CN210133283U - 一种复合式飞行器 - Google Patents

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王恒达
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Abstract

本实用新型提出一种复合式飞行器，所述飞行器的机体处设有四个可竖向旋转的机翼；四个机翼的前沿处均设有以电机驱动的旋翼；所述机翼的工作姿态包括水平姿态和垂直姿态；当四个机翼均处于垂直姿态；所述飞行器工作在多旋翼式飞行器模式下；当四个机翼均处于水平姿态，所述飞行器工作在固定翼飞行器模式下；本实用新型结合了传统固定翼式和旋翼式飞行器的优点，能够实现飞行器的远程飞行、垂直起降和空中悬停。

Description

一种复合式飞行器
技术领域
本实用新型涉及飞行器技术领域，尤其是一种复合式飞行器。
背景技术
无人飞行器技术发展越来越成熟，在监视，搜救，制图和探测等方面得到了广泛的运用。无人飞行器操作灵活且机动性强，执行这些任务的飞行器一般是固定翼式飞行器或者旋翼式飞行器。固定翼式飞行器具有高速飞行的能力且机动性高，但对起降条件要求比较苛刻，受起降场地的限制，无法垂直起降。而旋翼式飞行器具有垂直起降和空中悬停的能力，但不具备高速巡航的能力。在执行一些特殊，高难度的任务时，飞行器通常受起降场地限制且需要远程飞行，这就需要一种兼具高速巡航、远程飞行和垂直起降能力的飞行器。
发明内容
本实用新型提出一种复合式飞行器，结合了传统固定翼式和旋翼式飞行器的优点，能够实现飞行器的远程飞行、垂直起降和空中悬停。
本实用新型采用以下技术方案。
一种复合式飞行器，所述飞行器的机体(1)处设有四个可竖向旋转的机翼(2)；四个机翼的前沿处均设有以电机(3)驱动的旋翼(4)；所述机翼的工作姿态包括水平姿态和垂直姿态；当四个机翼均处于垂直姿态；所述飞行器工作在多旋翼式飞行器模式下；当四个机翼均处于水平姿态，所述飞行器工作在固定翼飞行器模式下。
所述机翼分为前翼和后翼；所述机体呈长条形；机体前段处设有两个前翼；机体后段处设有两个后翼；每个前翼设有一个旋翼且两个前翼上的旋翼旋转方向相反；每个后翼设有一个旋翼且两个后翼上的旋翼旋转方向相反。
当机翼竖向旋转时，两个前翼的旋转角度可以相同也可以不同；两个后翼的旋转角度相同。
所述机体处设有电源、传感器、摄像头和飞行控制模块。
一种复合式飞行器的控制方法，以上所述的飞行器，当飞行器工作在多旋翼式飞行器模式下时，其控制方法以动力学系统模型N为基础；当飞行器工作在固定翼式飞行器模式下时，其控制方法以动力学系统模型M为基础。
所述动力学系统模型N为；
Figure BDA0002067766870000021
公式1中：V，ω分别为整体坐标系下飞行器的线速度和角速度；Vb，ωb分别为局部坐标系下飞行器的线速度和角速度；φ，θ，ψ分别为横滚角，俯仰角和偏航角；Mb为飞行器的质量矩阵；In为飞行器的惯性矩矩阵；
Figure BDA0002067766870000022
Fg，
Figure BDA0002067766870000023
分别为作用于飞行器重心的总力，旋翼升力，飞行器重力和扰动力；
Figure BDA0002067766870000024
分别为作用于飞行器重心的总力矩，旋翼产生的力矩和扰动力矩。其中Mb，In，
Figure BDA0002067766870000025
Fg，
Figure BDA0002067766870000026
的具体形式如下：
Figure BDA0002067766870000031
公式2中：Iu，Iv和Iw为飞行器在各坐标轴的惯性矩；ll和ls为旋翼在x和y方向上到飞行器重心的距离；
Figure BDA0002067766870000032
其中Ti＝λiFi，Fi为各旋翼升力，i＝1,2,3,4。
所述动力学系统模型M为；
Figure BDA0002067766870000033
公式3中：
Figure BDA0002067766870000034
分别为各机翼产生的升力和阻力；θi(i＝1,2,3,4)为每个机翼的攻角；cL(θi)，cD(θi)分别为升力系数和阻力系数；
Figure BDA0002067766870000035
Fg，Fw和
Figure BDA0002067766870000036
分别为作用于飞行器重心的总力，旋翼产生的力，飞行器重力，机翼产生的升力和阻力；
Figure BDA0002067766870000041
