本发明专利技术公开了一种运用栅格舵的微小型无人机及控制方法，属于微小型飞行器姿态控制领域。无人机采用圆筒状外壳，四个栅格舵面以水平安装方式均匀分布在圆筒状无人机外壳底部，四个栅格舵面的对称中心与无人机的重心在同一竖直线上，无人机的螺旋桨在圆筒状无人机外壳顶部上方，栅格舵面安装于无人机的底部用于无人机的姿态控制。本发明专利技术栅格舵面与常规小型无人机上的平板舵面相比，具有更加优越的气动特性，运用于微小型无人机具有更加优越的控制性能并能够有效的减少侧风的影响。本发明专利技术通过数值仿真、在无风以及有风环境下分别进行飞行测试，仿真计算以及测试结果均验证了栅格舵面的气动特性以及控制性能比常规平板舵面更加优越。优越。优越。
【技术实现步骤摘要】
运用栅格舵的微小型无人机及控制方法
[0001]本专利技术涉及一种运用栅格舵的微小型无人机及控制方法，属于微小型飞行器姿态控制领域。
技术介绍
[0002]栅格舵是一个非常规的气动升力和控制布局，它是由小弦长的一个外部框架和众多的内部壁板布置成的一种空间多升力面系统。目前在导弹制导、卫星等领域有着非常大的作用。但是目前为止，栅格舵在微小型飞行器上的控制研究以及运用几乎为零。对于微小型飞行器来说侧风是其一个致命痛点，微小型飞行器的所用的一般是平板舵面，而平板舵面气动特性在微小型无人机上的效果不尽人意，对于无人机抵消侧面风、姿态变换、动作控制等影响十分有限。
技术实现思路
[0003]专利技术目的：针对现有技术的不足，本专利技术目的在于提供一种运用栅格舵的微小型无人机及控制方法，能够增强无人机鲁棒性以抵抗侧面风的影响，同时提高无人机的控制特性。
[0004]技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0005]运用栅格舵的微小型无人机，该无人机采用圆筒状外壳，四个栅格舵面以水平安装方式均匀分布在圆筒状无人机外壳底部，四个栅格舵面的对称中心与无人机的重心在同一竖直线上；无人机的螺旋桨在圆筒状无人机外壳顶部上方；位于无人机左右方的第一、第二栅格舵面记为第一对栅格舵面，位于无人机前后方的第三、第四栅格舵面记为第二对栅格舵面；栅格舵面的偏转角度与无人机螺旋桨尾流对舵面产生的作用力呈线性关系；第一对栅格舵面用于控制无人机前后运动，第二对栅格舵面用于控制无人机转向运动。
[0006]作为优选，栅格舵的结构为斜置壁与边框成45
°
角的蜂窝式栅格舵面，以增强舵面的强度。
[0007]作为优选，无人机的螺旋桨采用共轴双桨，以克服单螺旋桨产生的自旋扭矩，桨叶的长度大于栅格舵面的长度。
[0008]作为优选，无人机的重量在600g
‑
700g之间。
[0009]运用栅格舵的微小型无人机控制方法，所述方法通过控制安装于无人机底部的四个栅格舵面的偏转角度实现无人机的前后运动和转向运动；所述四个栅格舵面以水平安装方式均匀分布在圆筒状无人机外壳底部，四个栅格舵面的对称中心与无人机的重心在同一竖直线上；无人机的螺旋桨在圆筒状无人机外壳顶部上方；位于无人机左右方的第一、第二栅格舵面记为第一对栅格舵面，位于无人机前后方的第三、第四栅格舵面记为第二对栅格舵面；所述方法包括如下步骤：
[0010]在接收到惯性测量单元IMU给出的参考俯仰角时，根据飞行器的动力学方程和运动学方程计算无人机的合力矩，进而确定螺旋桨尾流对第一对栅格舵面产生的气动力矩，
