一种新型复合滚转姿态控制系统及方法技术方案

本发明专利技术属于无人机技术领域，公开了一种新型复合滚转姿态控制系统及方法，控制方法利用舵面调节飞行姿态的原理以及常规直升机倾斜盘周期变距原理进行结合；利用冗余控制的思路，通过舵面系统对飞行器滚转通道进行控制，通过旋翼系统进行滚转通道的辅助补偿，通过涵道约束气流方向，对舵面系统进行控制；控制系统包括控制器、舵面系统、旋翼系统、涵道。本发明专利技术空中可通过性增强，结构紧凑、设计合理，可以实现自主悬停与精确姿态控制，并具有空间尺寸小、有效载荷大、控制响应灵敏度高、系统稳定性与鲁棒性大幅改善等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种新型复合滚转姿态控制系统及方法
本专利技术属于无人机
，尤其涉及一种新型复合滚转姿态控制系统及方法。
技术介绍
传统的多旋翼式无人飞行器通过改变旋翼的转速来改变飞行器的姿态，实现对滚转、俯仰、偏航通道的控制。以四旋翼无人机为例，增加前进方向两侧的其中一个旋翼的升力同时减小对置旋翼的升力，会产生绕x轴的角加速度，从而改变无人机的横滚角。随着无人飞行器的发展，目前已有一系列借鉴了固定翼和直升机的姿态控制原理而设计出的新型姿态控制结构方案被提出。申请号为201610359060.1的专利技术专利提出了一种采用差动、分动算法及由电机直接驱动三个舵面来控制飞行器三轴飞行姿态的机构，方向控制采用对三个舵面分别控制，由三个舵面旋转角度的不同组合完成对飞机姿态的三轴控制；申请号为201510536637.7的专利技术专利提出了一种适用于无人机的舵面差分驱动机构，用于调节无人机飞行姿态；申请号为201510474664.6的专利技术专利提出了一种舵面控制装置，这种舵面控制装置占用空间小、工作稳定性好、执行效率高；申请号为201510035197.7的专利技术专利提出了一种适用于非共轴式小型双旋翼无人机的操纵机构，旋翼采用正反桨，旋向相反，通过电机控制旋翼转速，通过控制舵机和拉杆系带动单自由度自动倾斜器转动，并使旋翼系统周期变距，采用钢片弹簧传递旋翼升力，限制并利用旋翼的挥舞运动。现有技术存在的问题是：但是现有的利用以上方案设计的无人飞行器通常均只基于其中一种姿态控制结构，而未将这两种结构结合起来。这样的飞行器会产生一些弊端。若是只基于舵面结构，对于现有常见的小型、高转速无人飞行器领域都需要配备较大尺寸的舵面，并且重心较高以增强舵面的效果，这样会对飞行器的适用范围有一定的限制；若是只基于倾斜盘结构，由于本专利技术适用于纵列双涵道式无人飞行器，在旋翼转速相同的情况下双涵道式旋翼提供的滚转力明显小于开放式旋翼，故所设计的旋翼转速超过了正常开放式旋翼的平均转速，不在正常的范围内，因此不适用单独的周期变距原理；现有常见的此类飞行器的倾斜盘有三个自由度，且总距和周期同时基于倾斜盘实现，这使得不同问题耦合在一起，令问题的分析大大复杂化，因此这类无人飞行器往往设计困难、机构复杂，未经训练的操作人员难以驾驭，当使用自动控制技术研制此类的无人飞行器时，需要花费大量精力进行深入的空气动力学问题分析，才能获得足够的飞行品质、保证其自动化水平，这不利于控制模型的简化，也增大了问题分析的难度。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于共轴反旋纵列双涵道式无人飞行器新型复合滚转姿态控制系统及方法。本专利技术是这样实现的，一种新型复合滚转姿态控制方法，所述新型复合滚转姿态控制方法利用舵面调节飞行姿态的原理以及常规直升机倾斜盘周期变距原理进行结合；利用冗余控制的思路，通过舵面系统对飞行器滚转通道进行控制，通过旋翼系统进行滚转通道的辅助补偿，通过涵道约束气流方向，对舵面系统进行控制；将舵面系统作为主系统，旋翼系统作为从系统，正常情况下由主系统执行程序，从系统不断监测主系统状态，并适时参与滚转控制。