一种基于涡扇发动机的多旋翼新型结构与控制方法技术

技术编号:14402494 阅读:117 留言:0更新日期:2017-01-11 14:48
本发明专利技术公开了一种基于涡扇发动机的多旋翼新型结构与控制方法,本发明专利技术利用涡扇发动机产生的低温气体通过导气管装置分流,进而带动每个旋翼(涵道风扇)转动,实现“一吹一”的多旋翼飞行器结构。此外,在导气管中加装薄片作为阀门,通过薄片来控制每一个导管的流量达到控制旋翼转速的效果,从而实现飞行姿态的控制。本发明专利技术的创新点在于改变现有多旋翼飞行器的能源驱动方式以及控制系统,大大提高了飞行器的飞行时长、飞行载重,改变飞行器飞行姿态的控制方式,对于我国无人机在飞行时长和载重上进步具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于能源与控制
,具体涉及一种基于涡扇发动机的多旋翼新型结构与控制方法
技术介绍
目前,主要存在的多旋翼飞行器控制方式主要分为三类:利用无线电进行遥控的多旋翼飞行器、自主控制的中小型多旋翼飞行器、自主控制的微型多旋翼飞行器。当前,针对多旋翼飞行器控制技术的主要集中在以下两个方面:一方面是基于惯性导航的自主控制,另一方面是基于视觉的自主飞行控制,宾夕法尼亚大学为了研究结构的设计方法和自主控制算法开发了一种小型四旋翼飞行器,实现了飞行器在室内和室外都可以飞行的目的,OS4的最大长度是0.73m,质量是0.235kg。旋翼与DraganflyerⅢ是相同的,电机采用Faulhaber1724,共四个。微型惯性导航系统采用的是Xsense的MT9-B,飞行测试平台是通过万向节固定起来进行飞行测试,万向节可以使飞行器有3个转动自由度,飞行器的外部提当前供能源供给,数据处理和电机驱动,还有飞行控制模块都由外部提供。飞行器的控制算法已有以下几种:FID、PID、LQR、BackStepping和SlidingMode,以上算法均实现了多旋翼飞行姿态的控制。随着科学技术的日益发展,研制微型多旋翼飞行器的技术门槛和硬件成本正在逐渐降低,越来越多的高校和科研院所甚至民间飞行器爱好者相继投入到了对旋翼飞行器的研制之中。国外对多旋翼飞行器的研究非常之多,以四旋翼为例:加拿大雷克海德大学的Tayebi和Meoilvray证明了四旋翼结构的飞行稳定性;澳大利亚卧龙岗大学的Mckerrow对Draganflye四旋翼飞行器进行了精确建模;瑞士联邦理工学院的0S4四旋翼飞行器分别使用了PID、LQR、BackStepping和SlidingMode算法实现了对飞行器的姿态控制;MIT的G.Gowtham提出了一组高效指引四旋翼行器编队飞行的控制方法;MIT还研制出了基于视觉导航的室内四旋翼飞行器控制系统,能够精确地完成各种复杂的机动飞行。国内对多旋翼飞行器的研宄起步较晚,但也取得了一定研究成果,以四旋翼飞行器为例:南京航空航天大学自行开发的基于DSPF2812的四旋翼飞行控制器,在抗扰动方面做得非常出色;南京航空航天大学还提出了DI/QFT控制器在四旋翼飞行器飞行控制中的应用;国防科技大学提出的自抗扰控制器可以对四旋翼飞行器实现姿态增稳控制。此外还有很多由民间飞行器爱好者开发的开源多旋翼飞行控制系统,其中在世界范围内广泛使用的主要有德国的MikroKopter飞行控制器法国的MultiWii飞行控制器和美国的ArduCopter飞行控制器等。尽管这些飞行控制器结构简单,成本低廉,但都能较好实现对多旋翼飞行器的姿态稳定控制。虽然,国内外在多旋翼飞行器的控制方法上取得了显著成就,但是多旋翼飞行器在飞行器载重和飞行时间上具有很大的诟病,飞行时间短、载重数量小是目前多旋翼飞行器的主要特点。为了解决上述问题,将多旋翼飞行器的动力来源由电池驱动改为涡扇发动机驱动不失为一个好方法。本专利技术所针对的多旋翼飞行器的动力来源即为涡扇发动机。针对涡扇发动机,本专利技术设计了一种新型多旋翼飞行器结构和控制方式,解决了多旋翼飞行器飞行时间短的问题并实现了多旋翼飞行器的便捷控制。
技术实现思路
