[发明专利]一种基于可控增速装置的变速突防旋翼无人机系统

权利要求书

1.一种基于可控增速装置的变速突防旋翼无人机系统，其特征在于，该无人机系统包括：无人机平台和可控增速装置；

所述无人机平台采用多轴旋翼无人机作为基本飞行平台，可进行垂直起降、悬停、前后左右四个方向的质心运动和俯仰、偏航、滚转三个方向的姿态运动；

所述可控增速装置安装在无人机平台的底部，可控增速装置包括：伺服平台和推力发生器；伺服平台用于带动推力发生器进行转动，控制推力发生器产生推力的方向；推力发生器在短时间内产生远大于旋翼拉力的推力，用于在短时间内对无人机系统进行增速。

2.如权利要求1所述的一种基于可控增速装置的变速突防旋翼无人机系统，其特征在于，所述无人机平台包括：机架、电气舱、旋翼、电机及起落架；

所述机架为平板结构，向外围延伸出四个以上沿圆周方向均匀分布的机臂；每个机臂的下方均连接有一个起落架，每个机臂的上方通过电机连接有一个旋翼；

所述电气舱固定在机架的平板结构上；所述电气舱内置有电源、飞控计算机、惯性测量组件及信号收发天线，电源用于为所述无人机系统提供电力支撑，惯性测量组件用于测量无人机系统飞行时的加速度和姿态角速度，并发送给飞控计算机，飞控计算机用于根据所述加速度和姿态角速度计算无人机系统飞行时的速度、位置和姿态角。

3.如权利要求1所述的一种基于可控增速装置的变速突防旋翼无人机系统，其特征在于，所述无人机系统还包括整流罩组件和可变形安定面组件，整流罩组件安装在无人机平台的前端，用于减小无人机系统在高速运动时的气动阻力；可变形安定面组件安装在无人机平台的后端，用于增加无人机系统的飞行稳定性。

4.如权利要求3所述的一种基于可控增速装置的变速突防旋翼无人机系统，其特征在于，所述整流罩组件包括一个机体整流罩和两个旋翼整流罩；

机体整流罩安装在无人机平台的前端，机体整流罩的迎风面为楔形面；

每个旋翼整流罩均为扇环形，安装在无人机平台的前端；两个旋翼整流罩分别位于在机体整流罩的两侧，两个旋翼整流罩形成半封闭圆环状结构，该半封闭圆环状结构包围在无人机平台前端的两个旋翼外侧；旋翼整流罩的外壁面加工为斜面。

5.如权利要求3所述的一种基于可控增速装置的变速突防旋翼无人机系统，其特征在于，所述可变形安定面组件包括：安定面支架、推杆电机、连杆机构和柔性安定面；

安定面支架的主体结构为一圆杆，该圆杆一端设有板状结构，另一端设有固定铰链，固定铰链上设有两个以上的固定铰链环；圆杆上套有一个滑动铰链，该滑动铰链可沿圆杆的轴向进行直线往复运动；滑动铰链上设有两个以上的滑动铰链环；所述固定铰链与滑动铰链通过连杆机构连接；

每个连杆机构均包含两个连杆，分别为连杆Ⅰ和连杆Ⅱ；连杆Ⅰ两端各有一个铰链环，一端以铰链形式与滑动铰链环连接，另一端以铰链形式与连杆Ⅱ的一端连接，连杆Ⅱ的另一端以铰链形式与安定面支架的固定铰链环连接；

每个连杆机构的连杆Ⅰ和连杆Ⅱ与安定面支架的圆杆包络形成的三角面均安装有一个柔性安定面；所述柔性安定面连接于连杆Ⅰ和安定面支架的圆杆上；

所述安定面支架的板状结构与无人机平台的后端面连接；推杆电机安装在所述板状结构上；推杆电机的推杆末端与安定面支架的圆杆上的滑动铰链固连，用于驱动滑动铰链沿圆杆的轴向进行直线往复运动。

6.如权利要求5所述的一种基于可控增速装置的变速突防旋翼无人机系统，其特征在于，所述柔性安定面采用纤维编织材料或高分子材料加工而成。

7.如权利要求1-6任一项所述的一种基于可控增速装置的变速突防旋翼无人机系统，其特征在于，所述可控增速装置的伺服平台采用二自由度伺服平台；二自由度伺服平台用于带动推力发生器进行垂直和水平方向的转动。

8.如权利要求1-6任一项所述的一种基于可控增速装置的变速突防旋翼无人机系统，其特征在于，所述可控增速装置的推力发生器采用固体发动机、冷气喷气装置或固液混燃料合发动机。

9.如权利要求7所述的一种基于可控增速装置的变速突防旋翼无人机系统，其特征在于，所述无人机系统的控制方法为：

该控制方法基于“多旋翼动力+推力”多模控制力输入的动力学模型，本模型为：

式(1)中，为无人机系统的加速度；分别为无人机系统在滚转、偏航和俯仰三个方向的姿态角加速度；分别为无人机系统在滚转、偏航和俯仰三个方向的姿态角加速度；m为无人机系统的重量；J_x、J_y、J_z分别为无人机系统关于三个惯性主轴的转动惯量；l为无人机系统的轴距；g为重力加速度；U_γ为滚转通道的控制力，U_ψ为偏航通道的控制力，U_θ为俯仰通道的控制力；为干扰力，为干扰力矩；

式(1)中，为可控增速装置的推力在加速度方向上的投影，具体为：

式(2)中，P为推力发生器的推力，ε_z为二自由度伺服云台转动的高低角，ε_y为二自由度伺服云台转动的方位角；

式(1)中，为旋翼的推力在三个加速度方向上的投影，具体为：

式(3)中，U_r为旋翼产生的垂直于旋翼平面的控制力，γ为滚转角，ψ为偏航角，θ为俯仰角；

式(1)中，为气动力在加速度方向上的投影，为气动力矩在角加速度方向上的投影，具体为：

式(4)中，ρ为大气密度，S为迎风面积，L为无人机系统的长度，为无人机系统的气动力系数，为无人机系统的气动力矩系数，为无人机系统的飞行速度；

控制方法为：当可控增速装置不工作时，无人机系统的位置控制和姿态控制均由旋翼的拉力实现；当可控增速装置工作时，无人机系统的位置控制由可控增速装置实现，而姿态控制由旋翼的拉力实现；

(1)当可控增速装置不工作时，期望控制力计算方法如下：

根据期望的加速度，且可控增速装置推力为0，可得期望的旋翼推力在三个加速度方向上的投影值为：

联立式(3)和式(5)，任意选定期望偏航角ψ_D，可得期望的俯仰角θ_D、滚转角γ_D和旋翼7产生的垂直于旋翼平面的控制力U_r为：

计算得到期望的姿态角后，可根据PID、滑模控制等控制算法得到相应的姿态角加速度，根据期望的姿态角加速度可计算期望的滚转、偏航、俯仰控制力为：

(2)当可控增速装置工作时，期望控制力计算方法如下：

旋翼7产生的垂直于旋翼平面的控制力U_r需要克服自身重力，具体为：

U_r＝gm (8)

根据式(1)和式(8)，可得可控增速装置的推力在加速度方向上的投影为：

联立式(9)和式(2)，可得推力发生器的推力P和二自由度伺服云台转动的高低角ε_z和方位角ε_y为：

期望的俯仰角和滚转角为0，期望的滚转、偏航、俯仰控制力计算方法与式(7)相同。