一种高升力无人机及其自适应控制方法技术

本发明专利技术涉及无人机技术领域，尤其涉及一种高升力无人机及其自适应控制方法，无人机，包括固定翼飞行器系统、姿态测量单元、自适应飞控系统、光电复合缆绳和地面锚泊系统，所述姿态测量单元、自适应飞控系统均布置在固定翼飞行器系统中，所述的固定翼飞行器系统与地面锚泊系统通过光电复合缆绳连接，本发明专利技术能够使系留式无人机具备风况自适应、高升力、抗风能力强的特点，特别是在风向多变，风速较大的复杂风况环境中作业，大大扩展了无人机的适用范围。围。围。

【技术实现步骤摘要】
一种高升力无人机及其自适应控制方法


[0001]本专利技术涉及无人机
，尤其涉及一种高升力无人机及其自适应控制方法。

技术介绍

[0002]系留式无人机是一种能够长时间滞空作业的无人机，其供应电源在地面，并通过光电复合线缆与无人机相连，以提供电力，使得无人机能够不受限于电能。
[0003]无人机的放飞有着严格的风速要求，但有时任务紧急，不得不面对风速过大的情况(如在高山高空作业，海洋岛礁作业等)，因此要求无人机具有在复杂风况环境下，仍有足够升力起飞，并且能够维持姿态平稳，持续作业的能力。
[0004]当前的无人机可以通过调整扇叶偏转抵抗侧风，但抗风能力仍比较有限，只能达到6级，特别是面对复杂风况或风向多变的环境，无人机可能由于升力不足无法升空作业；即使升空作业，也容易发生侧倾或被风掀翻，以及无法维持姿态稳定等问题，造成机体损坏。
[0005]因此亟需提供一种高升力无人机及其自适应控制方法来解决上述问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术解决的技术问题：现有系留式无人机面对大风复杂风况，常常因无法升空作业或无法维持姿态稳定耽误任务进展，故针对大风环境下的系留式无人机升空作业与空中滞留问题，提出一种高升力无人机及其自适应控制方法，能够使系留式无人机具备风况自适应、高升力、抗风能力强的特点，特别是在风向多变，风速较大的复杂风况环境中作业，大大扩展了无人机的适用范围。
[0007]本专利技术的技术方案：
[0008]一种高升力无人机，包括固定翼飞行器系统、姿态测量单元、自适应飞控系统、光电复合缆绳和地面锚泊系统，所述姿态测量单元、自适应飞控系统均布置在固定翼飞行器系统中，所述的固定翼飞行器系统与地面锚泊系统通过光电复合缆绳连接。
[0009]进一步，固定翼飞行器系统包括机身、前翼、后翼、尾杆、垂尾、起落架、电机、涵道风扇、矢量风扇；机身与垂尾之间通过尾杆连接；前翼布置在机身上表面两侧，后翼布置在机身中部两侧，且后翼位于前翼的斜后下方，即前翼、后翼布置方式为串列式机翼；所述的起落架布置在机身底部，涵道风扇嵌在前翼之中，矢量风扇布置在无人机尾部；涵道风扇、矢量风扇均由电机驱动旋转，电机布置于机身内，电机输出扭矩至转轴，带动涵道风扇、矢量风扇扇叶旋转。
[0010]进一步，固定翼飞行器系统与光电复合缆绳的一端通过万向节转动连接，光电复合缆绳的另一端与地面锚泊系统中的缆绳自动收放装置连接。
[0011]进一步，所述的地面锚泊系统包括：配电装置、缆绳自动收放装置、绞盘系留装置、控制台、缆绳拉力传感器；
[0012]配电装置与缆绳自动收放装置、绞盘系留装置、控制台、缆绳拉力传感器连接，给
缆绳自动收放装置、绞盘系留装置、控制台、缆绳拉力传感器提供电力；同时，配电装置通过光电复合缆绳与自适应飞控系统、固定翼飞行器系统连接，给自适应飞控系统、固定翼飞行器系统提供电力；
