本發(fā)明涉及一種基于萬(wàn)向節(jié)原理的碟形飛行器，同時(shí)針對(duì)其特殊構(gòu)型提出了一種位姿分離的控制方法。屬于飛行器技術(shù)及飛行器控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

0、技術(shù)背景

1、隨著科技的發(fā)展，新型無(wú)人機(jī)由于潛在的巨大應(yīng)用前景和價(jià)值，其研制和設(shè)計(jì)越來(lái)越受到各方重視，各種新概念無(wú)人機(jī)層出不窮。尤其是兼顧垂直起降、空中懸停和高機(jī)動(dòng)性能的飛行器成為各國(guó)的熱點(diǎn)硏究方向之一。涵道碟形飛行器作為一種新構(gòu)型飛行器，能垂直起降，且結(jié)構(gòu)緊湊，氣動(dòng)效率高，在新構(gòu)型無(wú)人機(jī)領(lǐng)域一直以來(lái)都備受關(guān)注。

2、目前的涵道碟形飛行器主要可分為兩種：一種典型代表是sikorsky公司開(kāi)發(fā)的cypher無(wú)人機(jī)，利用共軸雙旋翼平衡反扭距，利用螺旋槳的槳距變化實(shí)現(xiàn)位置和姿態(tài)的控制。這種碟形飛行器的缺點(diǎn)是螺旋槳機(jī)構(gòu)復(fù)雜，會(huì)為無(wú)人機(jī)增加不小的結(jié)構(gòu)重量，給無(wú)人機(jī)的飛行速度、承載能力等帶來(lái)挑戰(zhàn)。另一種典型代表是聯(lián)合宇航公司設(shè)計(jì)的istar涵道式碟形飛行器，利用涵道內(nèi)的固定翼片平衡反扭距，利用尾部導(dǎo)流板實(shí)現(xiàn)位置和姿態(tài)的控制。這種碟形飛行器雖然降低了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，但是單獨(dú)靠尾部導(dǎo)流板控制位姿降低了控制效率，因而降低了飛行器的機(jī)動(dòng)性能。

3、因此，針對(duì)以上目前涵道式碟形飛行器存在的技術(shù)缺陷，本發(fā)明提出了一種基于萬(wàn)向節(jié)原理的新型涵道式碟形飛行器，并針對(duì)此種特殊構(gòu)型飛行器提出了一種位姿分離的控制策略和方法，將垂直起降、機(jī)動(dòng)性、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)有效地結(jié)合起來(lái)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出的一種基于萬(wàn)向節(jié)原理的涵道碟形飛行器及其控制方法，該飛行器結(jié)合了此前所述兩種碟形飛行器的優(yōu)點(diǎn)并進(jìn)行改進(jìn)，采用共軸雙旋翼的構(gòu)型，將兩個(gè)旋翼置于涵道內(nèi)，兩個(gè)旋翼的旋轉(zhuǎn)方向相反以解決反扭距的問(wèn)題。采用舵片來(lái)控制飛行器姿態(tài)；位置控制方面，結(jié)合萬(wàn)向節(jié)以及差速器原理，在飛行器涵道內(nèi)布置上下對(duì)稱的錐齒輪，旋翼傾轉(zhuǎn)軸兩端也設(shè)置有錐齒輪，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)旋翼以與涵道的連接軸為軸傾轉(zhuǎn)，同時(shí)連接軸在涵道平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)共軸雙旋翼，即拉力方向向任意方向傾轉(zhuǎn)，從而控制飛行器的飛行方向。

