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原文传递一种气浮式无动力长航时飞行器及其控制方法

专利名称：	一种气浮式无动力长航时飞行器及其控制方法
摘要：	本发明为一种气浮式无动力长航时飞行器及其控制方法，所述飞行器由氦气囊体、空气囊体、气压调节模块、导航控制计算机、操纵舵面、数据链路、太阳能电池等部分构成。氦气囊体为飞行器提供主要浮力，空气囊体用于调节飞行器重量，从而产生上升与下降运动；气压调节模块用于调节空气囊体的压力，从而改变其重量；导航控制计算机用于导航与控制算法的运算，并操纵舵面对飞行器的运动状态进行控制；数据链路用于飞行器与地面站之间的数据传输；太阳能电池将太阳能转化为电能并存储在电池内，供气压调节模块、导航与控制模块使用。本发明设计的气浮式无动力长航时飞行器可以通过空气来调整飞行器重量，产生并控制其飞行动作，大幅提高续航能力。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	浙江;33
申请人：	浙江大学
发明人：	赵文杰;周棚;陈征
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-20T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-30T00:00:00+0800
申请号：	CN201910419114.2
公开号：	CN110182352A
代理机构：	杭州求是专利事务所有限公司
代理人：	郑海峰
分类号：	B64B1/38(2006.01);B;B64;B64B;B64B1
申请人地址：	310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘路866号
主权项：	1.一种气浮式无动力长航时飞行器，其特征在于，所述飞行器包括：氦气囊体、空气囊体、气压调节模块、用于导航与控制算法解算的导航控制计算机；用于对飞行器的运动状态进行控制的操纵舵面、用于飞行器与地面站之间数据传输的数据链路和用于将太阳能转化为电能并进行存储和对外供电的太阳能电池；所述的氦气囊体内部置有空气囊体，空气囊体与氦气囊体之间相互隔离，空气囊体位于所述氦气囊体内部的前端；空气囊体的前部设有一个充放气管路，充放气管路穿过氦气囊体通向外部并接入气压调节模块的压缩泵，充放气管路与氦气囊体之间做密封处理；所述气压调节模块由前置通气管路、后置通气管路、压缩泵、前置电磁阀、后置电磁阀组成；压缩泵一端与充放气管路相连，另一端连接一个三通，三通另外两端分别连接至前置通气管路与后置通气管路；前置通气管路上设置一个前置电磁阀，后置通气管路上设置一个后置电磁阀；前置通气管路和后置通气管路经由氦气囊体底部，延伸并分别与前置通气口和后置通气口连接，前置通气口和后置通气口与飞行器的中心轴平行并分别指向正前方与正后方；所述操纵舵面包括左右两个升降舵面和上下两个方向舵面；升降舵面由升降舵驱动进行偏转；方向舵面由方向舵驱动进行偏转。 2.根据权利要求1所述的气浮式无动力长航时飞行器，其特征在于所述的氦气囊体形状设计为左右对称的流线型或纺锤型，氦气囊体下部设有一个充气孔；氦气囊体重心位置水平方向左右各设置一个水平翼面；氦气囊体的尾部设置两个水平安定面和两个垂直安定面，左右两个升降舵面分别设置在两个水平安定面的端部；上下两个方向舵面分别设置在两个垂直安定面的端部。 3.根据权利要求1所述的气浮式无动力长航时飞行器，其特征在于所述的前置通气口末端和后置通气口末端均设置有一定长度的平直段。 4.根据权利要求1所述的气浮式无动力长航时飞行器，其特征在于所述的压缩泵由导航控制计算机进行控制，并可改变气体流动方向；前置电磁阀和后置电磁阀由导航控制计算机控制其开关状态；通过前置电磁阀、后置电磁阀与压缩泵运转方向的协调操作，可以对空气囊体的压力和体积进行调节，进而改变飞行器的重量。 