本發明(ming)屬于傾轉(zhuan)(zhuan)旋翼飛行器測試領域,具體(ti)涉及一(yi)種基于小型(xing)多旋翼無人(ren)機的傾轉(zhuan)(zhuan)旋翼空(kong)中試驗平臺及方法。
背景技術:
1、傾(qing)轉(zhuan)(zhuan)旋翼(yi)飛(fei)(fei)行(xing)(xing)(xing)器(qi)融合(he)了直(zhi)升機和(he)(he)固(gu)(gu)定(ding)翼(yi)飛(fei)(fei)機的(de)(de)(de)(de)特(te)性(xing),其(qi)(qi)(qi)通過調(diao)整旋翼(yi)的(de)(de)(de)(de)傾(qing)斜角度來(lai)實現(xian)垂直(zhi)起降、懸停以及高速(su)平(ping)(ping)飛(fei)(fei)等多種(zhong)飛(fei)(fei)行(xing)(xing)(xing)模(mo)(mo)式。這一(yi)設(she)計使其(qi)(qi)(qi)能夠在無需跑道的(de)(de)(de)(de)條(tiao)件下進行(xing)(xing)(xing)起降,并且(qie)能夠兼具固(gu)(gu)定(ding)翼(yi)飛(fei)(fei)機的(de)(de)(de)(de)飛(fei)(fei)行(xing)(xing)(xing)速(su)度、航程和(he)(he)效(xiao)率。因此(ci),傾(qing)轉(zhuan)(zhuan)旋翼(yi)飛(fei)(fei)行(xing)(xing)(xing)器(qi)因其(qi)(qi)(qi)具有適應(ying)性(xing)強、能夠在多種(zhong)環境下進行(xing)(xing)(xing)操作的(de)(de)(de)(de)獨特(te)的(de)(de)(de)(de)優勢,在軍用和(he)(he)民用領域(yu)都具有巨大的(de)(de)(de)(de)潛力(li)(li)。當(dang)今,傾(qing)轉(zhuan)(zhuan)旋翼(yi)飛(fei)(fei)行(xing)(xing)(xing)器(qi)也(ye)(ye)面臨著如何將直(zhi)升機和(he)(he)固(gu)(gu)定(ding)翼(yi)飛(fei)(fei)機相結合(he)的(de)(de)(de)(de)動力(li)(li)學(xue)問題。與常規的(de)(de)(de)(de)直(zhi)升機或(huo)螺旋槳飛(fei)(fei)機相比(bi),其(qi)(qi)(qi)所(suo)包含的(de)(de)(de)(de)各種(zhong)動力(li)(li)學(xue)耦合(he)關(guan)系更為復(fu)雜(za)。特(te)別(bie)是在從直(zhi)升機模(mo)(mo)式向(xiang)固(gu)(gu)定(ding)翼(yi)模(mo)(mo)式的(de)(de)(de)(de)過渡(du)中,隨著前飛(fei)(fei)速(su)度的(de)(de)(de)(de)增加(jia),系統的(de)(de)(de)(de)慣量和(he)(he)耦合(he)特(te)性(xing)也(ye)(ye)會相應(ying)地變(bian)化,使得傾(qing)轉(zhuan)(zhuan)旋翼(yi)的(de)(de)(de)(de)動力(li)(li)學(xue)狀態變(bian)得更加(jia)復(fu)雜(za)。為了準確、安全地模(mo)(mo)擬這種(zhong)復(fu)雜(za)的(de)(de)(de)(de)過渡(du)狀態,并驗證當(dang)前的(de)(de)(de)(de)理論(lun),促進傾(qing)轉(zhuan)(zhuan)旋翼(yi)飛(fei)(fei)行(xing)(xing)(xing)器(qi)的(de)(de)(de)(de)技術進步,研究(jiu)人員迫(po)切(qie)需要一(yi)個合(he)適的(de)(de)(de)(de)實驗平(ping)(ping)臺。這樣的(de)(de)(de)(de)平(ping)(ping)臺將為研究(jiu)人員提(ti)供一(yi)個可靠的(de)(de)(de)(de)工具,有助于深入研究(jiu)傾(qing)轉(zhuan)(zhuan)旋翼(yi)飛(fei)(fei)行(xing)(xing)(xing)器(qi)的(de)(de)(de)(de)動力(li)(li)學(xue)特(te)性(xing),進而推動這一(yi)領域(yu)的(de)(de)(de)(de)發展。
