一种油动多旋翼无人机定桨距变转速系统技术方案

本实用新型专利技术提供一种油动多旋翼无人机定桨距变转速系统，其组成包括采集系统、控制系统和执行系统；每一个发动机通过所述控制系统独立的直接驱动一个螺旋桨；通过改变发动机的转速可以精确实时地控制无人机的航姿、位置、航速和高度。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于油动多旋翼无人机动力调控
，具体涉及一种油动多旋翼无人机定桨距变转速系统。
技术介绍
无人机主要分为无人固定翼、无人直升机、无人多旋翼、无人飞艇、无人伞翼机和无人扑翼机，前三类最为常见，而且应用最为广泛。按照气动布局方式的不同，无人机可划分为无人固定翼、无人直升机、无人多旋翼、无人飞艇、无人伞翼机和无人扑翼机，其中前三类最为常见，而且应用最为广泛。无人固定翼飞行效率最高，续航时间长，巡航速度高，但需要跑道，无法定点悬停，机动性最差；无人直升机垂直起降，定点悬停，机动性最好，航时和载重较大，但结构最复杂，成本最高；无人多旋翼结构最简单，操作简单，容错能力强，成本低廉，垂直起降，定点悬停，但目前航时和载重较小；与无人固定翼相比，无人旋翼机普遍具有垂直起降、定点悬停和机动性强等优势；与无人直升机相比，无人多旋翼又具有结构简单、容错能力强和成本低廉等优势。然而，美中不足的是市场上的多旋翼无人机，普遍存在航时短和载重小的缺陷，这是因为目前多旋翼无人机均采用电动方案，而电池的能量密度比太小，严重阻碍着它的发展和应用。采用燃油作为动力来源是目前突破航时和载重瓶颈的位唯一途径，但是发动机具有转速曲线非线性和响应速度慢等缺点，会造成控制精度差和机动能力差，因此油动多旋翼无人机领域一直无人问津。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种油动多旋翼无人机定桨距变转速控制系统，解决现有技术存在的不足和问题，使油动多旋翼无人机成为一种现实。本技术所采用的技术方案是多发直驱定桨距变转速方案，所述多发直驱定浆距变转速系统包括若干发动机和相同数量的螺旋桨，其中每一个发动机独立的直接驱动一个螺旋桨，每一个螺旋桨的浆距固定。通过改变发动机的转速可以精确实时地控制无人机的航姿、位置、航速和高度。此多发直驱定浆距变转速系统适用于任何燃油动力多旋翼无人机。对于任何一个具有响应慢和非线性等特性的航模发动机，均可以根据大量的飞行试验中获得的有关PID控制参数优化的规则加以控制，达到实时精确地调整转速的目的。控制算法中采用插补、逼近和拟合等方法将非线性的转速曲线进行线性化，采用电子喷射和拉杆油门等提高发动机响应速度。通过改变脉宽等参数改变发动机转速，并通过实时的监控和反馈，可以校正和补偿发动机转速，进而达到精确实时地控制无人机的航姿、航速、位置和高度的有益效果。多发直驱定浆距变转速系统采用的控制方法为油动多旋翼无人机定桨距变转速控制系统，所述油动多旋翼无人机定桨距变转速控制系统组成包括采集系统、控制系统和执行系统；所述采集系统是一种多传感器的控制系统，其组成包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计、气压计、测距传感器、机载GPS和霍尔元件组成；所述控制系统的组成包括飞控板和ECU，所述控制系统由飞控板和ECU组成，主要包括处理器、二次电源和通信接口等硬件部分，以及姿态融合算法、高度融合算法、PID控制算法等软件部分；所述执行系统的组成包括舵机和电喷。所述三轴陀螺仪测量飞机机体绕三个轴向的旋转角速率值；所述三轴加速度计测量飞机机体沿三个轴向的加速度；所述三轴磁力计测量飞机机体相对于三个轴的磁偏角；所述气压计和测距传感器测量无人机的飞行高度；所述机载GPS测量无人机的三维坐标；所述霍尔元件发送无人机发动机转速信号至飞控板，飞控板读取测得发动机转速；通过多种传感器的信息融合和校正，飞控板得到无人机的位置、航速、航姿及高度信息，通过将这些信息与期望值相比，决定是否调节发动机转速；若需要调节发动机转速，飞控板发送控制指令，一路给舵机控制风门，调节进气量，一路给ECU发送信号控制电磁继电器和油压调节器，从而调节进油量；所述进气量和进油量的改变导致油气总量的改变，从而改变发动机的转速；所述电喷用于提高发动机的响应速率。由于螺旋桨直接连在发动机主轴上，发动机转速的改变，直接引起螺旋桨转速的改变，调节每个螺旋桨的拉力值，获得不同的角速度和加速度，进而调节位置、航速、航姿和高度。本技术中发动机采用非化油器调速技术，螺旋桨由发动机直接带动调整，而不采用任何中间传动机构。发动机主轴上的磁珠每转到霍尔元件位置，都会诱导霍尔元件会产生一个脉冲信号，该信号经CDI点火器处理后传给飞控，飞控读取测得的发动机转速。