适用于大展弦比机翼飞行器的控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于大展弦比机翼飞行器的控制系统及控制方法，包括机身，所述机身前部设置有大展弦比机翼，中部设置有机身储物仓，末端设置有启动舵，并且所述大展弦比机翼同所述机身垂直设置；所述大展弦比机翼包括内部的形变基板、翼肋和蒙皮，所述蒙皮通过翼肋包裹设置于所述形变基板外侧。本发明专利技术所述的适用于大展弦比机翼飞行器的控制系统及控制方法，新型飞控系统取代了传统飞控的副翼及液压机构，大幅减少了机翼负载及复杂度，优化了机翼的气动特性。所述控制系统应用宏纤维压电复合材料作动器代替传统副翼及滚转舵，通过控制机翼变形对飞行姿态进行控制，进而提高大展弦比飞行器机动性。

Control system and control method for large aspect ratio wing aircraft

The invention discloses a control system and a control method suitable for a high aspect ratio wing aircraft, including a fuselage, the fuselage front is provided with a high aspect ratio wing, the middle is provided with an organic body storage bin, the end is provided with a starting rudder, and the wing is vertically arranged with the fuselage, and the fuselage has a high aspect ratio wing. The wing comprises an internal deformed substrate, a wing rib and a skin wrapped by the wing rib and arranged outside the deformed substrate. The new flight control system replaces the aileron and hydraulic mechanism of traditional flight control, greatly reduces the load and complexity of the wing, and optimizes the aerodynamic characteristics of the wing. The control system uses macrofiber piezoelectric composite actuator to replace the traditional aileron and roll rudder, and controls the flight attitude by controlling the deformation of the wing, thereby improving the maneuverability of the high aspect ratio aircraft.

