一种连接式无人机编队及其控制方法技术

本发明专利技术一种连接式无人机编队及其控制方法，属于飞行器设计；无人机编队包括多个固定翼无人机，相邻无人机之间通过连接机构固定连接；所述连接机构包括碳管和连接部件；所述连接部件一侧固定于其中一个无人机机翼翼尖，另一侧与所述碳管的一端固定，用于与相邻无人机机翼翼尖的固定连接，实现多个无人机的固定编队。将无人机连接在一起，实现了无人机的稳定编队飞行。根据计算流体力学软件的计算结果，通过多无人机近距编队飞行，单架无人机升力阻力之比提升20％，有效提升了无人机的航程和航时。此外，通过整体编队控制指令的二次分配，将连接机构所受载荷降低45％，有效降低了对连接机构的结构强度和刚度需求，减少结构重量。

A connected UAV formation and its control method

The invention relates to a connected UAV formation and a control method thereof, belonging to the aircraft design; the UAV formation includes a plurality of fixed wing UAVs, and the adjacent UAVs are fixedly connected by a connecting mechanism; the connecting mechanism includes a carbon tube and a connecting part; one side of the connecting part is fixedly fixed on the wing tip of one UAV, the other side is fixedly fixed with one end of the carbon tube In the fixed connection with the wing tip of the adjacent UAV, the fixed formation of multiple UAVs is realized. The UAV is connected together to realize the stable formation flying of UAV. According to the calculation results of CFD software, the lift resistance ratio of a single UAV is increased by 20% through the close formation flight of multiple UAVs, which effectively improves the range and flight time of the UAV. In addition, through the secondary distribution of the overall formation control command, the load of the connecting mechanism is reduced by 45%, which effectively reduces the structural strength and stiffness requirements of the connecting mechanism and reduces the structural weight.