与现有技术相比，本技术具有的有益效果是：1、发动机转速曲线近似线性，控制精度高（±50rpm），实用性好；2、发动机响应速度加快（0.1~0.3），机动能力提高；3、无任何传动或变距机构，结构非常简单，生产、使用和维护成本低廉；4、由于没有繁琐的机械结构，所以整机质量轻，体积小，易于运输。附图说明图1是基于卡尔曼滤波算法的数据融合算法流程图；图2是基于联邦滤波器的高度融合算法的高度算法流程图；图3是调速控制技术的流程图；图4是四旋翼飞行原理示意图；图5是六旋翼飞行原理示意图。具体实施方式一种油动多旋翼无人机定桨距变转速控制系统，其组成包括采集系统、控制系统和执行系统；所述采集系统是一种多传感器的控制系统，其组成包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计、气压计、测距传感器、机载GPS和霍尔元件组成；所述控制系统的组成包括飞控板和ECU，所述控制系统由飞控板和ECU组成，主要包括处理器、二次电源和通信接口等硬件部分，以及姿态融合算法、高度融合算法、PID控制算法等软件部分；所述执行系统的组成包括舵机和电喷。所述三轴陀螺仪测量飞机机体绕三个轴向的旋转角速率值；所述三轴加速度计测量飞机机体沿三个轴向的加速度；所述三轴磁力计测量飞机机体相对于三个轴的磁偏角；所述气压计和测距传感器测量无人机的飞行高度；所述机载GPS测量无人机的三维坐标；所述霍尔元件发送无人机发动机转速信号至飞控板，飞控板读取测得发动机转速；通过多种传感器的信息融合和校正，飞控板得到无人机的位置、航速、航姿及高度信息，通过将这些信息与期望值相比，决定是否调节发动机转速；若需要调节发动机转速，飞控板发送控制指令，一路给舵机控制风门，调节进气量，一路给ECU发送信号控制电磁继电器和油压调节器，从而调节进油量；所述进气量和进油量的改变导致油气总量的改变，从而改变发动机的转速；所述电喷用于提高发动机的响应速率。上述所述的控制系统应用于多发直驱定浆距变转速系统，所述多发直驱定浆距变转速系统包括若干发动机和相同数量的螺旋桨，其中每一个发动机独立的直接驱动一个螺旋桨，每一个螺旋桨的浆距固定。通过改变发动机的转速可以精确实时地控制无人机的航姿、位置、航速和高度。此多发直驱定浆距变转速系统适用于任何燃油动力多旋翼无人机。由于螺旋桨直接连在发动机主轴上，发动机转速的改变，直接引起螺旋桨转速的改变，调节每个螺旋桨的拉力值，获得不同的角速度和加速度，进而调节位置、航速、航姿和高度。多旋翼系统的数学模型包含四个方程组:力方程组、力矩方程组、导航方程组和运动方程组；整理在一起得出了系统在悬停或慢速飞行时的非线性数学模型为:其中x、y、z为机体坐标对地球坐标的位置，、、分别为沿地球坐标系x、y、z方向的速度，、、分别为俯仰角、滚动角和偏航角，、、分别为俯仰角速度、横滚角速度和偏航角速度。陀螺仪用于测量飞机机体绕三个轴向的旋转角速率值。使用陀螺仪测量旋转角速率时，如果飞机在旋转，测得的值为非零值，飞本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种油动多旋翼无人机定桨距变转速系统，其特征在于，其组成包括采集系统、控制系统和执行系统；所述采集系统是一种多传感器的控制系统，其组成包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计、气压计、测距传感器、机载GPS和霍尔元件组成；所述控制系统的组成包括飞控板和ECU；所述执行系统的组成包括舵机和电喷。

【技术特征摘要】
1.一种油动多旋翼无人机定桨距变转速系统，其特征在于，其组成包括采集系统、控制系统和执行系统；所述采集系统是一种多传感器的控制系统，其组成包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计、气压计、测距传感器、机载GPS和霍尔元件组成；所述控制系统的组成包括飞控板和ECU；所述执行系统的组成包括舵机和电喷。2.根据权利要求1所述的一种油动多旋翼无人机定桨距变转速系统，其特征在于，所述三轴陀螺仪测量飞机机体绕三个轴向的旋转角速率值；所述三轴加速度计测量飞机机体沿三个轴向的加速度；所述三轴磁力计测量飞机机体相对于三个轴的磁偏角；所述气压计和测距传感器测量无人机的飞行高度；所述机载GPS测量无人机的三维坐标；所述霍...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭向群，姜文辉，甘子东，张奎文，
申请(专利权)人：辽宁壮龙无人机科技有限公司，
类型：新型
国别省市：辽宁;21