一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器及其控制方法，包括机翼、机架、飞行控制模块、机载中央处理器、机载摄像头、伺服电机组和电源组件。无桨叶飞行器通过离子发生器提供动力，飞行器的控制方法分为两个部分，一个是飞行器自演化、自适应环境的控制方法；另一个是飞行器运动控制方法。自演化、自适应环境的控制方法是通过建立控制规则集并进行不断迭代，以实现飞行器在飞行过程中的自稳定。飞行器的姿态通过三组伺服电机进行控制，在空间三维模型下控制飞行器机翼分别绕三轴旋转的角度变化，进而改变飞行器的运动方向。本发明专利技术在多种运动情况下都具有自平衡功能，且无液体燃料消耗，消除了传动飞行器的噪声与排放污染。

An adaptive environment based on Electro aerodynamics and its control method

【技术实现步骤摘要】
一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器及其控制方法
本专利技术涉及飞行器领域，尤其涉及一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器及其控制方法。
技术介绍
现有的传统飞行器，特别是最常见的四旋翼无人机无人机，采用高效的无刷电机作为动力，具有尺寸小、重量轻、携带方便、易保养使用、机动性能好、维护成本低等优势。在特种机器人行业中占据着举足轻重的地位。而可以自主飞行的飞行器在民用领域有广阔的前景，如地图测绘、气象探测、智能航拍、农药喷洒等等，还在军事领域当中发挥着极其重要的作用，可以完成战场侦察和监视、定位校射、目标摧毁等等。随着人们对小型无人飞行器的关注度持续提高，出现了多种不同结构、不同动力模式的飞行器模型，现有小型飞行器多为靠燃料推动或是依靠桨叶提供动力，一方面在飞行时会产生较大噪音，另一方面排放物会污染环境。现有的应用于小型飞行器的结构模型都是固定，这在一定程度上影响了飞行器的适用场景。比如当一个用于地形探测的飞行器在山谷间飞行时边无法穿越一个非常狭窄的缝隙；另外螺旋桨也增加了飞行器的损坏率。而结构无法改变的飞行器同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器，其特征在于，包括机翼、机架、飞行控制模块、机载中央处理器、伺服电机组；/n所述机翼和机架组成飞行器的外部结构；所述机翼有两个，对称安装在机架两侧，机翼的上部呈流线型结构；两个机翼内部均包含离子发生器，用于电离空气产生带电粒子；/n所述的离子发生器包括两个非对称的电极；通过在所述的两个非对称电极上施加数值可变的电压U(左右两侧机翼电压强度分别为U1、U2)，使空气被电离放电；两个非对称的电极附近的电场E(左右两侧电场强度分别为E1、E2)加速带电粒子，并通过与空气中的中性分子发生连续碰撞，产生级联电离；/n气流中的正电荷离子从离子发生器的正极向...

【技术特征摘要】
1.一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器，其特征在于，包括机翼、机架、飞行控制模块、机载中央处理器、伺服电机组；
所述机翼和机架组成飞行器的外部结构；所述机翼有两个，对称安装在机架两侧，机翼的上部呈流线型结构；两个机翼内部均包含离子发生器，用于电离空气产生带电粒子；
所述的离子发生器包括两个非对称的电极；通过在所述的两个非对称电极上施加数值可变的电压U(左右两侧机翼电压强度分别为U1、U2)，使空气被电离放电；两个非对称的电极附近的电场E(左右两侧电场强度分别为E1、E2)加速带电粒子，并通过与空气中的中性分子发生连续碰撞，产生级联电离；
气流中的正电荷离子从离子发生器的正极向负极的运动受高斯定理支配：



其中，E是离子发生器两级间电场强度，x为正电荷离子和离子发生器正极之间的距离，U为施加在离子发生器正负两极之间的电压，ρ是空气电荷密度，ε0是空气介电常数；
假设气体为无粘流体，此时流体的动量方程由欧拉方程控制：



其中，p为单位距离中带电粒子产生的推力；
单侧机翼内部的离子发生器所能产生的推动飞行器前进的压强为：



其中S为离子发生器两级间电场截面的面积，l为两电极间距离，为两极间电场的平均电场强度；
单侧机翼中的离子发生器推力功率比的公式如下：



其中P为离子发生器的功率，j为两极间电流密度，v为空气流速，μ为离子迁移率；可根据需求推力功率比计算出平均电场强度进而求得离子发生器两极需施加的电压大小；
所述的机架外部结构为轴对称结构；机架内部包含飞行控制模块、机载中央处理器、三组伺服电机；所述三组伺服电机分别为伺服电机A1和A2、伺服电机B1和B2以及伺服电机C1和C2；
所述的飞行控制模块用于控制飞行器飞行，并保持飞行器飞行的稳定；飞行控制模块包含控制器、检测飞行器状态的传感器元件和视觉定位系统等；
所述传感器元件和视觉定位系统实时采集飞行器的状态数据，并将数据传输给机载中央处理器；
所述的机载中央处理器用于处理飞行器的状态数据以及发送控制指令到飞行控制模块中的控制器，通过控制器调整伺服电机A1、A2控制的机翼偏转角度θ，伺服电机B1、B2控制的机翼偏转角度伺服电机C1、C2控制的机翼偏转角度φl、φr。


2.根据权利要求1所述的一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器，其特征在于，所述的检测飞行器状态的传感器元件包括陀螺仪、加速度计、磁力计、GPS模块。


3.根据权利要求1所述的一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器，其特征在于，控制器调整机翼的偏转角度具体如下：
以飞行器初始状态下前向方向为x轴正方向；飞行器右翼延展方向为y轴正方向；以飞行器上方方向为z轴正方向，建立空间三维坐标系；
所述的伺服电机A1、A2分别位于机架内部的左右两侧，控制两侧机翼绕y轴的偏转角度θ，为机翼下平面与y-z平面呈锐角的夹角，θ为正数时表示机翼向z轴正方向偏转，θ为负数时表示机翼向z轴负方向偏转；所述的伺服电机B1、B2分别位于机架内部的左右两侧，控制两侧机翼绕z轴的偏转角度为机翼前进方向与x-z平面呈锐角的夹角，为正数时表示机翼向y轴正方向偏转，为负数时表示机翼向y轴负方向偏转；所述的伺服电机C1、C2分别位于机架内部的左右两侧，控制左右两侧机翼分别绕x轴的偏转角度φl和φr，分别为机翼下平面与x-y平面呈锐角的夹角，左侧机翼偏转角度为φl，φl为非负数，表示左侧机翼向z轴负方向的偏转角度，右侧机翼偏转角度为φr，φr为非负数，表示右侧机翼向z轴负方向的偏转角度。


4.根据权利要求1所述的一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器，其特征在于，该飞行器还包括机载摄像头，机载中央处理器接受机载摄像头读取的实时画面，记录飞行器周围的飞行环境并计算与障碍物的距离，同时计算出避障飞行轨迹，将控制指令发送到所述的飞行控制模块中的控制器，从而控制飞行器的运动。


5.根据权利要求1所述的一种基于电空气动力学可自适应环境的无桨叶飞行器...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟濬，刘逸如，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33