【技术实现步骤摘要】
适用于大展弦比机翼飞行器的控制系统及控制方法
本专利技术涉及飞行器控制系统
，具体为一种基于MFC的大展弦比飞行器姿态控制系统及控制方法。
技术介绍
目前，大展弦比飞行器指机翼展长与弦长之比大于10的飞行器，因为其具有巡航时间长，巡航半径大的特点，遂广泛应用在多个领域。但是大展弦比飞行器有机动性较差，偏航转向半径大，机翼易发生颤振等不利特性，这些都会影响其使用效果。且现代大展弦比无人机较多采用飞翼设计，其横侧向稳定性较常规气动布局更差。为改善其飞行效果常常采用加大其纵向舵面积，但考虑到无人机本身就是一个非常复杂的系统，其气动与推进、动力学与控制在总体设计上必须充分地考虑。因此，对于上述改装途径，往往是比较复杂的，且涉及到飞行控制系统的修改。
技术实现思路
根据上述提出的技术问题，而提供一种适用于大展弦比机翼飞行器的控制系统及控制方法，用于解决现有的大展弦比飞行器，机动性较差，偏航转向半径大，机翼易发生颤振等不利特性的缺点。本专利技术采用的技术手段如下：一种适用于大展弦比机翼飞行器的控制系统，包括机身，所述机身前部设置有大展弦比机翼，中部设置有机身储物仓，末端设置有启动舵，并且所述大展弦比机翼同所述机身垂直设置；所述大展弦比机翼包括内部的形变基板、翼肋和蒙皮，所述蒙皮通过翼肋包裹设置于所述形变基板外侧。所述的形变基板上设置有宏纤维压电复合材料作动器；所述机身内设置有电源系统、控制板卡及升压驱动板卡；所述控制板卡包含飞行控制率和电压加载控制率，控制板卡能够检测飞行器姿态信息及接收遥控器控制信号，利用反馈控制计算出此时电压目标值，并结合电压加载方式给驱动电路控制信号；当宏纤维压电复合材料作动器收到高压控制信号，驱动大展弦比机翼弯曲变形，实现大展弦比机翼迎角改变。作为优选用于供电的所述电源系统依次连接有控制板卡、电机和升压驱动板卡。作为优选所述遥控器，用于为飞行器发送控制指令，具体分为推力控制、各姿态通道舵机及宏纤维压电复合材料作动器的控制信号。一种上述适用于大展弦比机翼飞行器的控制系统的控制方法，包括以下步骤：遥控器将目标姿态通过无线电发送给飞机上的控制卡板，通过比对目标姿态与当前姿态的差异；计算各个方向舵需要偏转的角度，并输出控制信号控制相应舵机偏转，同时将变形机翼的目标电压通过对应电压加载算法匹配其电压加载曲线，所述加载算法使机翼瞬态振动能量、稳定后残余振动能量及变形耗功按一定比重加权后之和最小。将计算后的宏纤维压电复合材料作动器电压控制信号通过升压驱动板卡做放大处理转换为高压直流信号供给宏纤维压电复合材料作动器，实现内部基板扭转变形，变形基板带动机翼呈现相同的弯扭变化以控制机翼整体的偏转角度实现姿态控制。作为优选所述控制卡板是stm32F4系列单片机为核心，并包含外围元器件及硬件电路的具有姿态解算，控制信号处理，及宏纤维压电复合材料作动器加载算法的嵌入式系统。作为优选所述升压驱动板卡为将低压控制信号转换为适用宏纤维压电复合材料作动器输入要求的便携机载式升压模块。与现有技术相比较，本专利技术所述的适用于大展弦比机翼飞行器的控制系统及控制方法，具有以下优点：1、本专利技术所述的适用于大展弦比机翼飞行器的控制系统及控制方法，新型飞控系统气动布局效果好，飞行器滚转速度响应快，大展弦比飞行器偏航转向效率提升明显。2、本专利技术所述的适用于大展弦比机翼飞行器的控制系统及控制方法，新型飞控系统取代了传统飞控的副翼及液压机构，大幅减少了机翼负载及复杂度，优化了机翼的气动特性。所述控制系统应用宏纤维压电复合材料作动器代替传统副翼及滚转舵，通过控制机翼变形对飞行姿态进行控制，进而提高大展弦比飞行器机动性。3、本专利技术所述的适用于大展弦比机翼飞行器的控制系统及控制方法，相较传统舵机控制方式耗能更低。4、本专利技术所述的适用于大展弦比机翼飞行器的控制系统及控制方法，所述新型飞控系统采用的电压加载算法可结合机翼结构布局在最大范围内减少振动。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1是本专利技术宏纤维压电复合材料作动器布局示意图。图2是本专利技术宏纤维压电复合材料作动器布局俯视图。图3是本专利技术飞控系统结构图。其中：1、大展弦比机翼，2、宏纤维压电复合材料作动器，3、机身储物仓，4、气动舵。具体实施方式如图1至图3所示，一种适用于大展弦比机翼飞行器的控制系统，包括机身，所述机身前部设置有大展弦比机翼1，中部设置有机身储物仓3，末端设置有气动舵面4，并且所述大展弦比机翼1同所述机身垂直设置；所述大展弦比机翼1包括内部的形变基板、翼肋和蒙皮，所述蒙皮通过翼肋包裹设置于所述形变基板外侧；所述大展弦比机翼1是一种具有翼型的大展弦比机翼。所述的形变基板上设置有宏纤维压电复合材料作动器2；所述机身内设置有电源系统、控制板卡及升压驱动板卡；所述控制板卡包含飞行控制率和电压加载控制率，控制板卡能够检测飞行器姿态信息及接收遥控器控制信号，利用反馈控制计算出此时电压目标值，并结合电压加载方式给升压驱动电路控制信号；当宏纤维压电复合材料作动器2收到高压控制信号，驱动大展弦比机翼1弯曲变形，实现大展弦比机翼1迎角改变。用于供电的所述电源系统依次连接有控制板卡、电机和升压驱动板卡。所述遥控器，用于为飞行器发送控制指令，具体分为推力控制、各姿态通道舵机及宏纤维压电复合材料作动器2的控制信号。一种上述适用于大展弦比机翼飞行器的控制系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：遥控器将目标姿态通过无线电发送给飞机上的控制卡板，通过比对目标姿态与当前姿态的差异；计算气动舵4所示各个方向舵需要偏转的角度，并输出控制信号控制相应舵机偏转，同时将主机翼的目标电压通过对应电压加载算法选择其加载曲线，所述加载算法使机翼瞬态振动能量、稳定后残余振动能量及变形耗功按一定比重加权后之和最小，以实现减小振动的目的。将计算后的宏纤维压电复合材料作动器电压控制信号通过升压驱动板卡做放大处理转换为高压直流信号供给宏纤维压电复合材料作动器，实现内部基板扭转变形，变形基板带动机翼呈现相同的弯扭变化以控制机翼整体的扭转角度从而实现姿态控制的功能。所述控制卡板是以stm32F4系列单片机为核心，并包含外围元器件及硬件电路的具有姿态解算，控制信号处理，及宏纤维压电复合材料作动器加载算法的嵌入式系统。所述外围元器件包括姿态检测模块及对应的姿态解算算法、遥控信号接收器、气压传感器及一系列AD转换模块。所述控制卡板是结合控制率及电压加载方法的控制板卡。所述升压驱动板卡为各种形式的将低压控制信号转换为适用宏纤维压电复合材料作动器输入要求的便携机载式升压模块。本专利技术所述的适用于大展弦比机翼飞行器的控制系统及控制方法，控制系统能通过控制机翼弯扭变形改变机翼迎角对飞行器滚转及偏航通道进行控制，提升飞行器偏航转向能力。所述偏航转向能力的提升应为在保障飞行器升力的同时减少飞行器偏航转向半径，实现转向灵活，并在一定范围内抑制振动的功能，该控制方法能够提升大展弦比机翼飞行器偏航转向效率，增强其机动性能。所述变形基板根据其尺寸及所用宏纤维压电复合材料作动器(MacroFiberComposite,简称MFC)应变能力应为各向异性的非均匀材质，应可保障其展长方向刚度要求及弦长方向弯扭变形柔度要求。所述电压加载方法因结合MF本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于大展弦比机翼飞行器的控制系统，其特征在于包括机身，所述机身前部设置有大展弦比机翼，中部设置有机身储物仓，末端设置有启动舵，并且所述大展弦比机翼同所述机身垂直设置；所述大展弦比机翼包括内部的形变基板、翼肋和蒙皮，所述蒙皮通过翼肋包裹设置于所述形变基板外侧；所述的形变基板上设置有宏纤维压电复合材料作动器；所述机身内设置有电源系统、控制板卡及升压驱动板卡；所述控制板卡包含飞行控制率和电压加载控制率，控制板卡能够检测飞行器姿态信息及接收遥控器控制信号，利用反馈控制计算出此时电压目标值，并结合电压加载方式给驱动电路控制信号；当宏纤维压电复合材料作动器收到高压控制信号，驱动大展弦比机翼弯曲变形，实现大展弦比机翼迎角改变。

