[发明专利]高抗风尾椎式系留无人机及其飞行控制方法

说明书

一种高抗风尾椎式系留无人机及其飞行控制方法，包括风速风向传感器、系留线缆、多旋翼机构、尾部推进旋翼、飞行控制系统和系留线缆控制装置。风速风向传感器固定在安装支架上，测量无人机所在位置的风向和风速，为飞行控制系统提供风阻信息。多旋翼机构由多个水平安装的旋翼组成，用于调节升力大小，控制无人机的姿态和位置。尾部推进旋翼由尾杆和一个垂直安装的旋翼组成，提供水平推力，用于抵抗水平方向的风阻。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，通过抗风控制算法调节多旋翼和水平旋翼的转速，实现高抗风功能。系留线缆控制装置实现系留线缆自动收放。结构简单，自适应工作，使用便捷。

技术领域

本发明涉及系留无人机高抗风技术领域，具体是一种高抗风尾椎式系留无人机及其飞行控制方法。通过气动构型设计、传感器集成和飞控算法调控，解决系留无人机抗风能力弱的问题。

背景技术

系留无人机通过系留线缆为无人机持续供电，具有长时滞空特点，可广泛用于通信中继、光电侦察监视、无线电侦测等领域。现有的系留无人机通过控制多旋翼的转速，改变无人机的姿态，调节垂直和水平两个方向升力的分解力大小，抵消水平和垂直方向的风阻，实现抗风功能，没有专用的抗风装置，抗风能力差，最大抗风能力为6级，风力大于6级时，无人机容易倾翻，发生坠机，严重限制系留无人机的应用场合。

发明内容

本发明针对现有系留无人机抗风能力差的问题，提供一种高抗风尾椎式系留无人机及其飞行控制方法。

为实现上述目的，本发明按以下技术方案予以实现：

本发明一种高抗风尾椎式系留无人机主要由风速风向传感器、系留线缆、多旋翼机构、尾部推进旋翼和飞行控制系统组成。

风速风向传感器测量无人机所在位置的风向和风速，经过内部的信号处理单元将风向和风速转换为飞行控制系统可用的数字信号。风速风向传感器采用结构紧凑、无移动部件的结构以提高可靠性，风速传感器固定在安装支架上，支架一端固定在机体上，另一端通过万向节与系留线缆固定。

多旋翼机构由多个水平安装的旋翼组成，可提供垂直向上的升力。通过调节电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。

尾部推进旋翼由尾杆和一个垂直安装的旋翼组成，可提供水平的推力，用于抵抗水平方向的风阻。

系留无人机在空中的风阻可分解为垂直和水平两个方向。垂直方向的风阻由垂直的升力或重力抵消。垂直方向的风阻发生变化时，通过调节水平多旋翼的转速改变垂直向上的升力以抵消风阻的变化。水平方向的风阻由尾部推进旋翼产生的水平推力抵消。尾部推进旋翼的推力方向应与水平方向风阻平行并指向相反的方向。风向发生变化时，调节多旋翼的航向以使尾部推进旋翼的推力方向与风向平行。

飞行控制系统可通过惯性导航传感器测量无人机的姿态和航向，同时接收风速风向传感器测量的风速和风向，飞行控制系统的抗风控制算法解算出多旋翼的航向、水平旋翼的升力和尾部推进旋翼的推力大小。飞行控制系统通过差动调节水平多旋翼的转速改变多旋翼的航向，多旋翼航向顺时针偏转可通过增大逆时针旋转旋翼的转速，减小顺时针旋转旋翼的转速完成。多旋翼航向逆时针偏转可通过增大顺时针旋转旋翼的转速，减小逆时针旋转旋翼的转速完成。水平旋翼的升力的变化可通过同时增大或减小水平旋翼的转速完成。尾部推进旋翼的推力大小可通过减小或增大尾部推进旋翼的转速完成。

系留线缆控制装置由绕线转轴、转轴电机、转轴控制器、扭矩传感器组成。转轴电机与绕线转轴相连，通过正反转控制系留线缆的收放。转轴控制器接收扭矩传感器测量的扭矩，换算成线缆的拉力，根据风速传感器测量的风速，调整电机的输出扭矩，以调节线缆拉力的大小。线缆的拉力与风向相反，可抵消部分无人机的承受的阻力。控制策略如下：风速大时，电机输出较大的扭矩；风速小时，电机输出较小的扭矩；当无人机所处风速大于系统可承受的最大风速时，限制输出的扭矩，转轴放线；当无人机所处风速变小时，转轴收线。