一种新型无人机姿态控制装置及控制方法与流程

本发明涉及无人机技术领域，更具体的来说涉及一种新型无人机姿态控制装置及控制方法。

背景技术：

姿态调整与保持装置是飞行器实现安全、稳定、可靠飞行的重要保障，也是飞行器设计制造首要考虑和重点试验评估的核心关键技术，姿态调整与保持的性能与品质的优劣是衡量飞行器操纵性的首要标志，也决定飞行器的优劣，以及飞行器的使用可靠性与安全性。

现有多旋翼无人机姿态控制主流技术是无舵面方式，通过旋翼速度改变来实现姿态调整，旋翼间的速度差在桨面上产生合成偏转力，该力作用于旋翼中心形成偏转力矩，推动飞行器倾斜、俯仰、转向，进而完成姿态调整与保持。由于旋翼既要承担飞行器推进动力，又要负责飞行器姿态调整与保持，当其速度变更时，飞行器运动速度和高度不可避免受损失，尤其是在侧风条件下，姿态调整频繁，飞行器运动速度将会明显变慢，高度也难以保持。

并且随着机体的变大和旋翼的加长，多旋翼无人机旋翼的转动惯量随之增大，其姿态调整的滞后性和迟缓性，将带来飞行器的稳定性逐渐变差，甚至失效而无法使用。这也是多旋翼机无法做成重载荷较大体型的无人机的主要原因。工业级多旋翼无人机在继承小微多旋翼无人机小巧灵活、使用便利的优点，为针对性解决小微多旋翼无人机载荷能力和航程、航时受限问题，重点提升了飞行器的动力特性(变电动为油机)，同时对飞行器的外形结构和旋翼尺寸进行了适当的放大，虽然飞行原理和外形结构类似于小微多旋翼无人机，但飞行姿态控制与保持机理却与小微多旋翼无人机大相径庭。首先随着机体的变大和旋翼的加长，多旋翼无人机旋翼的转动惯量随之增大，依靠旋翼间速度差进行姿态调整，其滞后性和迟缓性，将导致飞行器的稳定性逐渐变差，甚至失效而无法使用；其次，利用动力旋翼间速度差会造成动力损失和载荷能力降低，以及升限、速度、抗风能力等飞行性能的下降，这在工业级多旋翼无人机上是不可取的。特别是工业级多旋翼无人机起飞重量在50kg以上，飞行旋翼直径超过80cm，运用动力旋翼间速度差控制和保持飞行器姿态几乎无法实现。

对于工业级无人机，通过旋翼间速度差来调整或保持姿态是牺牲主升力和推进力来实现姿态变换，从经济性上讲不划算,从技术角度上讲甚至不可行。

技术实现要素：

本发明的目的一在于：为了解决传统无人机通过旋翼间速度差来调整或保持姿态是牺牲主升力和推进力来实现姿态变换的问题，披露了一种新型无人机姿态控制装置，飞行器姿态调整实现更快、更好。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种新型无人机姿态控制装置，包括无人机本体，于无人机本体侧壁设有若干组电控栅板姿态控制保持装置，所述电控栅板姿态控制保持装置包括与无人机本体固定的栅板固定板、1个安装板和2个安装侧板及相应活动栅板，所述装置固定板与所述1个安装板和所述2个安装侧板组成栅板固定框架，所述安装板下端活动连接左右活动栅板，所述安装侧板下端活动连接有前后活动栅板，所述安装板与所述左右活动栅板间和所述安装侧板与所述前后活动栅板间均设有运动控制机构，所述运动控制机构结构相同，所述运动控制机构控制左右活动栅板向左或向右偏转，所述运动控制机构控制所述前后活动栅板向前或向后偏转。

通过上述方案，前后活动栅板控制飞行器的俯仰，左右两侧活动栅板控制飞行器的倾斜(滚转)。飞行过程中，飞控根据飞行状态，发出姿态调整或保持指令，操纵相应舵机通过运动控制机构控制相应栅板偏转或状态保持，流改变对应栅板上的气动效应，进行飞行器姿态的调整与保持，从而实现飞行器的按照预定的航线安全、可靠、稳定地飞行。

