[发明专利]一种新型复合滚转姿态控制系统及方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于无人机技术领域，尤其涉及一种新型复合滚转姿态控制系统及方法。

背景技术

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的发明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的发明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的发明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的发明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，由于本发明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。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明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。

本发明是这样实现的，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。