Mw和
Figure BDA0002067766870000042
分别为作用在飞行器重心上的总力矩，旋翼产生的力矩，机翼的阻力/升力产生的力矩和扰动力矩。其中
Figure BDA0002067766870000043
Fw，
Figure BDA0002067766870000044
Mw的具体形式如下：
Figure BDA0002067766870000045
当飞行器工作在多旋翼式飞行器模式下时，其位置控制器为LQR控制器；多旋翼式飞行器模式下的动力学模型A在状态空间形式下对应的非线性系统为；
Figure BDA0002067766870000046
公式5中：X为状态向量，由飞行器位置P，姿态α，线速度Vb，角速度ωb组成，具体形式如下：
Figure BDA0002067766870000047
根据公式1多旋翼式飞行器模式下的动力学模型，可得
Figure BDA0002067766870000048
为：
Figure BDA0002067766870000051
非线性系统的控制参数选择飞行器位置P(x,y,z)和偏航角ψ，将驱动力和力矩分解为四个虚拟控制输入ui，得出ui的具体形式如下：
Figure BDA0002067766870000052
当在预设工况下把所述动力学模型A的方程进行线性化时，所得线性化系统的矩阵计算如下：
Figure BDA0002067766870000053
Figure BDA0002067766870000054
C＝I，I为12×12单位矩阵；
所述非线性系统选择控制器u(t)来稳定系统，其中Xref为参考状态，如下：
u(t)＝-K(X(t)-Xref) (公式9)
并通过最小化以下成本函数J来找到反馈增益矩阵K:
Figure BDA0002067766870000055
公式10中，Q和R分别为状态变量和控制变量的半正定权矩阵和正定权矩阵。
与传统的飞行器相比，本实用新型的飞行器结合了传统固定翼式和旋翼式飞行器的优点，通过机翼分别旋转至垂直和水平状态，实现飞行器四旋翼式结构和固定翼飞机式结构的切换，从而实现飞行器的远程飞行、垂直起降和空中悬停。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步详细的说明：
附图1是本实用新型多旋翼式飞行器模式下的示意图；
附图2是本实用新型固定翼飞行器模式下的示意图；
附图3是本实用新型多旋翼式飞行器模式下的力学模型示意图；
附图4是本实用新型固定翼飞行器模式下的力学模型示意图；
图中：1-机体；2-机翼；3-电机；4-旋翼。
具体实施方式
如图1-4所示，一种复合式飞行器，所述飞行器的机体1处设有四个可竖向旋转的机翼2；四个机翼的前沿处均设有以电机3驱动的旋翼4；所述机翼的工作姿态包括水平姿态和垂直姿态；当四个机翼均处于垂直姿态；所述飞行器工作在多旋翼式飞行器模式下；当四个机翼均处于水平姿态，所述飞行器工作在固定翼飞行器模式下。
所述机翼分为前翼和后翼；所述机体呈长条形；机体前段处设有两个前翼；机体后段处设有两个后翼；每个前翼设有一个旋翼且两个前翼上的旋翼旋转方向相反；每个后翼设有一个旋翼且两个后翼上的旋翼旋转方向相反。
当机翼竖向旋转时，两个前翼的旋转角度可以相同也可以不同；两个后翼的旋转角度相同。
所述机体处设有电源、传感器、摄像头和飞行控制模块。
一种复合式飞行器的控制方法，以上所述的飞行器，当飞行器工作在多旋翼式飞行器模式下时，其控制方法以动力学系统模型N为基础；当飞行器工作在固定翼式飞行器模式下时，其控制方法以动力学系统模型M为基础。
所述动力学系统模型N为；
Figure BDA0002067766870000071
公式1中：V，ω分别为整体坐标系下飞行器的线速度和角速度；Vb，ωb分别为局部坐标系下飞行器的线速度和角速度；φ，θ，ψ分别为横滚角，俯仰角和偏航角；Mb为飞行器的质量矩阵；In为飞行器的惯性矩矩阵；
Figure BDA0002067766870000072
Fg，
Figure BDA0002067766870000073
分别为作用于飞行器重心的总力，旋翼升力，飞行器重力和扰动力；
Figure BDA0002067766870000074
分别为作用于飞行器重心的总力矩，旋翼产生的力矩和扰动力矩。其中Mb，In，
Figure BDA0002067766870000075
Fg，
Figure BDA0002067766870000076
的具体形式如下：
Figure BDA0002067766870000077