电控栅板姿态控制保持装置通过运动控制机构，操纵左右活动栅板4或前后活动栅板3的偏转，所产生的气动偏转力矩对飞行器进行姿态调整与保持，左右活动栅板4与前后活动栅板板3面积大，气动效应好，反应快、纠偏能力强，飞行器姿态调整实现更快、更好，姿态更易保持，既能解决大旋翼无人机姿态调整迟缓乃至不稳的问题，也能提升旋翼无人机抗侧风能力，且偏转角范围小，舵机电能需求低，有利于飞行器减重和电池使用航时加长；电控栅板姿态控制保持装置将多旋翼无人机姿态调整从动力旋翼中分离出来，动力旋翼只承担飞行器运动(前进、后退、爬升、下降等)动力，姿态调整和保持由电控栅板姿态控制保持装置分担，以实现发动机动力的最大效能，且飞行旋翼只承担飞行动力，飞行器的稳定和姿态保持交由电控栅板控制，飞行旋翼桨径限制多旋翼无人机体形的问题也迎刃而解，有利于大型重载旋翼无人机的开发。

进一步的，所述运动控制机构包括舵机、连杆、活动摇臂，所述舵机设于所述安装板和安装侧板上，所述连杆一端与所述舵机摇臂连接，另一端与所述活动摇臂连接，所述活动摇臂与左右活动栅板和所述前后活动栅板均通过螺栓固定。

通过上述方案，其通过舵机带动连杆移动，继而带动活动摇臂移动，驱使左右活动栅板和前后活动栅板沿铰接处偏转，进而改变气流在对应活动栅板上的气动效应，实现飞行器姿态的调整与保持，活动栅板控制机构设计灵巧，结构简单，舵机等器材选用方便，制作容易，实用性好，安装到位不需要反复调试，单一舵机故障不影响飞行器使用，仅仅降低飞行器姿态调整保持效率，系统可靠性好，安全性高。

进一步的，所述舵机上设有舵机摇臂，所述安装侧板上开设有容纳槽，所述连杆设有2个且与所述舵机摇臂两端连接，所述活动摇臂呈弧形，两端分别与2个所述连杆连接，所述活动摇臂中部设有固定孔。

通过上述方案，设置容纳槽便于装载舵机并为舵机摇臂提供转动空间，活动摇臂呈弧形，当舵机摇臂转动带动2个连杆移动，促使活动摇臂向一侧摆动，其采用这种设置，固定效果较好，整体结构稳固，运行稳定。

进一步的，所述安装侧板、活动栅板和所述栅板固定板构成矩形斗状结构。

通过上述方案，方便进行前后活动栅板和左右活动栅板进行调整，结构简单。

本发明的目的二是提供一种应用于上述新型无人机姿态控制装置的无人机姿态控制方法。

一种应用于上述新型无人机姿态控制装置的无人机姿态控制方法，包括：

s1；舵机5的控制指令来源于飞行器飞行控制设备，飞行器起飞时，电源接通，飞行器飞行控制设备控制左右活动栅板4和前后活动栅板3处于悬垂状态，直至飞行器到达预定高度；

s2；飞行器进入水平飞行时，飞行器飞行控制设备仍无姿态调整指令，左右活动栅板4和前后活动栅板3继续处于悬垂状态，飞行器保持水平飞行姿态；

s3：侧风推动飞行器向左倾转时，飞行器飞行控制设备发出向右滚指令，舵机5操纵舵机摇臂6带动连杆7、活动摇臂8和左右活动栅板4向右偏转，左右活动栅板4向右偏转抵消左侧风影响；侧风推动飞行器向右倾转时，飞行器飞行控制设备发出向左滚指令，舵机5操纵舵机摇臂6带动连杆7、活动摇臂8和左右活动栅板4向左偏转，活动栅板向左偏转抵消右侧风影响，促使飞行器保持预定航向飞行；

s4：飞行器需要爬升时，地面站发出相应指令，机上飞行器飞行控制设备接收到该指令则输出控制舵机5操纵前后活动栅板3板向前偏转，产生向上偏转力矩，推动机头上仰，飞行器爬升，直到地面站发出改平指令，前后活动栅板3又回到悬垂状态，飞行器进入平飞状态；

s5：降落、左滚、右滚等其它姿态调整与保持，方式类似，原理相同，均为飞行器飞行控制设备操纵舵机5控制相应左右活动栅板4和前后活动栅板3动作，进而推动飞行器进入或保持指定或需要姿态或飞行状态。