进一步，所述新型复合滚转姿态控制方法具体包括：无人飞行器上的传感系统将采集到的信息实时传递给控制器，控制器进行解算与控制；一方面驱动舵面系统的舵机A，摇臂和连杆完成相应运动；另一方面驱动旋翼系统的舵机B、上变距拉杆和下变距拉杆进行相应运动；二者协同控制，调整旋翼的滚转通道，进行飞行器的姿态控制。进一步，所述舵面系统利用伯努利原理控制共轴反旋纵列双涵道式飞行器的滚转通道；具体包括：变距舵机A输出扭矩，并经摇臂和连杆控制舵面的转动，操控舵面角度；利用涵道约束气体的流向，将通过上、下桨盘的气流都提供给舵面用以控制滚转通道；旋翼旋转时气流受到牵引，由上至下通过涵道，经过两个桨盘到达舵面时气流方向是近似平直的；根据伯努利原理式中：p——流体中某点的压强，v——流体该点的流速，ρ——流体密度，g——重力加速度，h——该点所在高度，C——常量；可知，忽略高度的影响时，压强与流体的流速有关；若舵面处于偏离竖直向下的状态，气体流经舵面两侧会产生流速差，舵面迎风侧气体流速快，压强小；背风侧气体流速慢，压强大；舵面两侧存在压强差，在舵面上会产生一个垂直于舵面，近似指向舵面偏转方向的力；并且舵面在竖直方向的偏转越大，压强差就越大，整机的滚转力矩也就越大；通过这个力完成对无人飞行器滚转通道的控制；无人飞行器平稳飞行时，变距舵机A不工作，舵面位置竖直向下，舵面左右气流流速相等，没有压强差，不输出滚转方向的力矩；无人飞行器需要滚转时，控制器驱动变距舵机A，经摇臂和连杆的带动从而改变舵面的角度，形成适合的滚转力矩，令飞行机器人做出滚转的工况。进一步，所述旋翼系统利用周期变距原理控制共轴反旋纵列双涵道式飞行器的滚转通道；具体包括：无人飞行器平稳飞行时，电机提供的扭矩经电机轴带动旋翼旋转，并带动与之固连的变距拉杆和旋转倾斜盘旋转，固定倾斜盘不做运动；无人飞行器需要滚转时，控制器驱动变距舵机B，经摇臂和拉杆的带动从而改变变距拨叉的角度，使倾斜盘倾斜一定角度；旋翼旋转时，变距拉杆拉动桨叶上的变距摇臂，使桨叶桨距周期变化，从而产生操纵力矩；由于支架对变距拨叉的限制作用，倾斜盘只能以一固定方向倾斜；旋翼依靠自身拉力的不对称性产生的力偶作用令无人飞行器做出滚转的工况。进一步，所述操控舵面角度中，限定舵面的最大摆角为±20°；稳定飞行时舵面摆角的期望值为0度，当实际滚转角偏离期望值时，控制器解算相应的执行机构作动量；在舵面系统控制输入饱和前，控制量与舵面摆角具有映射关系。所述的执行机构在15度之内是舵面系统，超过15度时则为旋翼系统。进一步，为解决舵面所需控制量饱和的情况和为保护舵面，不让舵面在极限摆角处工作；具体包括：所需舵面摆角在±15°以内时，只驱动舵面系统工作；若无人飞行器需要大幅度的滚转调整，对应在舵面中需要超过±15°～±20°的摆角时，则加入旋翼系统通过周期变距辅助舵面补偿角度；通过反馈调节，逐步微调，确保无人飞行器最终完成指定的横滚角度。本专利技术另一目的在于提供一种新型复合滚转姿态控制系统，包括：采集无人飞行器上的传感系统实时传递的信息，并进行解算与控制的控制器；接收控制器传输的指令信息，通过变距舵机A，摇臂和连杆完成相应运动的舵面系统；接收控制器传输的指令信息，通过变距舵机B、上变距拉杆和下变距拉杆进行相应运动的旋翼系统。进一步，所述舵面系统包括：固连在主梁及涵道连接处的舵面支架，所述舵面支架包括前舵面支架和后舵面支架；所述涵道用于约束气体的流向；与涵道和舵面支架连接的舵面；用来操控舵面角度的变距舵机A；连接在变距舵机A上的摇臂；连接摇臂和舵面的连杆。