[发明专利]高抗风倾转旋翼系留无人机及其飞行控制方法

权利要求书

1.一种高抗风倾转旋翼系留无人机，包括风速风向传感器（3）、系留线缆（6）、倾转旋翼机构（7）、方向舵（10）、机体（9）、飞行控制系统和系留线缆控制装置（A），风速风向传感器（3）通过安装支架（4）安装在机体的底部，该安装支架（4）的底端通过万向节（5）与系留线缆（6）的上端连接，该系留线缆（6）的下端与系留线缆控制装置（A）连接；在该机体（9）上装有一倾转旋翼机构（7），在该机体（9）的后端铰接有两个与机体上面垂直的方向舵（10），其特征在于：所述无人机的控制系统包括安装在机体上的惯性导航传感器、位置传感器、速度传感器和高度传感器；所述的飞行控制系统通过惯性导航传感器测量无人机的姿态和航向，通过位置传感器测量无人机的位置，通过速度传感器测量无人机的速度，通过高度传感器测量无人机的高度，同时接收该风速风向传感器（3）测量的风速和风向；所述的飞行控制系统根据测量的风向，控制方向舵（10）舵面的倾转角度，调节无人机航向，使得无人机的机头方向与水平方向风阻平行并指向相反的方向；所述的飞行控制系统根据测量的风速，控制水平旋翼（1）的转速和倾转旋翼偏转的角度，调节垂直和水平方向的升力，以抵消风阻的变化。

2.根据权利要求1所述的高抗风倾转旋翼系留无人机，其特征在于：所述的倾转旋翼机构（7）由对称设在机体（9）两侧的可倾转的水平旋翼（1）组成，通过水平旋翼（1）倾转角度的调整可提供向上的升力或向前的推力；通过调节水平旋翼（1）的转速来实现升力或推力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。

3.根据权利要求1所述的高抗风倾转旋翼系留无人机，其特征在于：所述的系留线缆控制装置（A）包括框架（15）、绕线转轴（11）、转轴电机（12）、转轴控制器（13）和扭矩传感器（14），绕线转轴（11）转动连接在框架（15）内，该系留线缆（6）的一端缠绕在该绕线转轴（11）上；该绕线转轴（11）的一端与转轴电机（12）的输出轴传动连接，通过绕线转轴（11）的正反转控制系留线缆（6）的收放；在该绕线转轴（11）上装有扭矩传感器（14），该扭矩传感器（14）的输出信号端与转轴控制器（13）连接，该转轴控制器（13）接收扭矩传感器（14）测量的扭矩，换算成系留线缆（6）的拉力，根据风速风向传感器（3）测量的风速，调整转轴电机（12）的输出扭矩，以调节系留线缆（6）拉力的大小。

4.一种根据权利要求1所述的高抗风倾转旋翼系留无人机的飞行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）系统上电，飞行控制系统对系统进行初始化；

2）用惯性导航传感器测量无人机的姿态和航向，用风速风向传感器（1）测量风速和风向，用位置传感器测量无人机的水平位置，用速度传感器测量无人机的水平速度和垂直速度，用高度传感器测试无人机的高度；

3）利用无人机的位置和速度，飞行控制系统解算无人机的水平控制量和垂直控制量，以实现无人机的悬停；

4）利用无人机的姿态和航向，以及风速和风向信息，飞行控制系统的抗风控制算法解算无人机的目标航向；根据解算出的无人机的目标航向，控制舵机，调节无人机航向；

5）利用无人机的姿态和航向，以及风速和风向信息，飞行控制系统的抗风控制算法解算出倾转旋翼偏转角；

6）根据解算出的倾转旋翼偏转角，改变倾转旋翼偏转角，调节水平推力；

7）返回步骤2）；

所述的步骤3）的具体解算方法为：高度传感器测量到的高度数据Hm与设定高度Hsp的误差为Herr，通过PID控制率解算得到垂直方向的升力，垂直方向的控制量Ut；位置传感器测量得到的位置数据P_m与设定的位置P_sp的误差为P_err，通过PID控制算法可解算出期望的速度V_d；通过速度传感器测量无人机当前的速度V_m以及通过风速风向传感器测量无人机所处位置当前的风速V_w，经过运算得到期望的速度差，通过PID控制算法可解算出期望的水平方向的控制量U_h；

所述的步骤4）的具体解算方法为：风向风速传感器测量得到当前的风向Ψ_w，经过LPF滤波器后得到无人机期望的航向Ψ_d，惯性导航传感器测量得到无人机当前的航向Ψ_m,经过运算得到航向的误差Ψ_err,通过PID控制算法解算得到航向的控制量输出U_Ψ，根据航向控制量U_Ψ可控制方向舵面的倾转角度以提供航向的调整力矩，推动飞机航向的偏转；

所述的步骤5）的具体解算方法为：倾转旋翼的倾斜角度可根据风速的大小进行调整，倾转旋翼的倾斜角度与无人机所处位置的风速大小成正比，具体公式为：

，

其中S₁为倾转旋翼的倾斜角度，k为偏转系数，V_f为风速大小；通过调节偏转系数k可使倾转旋翼产生的推力抵消无人机的水平风阻；

垂直方向的控制量Ut和水平方向的控制量U_h通过动力分配矩阵运算可得到两个倾转旋翼的转速M1、M2和倾转舵机的舵面偏角S1；

U_Ψ通过舵机曲线和方程的解算可得到航向舵机的偏角S2。