2、目前,無論是國(guo)(guo)內還是國(guo)(guo)外(wai),對(dui)(dui)于空中(zhong)傾轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)旋翼的(de)(de)(de)實(shi)驗方法(fa)都存(cun)在一(yi)定的(de)(de)(de)局限性。現有的(de)(de)(de)試(shi)驗平(ping)(ping)臺以(yi)地(di)面平(ping)(ping)臺和單一(yi)傾轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)部件(jian)平(ping)(ping)臺為主,這些(xie)平(ping)(ping)臺主要關注(zhu)地(di)面上的(de)(de)(de)傾轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)過程,而(er)不能全面考慮復雜的(de)(de)(de)飛行姿態。更進一(yi)步說,這些(xie)平(ping)(ping)臺無法(fa)實(shi)現在線實(shi)時對(dui)(dui)空中(zhong)傾轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)過程的(de)(de)(de)觀測。
技術實現思路
1、針對于(yu)上述現有技(ji)(ji)術(shu)不(bu)足(zu),本發明的(de)目的(de)在于(yu)提(ti)供一種基于(yu)小型多(duo)(duo)旋(xuan)翼(yi)無(wu)人機的(de)傾轉旋(xuan)翼(yi)空中試驗(yan)平臺及方法,以解決現有技(ji)(ji)術(shu)中針對多(duo)(duo)傾轉旋(xuan)翼(yi)結構的(de)動力學實(shi)驗(yan)技(ji)(ji)術(shu)受到地面實(shi)驗(yan)平臺的(de)局限,需要借助風洞系統進行(xing)輔(fu)助,無(wu)法完全模擬真實(shi)的(de)飛行(xing)狀(zhuang)態的(de)問題(ti)。
2、為達到上(shang)述目的(de),本(ben)發明(ming)采用的(de)技術方案(an)如(ru)下:
3、本發明的(de)一種基于小型多(duo)旋翼(yi)(yi)(yi)無(wu)人(ren)機(ji)的(de)傾(qing)轉(zhuan)旋翼(yi)(yi)(yi)空中(zhong)試驗(yan)平臺(tai),包括:多(duo)旋翼(yi)(yi)(yi)機(ji)身、機(ji)翼(yi)(yi)(yi)、傾(qing)轉(zhuan)驅(qu)動機(ji)構及傳感(gan)器系統;
4、所(suo)述(shu)多(duo)旋(xuan)翼(yi)(yi)(yi)機(ji)身包括:第(di)(di)一(yi)(yi)無刷直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)電(dian)(dian)機(ji)、旋(xuan)翼(yi)(yi)(yi)、電(dian)(dian)子調速器(qi)(qi)(qi)、多(duo)旋(xuan)翼(yi)(yi)(yi)機(ji)架(jia)(jia)、接(jie)收(shou)(shou)機(ji)及飛(fei)行控制(zhi)器(qi)(qi)(qi);所(suo)述(shu)第(di)(di)一(yi)(yi)無刷直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)電(dian)(dian)機(ji)固定安裝在(zai)多(duo)旋(xuan)翼(yi)(yi)(yi)機(ji)架(jia)(jia)上,第(di)(di)一(yi)(yi)無刷直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)電(dian)(dian)機(ji)的輸出端(duan)(duan)固定連(lian)接(jie)旋(xuan)翼(yi)(yi)(yi);所(suo)述(shu)電(dian)(dian)子調速器(qi)(qi)(qi)器(qi)(qi)(qi)固定在(zai)多(duo)旋(xuan)翼(yi)(yi)(yi)機(ji)架(jia)(jia)的根部;所(suo)述(shu)接(jie)收(shou)(shou)機(ji)和飛(fei)行控制(zhi)器(qi)(qi)(qi)固定在(zai)多(duo)旋(xuan)翼(yi)(yi)(yi)機(ji