专利技术目的:为了克服现有技术中存在的不足:现有多旋翼飞行器飞行时间短、载重小的问题,本专利技术采用的以涡扇发动机作为动力来源的多旋翼飞行器,提供了一种适用于涡扇发动机的新型多旋翼飞行器飞行方式及控制方式。本专利技术改变了现有多旋翼飞行器的结构和工作方式,使用涡扇发动机作为主要能源。同时,使用导管将发动机产生的气体分流到各个旋翼上形成“一吹一”的结构,并通过在每一根导管上加装薄片来实现多旋翼飞行器的控制。本专利技术在提高能源利用率的同时,还延长多旋翼飞行器的飞行时间,增大多旋翼飞行器的载重。技术方案:为实现上述目的,本专利技术采用的技术方案为:一是本专利技术所针对的发动机是涡扇喷气发动机,涡扇发动机所产生的大量气体为本专利技术的动力源,本专利技术针对该动力源实现了新型控制方式。二是将高速尾流从导流管通至每个旋翼(涵道风扇)形成以导管为主要媒介的“一吹一”的新型多旋翼飞行器结构。三是改变了对多旋翼飞行器的控制方式。通过在每一个导气管上加装薄片来控制多旋翼飞行器的飞行姿态,形成新型多旋翼飞行器控制结构。具体方案为:包括涡扇发动机及通过导气管与之连接的若干旋翼,所述旋翼以所述涡扇发动机为中心沿周向均匀阵列设置;所述导气管与所述旋翼一一对应连接,形成“一吹一”的控制结构;所述导气管上安装控制薄片,作为飞行器的气道阀门,控制所述导气管的进气量。进一步的,所述导气管和旋翼通过焊接方式连接。进一步的,所述旋翼为涵道风扇;以所述涡扇发动机为中心,所述旋翼呈圆周阵列均匀排布。进一步的,所述控制薄片安装在导气管出口三分之一处;所述控制薄片通过固定轴对称轴固定在所述导气管内部,所述固定轴位于导气管中心内部,垂直于导气管轴线方向沿径向固定;所述控制薄片绕所述固定轴旋转。控制薄片用螺丝固定在固定轴上,可绕固定轴旋转来控制进气大小。进一步的,所述导气管公称直径10mm,使用Q345R(GB-150)作为原材料。一种基于涡扇发动机的多旋翼新型结构的控制方法,包括以下步骤:(1)涡扇发动机产生低温、高流量的气体;(2)通过“一吹一”的控制结构将产生的气体分流至各个旋翼的进气口;(3)采用气道阀门控制的方式来控制飞行器的飞行姿态和平稳性,通过控制每一个旋翼对应的气道阀门来控制旋翼的转速进而控制整个飞行器的飞行姿态。进一步的,所述步骤(1)中,空气进入所述涡扇发动机,部分空气直接通过其中的内涵道进入燃烧室产生高温、高压气体,另一部分空气从其中的外涵道直接与所述高温、高压气体混合形成低温气体。进一步的,所述飞行姿态包括下降、悬停、升高、顺/逆时针偏航、无偏航、俯仰/翻滚和侧身/倾斜。进一步的,所述飞行姿态的实现方式为:1)下降:通向所有气道阀门的气流均减小,或是所有气道阀门的通气口均减小,通向旋翼的气流随之减少,转速减小,若总升力小于飞行器自身重力,此时飞行器下降;2)悬停:所有气道阀门均打开相同大小且各气道气体流速相等,所有旋翼受到相同大小的气流冲击,若总升力等于飞行器自身重力,飞行器保持悬停状态;3)升高:所有气道阀门均打开且各气道气体流速相等,所有旋翼转速共同增大,总升力大于飞行器自身重力,飞行器升高;4)顺/逆时针偏航:飞行器要偏转航向,需要所有旋翼产生的反扭矩不平衡,多旋翼飞行器的偏航由多个旋翼决定,一侧的旋翼旋转方向相反,平衡另外一侧的旋翼产生的反扭矩;当顺时针旋转旋翼转速降低,逆时针旋转旋翼转速增大,且总升力保持不变时,飞行器顺时针偏航;当逆时针旋转旋翼转速降低,顺时针旋转旋翼转速增大,且总升力保持不变时,飞行器逆时针偏航;5)无偏航:当除所前进方向的气道阀门外其余各阀门所流入的气体流速均相等且开启阀门大小等同时,旋翼互相平衡,飞行器继续向特定方向前前进且无偏航;6)俯仰、翻滚:一侧的旋翼气道阀门开大,该侧的旋翼转速增大,产生的升力增大,而另一侧的旋翼转速降低,产生的升力降低,飞行器的姿态产生倾斜,飞行器朝姿态降低的一侧水平移动;前后两侧的气道阀门变化,转速共同变化发生在前后两侧,飞行器产生姿态本文档来自技高网
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一种基于涡扇发动机的多旋翼新型结构与控制方法

