一种柔翼无人机可变速航向控制装置及方法与流程

本发明涉及无人机领域，尤其涉及到一种柔翼无人机航向控制装置及方法。

背景技术：

柔翼无人机是一种以翼伞为机翼的悬挂飞行器，其航向控制主要依靠执行机构对翼伞两侧的操纵绳收放来控制柔翼无人机的飞行方向，由于翼伞航向控制时，需要对对应侧的翼伞操纵绳下拉，向左转拉左侧，向右转拉右侧，且下拉程度不同，其需要的执行力大小也不相同。

常规无人机采用的执行机构为恒定转速的舵机或伺服电机，利用PWM信号控制，也称为比例舵机，根据给出PWM信号的波幅宽度大小，舵机旋转指定的角度，其旋转转速和减速比不能改变，不管扭矩大小如何，总是恒定转速，在某些需要快速操纵的场合，无法实现飞机航向机动性的要求。另外，所需力矩必须按照转速最快、扭矩最大来设计，转速和扭矩不能发生变化，导致符合条件的舵机或伺服电机尺寸和重量较大，能耗也较大，导致无人机重量过大、电能供应困难。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种柔翼无人机航向控制装置及方法，其通过设置优化改进的传动执行机构，从而使得其可以根据操纵绳的拉力大小无级变速对操纵绳的操纵速度，实现机动灵活高效的航向控制，而且使得控制电机具有最佳效能。

为实现上述目的，按照本发明，提供一种柔翼无人机航向控制装置，其可通过对翼伞操纵绳拉力和速度的匹配控制，实现对柔翼无人机航向转向的高效控制，其特征在于，

该航向控制装置包括控制系统、执行系统以及设置在所述翼伞操纵绳上的用于感测操纵绳拉力的传感器，其中，所述控制系统用于根据所述传感器检测的拉力进行处理并将相应控制信号发送给执行机构，所述执行机构根据上述控制信号控制操纵绳相应的操纵速度；

所述执行机构包括与驱动电机输出轴连接的主动轮、通过传动轴同轴连接并 可同步转动的固定被动轮与活动被动轮、以及跨设在所述主动轮与所述传动轴之间的传动带，其中所述固定被动轮与操纵绳连接可随固定被动轮的转动而带动操纵绳作动，该固定被动轮与活动被动轮同轴相隔一定距离相对布置，且其距离可调，该固定被动轮与活动被动轮相对的侧面均为倾斜面，所述传动带的被动端套在固定被动轮与活动被动轮的两倾斜面与传动轴之间的空间内进而可带动所述固定被动轮与活动被动轮转动，且随着所述固定被动轮与活动被动轮之间距离的变化，所述传动带的该被动端在倾斜面上相对移动而使得所包围的大小变化，从而所述传动带传动比产生变化，使得所述固定被动轮转速及操纵绳速度改变，以适应操纵绳拉力的变化。

作为本发明的进一步优选，所述固定被动轮与活动被动轮的轮盘均是中部厚度大而外围厚度小，使得固定被动轮与活动被动轮相对布置时其相对侧面均为倾斜面，且两倾斜面与所述传动轴之间的空间围成截面为梯形的空间，所述传动带被动端套在该空间中。

作为本发明的进一步优选，所述传动带的外侧面为与所述倾斜面斜度匹配的斜面，使得所述传动带套在所述空间中时可与两侧的轮盘倾斜面紧密配合，从而可带动所述固定被动轮与活动被动轮转动。

作为本发明的进一步优选，所述活动被动轮在所述传动轴上可相对轴向运动，从而可实现相对所述固定被动轮的距离的变化。

作为本发明的进一步优选，所述活动被动轮具有中心通孔，通孔内表面设置有内螺纹，变速控制电机的输出轴同轴套装在该中心通孔中并与其螺纹连接，随着变速控制电机输出轴的转动，所述活动被动轮可被驱动而在轴向上移动，从而实现其相对所述固定被动轮间距的变化。

作为本发明的进一步优选，所述控制系统包括逻辑控制模块和信号发送模块，其中所述逻辑控制模块与拉力传感器电连接，用于根据拉力传感器检测的拉力数据进行计算，获得合适的驱动执行机构中的驱动电机的控制参数，而所述的信号发送模块用于将控制参数转化为执行机构的驱动信号并发送给执行机构的驱动电机。

按照本发明的另一方面，提供一种利用上述柔翼无人机航向控制装置对柔翼无人机航向进行控制的方法，其包括如下步骤：

1)在空中飞行的柔翼无人机根据航线轨迹或地面操纵人员的遥控指令，需要改变航向时，操作操纵绳的收放；

2)操纵绳上的拉力传感器检测操纵绳的拉力值为n，则根据逻辑控制模块的控制关系计算出一个唯一对应的减速比r＝t/nR，变速控制电机动作驱动活动被动轮达到要求的减速比r值；其中R为固定被动轮直径，t为驱动电机的扭矩，r为带传动减速比；