)架(jia)(jia)的中心;第(di)(di)一(yi)(yi)無刷直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)電(dian)(dian)機(ji)的輸入端(duan)(duan)與(yu)電(dian)(dian)子調速器(qi)(qi)(qi)的輸出端(duan)(duan)電(dian)(dian)性相連(lian),電(dian)(dian)子調速器(qi)(qi)(qi)的輸入端(duan)(duan)連(lian)接(jie)飛(fei)行控制(zhi)器(qi)(qi)(qi),所(suo)述(shu)飛(fei)行控制(zhi)器(qi)(qi)(qi)還與(yu)接(jie)收(shou)(shou)機(ji)電(dian)(dian)性連(lian)接(jie),接(jie)收(shou)(shou)機(ji)用于接(jie)收(shou)(shou)來自無人機(ji)遙(yao)控器(qi)(qi)(qi)的控制(zhi)信號(hao)并將接(jie)收(shou)(shou)到的信號(hao)解(jie)碼后傳輸給飛(fei)行控制(zhi)器(qi)(qi)(qi);
5、所述飛(fei)行(xing)控(kong)制器(qi)通過(guo)電(dian)子調速器(qi)調整第一無刷(shua)直流電(dian)機的(de)(de)轉(zhuan)速用(yong)于調整試驗平(ping)臺(tai)的(de)(de)空(kong)中飛(fei)行(xing)狀(zhuang)態,通過(guo)控(kong)制傾轉(zhuan)驅動結構(gou)使試驗平(ping)臺(tai)依(yi)次完成垂直起降模(mo)式、過(guo)渡模(mo)式和固定翼飛(fei)行(xing)模(mo)式;
6、所(suo)述機翼包括:主(zhu)梁、蒙皮(pi)和翼肋(lei);主(zhu)梁的一端與多旋翼機身固定(ding)連(lian)接,另(ling)一端連(lian)接傾轉驅(qu)動結構(gou);翼肋(lei)均勻固定(ding)在(zai)主(zhu)梁上,蒙皮(pi)包圍在(zai)翼肋(lei)的外表(biao)面(mian);
7、所述傾轉驅(qu)(qu)動(dong)結構包(bao)括(kuo):傾轉短艙(cang)和傾轉旋翼(yi),所述傾轉短艙(cang)固定(ding)連(lian)接于機翼(yi)的兩端,并(bing)驅(qu)(qu)動(dong)連(lian)接傾轉旋翼(yi);
8、所述(shu)傾(qing)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)短(duan)艙(cang)(cang)包括短(duan)艙(cang)(cang)外(wai)殼及設(she)置在短(duan)艙(cang)(cang)外(wai)殼中的傾(qing)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)短(duan)艙(cang)(cang)機(ji)(ji)匣、旋翼軸(zhou)、第二無(wu)(wu)刷(shua)(shua)直(zhi)(zhi)流電(dian)機(ji)(ji)、傾(qing)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)舵(duo)機(ji)(ji);第二無(wu)(wu)刷(shua)(shua)直(zhi)(zhi)流電(dian)機(ji)(ji)和傾(qing)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)舵(duo)機(ji)(ji)固定設(she)于(yu)傾(qing)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)短(duan)艙(cang)(cang)機(ji)(ji)匣中;傾(qing)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)舵(duo)機(ji)(ji)的一端通過卡(ka)柱(zhu)連(lian)接機(ji)(ji)翼,另一端連(lian)接無(wu)(wu)刷(shua)(shua)直(zhi)(zhi)流電(dian)機(ji)(ji);旋翼軸(zhou)的一端固定連(lian)接第二無(wu)(wu)刷(shua)(shua)直(zhi)(zhi)流電(dian)機(ji)(ji),另一端連(lian)接傾