[0013]控制台与缆绳自动收放装置、绞盘系留装置连接，控制缆绳自动收放装置、绞盘系留装置，自动进行线缆的收、放工作；
[0014]缆绳拉力传感器的输出端通过光电复合缆绳与自适应飞控系统的输入端相连，用于监测光电复合缆绳的拉力。
[0015]进一步，所述的配电装置、缆绳自动收放装置、绞盘系留装置、控制台均设于地面平台上。
[0016]进一步，所述的姿态测量单元包括姿态传感器、风速传感器、磁传感器、气压传感器和惯性传感器，姿态传感器、风速传感器、气压传感器以及惯性传感器的均与自适应飞控系统的输入端电性相连。
[0017]进一步，所述的自适应飞控系统主要包括：解算处理器、控制模块和操作模块，所述的解算处理器与姿态传感器、风速传感器、磁传感器、气压传感器和惯性传感器连接，解算处理器与姿态传感器、风速传感器、磁传感器、气压传感器和惯性传感器将实时测量到的飞行状态数据输入到解算处理器，解算处理器与控制模块连接，且控制模块通过光电复合缆绳与控制台连接，控制模块与操作模块连接，操作模块与固定翼飞行器系统中的电机连接，通过操作模块驱动电机，电机驱动涵道风扇、矢量风扇扇叶正转或发转，或者驱动矢量风扇偏转。
[0018]一种高升力无人机的自适应控制方法，姿态测量单元将实时测量到的飞行姿态数据输入到自适应飞控系统里的解算处理器，并与解算处理器设定的姿态数据阈值和风速阈值进行比较，判断实时测量到姿态数据和风速是否达到设定阈值，根据判断结果向控制模块或控制台下达指令，控制模块控制涵道风扇、矢量风扇转速和转向，以及驱动矢量风扇偏转角度；或者控制台控制绞盘系留装置和缆绳自动收放装置收放缆绳。
[0019]进一步，风况简单的理想环境下，解算处理器实时监测到的飞行姿态数据和风速均在设计的阈值范围内，无人机仅依靠串列式机翼提供的高升力就能够维持平衡状态；
[0020]风况略微复杂的微风环境下，解算处理器判断实时测量到的飞行姿态数据小于设计的姿态数据阈值，或者实时测量到的风速数据小于设计的风速阈值，或者实时测量到的飞行姿态数据小于设计的姿态数据阈值且实时测量到的风速数据小于设计的风速阈值时；表明无人机略有失衡或升力不足的迹象，此时解算处理器根据判断结果向控制模块下达指令，控制模块控制电机驱动涵道风扇和矢量风扇启动，解算处理器自适应控制并调整涵道风扇的转速与转动方向，以及矢量风扇的转速与偏转角度；此时，缆绳仍处于放松状态，依靠涵道风扇、矢量风扇产生自适应力抵抗微风带来的风阻，维持飞行姿态稳定；同时，姿态测量单元持续监控无人机飞行姿态数据；
[0021]风况较为复杂的大风环境下，解算处理器判断实时测量到的飞行姿态数据大于设计的姿态数据阈值，或者实时测量到的风速数据大于设计的风速阈值，或者实时测量到的飞行姿态数据大于设计的姿态数据阈值且实时测量到的风速数据大于设计的风速阈值时；表明无人机有失衡或升力过大的迹象，此时解算处理器根据判断结果向控制模块下达指令，控制模块控制电机驱动涵道风扇和矢量风扇启动，解算处理器自适应控制并调整涵道
风扇的转速与转动方向，以及矢量风扇的转速与偏转角度；无人机依靠涵道风扇、矢量风扇提供足够的上仰力矩，使飞机处于正迎角姿态，此时，光电复合线缆时刻保持紧绷，为飞机提供拉力；串列式机翼产生的高升力、矢量风扇与涵道风扇联合产生上仰力矩使无人机以某个迎角上仰，此时依靠光电复合缆绳强有力的拉力，抵消无人机垂直方向上多余的升力与抵消水平方向的风阻，从而在大风环境下综合保障姿态平稳；同时，姿态测量单元持续监控无人机飞行姿态数据；缆绳拉力传感器持续监控缆绳拉力；