【技术保护点】
一种基于涡扇发动机的多旋翼新型结构,其特征在于:包括涡扇发动机及通过导气管与之连接的若干旋翼,所述旋翼以所述涡扇发动机为中心沿周向均匀阵列设置;所述导气管与所述旋翼一一对应连接,形成“一吹一”的控制结构;所述导气管上安装控制薄片,作为飞行器的气道阀门,控制所述导气管的进气量。

【技术特征摘要】
1.一种基于涡扇发动机的多旋翼新型结构,其特征在于:包括涡扇发动机及通过导气管与之连接的若干旋翼,所述旋翼以所述涡扇发动机为中心沿周向均匀阵列设置;所述导气管与所述旋翼一一对应连接,形成“一吹一”的控制结构;所述导气管上安装控制薄片,作为飞行器的气道阀门,控制所述导气管的进气量。2.根据权利要求1所述的基于涡扇发动机的多旋翼新型结构,其特征在于:所述涡扇发动机的尾部与所述导气管连接;涡扇发动机产生的气流直接分流进入各个对应的导气管,再一一对应进入相应的旋翼。3.根据权利要求1所述的基于涡扇发动机的多旋翼新型结构,其特征在于:所述导气管和旋翼通过焊接方式连接。4.根据权利要求1所述的基于涡扇发动机的多旋翼新型结构,其特征在于:所述旋翼为涵道风扇;以所述涡扇发动机为中心,所述旋翼呈圆周阵列均匀排布。5.根据权利要求1所述的基于涡扇发动机的多旋翼新型结构,其特征在于:所述控制薄片安装在导气管出口三分之一处;所述控制薄片通过固定轴对称轴固定在所述导气管内部,所述固定轴位于导气管中心内部,垂直于导气管轴线方向沿径向固定;所述控制薄片绕所述固定轴旋转。6.根据权利要求1所述的基于涡扇发动机的多旋翼新型结构,其特征在于:所述导气管公称直径10mm,使用Q345R(GB-150)作为原材料。7.一种基于涡扇发动机的多旋翼新型结构的控制方法,其特征在于:包括以下步骤:(1)涡扇发动机产生低温、高流量的气体;(2)通过“一吹一”的控制结构将产生的气体分流至各个旋翼的进气口;(3)采用气道阀门控制的方式来控制飞行器的飞行姿态和平稳性,通过控制每一个旋翼对应的气道阀门来控制旋翼的转速进而控制整个飞行器的飞行姿态。8.根据权利要求7所述的基于涡扇发动机的多旋翼新型结构的控制方法,其特征在于:所述步骤(1)中,空气进入所述涡扇发动机,部分空气直接通过其中的内涵道进入燃烧室产生高温、高压气体,另一部分空气从其中的外涵道直接与所述高...

【专利技术属性】
技术研发人员:袁家斌华莎
申请(专利权)人:南京航空航天大学
类型:发明
国别省市:江苏;32

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