(qing)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)旋翼;傾(qing)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)短(duan)艙(cang)(cang)機(ji)(ji)匣與(yu)機(ji)(ji)翼相連(lian),傾(qing)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)舵(duo)機(ji)(ji)與(yu)飛(fei)行(xing)控制(zhi)器電(dian)性相連(lian),接收飛(fei)行(xing)控制(zhi)器的控制(zhi)信號并(bing)完成傾(qing)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan);
9、所述(shu)傳(chuan)感器系統,用于實時(shi)監測試(shi)驗平臺(tai)的飛行(xing)(xing)狀(zhuang)態,并將(jiang)狀(zhuang)態數(shu)據(ju)反饋(kui)給飛行(xing)(xing)控制(zhi)器,以及測量傾轉驅動結構(gou)和機翼的動力學信號(hao),通(tong)過飛行(xing)(xing)控制(zhi)器與計算機地面控制(zhi)站實時(shi)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸,以獲(huo)取(qu)在線的動力學數(shu)據(ju)。
10、進一步地,所述(shu)傳(chuan)(chuan)感器(qi)系統包(bao)括(kuo):mems加速度傳(chuan)(chuan)感器(qi)和(he)數(shu)(shu)據采(cai)集(ji)卡,所述(shu)mems加速度傳(chuan)(chuan)感器(qi)安(an)裝在機(ji)翼(yi)和(he)傾轉驅動結構(gou)上,用(yong)于(yu)采(cai)集(ji)無人機(ji)旋轉和(he)線(xian)性運動的位(wei)置(zhi)、速度、方向信息(xi)并輸出模擬信號(hao),模擬信號(hao)先經由數(shu)(shu)據采(cai)集(ji)卡處理(li)后(hou)轉換為數(shu)(shu)字信號(hao);通過(guo)飛行(xing)(xing)控制器(qi)傳(chuan)(chuan)送給計算(suan)(suan)機(ji)地面控制站,計算(suan)(suan)機(ji)地面控制站接收到(dao)數(shu)(shu)字信號(hao)后(hou)對數(shu)(shu)據進行(xing)(xing)處理(li),包(bao)括(kuo)濾波、頻域(yu)(yu)分析、時域(yu)(yu)分析;計算(suan)(suan)機(ji)地面控制站的顯示屏用(yong)于(yu)實時監測和(he)分析數(shu)(shu)據。
11、進(jin)一步地,所述第一無刷直流(liu)電機、旋翼、電子調速器的數量均(jun)為四個。
12、進一步地,所述傾轉短艙通過固(gu)定(ding)支(zhi)架固(gu)定(ding)在(zai)機翼的主梁上。
13、本發明還提供(gong)一種基(ji)于(yu)小型多旋翼無(wu)人(ren)機的傾轉旋翼空中試驗平臺的工(gong)作(zuo)方法(fa),基(ji)于(yu)上述(shu)平臺,步驟(zou)如下:
14、垂直起降(jiang)模式(shi):傾轉旋翼處于垂直位置,飛行控制器通過電子調速器調整傾轉旋翼的推力來(lai)保持無人機位置或進(jin)行小范(fan)圍的移動(dong);
15、過(guo)渡模式:傾轉(zhuan)(zhuan)旋翼從垂直位置(zhi)(zhi)傾轉(zhuan)(zhuan)到水(shui)平位置(zhi)(zhi),隨著(zhu)傾轉(zhuan)(zhuan)旋翼的傾轉(zhuan)(zhuan),試驗平臺加速(su),飛行控(kong)制(zhi)器(qi)控(kong)制(zhi)傾轉(zhuan)(zhuan)旋翼的傾轉(zhuan)(zhuan)速(su)度和第二(er)無刷電(dian)機(ji)的推力輸出,以保持試驗平臺的穩定性(xing)和飛行軌跡(ji);
16、固定翼飛行(xing)(xing)模式:傾(qing)轉旋(xuan)翼完(wan)全傾(qing)轉到水平位(wei)置,與機翼平行(xing)(xing),產(chan)生向前的(de)推力(li),飛行(xing)(xing)控制器調整試(shi)驗平臺姿態(tai),以達到最佳的(de)巡航(hang)速度和(he)燃油效率。