【技术实现步骤摘要】
一种连接式无人机编队及其控制方法
本专利技术属于飞行器设计领域，具体涉及一种连接式无人机编队及其控制方法，用于固定翼无人机编队装置及其控制方法的设计。
技术介绍
固定翼无人机编队飞行具有众多单机飞行所不具备的优点：1.近距编队可利用前机飞行所产生的翼尖涡，从而增加飞行升力，减小飞行阻力，提升飞机的航程和航时。2.编队飞行可实现分布式载荷搭载，执行单机所不能执行的任务。然而，现有的无人机编队由于传感器精度问题难以实现近距编队，一般市面上常见的GPS系统在短时间内精度仅有10m左右，即使加入昂贵的RTK作为精度补充，短时间内的定位精度对体型较小的无人机来说，依旧不能满足其利用编队气动优势达到增升减阻的目的。此外，由于固定翼飞机飞行速度较高，在近距飞行条件下，若外界或自身存在扰动，就很容易发生飞机之间的碰撞，导致任务失败。因此，现有技术不能很好地支持固定翼飞机利用编队的空气动力学优势。《一种用于无人机编队飞行的控制系统》，授权公告号CN105223964B，授权公告日2018.03.09，介绍了一种用于无人机编队飞行的控制系统，其无人机之间不存在任何连接，通过地面装置对无人机预先进行任务规划，长机接收地面控制站的控制指令，并分发给每个僚机。僚机根据长机的控制指令飞行，完成飞行过程中的编队队形变换或保持。该专利技术的控制系统中，长机和僚机通过选择市场上的卫星导航模块，再通过作差分算法，来获取长机和僚机的位置信息，其精度远不能满足近距编队来利用编队气动优势的需要；此外，无人机之间通过通讯电台在编队内组网通信，来实现编队任务的协调实现，存在抗干扰能力差的缺点，在外界环境不佳时编队效果差，甚至发生碰撞。
技术实现思路
要解决的技术问题：为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种连接式无人机编队及其控制方法，主要解决了现有无人机编队方式中所存在的以下问题：1.传感器精度不足导致无人机编队的机间安全距离不能满足有效利用气动好处的需要，且传感器的误差将使编队队形无法保存稳定；2.自由编队飞行时，飞机需面临外界风干扰、通信不同步等干扰因素所带来的姿态和轨迹上的扰动，由于固定翼飞机飞行速度快，这些干扰将会大大增加无人机编队队形的保持难度，增加编队保持控制的能量消耗和系统调节时间，甚至增加飞机之间碰撞的风险。3.传统固定翼编队方式对飞行控制系统的复杂程度、硬件设备的精确程度要求极高，导致成本高昂，目前不具备实现大规模有效应用的可能。本专利技术的技术方案是：一种连接式无人机编队，其特征在于：包括多个固定翼无人机，相邻无人机之间通过连接机构固定连接；所述连接机构包括碳管和连接部件；所述连接部件一侧固定于其中一个无人机机翼翼尖，另一侧与所述碳管的一端固定，用于与相邻无人机机翼翼尖的固定连接，实现多个无人机的固定编队。本专利技术的进一步技术方案是：所述连接部件为三通接头，其一端出口固定于其中一个无人机机翼翼尖，另两端出口均同轴固定有所述碳管。本专利技术的进一步技术方案是：所述三通接头由多个带有插槽的木板拼接而成，通过螺钉或胶粘将所述碳管同轴固定于其出口处。本专利技术的进一步技术方案是：所述连接部件为旋转件，包括外筒、内筒、长方体插销和圆柱体插销；所述外筒和内筒均为两端开口的管状结构，所述外筒的高度小于内筒的高度，同轴套装于内筒的上端能够相对旋转，并保证上端平齐；内筒下端与无人机机翼翼尖固定，两根所述碳管分别垂直固定于外筒周面上和内筒下端的周面上；所述内筒上端沿周向开有半环形槽，在半环形槽的下方开有第一圆形通孔，在内筒下端与半环形槽相对的周面上沿轴向设置有矩形凸起；所述外筒周面上相对开有两个矩形通孔，与所述半环形槽位置相对，用于插入长方体插销，实现外筒相对内筒旋转时的轴向定位；在第二矩形通孔的下方开有第二圆形通孔，与所述第一圆形通孔相对，用于插入圆柱体插销，对所述外筒和内筒的旋转位置进行固定；所述外筒的下端面开有卡槽，所述卡槽底面与内筒的矩形凸起上表面贴合，卡槽槽壁与矩形凸起的侧壁面配合，用于限定外筒的旋转角度。本专利技术的进一步技术方案是：还包括固定板，所述固定板为框架式的板状结构，贴合安装于无人机机翼翼尖的上下表面，将所述连接部件一侧固定于无人机机翼翼尖外的固定板侧壁上，用于避免三通接头与机翼翼尖连接处向机身传递集中载荷。本专利技术的进一步技术方案是：所述内筒上的半环形槽圆心角为225°-270°。一种连接式无人机编队装置的控制方法，其特征在于具体步骤如下：步骤一：主机飞控获取由地面站发送的整个无人机编队的控制指令；步骤二：由惯性导航系统或GPS获取主机位置信息为信任位置信息，然后根据连接部件的角度和碳管的长度计算出其他无人机的位置信息；步骤三：根据步骤二计算得到的无人机编队实时位置信息，主机飞控将控制指令通过外环的位置控制系统进行计算，从而得到无人机编队内环具体的角速度指令和速度指令；步骤四：对无人机编队内环的角速度控制指令和速度指令进行统一的协调计算和再分配，得到单个无人机角速度控制指令和速度指令；单个无人机控制指令的计算和分配公式如下：Ωi＝Ω+ωi其中，V为外环控制律计算得到的整个无人机编队的速度指令，Ω为外环控制律计算得到的整个无人机编队的角速度指令。选取主机的轴系为整个无人机编队的机体坐标轴系，ωi为当连接机构为可转动时第i(i＝1,2,3…)号僚机绕主机旋转的角速度在体轴系下的分量，为通路矢量，其几何意义是从主机质心O1指向第i号僚机质心Oi的矢量在机体坐标系下的分量；Ωi即为给到第i号僚机控制系统的最终角速度指令，Vi为给到第i号僚机控制系统的最终速度指令；为Ωi对时间的一阶导数；为Ω对时间的一阶导数；步骤五：根据步骤四的单个无人机控制指令的控制律计算，进而分配到各个单机的控制舵面进行执行，以使单机之间姿态和轨迹的运动参数相互协调，使连接部件和碳管不发生拉压、扭转和弯曲。有益效果本专利技术的有益效果在于：本专利技术通过采用一种固定编队队形的连接装置，将无人机连接在一起，实现了无人机的稳定编队飞行。根据计算流体力学软件的计算结果，通过多无人机近距编队飞行，单架无人机升力阻力之比提升20％，有效提升了无人机的航程和航时。此外，通过整体编队控制指令的二次分配，将连接机构所受载荷降低45％，有效降低了对连接机构的结构强度和刚度需求，减少结构重量。连接机构的设计可为相邻飞机提供了多种连接角度，以充分拓展连接机构在不同飞行状态下的适用情况，充分利用气动优势。相邻飞机能够充分保证所设计的编队位置关系，连接机构不会对机翼翼尖传递集中载荷，避免了机翼结构受到损伤。与现有无人机编队方式相比，本专利技术实现性强，实际效果好，成本低，达到了预期编队目标。附图说明图1为连接式无人机编队示意图；图2为连接机构受力最小化的控制原理；图3为固定式连接机构示意图；图4(a)为翼稍处连接机构俯视图；(b)为翼稍处连接机构立体图；图5为旋转件装配图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种连接式无人机编队，其特征在于：包括多个固定翼无人机，相邻无人机之间通过连接机构固定连接；所述连接机构包括碳管和连接部件；所述连接部件一侧固定于其中一个无人机机翼翼尖，另一侧与所述碳管的一端固定，用于与相邻无人机机翼翼尖的固定连接，实现多个无人机的固定编队。/n