进一步，所述旋翼系统包括：共同固定在涵道中间的底板上下两方的上旋翼机构和下旋翼机构；底板通过主梁接头安装在机身上；上旋翼机构包括上桨毂、上桨夹、上桨叶、上变距拉杆、上倾斜盘、上变距拨叉、上支架、上电机；上支架固定在底板上部，所述上支架上部与上变距拨叉活动连接；上变距拨叉上安装有上倾斜盘；上桨毂通过上桨夹固定有上桨叶；上电机带动上桨毂转动；上桨夹通过上变距拉杆与上倾斜盘连接；上电机固定在底板上部，；旋翼机构包括下桨毂、下桨夹、下桨叶、下变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型复合滚转姿态控制方法，其特征在于，所述新型复合滚转姿态控制方法利用舵面调节飞行姿态的原理以及常规直升机倾斜盘周期变距原理进行结合；利用冗余控制的思路，通过舵面系统对飞行器滚转通道进行控制，通过旋翼系统进行滚转通道的辅助补偿，通过涵道约束气流方向，对舵面系统进行控制。

【技术特征摘要】
1.一种新型复合滚转姿态控制方法，其特征在于，所述新型复合滚转姿态控制方法利用舵面调节飞行姿态的原理以及常规直升机倾斜盘周期变距原理进行结合；利用冗余控制的思路，通过舵面系统对飞行器滚转通道进行控制，通过旋翼系统进行滚转通道的辅助补偿，通过涵道约束气流方向，对舵面系统进行控制。2.如权利要求1所述的新型复合滚转姿态控制方法，其特征在于，所述新型复合滚转姿态控制方法具体包括：无人飞行器上的传感系统将采集到的信息实时传递给控制器，控制器进行解算与控制；一方面驱动舵面系统的舵机A，摇臂和连杆完成相应运动；另一方面驱动旋翼系统的舵机B、上变距拉杆和下变距拉杆进行相应运动；二者协同控制，调整旋翼的滚转通道，进行飞行器的姿态控制。3.如权利要求1所述的新型复合滚转姿态控制方法，其特征在于，所述舵面系统利用伯努利原理控制共轴反旋纵列双涵道式飞行器的滚转通道；具体包括：变距舵机A输出扭矩，并经摇臂和连杆控制舵面的转动，操控舵面角度；利用涵道约束气体的流向，将通过上、下桨盘的气流都提供给舵面用以控制滚转通道；旋翼旋转时气流受到牵引，由上至下通过涵道，经过两个桨盘到达舵面时气流方向是近似平直的；根据伯努利原理式中：p——流体中某点的压强，v——流体该点的流速，ρ——流体密度，g——重力加速度，h——该点所在高度，C——常量；若舵面处于偏离竖直向下的状态，气体流经舵面两侧会产生流速差，舵面迎风侧气体流速快，压强小；背风侧气体流速慢，压强大；舵面两侧存在压强差，在舵面上会产生一个垂直于舵面，近似指向舵面偏转方向的力；并且舵面在竖直方向的偏转越大，压强差就越大，整机的滚转力矩也就越大；通过这个力完成对无人飞行器滚转通道的控制；无人飞行器平稳飞行时，变距舵机A不工作，舵面位置竖直向下，舵面左右气流流速相等，没有压强差，不输出滚转方向的力矩；无人飞行器需要滚转时，控制器驱动变距舵机A，经摇臂和连杆的带动从而改变舵面的角度，形成适合的滚转力矩，令飞行机器人做出滚转的工况。4.如权利要求1所述的新型复合滚转姿态控制方法，其特征在于，所述旋翼系统利用周期变距原理控制共轴反旋纵列双涵道式飞行器的滚转通道；具体包括：无人飞行器平稳飞行时，电机提供的扭矩经电机轴带动旋翼旋转，并带动与之固连的变距拉杆和旋转倾斜盘旋转，固定倾斜盘不做运动；无人飞行器需要滚转时，控制器驱动变距舵机B，经摇臂和拉杆的带动从而改变变距拨叉的角度，使倾斜盘倾斜一定角度；旋翼旋转时，变距拉杆拉动桨叶上的变距摇臂，使桨叶桨距周期变化，从而产生操纵力矩；由于支架对变距拨叉的限制作用，倾斜盘只能以一固定方向倾斜；旋翼依靠自身拉力的不对称性产生的力偶作用令无人飞行器做出滚转的工况。5.如权利要求3所述的新型复合滚转姿态控制方法，其特征在于，所述操控...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭怡凡，徐彬，项昌乐，马越，张一博，樊伟，林露，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11