17、本發明的有(you)益(yi)效果(guo):
18、本發明能(neng)夠實時(shi)觀測(ce)旋翼無人機(ji)機(ji)各個部件的(de)(de)動力(li)學狀(zhuang)態,從而(er)深入探究傾(qing)轉(zhuan)旋翼在懸停、俯仰(yang)、偏航等飛(fei)(fei)行狀(zhuang)態下的(de)(de)氣彈耦合(he)機(ji)制(zhi);此(ci)外,還可以用于驗證理論(lun)分(fen)析的(de)(de)結(jie)果,確保其正確性和可靠性。可以實時(shi)反饋傾(qing)轉(zhuan)旋翼飛(fei)(fei)行器各個部件的(de)(de)動力(li)學狀(zhuang)態,這對于全面驗證和評估傾(qing)轉(zhuan)旋翼飛(fei)(fei)行器的(de)(de)設計理念、控制(zhi)算法以及系統集成(cheng)的(de)(de)有效性至關重(zhong)要。
19、本發明能夠模(mo)擬(ni)傾(qing)轉(zhuan)旋翼(yi)(yi)(yi)飛(fei)(fei)(fei)行(xing)器(qi)的(de)(de)垂(chui)(chui)(chui)直(zhi)起(qi)降模(mo)式、過(guo)(guo)渡(du)模(mo)式和固(gu)(gu)(gu)定(ding)(ding)翼(yi)(yi)(yi)飛(fei)(fei)(fei)行(xing)模(mo)式;在(zai)(zai)垂(chui)(chui)(chui)直(zhi)起(qi)降模(mo)式下,傾(qing)轉(zhuan)旋翼(yi)(yi)(yi)產生向上的(de)(de)推(tui)力(li),實現垂(chui)(chui)(chui)直(zhi)起(qi)飛(fei)(fei)(fei)、降落和懸停,這(zhe)種(zhong)模(mo)式下飛(fei)(fei)(fei)行(xing)器(qi)可以像直(zhi)升(sheng)機(ji)一樣垂(chui)(chui)(chui)直(zhi)起(qi)降;過(guo)(guo)渡(du)模(mo)式中(zhong)(zhong)(zhong),傾(qing)轉(zhuan)旋翼(yi)(yi)(yi)逐(zhu)(zhu)漸(jian)傾(qing)斜,飛(fei)(fei)(fei)行(xing)器(qi)加速(su)向前(qian)飛(fei)(fei)(fei)行(xing),飛(fei)(fei)(fei)行(xing)器(qi)開始利用固(gu)(gu)(gu)定(ding)(ding)翼(yi)(yi)(yi)提(ti)供升(sheng)力(li)支撐(cheng)自身重量,在(zai)(zai)這(zhe)個過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)逐(zhu)(zhu)步漸(jian)變為水平(ping)(ping)飛(fei)(fei)(fei)行(xing)狀(zhuang)(zhuang)態(tai);固(gu)(gu)(gu)定(ding)(ding)翼(yi)(yi)(yi)飛(fei)(fei)(fei)行(xing)模(mo)式中(zhong)(zhong)(zhong),無(wu)人機(ji)的(de)(de)旋翼(yi)(yi)(yi)傾(qing)轉(zhuan)至水平(ping)(ping)位置,使得無(wu)人機(ji)類似于(yu)傳統的(de)(de)固(gu)(gu)(gu)定(ding)(ding)翼(yi)(yi)(yi)飛(fei)(fei)(fei)機(ji)。克(ke)服了(le)由于(yu)轉(zhuan)換過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)重心移(yi)動而(er)導(dao)致的(de)(de)不穩定(ding)(ding)性,確保飛(fei)(fei)(fei)行(xing)控制(zhi)系統能夠平(ping)(ping)穩過(guo)(guo)渡(du)到固(gu)(gu)(gu)定(ding)(ding)翼(yi)(yi)(yi)飛(fei)(fei)(fei)行(xing)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)。