2、為此，本發(fā)明提出了一種基于萬(wàn)向節(jié)原理的涵道碟形飛行器，包括涵道、傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、吊艙、飛控及控制舵片，它們之間的連接關(guān)系是：涵道內(nèi)包含布置了傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由4個(gè)舵機(jī)、2個(gè)對(duì)置布置的環(huán)狀錐齒輪、1根傾轉(zhuǎn)軸及1個(gè)電機(jī)座構(gòu)成，環(huán)狀錐齒輪布置在涵道內(nèi)的齒輪軌道上，傾轉(zhuǎn)軸位于環(huán)狀錐齒輪之間，傾轉(zhuǎn)軸兩端有與環(huán)狀錐齒輪正交嚙合的小型錐齒輪，其中一端具備自轉(zhuǎn)自由度，從而讓傾轉(zhuǎn)軸可以在對(duì)置錐齒輪的差動(dòng)帶動(dòng)下繞機(jī)體軸轉(zhuǎn)動(dòng)；傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的舵機(jī)固定在涵道內(nèi)的舵機(jī)座上，上下對(duì)稱布置，舵機(jī)通過(guò)舵盤(pán)驅(qū)動(dòng)環(huán)狀錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，每2個(gè)舵機(jī)協(xié)同驅(qū)動(dòng)1個(gè)錐齒輪；傾轉(zhuǎn)軸上固定布置有電機(jī)座，從而讓布置其上的電機(jī)/動(dòng)力，可以隨傾轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)力系統(tǒng)包括電機(jī)、螺旋槳、電池與電調(diào)，電機(jī)共有2個(gè)，對(duì)稱布置在傾轉(zhuǎn)軸的電機(jī)座上，螺旋槳為5葉螺旋槳，安裝在電機(jī)上，隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，提供拉力(上電機(jī))與推力(下電機(jī))，電調(diào)布置在涵道中，為電機(jī)提供控制電信號(hào)，電池與飛控布置在吊艙中。吊艙與涵道連接，位于涵道及傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)下方，控制舵片也成十字型對(duì)稱布置于吊艙，控制飛行器姿態(tài)穩(wěn)定。

3、氣動(dòng)布局方面，飛行器采用共軸雙旋翼外加涵道的型式，平衡反扭矩并且提供附加升力；共軸雙旋翼通過(guò)萬(wàn)向節(jié)實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向的傾轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)靈活多變的機(jī)動(dòng)，涵道下有吊艙，布置舵片，控制涵道的姿態(tài)。

4、結(jié)構(gòu)布局方面，將涵道作為基礎(chǔ)環(huán)，基礎(chǔ)環(huán)下布置兩組(四片)相互正交的舵片，保證在飛行過(guò)程中，飛行器受到環(huán)境擾動(dòng)時(shí)，基礎(chǔ)環(huán)能夠保持原本的姿態(tài)。在涵道內(nèi)部延軸向布置兩個(gè)關(guān)于涵道中心面對(duì)稱的環(huán)狀錐齒輪，環(huán)狀齒輪在涵道內(nèi)部的齒輪軌道上轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)齒輪嚙合中心對(duì)稱的兩個(gè)與涵道固連的舵機(jī)，通過(guò)舵機(jī)差動(dòng)控制齒輪的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。中心共軸雙旋翼的傾轉(zhuǎn)軸，一端固連小型錐齒輪，一端通過(guò)軸承連接小型錐齒輪(避免產(chǎn)生繞傾轉(zhuǎn)軸的扭矩，并且對(duì)稱承受載荷)，小型錐齒輪與環(huán)狀錐齒輪正交嚙合構(gòu)成傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，通過(guò)環(huán)狀錐齒輪的差動(dòng)實(shí)現(xiàn)旋翼傾轉(zhuǎn)軸的自轉(zhuǎn)和繞旋翼自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)旋翼進(jìn)行各個(gè)方向的傾轉(zhuǎn)。