[0022]当实时测量到的飞行姿态数据有超出设计的姿态数据阈值趋势，或者实时测量到的风速数据有超出设计的风速阈值趋势，或者用于驱动矢量风扇与涵道风扇的电机最大转速时，表明无人机即将超出设计使用范围，通过光电复合缆绳向控制台下达指令，控制绞盘系留装置、缆绳自动收放装置收放缆绳，自动调整飞机的滞空高度，增强光电复合缆绳对无人机的拉力，同时，缆绳拉力传感器持续监控缆绳拉力；姿态测量单元持续监控无人机飞行姿态数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高升力无人机，其特征在于，包括固定翼飞行器系统、姿态测量单元、自适应飞控系统、光电复合缆绳和地面锚泊系统，所述姿态测量单元、自适应飞控系统均布置在固定翼飞行器系统中，所述的固定翼飞行器系统与地面锚泊系统通过光电复合缆绳连接。2.根据权利要求1所述的一种高升力无人机，其特征在于，固定翼飞行器系统包括机身、前翼、后翼、尾杆、垂尾、起落架、电机、涵道风扇、矢量风扇；机身与垂尾之间通过尾杆连接；前翼布置在机身上表面两侧，后翼布置在机身中部两侧，且后翼位于前翼的斜后下方，即前翼、后翼布置方式为串列式机翼；所述的起落架布置在机身底部，涵道风扇嵌在前翼之中，矢量风扇布置在无人机尾部；涵道风扇、矢量风扇均由电机驱动旋转，电机布置于机身内，电机输出扭矩至转轴，带动涵道风扇、矢量风扇扇叶旋转。3.根据权利要求1所述的一种高升力无人机，其特征在于，固定翼飞行器系统与光电复合缆绳的一端通过万向节转动连接，光电复合缆绳的另一端与地面锚泊系统中的缆绳自动收放装置连接。4.根据权利要求2所述的一种高升力无人机，其特征在于，所述的地面锚泊系统包括：配电装置、缆绳自动收放装置、绞盘系留装置、控制台、缆绳拉力传感器；配电装置与缆绳自动收放装置、绞盘系留装置、控制台、缆绳拉力传感器连接，给缆绳自动收放装置、绞盘系留装置、控制台、缆绳拉力传感器提供电力；同时，配电装置通过光电复合缆绳与自适应飞控系统、固定翼飞行器系统连接，给自适应飞控系统、固定翼飞行器系统提供电力；控制台与缆绳自动收放装置、绞盘系留装置连接，控制缆绳自动收放装置、绞盘系留装置，自动进行线缆的收、放工作；缆绳拉力传感器的输出端通过光电复合缆绳与自适应飞控系统的输入端相连，用于监测光电复合缆绳的拉力。5.根据权利要求4所述的一种高升力无人机，其特征在于，所述的配电装置、缆绳自动收放装置、绞盘系留装置、控制台均设于地面平台上。6.根据权利要求4所述的一种高升力无人机，其特征在于，所述的姿态测量单元包括姿态传感器、风速传感器、磁传感器、气压传感器和惯性传感器，姿态传感器、风速传感器、气压传感器以及惯性传感器的均与自适应飞控系统的输入端电性相连。7.根据权利要求6所述的一种高升力无人机，其特征在于，所述的自适应飞控系统主要包括：解算处理器、控制模块和操作模块，所述的解算处理器与姿态传感器、风速传感器、磁传感器、气压传感器和惯性传感器连接，解算处理器与姿态传感器、风速传感器、磁传感器、气压传感器和惯性传感器将实时测量到的飞行状态数据输入到解算处理器，解算处理器与控制模块连接，且控制模块通过光电复合缆绳与控制台连接，控制模块与操作模块连接，操作模块与固定翼飞行器系统中的电机连接，通过操作模块驱动电机，电机驱动涵道风扇、矢量风扇扇叶正转或发转，或者驱动矢量风扇偏转。8.根据权利要求6所述一种高升力无人机的自适应控制方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘佳奇，郑亚明，冯张威，孙夏爽，龙飞，蒋鹏程，冯大毛，艾俊伟，江豪，
申请(专利权)人：中国特种飞行器研究所，
类型：发明
国别省市：