公式2中：Iu，Iv和Iw为飞行器在各坐标轴的惯性矩；ll和ls为旋翼在x和y方向上到飞行器重心的距离；
Figure BDA0002067766870000081
其中Ti＝λiFi，Fi为各旋翼升力，i＝1,2,3,4。
所述动力学系统模型M为；
Figure BDA0002067766870000082
公式3中：
Figure BDA0002067766870000083
分别为各机翼产生的升力和阻力；θi(i＝1,2,3,4)为每个机翼的攻角；cL(θi)，cD(θi)分别为升力系数和阻力系数；
Figure BDA0002067766870000084
Fg，Fw和
Figure BDA0002067766870000085
分别为作用于飞行器重心的总力，旋翼产生的力，飞行器重力，机翼产生的升力和阻力；
Figure BDA0002067766870000086
Mw和
Figure BDA0002067766870000087
分别为作用在飞行器重心上的总力矩，旋翼产生的力矩，机翼的阻力/升力产生的力矩和扰动力矩。其中
Figure BDA0002067766870000088
Fw，
Figure BDA0002067766870000089
Mw的具体形式如下：
Figure BDA00020677668700000810
当飞行器工作在多旋翼式飞行器模式下时，其位置控制器为LQR控制器；多旋翼式飞行器模式下的动力学模型A在状态空间形式下对应的非线性系统为；
Figure BDA0002067766870000091
公式5中：X为状态向量，由飞行器位置P，姿态α，线速度Vb，角速度ωb组成，具体形式如下：
Figure BDA0002067766870000092
根据公式1多旋翼式飞行器模式下的动力学模型，可得
Figure BDA0002067766870000093
为：
Figure BDA0002067766870000094
非线性系统的控制参数选择飞行器位置P(x,y,z)和偏航角ψ，将驱动力和力矩分解为四个虚拟控制输入ui，得出ui的具体形式如下：
Figure BDA0002067766870000095
当在预设工况下把所述动力学模型A的方程进行线性化时，所得线性化系统的矩阵计算如下：
Figure BDA0002067766870000096
Figure BDA0002067766870000101
C＝I，I为12×12单位矩阵；
所述非线性系统选择控制器u(t)来稳定系统，其中Xref为参考状态，如下：
u(t)＝-K(X(t)-Xref) (公式9)
并通过最小化以下成本函数J来找到反馈增益矩阵K:
Figure BDA0002067766870000102
公式10中，Q和R分别为状态变量和控制变量的半正定权矩阵和正定权矩阵。
以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施方式。可以理解为，本领域技术人员在不脱离本实用新型的构思和前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种复合式飞行器，其特征在于：所述飞行器的机体（1）处设有四个可竖向旋转的机翼（2）；四个机翼的前沿处均设有以电机（3）驱动的旋翼（4）；所述机翼的工作姿态包括水平姿态和垂直姿态；当四个机翼均处于垂直姿态；所述飞行器工作在多旋翼式飞行器模式下；当四个机翼均处于水平姿态，所述飞行器工作在固定翼飞行器模式下。
2.根据权利要求1所述的一种复合式飞行器，其特征在于：所述机翼分为前翼和后翼；所述机体呈长条形；机体前段处设有两个前翼；机体后段处设有两个后翼；每个前翼设有一个旋翼且两个前翼上的旋翼旋转方向相反；每个后翼设有一个旋翼且两个后翼上的旋翼旋转方向相反。
3.根据权利要求1所述的一种复合式飞行器，其特征在于：所述机体处设有电源、传感器、摄像头和飞行控制模块。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110077586A (zh) * 2019-05-22 2019-08-02 福州大学 一种复合式飞行器及其控制方法
CN111516869A (zh) * 2020-04-30 2020-08-11 北京航空航天大学 一种倾转旋翼-机翼垂直起降飞行器的布局与控制方法

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