根据栅格舵面偏转角与气动力矩之间的线性关系确定第一对栅格舵面的参考偏转角；根据参考偏转角计算PWM值，并对第一对栅格舵面的舵机输出PWM信号，完成第一对栅格舵面的偏转，实现无人机前后运动；
[0011]在接收到惯性测量单元IMU给出的参考横滚角时，根据飞行器的动力学方程和运动学方程计算无人机的合力矩，进而确定螺旋桨尾流对第二对栅格舵面产生的气动力矩，根据栅格舵面偏转角与气动力矩之间的线性关系确定第二对栅格舵面的参考偏转角；根据参考偏转角计算PWM值，并对第二对栅格舵面的舵机输出PWM信号，完成第二对栅格舵面的偏转，实现无人机转向运动。
[0012]作为优选，所述栅格舵面偏转角与气动力矩之间的线性关系根据拟合的栅格舵面偏转角与气动力线性关系乘以栅格舵面到无人机轴心的力臂得到；其中栅格舵面偏转角与气动力线性关系通过Fluent数值仿真得到。
[0013]作为优选，在通过Fluent进行数值仿真时，采用封闭的圆柱空间作为仿真时的空气域，其高度在栅格舵面厚度的15～20倍，横截面直径长度在栅格舵面长度3～4倍。
[0014]作为优选，所述栅格舵面偏转角与气动力矩之间的线性关系表示为：
[0015][0016]其中，M
areo,1
、M
areo,2
、M
areo,3
、M
areo,4
分别为第一、第二、第三、第四栅格舵面产生的力矩大小，γ
l
为第一、第二栅格舵面与水平面的夹角，γ
r
为第三、第四栅格舵面与水平面的夹角，L
l
为第一、第二栅格舵面到无人机轴心的力臂长度，L
r
为第三、第四栅格舵面到无人机轴心的力臂长度，C
ldr
与C
mde
为相应的无量纲气动系数，δ为由Fluent仿真出来的栅格舵面在相应条件下的线性系数。
[0017]作为优选，飞行器的动力学方程表示为：
[0018][0019]飞行器的运动学方程表示为：
[0020][0021]其中，[L M N]T
为合力矩在机体坐标系下的三个分量，[p,q,r]T
为角速度矢量在机体坐标系下的三个分量，变量上的点表示导数，θ为俯仰角，φ为横滚角，ψ为偏航角，I
xx
、I
yy
、I
zz
、I
xz
、I
zx
为无人机转动惯量的相应分量；机体坐标系下，坐标原点位于无人机质心，X轴垂直于机体纵轴指向无人机前方，Y轴垂直于机体纵轴指向无人机右侧，Z轴沿机体纵轴指向下方。
[0022]作为优选，无人机的合力矩由螺旋桨产生的扭矩和四个栅格舵面产生的扭矩构
成；四个栅格舵面产生的扭矩表示为：
[0023]有益效果：本专利技术中无人机使用栅格舵时，由于其水平安装方式，可以大大减少侧风对于机身的影响，增强无人机的鲁棒性；且在无风环境下时，由于栅格对于气流的理顺作用以及栅格舵本身的特性，对于无人机的控制性能呈现出线性特性，大大提高了无人机的控制性能；并且针对微小型无人机栅格舵的控制使得其运用在微小型无人机上的控制特性大大提升，有效提高了微小型无人机的飞行特性。与现有技术相比，本专利技术可以增强无人机鲁棒性，并能够有效的减少侧风对无人机的影响，可靠性更高，且在无风环境下提高了无人机的控制特性。
附图说明
[0024]图1为本专利技术实施例的运用栅格舵的微小型无人机示意图。
[0025]图2为本专利技术实施例中无人机外壳底部栅格舵的安装俯视图。
[0026]图3为本专利技术实施例的数值仿真中栅格舵网格划分示意图。
[0027]图4为本专利技术实施例的数值仿真中空气域网格划分示意图。
[0028]图5为本专利技术实施例的数值仿真中模型整体划分网格的空间示意图。