3)根据上述减速比r，调整活动被动轮与固定被动轮的间距，使得传动带的被动端在所述固定被动轮与活动被动轮之间相对其侧面的倾斜面移动，从而改变所述传动关系获得所述传动比，进而所述固定被动轮及操纵绳获得匹配的速度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1)本发明中，采用拉力传感器实时监测翼伞操纵绳的拉力，柔翼无人机飞行过程中操纵绳状态随时监控，进而可实时匹配驱动电机最佳功率的最佳速度，使得转向控制灵活高效。

2)本发明中，执行机构中的具有相对倾斜面的两被动轮的设置，并通过之间的间距变化，可实现带传动中的传动比实现无极变化，具有操作简单可靠，非常适用于转向控制中的无极变速；

3)本发明中，采用可变速机构进行操纵绳的收放，可做到轻载高速和重载低速等各种工作状态，能够匹配驱动电机的最佳功率，大幅提高柔翼无人机航向方面的机动性。

附图说明

图1为按照本发明实施例的柔翼无人机空中飞行示意图；

图2为按照本发明实施例的航向控制装置的控制系统示意图；

图3为按照本发明实施例的航向控制装置的执行机构示意图；

图4为按照本发明实施例的航向控制装置的变速原理示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1、翼伞 2、操纵绳 3、吊挂带 4、螺旋桨 5发动机、6、机体 7、控制系统 8、执行机构 9、起落架 10、拉力传感器 11、逻辑控制模块 12、信号发送模 块 13、驱动电机 14、主动轮 15、传动带 16、活动被动轮 17、固定被动轮 18、变速控制电机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例所涉及一种柔翼无人机航向控制装置，其用于对柔翼无人机的航向进行准确灵活的控制，其包括控制系统和执行机构。

本实施例中所述的柔翼无人机优选是以翼伞作为机翼的一种无人飞行器，能够实现起飞，降落、空中机动飞行等功能。如图1所示，本实施例所涉及的柔翼无人机包括翼伞1、操纵绳2、吊挂带3、螺旋桨4、发动机5、机体6、控制系统7、执行机构8、起落架9。其中，所述的翼伞1作为机翼通过吊挂带3与机体6连接，为柔翼无人机提供升力。所述的螺旋桨4和发动机5固定在柔翼无人机机体6后部，推进柔翼无人机前进，还可通过动力大小控制柔翼无人机的飞行高度。所述机体6为承载式框架结构，用于安装发动机5和起落架9。所述的起落架9为滑撬式起落架，为柔翼无人机起飞和降落提供着陆支撑。

如图1、2和3所示，本发明实施例的控制系统用于根据飞行控制信号和操作绳传感器的拉力大小给执行机构动作信号，而所述的执行机构是一种无级变速机构，能够根据控制系统给出的信号输出不同速度和不同力矩的操作力，以便控制航向确保柔翼无人机在预定的航线上飞行，适应柔翼无人机快速机动的转向要求。一般来说，通过控制操纵绳的拉力来实现柔翼无人机的转向完成需要一个过程，这个时间段中在初期由于受力较小拉动操作绳的拉力会较小，而随着转向进行其受力不断加大，控制操纵绳的拉力也会不断变大。通过本发明实施例的执行机构来控制操纵绳的拉力，可以在初期拉力较小的情况下加快操纵绳下拉速度，而在后期慢慢减小操纵绳下拉速度，从而可以保证在发挥驱动电机最大性能的条件下实现快速机动的转向控制。

如图2或3所示，控制系统7包括拉力传感器10、逻辑控制模块11和信号发送模块12。其中，所述的拉力传感器10安装在操纵绳2上，用于实时监测操 纵绳2的拉力大小。逻辑控制模块11与拉力传感器10电连接，用于根据拉力传感器的拉力数据进行计算，从而给出合适的驱动执行机构8中的电机13的控制参数。而所述的信号发送模块12用于将控制参数转化为执行机构8的驱动信号并发送给执行机构8的驱动电机13。

具体地，如图3所示，所述的执行机构8包括驱动电机13、主动轮14、传动带15、固定被动轮16、活动被动轮17和变速控制电机18。其中，所述驱动电机13优选为通过电源供电的直流电机。所述的主动轮14与驱动电机13直接动力相连，其可在驱动电力的驱动下转动。传动带15为V型结构，用于将动力从主动轮14传到固定被动轮16。固定被动轮16与操纵绳2连接，用于带动操纵绳2下拉。活动被动轮17用于调节减速比，即所述的变速控制电机18通过控制系统7给出的信号改变固定被动轮16和活动被动轮17的距离，以便达到改变传动比实现变速的目的。