5、結(jié)構(gòu)承力方面，動(dòng)力裝置及旋翼產(chǎn)生的拉力以及動(dòng)力裝置傾轉(zhuǎn)產(chǎn)生扭矩均通過(guò)動(dòng)力裝置底座傳給傾轉(zhuǎn)軸，傾轉(zhuǎn)軸以受彎的形式將力傳給與軸接觸的涵道及環(huán)狀齒輪，環(huán)狀齒輪進(jìn)一步將力通過(guò)齒輪軌道傳給涵道；傾轉(zhuǎn)軸所受扭矩由齒輪齒間受壓傳遞給環(huán)狀錐齒輪，環(huán)狀錐齒輪進(jìn)一步通過(guò)齒間受壓傳給舵機(jī)，而舵機(jī)與涵道通過(guò)舵機(jī)座相連，最終扭矩傳遞到涵道進(jìn)而傳給機(jī)身。為了使傾轉(zhuǎn)軸承力更合理且減小傾轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦力，在傾轉(zhuǎn)軸兩端接觸涵道處設(shè)計(jì)安裝軸承，將傾轉(zhuǎn)時(shí)的滑動(dòng)摩擦力轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦力。

6、飛行器涵道采用經(jīng)過(guò)改進(jìn)的類clark-y翼型，保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置空間的同時(shí)，盡可能提升涵道對(duì)于升力貢獻(xiàn)，從而提升飛行器氣動(dòng)效率。

7、本發(fā)明提出的涵道式碟形飛行器基于自身的構(gòu)型特點(diǎn)，其動(dòng)力源共軸雙旋翼可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)需求進(jìn)行傾轉(zhuǎn)，從而使飛行器并不會(huì)依賴于機(jī)身姿態(tài)的調(diào)整來(lái)進(jìn)行軌跡跟蹤，這也是該碟形飛行器相比于其它類型飛行器的優(yōu)勢(shì)之一。具體來(lái)講，本發(fā)明提出的涵道式碟形飛行器的軌跡跟蹤通過(guò)共軸雙旋翼的傾轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)控制共軸雙旋翼的傾轉(zhuǎn)角度θ1和θ2來(lái)調(diào)整旋翼產(chǎn)生的拉力方向從而使碟形飛行器可以跟蹤期望軌跡。而姿態(tài)的穩(wěn)定則通過(guò)控制涵道下方的舵片來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)調(diào)整4個(gè)控制舵片的偏轉(zhuǎn)角度δj(j＝1,2,3,4)來(lái)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的控制。從而最終可以使該碟形飛行器在實(shí)現(xiàn)軌跡快速跟蹤的同時(shí)，姿態(tài)始終穩(wěn)定在期望姿態(tài)，保證飛行器既具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，又能夠保持姿態(tài)穩(wěn)定。需要指出的是，雖然本發(fā)明提出的碟形飛行器擁有可以傾轉(zhuǎn)的共軸雙旋翼，但這里的傾轉(zhuǎn)旋翼并不只是像既有的大部分傾轉(zhuǎn)旋翼/機(jī)翼飛行器用于從垂直起降模態(tài)轉(zhuǎn)為平飛模態(tài)，更主要是用于滿足機(jī)動(dòng)性，垂直起降當(dāng)然也是該碟形飛行器具有的功能，但在控制的實(shí)現(xiàn)上與軌跡跟蹤無(wú)異。以下就飛行器控制動(dòng)力學(xué)建模、控制律設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證步驟進(jìn)行說(shuō)明：

8、本發(fā)明一種基于萬(wàn)向節(jié)原理的涵道碟形飛行器的控制方法，包括如下步驟：

9、步驟1：完成動(dòng)力學(xué)建模假設(shè)，通過(guò)分析與簡(jiǎn)化，動(dòng)力學(xué)建模假設(shè)如下：

10、(1)各部件均為剛體，忽略彈性形變；

11、(2)平面地球假設(shè)，忽略地球自轉(zhuǎn)與地面的曲率；

12、(3)各部件轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)無(wú)滯后；

13、(4)機(jī)身、共軸雙旋翼、傾轉(zhuǎn)軸、全機(jī)質(zhì)心的“四心合一”。

14、步驟2：建立機(jī)身坐標(biāo)系γb＝(xb,yb,zb)、轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)系γp＝(xp,yp,zp)、旋翼坐標(biāo)系γr＝(xr,yr,zr)，明確傾轉(zhuǎn)角度θ1和θ2定義，θ1為zp軸與機(jī)身坐標(biāo)系的xboyb構(gòu)成的平面的夾角，θ2為yp軸與xbozb平面的夾角。