【技术特征摘要】
1.一种连接式无人机编队，其特征在于：包括多个固定翼无人机，相邻无人机之间通过连接机构固定连接；所述连接机构包括碳管和连接部件；所述连接部件一侧固定于其中一个无人机机翼翼尖，另一侧与所述碳管的一端固定，用于与相邻无人机机翼翼尖的固定连接，实现多个无人机的固定编队。


2.根据权利要求1所述连接式无人机编队，其特征在于：所述连接部件为三通接头，其一端出口固定于其中一个无人机机翼翼尖，另两端出口均同轴固定有所述碳管。


3.根据权利要求2所述连接式无人机编队，其特征在于：所述三通接头由多个带有插槽的木板拼接而成，通过螺钉或胶粘将所述碳管同轴固定于其出口处。


4.根据权利要求1所述连接式无人机编队，其特征在于：所述连接部件为旋转件，包括外筒、内筒、长方体插销和圆柱体插销；所述外筒和内筒均为两端开口的管状结构，所述外筒的高度小于内筒的高度，同轴套装于内筒的上端能够相对旋转，并保证上端平齐；内筒下端与无人机机翼翼尖固定，两根所述碳管分别垂直固定于外筒周面上和内筒下端的周面上；
所述内筒上端沿周向开有半环形槽，在半环形槽的下方开有第一圆形通孔，在内筒下端与半环形槽相对的周面上沿轴向设置有矩形凸起；所述外筒周面上相对开有两个矩形通孔，与所述半环形槽位置相对，用于插入长方体插销，实现外筒相对内筒旋转时的轴向定位；在第二矩形通孔的下方开有第二圆形通孔，与所述第一圆形通孔相对，用于插入圆柱体插销，对所述外筒和内筒的旋转位置进行固定；所述外筒的下端面开有卡槽，所述卡槽底面与内筒的矩形凸起上表面贴合，卡槽槽壁与矩形凸起的侧壁面配合，用于限定外筒的旋转角度。


5.根据权利要求4所述连接式无人机编队，其特征在于：所述内筒上的半环形槽圆心角为225°-270°。


6.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：周洲，陈明哲，王正平，童心雨，郑黎明，邸伟承，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61