5.根据权利要求1所述的气浮式无动力长航时飞行器，其特征在于所述导航控制计算机通过数据链路将飞行器的位置、速度、姿态、加速度、角速率和机载设备工作状态信息传输至地面站，同时根据飞行任务或地面站的操控指令进行动作规划，实现位姿控制。 6.根据权利要求1所述的气浮式无动力长航时飞行器，其特征在于所述操纵舵面的升降舵和方向舵由导航控制计算机控制；舵机输出轴通过刚性传动螺杆连接至舵面转动轴；舵面转动轴带动舵面发生偏转；在飞行器向前移动的过程中，升降舵与方向舵分别产生俯仰力矩与偏航力矩。 7.根据权利要求1所述的气浮式无动力长航时飞行器，其特征在于所述数据链路分为机载数据终端和地面数据终端两部分，两者之间通过无线电进行信息传输；地面数据终端将地面站发出的控制指令打包后调制为无线电信号发出，机载数据终端收到无线电信号后，解调为有效数据并传输给导航控制计算机；同时，机载数据终端将导航控制计算机发出的下行数据打包后调制为无线电信号发出，地面数据终端收到无线电信号后，解调为有效数据并传输给地面站。 8.根据权利要求1所述的气浮式无动力长航时飞行器，其特征在于所述太阳能电池主要由太阳能板、储能电池、及控制模块组成；太阳能板通过光电效应或光化学效应将光能转化成电能；太阳能板采用以光电效应工作的晶硅太阳能板或以光化学效应工作的薄膜电池板；储能电池将太阳能板转换的电能储存起来，供机载设备使用；控制模块对充放电过程及电池状态进行监控，并与导航控制计算机通信。 9.一种权利要求1所述的气浮式无动力长航时飞行器的控制方法，其特征在于包括对飞行器进行爬升、下滑、垂直上升或垂直下降中的一种或多种动作的组合进行控制；其中：爬升动作控制方法为：打开后置电磁阀，关闭前置电磁阀，将压缩泵的运转方向设置为向外排气，空气囊体内的空气被抽出并从飞行器尾部的后置通气口排出，致使飞行器重量减小，且重心向后移动；飞行器抬头，俯仰角逐渐增大；当重力小于囊体产生的浮力时，飞行器开始向上加速；在飞行器向上运动的过程中，会产生垂直于翼面的气动力，由于水平翼面的法向与空气来流方向存在夹角，故而该气动力存在一个向前的分量，推动飞行器向前运动；此外，后置通气口的喷流可以产生反推力，辅助推动飞行器向前运动；向前运动的过程中，通过升降舵面对飞行器的俯仰角与飞行高度进行控制；下滑动作控制方法为：打开前置电磁阀，关闭后置电磁阀，将压缩泵的运转方向设置为向内充气，空气从飞行器头部的前置通气口流入空气囊体，致使飞行器重量增加，且重心向前移动；飞行器低头，俯仰角逐渐降低；当重力大于囊体产生的浮力时，飞行器开始向下加速；在飞行器向下运动的过程中，会产生垂直于翼面的气动力，由于水平翼面的法向与空气来流方向存在夹角，故而该气动力存在一个向前的分量，推动飞行器向前运动；此外，前后通气管路在吸入空气时可以产生一定的反推力，辅助推动飞行器向前运动。向前运动的过程中，通过升降舵面对飞行器的俯仰角与飞行高度进行控制；垂直上升动作控制方法为：同时打开前置电磁阀与后置电磁阀，将压缩泵的运转方向设置为向外排气，飞行器重力减小，同时飞行器重心向后移动，当重力小于囊体产生的浮力时，飞行器开始向上/加速；为了防止重心移动带来的俯仰角变化，通过导航控制计算机操纵升降舵面，以保持俯仰角稳定，并使飞行器主翼面垂直于空气来流方向，以减小气动力的水平分量。垂直下降动作控制方法为：同时打开前置电磁阀与后置电磁阀，将压缩泵的运转方向设置为向内充气，飞行器重力增加，同时飞行器重心向前移动，当重力大于囊体产生的浮力时，飞行器开始向下加速；为了防止重心移动带来的俯仰角变化，通过导航控制计算机操纵升降舵面，以保持俯仰角稳定，并使飞行器主翼面垂直于空气来流方向，以减小气动力的水平分量。
所属类别：	发明专利