15、步驟3：采用多剛體動(dòng)力學(xué)建模方法完成飛行器控制動(dòng)力學(xué)建模。

16、步驟4：考慮擾動(dòng)，基于動(dòng)力學(xué)建模結(jié)果完成飛行器控制律設(shè)計(jì)。

17、步驟5：對(duì)姿態(tài)控制律進(jìn)行控制分配，使姿態(tài)控制律落實(shí)到執(zhí)行器。

18、步驟6：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證飛行器軌跡跟蹤、姿態(tài)穩(wěn)定以及位姿控制分離效果。

19、本發(fā)明提出的涵道式碟形飛行器可以較好地跟蹤期望軌跡，軌跡的跟蹤是通過(guò)控制旋翼拉力的大小變化以及傾轉(zhuǎn)的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在此過(guò)程中飛行器的姿態(tài)又可以根據(jù)期望姿態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定控制，即不必改變姿態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)軌跡的跟蹤。

20、本發(fā)明提出的新構(gòu)型涵道式碟形飛行器既可以垂直起降又可以靈活機(jī)動(dòng)，除了具備無(wú)人機(jī)的一系列特點(diǎn)外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

21、1.安全性和穩(wěn)定性。碟形飛行器的旋翼內(nèi)置在機(jī)體內(nèi)或涵道內(nèi)，機(jī)體和涵道對(duì)槳葉起到了保護(hù)作用，避免了高速旋轉(zhuǎn)的槳葉與操作人員或外界物體碰撞，保證了運(yùn)轉(zhuǎn)的安全。涵道對(duì)外界擾流也起到了很好的隔離作用，能夠保證旋翼流場(chǎng)的相對(duì)穩(wěn)定，有利于飛行器的氣動(dòng)力穩(wěn)定性。

22、2.高機(jī)動(dòng)性和環(huán)境適應(yīng)性。由于在控制方面位姿分離，且拉力方向萬(wàn)向傾轉(zhuǎn)，因此飛行器兼具垂直起降和高速機(jī)動(dòng)的能力；此種碟形飛行器適于在復(fù)雜的環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)，例如街道、室內(nèi)等等。碟形飛行器可以在狹小區(qū)域內(nèi)垂直起降，可以在目標(biāo)的附近懸停偵察，并且可以快速飛行跟蹤，有利于靈活的偵察。

23、3.結(jié)構(gòu)緊湊，推進(jìn)效率高。相比無(wú)人直升機(jī)及其他結(jié)構(gòu)飛行器，更適合于攜帶和運(yùn)輸。由于旋翼的直徑較小，在前飛時(shí)所受空氣受力面積小，空氣阻力小。采用涵道式旋翼的碟形飛行器與直升機(jī)相比，具有更好的氣動(dòng)效率，在相同功率下，相同的直徑可以產(chǎn)生較大的拉力；相同直徑下，產(chǎn)生相同拉力時(shí)，所需要的功率較小，這使碟形飛行器具有更低的功耗和更長(zhǎng)的續(xù)航能力。

24、本發(fā)明提出的涵道式碟形飛行器在共軸雙旋翼涵道碟形飛行器基礎(chǔ)上引入萬(wàn)向節(jié)傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使得位姿控制分離，控制邏輯清晰，控制機(jī)動(dòng)性得以加強(qiáng)。此種碟形飛行器不僅能夠作為一種無(wú)人飛行器及飛行機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)平臺(tái)，同時(shí)也提供了一種全新的無(wú)人機(jī)構(gòu)型，最重要的是，由于良好的機(jī)動(dòng)性能，碟形飛行器能夠在城市環(huán)境、狹小地域等復(fù)雜場(chǎng)合廣泛使用，這使碟形飛行器具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和良好的市場(chǎng)前景。