[0029]图6为本专利技术实施例中不同倾斜角度下栅格舵面产生的作用力仿真曲线图。
[0030]图7为本专利技术实施例中使用栅格舵的俯仰控制流程图。
[0031]图8为本专利技术实施例中使用栅格舵的横滚控制流程图。
[0032]图9为本专利技术实施例中无风环境下舵面产生作用力大小对比图。
[0033]图10为本专利技术实施例中标准侧风下机身产生的偏转角大本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.运用栅格舵的微小型无人机，其特征在于，所述无人机采用圆筒状外壳，四个栅格舵面以水平安装方式均匀分布在圆筒状无人机外壳底部，四个栅格舵面的对称中心与无人机的重心在同一竖直线上；无人机的螺旋桨在圆筒状无人机外壳顶部上方；位于无人机左右方的第一、第二栅格舵面记为第一对栅格舵面，位于无人机前后方的第三、第四栅格舵面记为第二对栅格舵面；栅格舵面的偏转角度与无人机螺旋桨尾流对舵面产生的作用力呈线性关系；第一对栅格舵面用于控制无人机前后运动，第二对栅格舵面用于控制无人机转向运动。2.根据权利要求1所述的运用栅格舵的微小型无人机，其特征在于，栅格舵的结构为斜置壁与边框成45
°
角的蜂窝式栅格舵。3.根据权利要求1所述的运用栅格舵的微小型无人机，其特征在于，无人机的螺旋桨采用共轴双桨，桨叶的长度大于栅格舵面的长度。4.根据权利要求1所述的运用栅格舵的微小型无人机，其特征在于，无人机的重量在600g
‑
700g之间。5.运用栅格舵的微小型无人机控制方法，其特征在于，所述方法通过控制安装于无人机底部的四个栅格舵面的偏转角度实现无人机的前后运动和转向运动；所述四个栅格舵面以水平安装方式均匀分布在圆筒状无人机外壳底部，四个栅格舵面的对称中心与无人机的重心在同一竖直线上；无人机的螺旋桨在圆筒状无人机外壳顶部上方；位于无人机左右方的第一、第二栅格舵面记为第一对栅格舵面，位于无人机前后方的第三、第四栅格舵面记为第二对栅格舵面；所述方法包括如下步骤：在接收到惯性测量单元IMU给出的参考俯仰角时，根据飞行器的动力学方程和运动学方程计算无人机的合力矩，进而确定螺旋桨尾流对第一对栅格舵面产生的气动力矩，根据栅格舵面偏转角与气动力矩之间的线性关系确定第一对栅格舵面的参考偏转角；根据参考偏转角计算PWM值，并对第一对栅格舵面的舵机输出PWM信号，完成第一对栅格舵面的偏转，实现无人机前后运动；在接收到惯性测量单元IMU给出的参考横滚角时，根据飞行器的动力学方程和运动学方程计算无人机的合力矩，进而确定螺旋桨尾流对第二对栅格舵面产生的气动力矩，根据栅格舵面偏转角与气动力矩之间的线性关系确定第二对栅格舵面的参考偏转角；根据参考偏转角计算PWM值，并对第二对栅格舵面的舵机输出PWM信号，完成第二对栅格舵面的偏转，实现无人机转向运动。6.根据权利要求5所述的运用栅格舵的微小型无人机控制方法，其特征在于，所述栅格舵面偏转角与气动力矩之间的线性关系根据拟合的栅格舵面偏转角与气动力线性关系乘以栅格舵面到无人机轴心的力臂得到；其中栅格舵面...
【专利技术属性】
技术研发人员：蔡晨晓，张勇，孟高举，杨轶，杨哲，郭子恒，徐奔，姚娟，邹云，白咸帅，
申请(专利权)人：南京傲宁数据科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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