【技术特征摘要】
1.一种适用于大展弦比机翼飞行器的控制系统，其特征在于包括机身，所述机身前部设置有大展弦比机翼，中部设置有机身储物仓，末端设置有启动舵，并且所述大展弦比机翼同所述机身垂直设置；所述大展弦比机翼包括内部的形变基板、翼肋和蒙皮，所述蒙皮通过翼肋包裹设置于所述形变基板外侧；所述的形变基板上设置有宏纤维压电复合材料作动器；所述机身内设置有电源系统、控制板卡及升压驱动板卡；所述控制板卡包含飞行控制率和电压加载控制率，控制板卡能够检测飞行器姿态信息及接收遥控器控制信号，利用反馈控制计算出此时电压目标值，并结合电压加载方式给驱动电路控制信号；当宏纤维压电复合材料作动器收到高压控制信号，驱动大展弦比机翼弯曲变形，实现大展弦比机翼迎角改变。2.根据权利要求1所述的适用于大展弦比机翼飞行器的控制系统，其特征在于：用于供电的所述电源系统依次连接有控制板卡、电机和升压驱动板卡。3.根据权利要求1所述的适用于大展弦比机翼飞行器的控制系统，其特征在于：所述遥控器，用于为飞行器发送控制指令，具体分为推力控制、各姿态通道舵机及宏纤维压电复合材料作动器的控制信号。4.一种上述权...

【专利技术属性】
技术研发人员：周文雅，王泽霖，黄飞飞，王晓明，张宗宇，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21