具体来说，如图3和4所示，固定被动轮16与活动被动轮17同轴相隔一定距离相对布置，优选均通过一个传动轴串接，其中固定被动轮16与传动轴同轴固定连接可同步转动，所述活动被动轮17套在传动轴外周，可随该传动轴转动而同步转动，但在轴向上其可相对所述传动轴轴向移动，以使得固定被动轮16与活动被动轮17之间的相对距离可调。

如图4所示，所述固定被动轮16与活动被动轮17相对面均为倾斜面，两倾斜面与传动轴之间相对的空间形成为下窄上宽的梯形截面。在一个实施例中固定被动轮16与活动被动轮17之间距离最近，此时两倾斜面与传动轴之间相对的空间称为三角形。传动带15一侧套在主动轮14上，另一侧套在固定被动轮16与活动被动轮17之间，该传动带15外侧面为倾斜面，其与对应侧的固定被动轮16或活动被动轮17的倾斜面匹配接触，从而使得传动带15套在固定被动轮16与活动被动轮17之间的一侧可以与固定被动轮16与活动被动轮17之间良好匹配接触，特别是其随着固定被动轮16与活动被动轮17之间距离的变化，传动带15该从动侧所包围的大小可以变化，从而使得其与主动轮之间产生变动的传动比。在一个实施例中，固定被动轮16与活动被动轮17之间距离最大，传动带15的该从动侧直接套在传动轴上，具有的传动比最大或最小。随着固定被动轮16与活动被动轮17之间距离变大，其传动比也逐渐变化，从而可以根据操纵绳 2的拉力大小匹配相应的传动比，进而匹配相应的转动速率即操纵绳2的拉动速率。

假设拉力传感器10实测值为n，固定被动轮16直径为R，驱动电机13扭矩为t，带传动减速比为r，则固定被动轮16输出的扭矩为t/r，由于拉力传感器10等于固定被动轮16产生的拉力，则逻辑控制模块11的控制关系为t/r＝nR。当实测拉力传感器10的值为n(n＞0)，则根据逻辑控制模块11的控制关系计算出一个唯一对应的减速比r＝t/nR，变速控制电机18动作驱动活动被动轮17达到要求的减速比r值。如果柔翼无人机在飞行过程中，需要改变航向，则在操作操纵绳时，与操纵绳2连接的拉力传感器10会产生一个新的拉力值，该值反馈到控制系统7中后由逻辑控制模块11计算后获得新的转速比，通过调整活动被动轮17与固定被动轮16的间距，此时将形成新的传动关系，获得新的转速，经过信号发送模块12，进而达到了变速控制柔翼无人机航向的目的。

在一个实施例中，如图4所示，变速控制电机18通过传动螺纹安装在活动被动轮17上，具体地，活动被动轮17为中空结构，中空孔内壁表面设置有内螺纹，电机18的输出轴外周设置外螺纹，其同轴套在活动被动轮17的中空孔中，通过螺纹连接的方式使得电机18的输出轴与活动被动轮17同轴连接。在控制系统7给出信号改变固定被动轮16和活动被动轮17的距离时，变速控制电机18输出轴转动，并通过电机轴上的传动螺纹驱动活动被动轮17轴向运动，使之接近或远离固定被动轮16，传动带15由于受到固定被动轮16与活动被动轮17的约束而导致其位置发生变化，进而改变了其传动比，达到变速的目的。

本发明一个实施例的柔翼无人机航向控制方法，其利用上述的控制装置进行航向控制，其包括如下步骤：

1)柔翼无人机在空中飞行时，可根据航线轨迹或地面操纵人员的遥控指令对航向进行修改，航向的改变依靠操纵绳2的收放来实现；

2)假设拉力传感器10实测值为n，固定被动轮16直径为R，驱动电机13扭矩为t，带传动减速比为r，则固定被动轮16输出的扭矩为t/r，由于拉力传感器10等于固定被动轮16产生的拉力，则逻辑控制模块11的控制关系为t/r＝nR；

3)当实测拉力传感器10的值为n(n＞0)，则根据逻辑控制模块11的控 制关系计算出一个唯一对应的减速比r＝t/nR，变速控制电机18动作驱动活动被动轮17达到要求的减速比r值；

4)柔翼无人机在飞行过程中，与操纵绳2连接的拉力传感器10始终会产生一个拉力值n，该值反馈到控制系统7中后由逻辑控制模块11计算后经过信号发送模块12，此时将形成新的传动关系，达到了变速控制柔翼无人机航向的目的。

循环检测操纵绳的拉力值，即可实现实时对相应速度的最佳匹配，从而大幅提高柔翼无人机航向方面的机动性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。