进一步的，所述地面站包括遥控器、手机、pc电脑。

通过上述方案，采用遥控器、手机、pc电脑等多方案进行遥控，适配性强。

进一步的，上述飞行器工作状态包括起飞、降落、左滚、右滚、强风、弱风、左右活动栅板或前后活动栅板受损、单一舵机故障。

本发明的有益效果如下：

1、本发明结构简单，本发明采用电控栅板技术，将多旋翼无人机姿态调整从动力旋翼中分离出来，动力旋翼只承担飞行器运动(前进、后退、爬升、下降等)动力，姿态调整和保持由电控栅板姿态控制保持装置分担，以实现发动机动力的最大效能；运用左右活动栅板、前后活动栅板大面积产生大力矩效应解决大旋翼无人机姿态调整迟缓乃至不稳的问题；左右活动栅板、前后活动栅板反应快、纠偏能力强，姿态更易保持，因而促使旋翼无人机抗侧风能力增强；旋翼只只承担飞行动力，飞行器的稳定和姿态保持交由电控栅板控制，旋翼桨径限制多旋翼无人机体形的问题也迎刃而解，有利于大型重载旋翼无人机的开发；

2、电控栅板姿态控制保持装置与纯电动旋翼姿态控制技术相比，电能需求低，在给定电瓶的条件下，有利于飞行器长航时飞行。

附图说明

图1是本发明安装状态下的结构示意图；

图2是本发明电控栅板姿态控制保持装置的结构示意图；

图3是本发明实施例一中舵机部分的结构示意图。

附图标记：1、栅板固定板；2、安装侧板；21、安装板；3、前后活动栅板；4、左右活动栅板；5、舵机；6、舵机摇臂；7、连杆；8、活动摇臂；9、螺孔；10、无人机本体；11、固定孔；12、容纳槽。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例提供一种新型无人机姿态控制装置，包括无人机本体10，于无人机本体10左、右侧壁设置有2组电控栅板姿态控制保持装置，电控栅板姿态控制保持装置包括与无人机本体10固定的栅板固定板1，栅板固定板1与无人机通过螺栓固定，栅板固定板1上设置有螺孔9，栅板固定板1上竖直设置有两个安装侧板2和1个安装板21，两个固定侧板一端与栅板固定板1相连，另一端与安装板21相连，安装板21下端活动连接左右活动栅板4，2个安装侧板2下端活动连接有前后活动栅板3，安装板21与左右活动栅板4间和安装侧板2与前后活动栅板3间均设置有运动控制机构，运动控制机构结构相同，运动控制机构控制左右活动栅板4向左右偏转和前后活动栅板3前后偏转。

因此前后活动栅板3控制飞行器的俯仰，左右活动栅板4控制飞行器的倾斜(滚转)，飞行过程中，飞控根据飞行状态，发出姿态调整或保持指令，操纵相应舵机5通过运动控制机构操纵相应栅板偏转或状态保持，通过气流改变对应栅板上的气动效应，进行飞行器姿态的调整与保持，从而实现飞行器的按照预定的航线安全、可靠、稳定地飞行。

电控栅板姿态控制保持装置通过运动控制机构，操纵左右活动栅板4或前后活动栅板3的偏转，所产生的气动偏转力矩对飞行器进行姿态调整与保持，左右活动栅板4与前后活动栅板板3面积大，气动效应好，反应快、纠偏能力强，飞行器姿态调整实现更快、更好，姿态更易保持，既能解决大旋翼无人机姿态调整迟缓乃至不稳的问题，也能提升旋翼无人机抗侧风能力，且偏转角范围小，舵机电能需求低，有利于飞行器减重和电池使用航时加长；电控栅板姿态控制保持装置将多旋翼无人机姿态调整从动力旋翼中分离出来，动力旋翼只承担飞行器运动(前进、后退、爬升、下降等)动力，姿态调整和保持由电控栅板姿态控制保持装置分担，以实现发动机动力的最大效能，且飞行旋翼只承担飞行动力，飞行器的稳定和姿态保持交由电控栅板控制，飞行旋翼桨径限制多旋翼无人机体形的问题也迎刃而解，有利于大型重载旋翼无人机的开发。

参照图2和图3，安装板21与安装侧板2和栅板固定板1及相应活动栅板构成矩形斗状结构，其上设有运动控制机构，以便操纵前后活动栅板3和左右活动栅板4运动实现姿态控制。运动控制机构包括舵机5、舵机摇臂6、连杆7、活动摇臂8，舵机5设于安装侧板2和安装板21上，连杆7一端与舵机摇臂6连接，另一端与活动摇臂8连接，活动摇臂8与左右活动栅板4和前后活动栅板3均通过螺栓孔11用螺栓固定。舵机5上设置有舵机摇臂6，安装侧板2和安装板21上开设置有容纳槽12，连杆7设置有2个且一端分别与舵机摇臂6两端连接，活动摇臂8呈弧形，两端分别与2个连杆7另一端连接，活动摇臂8中部设置有固定孔11，与相应活动栅板螺栓连接。

