述的小型倾转四旋翼无人机分布式飞行控制方法，其特征在于，倾转四旋翼无人机操纵量有25个，分别为5个舵面控制舵机，4个旋翼电机、4个倾转电机、12个旋翼周期变距控制舵机，飞行操纵具备冗余能力。

4.根据权利要求2所述的小型倾转四旋翼无人机分布式飞行控制方法，其特征在于，直升机模式下无人机的主要升力面和操纵面为旋翼平面，操纵方式为总距差动，具体操纵形式为：

改变前后旋翼的总距，使得无人机低头，合力向前，倾转四旋翼无人机前飞；同理，改变前后旋翼总距，使无人机抬头，合力向后，倾转四旋翼无人机后飞；改变左右旋翼总距，使无人机向左/右滚转，合力向左/右，无人机向左/右侧飞；通过改变四个旋翼总距大小，实现无人机的高度控制；通过四个旋翼的总距差动，实现无人机的偏航运动。

5.根据权利要求2所述的小型倾转四旋翼无人机分布式飞行控制方法，其特征在于，飞机模式下，机翼成为了主要的升力面，副翼、升降舵和方向舵为主操纵面；

前飞时，升降舵下偏，此时无人机低头；同理，后飞时，升降舵上偏，无人机抬头；左/右飞时，左/右边机翼的副翼上偏，右/左边机翼的副翼下偏，无人机左/右滚转；通过控制副翼和方向舵舵偏量，实现无人机的偏航运动；通过四个旋翼的总距以及升降舵的联动，实现无人机的高度控制。

6.根据权利要求2所述的小型倾转四旋翼无人机分布式飞行控制方法，其特征在于，在过渡模式下采用直升机模式、飞机模式混合操纵的方式，根据倾转旋翼短舱倾角的变化，调整直升机和固定翼操纵机构的操纵权重系数，实现由直升机模式向飞机模式过渡。

7.一种计算机可读存储介质，所述介质中存储有计算机程序；其特征在于，计算机程序被处理器执行时，实现根据权利要求2至6中任一所述控制方法的步骤。

8.一种小型倾转四旋翼无人机，其特征在于，所述无人机采用根据权利要求1所述的分布式飞行控制系统。