[发明专利]高抗风尾椎式系留无人机及其飞行控制方法

权利要求书

1.一种高抗风尾椎式系留无人机，包括机体(9)、风速风向传感器(6)、系留线缆(7)、水平旋翼、飞行控制系统和系留线缆控制装置(A)，风速风向传感器(6)固定在安装支架(8)上，安装支架(8)的顶端固定在机体(9)上，下端通过万向节(11)与系留线缆(7)的上端连接，该系留线缆(7)的下端与系留线缆控制装置(A)连接；在机体(9)的顶端沿圆周水平安装多个水平旋翼，其特征在于：在所述的机体(9)的侧面连接一水平设置的尾杆(10)的首端，在该尾杆(10)的尾端垂直安装有尾部推进旋翼(5)；

所述的飞行控制系统含有惯性导航传感器、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，同时接收风速风向传感器(6 )测量的风速和风向；所述的飞行控制系统利用无人机的姿态和航向，以及风速和风向信息，通过差动调节多个水平旋翼的转速，以改变无人机的航向；所述的飞行控制系统利用无人机的姿态和航向，以及风速和风向信息，通过调节水平旋翼的转速改变无人机的升力；所述的飞行控制系统利用无人机的姿态和航向，以及风速和风向信息，通过调节尾部推进旋翼(5)的转速改变尾部推进旋翼推力的大小，用于抵抗水平方向的风阻。

2.根据权利要求1所述的高抗风尾椎式系留无人机，其特征在于：所述的水平旋翼设有四个。

3.根据权利要求1所述的高抗风尾椎式系留无人机，其特征在于：所述的系留线缆控制装置(A)包括框架(16)、绕线转轴(12)、转轴电机(13)、转轴控制器(14)和扭矩传感器(15)，绕线转轴(12)转动连接在框架(16)内，该系留线缆(7)的一端缠绕在该绕线转轴(12)上；该绕线转轴(12)的一端与转轴电机(13)的输出轴传动连接，通过绕线转轴(12)的正反转控制系留线缆(7)的收放；在该绕线转轴(12)上装有扭矩传感器(15)，该扭矩传感器(15)的输出信号端与转轴控制器(14)连接，该转轴控制器(14)接收扭矩传感器(15)测量的扭矩，换算成系留线缆(7)的拉力，根据风速风向传感器(6)测量的风速，调整转轴电机(13)的输出扭矩，以调节系留线缆(7)拉力的大小。

4.一种权利要求1所述的高抗风尾椎式系留无人机的飞行控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)飞行控制系统上电，并进行初始化；

2)惯性导航传感器测量无人机的姿态和航向，风速风向传感器(6)测量风速和风向；

3)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水平旋翼的航向和升力；

4)根据解算出的水平旋翼的航向和升力，差动调节多个水平旋翼(1-4)的转速，改变航向和升力；

5)利用无人机的姿态和航向，以及风速和风向信息，飞行控制系统解算出尾部推进旋翼(5)的推力大小；

6)根据解算出的尾部推进旋翼(5)推力大小，调节尾部推进旋翼(5)的转速，改变尾部推进旋翼(5)推力的大小；

7)返回步骤2)。

5.根据权利要求4所述的飞行控制方法，其特征在于：高度传感器测量到的高度数据H_m与设定高度Hsp的误差为H_err，通过PID控制率解算得到垂直方向的控制量U_t，U_t通过输出的Mix矩阵算法得到四个水平旋翼(1-4)的驱动电机(M1-M4)的转速变化；

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控制算法可解算出无人机的期望的速度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(V_d+V_w-V_m)，通过PID控制算法可解算出期望的推力输入，经过螺旋桨拉力曲线的解算，可得到尾部推进旋翼(5)的输入；

风速风向传感器(6)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，航向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；U_Ψ通过输出的Mix矩阵算法得到四个水平旋翼(1-4)的驱动电机(M1-M4)的转速变化。