设置容纳槽12便于安装舵机5并为舵机摇臂6提供活动空间，活动摇臂8呈弧形，当舵机5驱动舵机摇6臂转动带动2个连杆7移动，驱使活动摇臂8向一侧摆动，其采用这种设置，固定效果较好，整体结构稳固，运行稳定，其通过舵机5带动连杆7移动，继而带动活动摇臂8移动，促使左右活动栅板4和前后活动栅板3沿铰接处偏转，进而通过改变气流作用于对应活动栅板上的气动效应，实现飞行器姿态的调整与保持，活动栅板运动控制机构设计制作简洁，结构简单，舵机5、连杆7等器材选用方便，制作容易，实用性好，安装到位不需要反复调试，单一舵机5故障不影响飞行器使用，仅仅降低飞行器姿态调整保持效率，系统可靠性好，安全性高。

实施例2

本实施例与实施例1其结构基本相同，不同之处在于运动控制机构包括设于安装侧板2和安装板21上的伸缩丝杠(或作动筒)，还包括驱动伸缩丝杠(或作动筒)运行的控制电机，(未画出)，伸缩丝杠(或作动筒)与左右活动栅板4和前后活动栅板3均通过螺栓固定，采用伸缩丝杠(或作动筒)和控制电机亦可带动左右活动栅板4和前后活动栅板3偏转，通过活动栅板角度位移实现姿态调整。

本发明的目的二是提供一种应用于上述新型无人机姿态控制装置的无人机姿态控制方法。

一种应用于上述新型无人机姿态控制装置的无人机姿态控制方法，包括：

s1；舵机5的控制指令来源于飞行器飞行控制设备，飞行器起飞时，电源接通，飞行器飞行控制设备控制左右活动栅板4和前后活动栅板3处于悬垂状态，直至飞行器到达预定高度；

s2；飞行器进入水平飞行时，飞行器飞行控制设备仍无姿态调整指令，左右活动栅板4和前后活动栅板3继续处于悬垂状态，飞行器保持水平飞行姿态；

s3：侧风推动飞行器向左倾转时，飞行器飞行控制设备发出向右滚指令，舵机5操纵舵机摇臂6带动连杆7、活动摇臂8和左右活动栅板4向右偏转，左右活动栅板4向右偏转抵消左侧风影响；侧风推动飞行器向右倾转时，飞行器飞行控制设备发出向左滚指令，舵机5操纵舵机摇臂6带动连杆7、活动摇臂8和左右活动栅板4向左偏转，活动栅板向左偏转抵消右侧风影响，促使飞行器保持预定航向飞行；

s4：飞行器需要爬升时，地面站发出相应指令，机上飞行器飞行控制设备接收到该指令则输出控制舵机5操纵前后活动栅板3板向前偏转，产生向上偏转力矩，推动机头上仰，飞行器爬升，直到地面站发出改平指令，前后活动栅板3又回到悬垂状态，飞行器进入平飞状态；

s5：降落、左滚、右滚等其它姿态调整与保持，方式类似，原理相同，均为飞行器飞行控制设备操纵舵机5控制相应左右活动栅板4和前后活动栅板3动作，进而推动飞行器进入或保持指定或需要姿态或飞行状态。

其中地面站包括遥控器、手机、pc电脑。上述飞行器工作状态包括起飞、降落、左滚、右滚、强风、弱风、左右活动栅板4或前后活动栅板3受损、单一舵机5故障。

电控栅板姿态控制保持装置与纯电动旋翼姿态控制技术相比，电能需求低，在给定电瓶的条件下，有利于飞行器长航时飞行。

实施原理：本发明采用电控栅板技术，通过促使左右活动栅板4和前后活动栅板3沿铰接处偏转，进而通过改变气流作用于对应活动栅板上的气动效应，实现飞行器姿态的调整与保持；将多旋翼无人机姿态调整从动力旋翼中分离出来，飞行旋翼只承担飞行器运动(前进、后退、爬升、下降等)动力，姿态调整和保持由电控栅板姿态控制保持装置分担，以实现发动机动力的最大效能；运用左右活动栅板4、前后活动栅板3大面积产生大力矩效应解决大旋翼无人机姿态调整迟缓乃至不稳的问题；左右活动栅板4、前后活动栅板3反应快、纠偏能力强，姿态更易保持，并且促使旋翼无人机抗侧风能力增强；飞行旋翼只承担飞行动力，飞行器的稳定和姿态保持交由电控栅板控制，飞行旋翼桨径限制多旋翼无人机体形的问题也迎刃而解，有利于大型重载旋翼无人机的开发。