20、本發明(ming)對氣(qi)動干擾的(de)(de)(de)多旋翼(yi)(yi)(yi)和(he)機翼(yi)(yi)(yi)耦合系統進行實驗(yan)分(fen)(fen)析,以了解傾轉(zhuan)過(guo)渡(du)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)機翼(yi)(yi)(yi)和(he)旋翼(yi)(yi)(yi)、旋翼(yi)(yi)(yi)和(he)旋翼(yi)(yi)(yi)之(zhi)(zhi)間的(de)(de)(de)氣(qi)動耦合機理,驗(yan)證相關理論分(fen)(fen)析的(de)(de)(de)可(ke)靠性;除此之(zhi)(zhi)外還能(neng)夠分(fen)(fen)析驗(yan)證系統的(de)(de)(de)穩(wen)定性,確保在傾轉(zhuan)過(guo)渡(du)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)保持(chi)良好(hao)的(de)(de)(de)控制(zhi)性能(neng)和(he)飛(fei)行穩(wen)定性。
21、本發(fa)明(ming)能夠全(quan)面模擬傾轉旋翼無人機的三種不同飛行模式(shi),并通過輔助(zhu)使用(yong)四(si)旋翼無人機,確保試驗(yan)平(ping)臺在(zai)整個飛行過程中的安全(quan)穩(wen)定。
1.一種基于小型多(duo)旋翼無(wu)人機(ji)的傾轉旋翼空中試驗平臺,其特(te)征在(zai)于,包(bao)括:多(duo)旋翼機(ji)身、機(ji)翼、傾轉驅動機(ji)構及(ji)傳感器(qi)系統;
2.根據(ju)權(quan)利要求1所(suo)述(shu)的(de)基(ji)于(yu)(yu)小型多旋(xuan)翼(yi)無人(ren)機(ji)(ji)的(de)傾轉旋(xuan)翼(yi)空中(zhong)試驗平臺,其特征(zheng)在(zai)于(yu)(yu),所(suo)述(shu)傳(chuan)(chuan)感器系統(tong)包(bao)括:mems加速(su)度(du)傳(chuan)(chuan)感器和(he)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)卡,所(suo)述(shu)mems加速(su)度(du)傳(chuan)(chuan)感器安裝(zhuang)在(zai)機(ji)(ji)翼(yi)和(he)傾轉驅動結構上,用于(yu)(yu)采(cai)集(ji)無人(ren)機(ji)(ji)旋(xuan)轉和(he)線性運動的(de)位置、速(su)度(du)、方向信息并輸出模擬(ni)信號,模擬(ni)信號先經(jing)由數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)卡處理后(hou)轉換為數(shu)字信號;通過飛行(xing)(xing)控(kong)制器傳(chuan)(chuan)送給計算機(ji)(ji)地面(mian)(mian)控(kong)制站(zhan),計算機(ji)(ji)地面(mian)(mian)控(kong)制站(zhan)接收到數(shu)字信號后(hou)對數(shu)據(ju)進行(xing)(xing)處理,包(bao)括濾波、頻域(yu)分(fen)(fen)析、時(shi)域(yu)分(fen)(fen)析;計算機(ji)(ji)地面(mian)(mian)控(kong)制站(zhan)的(de)顯示屏用于(yu)(yu)實時(shi)監(jian)測和(he)分(fen)(fen)析數(shu)據(ju)。
3.根據(ju)權(quan)利要求(qiu)1所述的(de)基于小型多旋翼無(wu)人機的(de)傾轉(zhuan)旋翼空中(zhong)試驗平臺(tai),其特征在于,所述第一無(wu)刷(shua)直流電(dian)機、旋翼、電(dian)子調速器的(de)數量(liang)均為四(si)個。
4.根據權利(li)要求1所述的基于小型(xing)多旋(xuan)(xuan)翼無人機的傾(qing)轉旋(xuan)(xuan)翼空中試驗平臺,其特征(zheng)在(zai)于,所述傾(qing)轉短艙通過固定支架固定在(zai)機翼的主梁上。
5.一種基(ji)于小型多(duo)旋(xuan)翼無人機的(de)傾轉旋(xuan)翼空中試驗(yan)平(ping)臺(tai)的(de)工作方法(fa),基(ji)于權利要求1-4中任意一項所述的(de)平(ping)臺(tai),其特征在于,方法(fa)步驟如下: