阅读说明：本技术 一种基于太阳帆的可遥控电动风筝及其控制方法 (Remotely-controllable electric kite based on solar sail and control method thereof ) 是由 徐�明 陈琳 郑亚茹 和星吉 于 2019-09-04 设计创作，主要内容包括：一种基于太阳帆的可遥控电动风筝,包括帆面(1)、舵面(2)、框架(3)、舵机(4)、载荷、供电系统与控制系统(5)、风筝线与线轮(6)。框架(3)作为支撑和承力结构,帆面(1)固定连接在框架(3)上产生升力,舵机(4)固定连接在框架(3)上控制舵面(2)的旋转角度,舵面(2)在舵机(4)的控制下进行翻转或整体的扭转产生控制力。控制时,将可遥控电动风筝在空间内的运动分解为放线长度、高度角、方位角三个基本位移分量上的运动,通过对三个基本位移分量的分别调节,实现对可遥控电动风筝在任意方向上运动的控制。本发明可以解决现有技术中主动提供升力的无人机无法长时间留空作业,传统风筝随着风力变化无法完成指定方向运动的问题。(A remotely-controllable electric kite based on a solar sail comprises a sail surface (1), a control surface (2), a frame (3), a steering engine (4), a load, a power supply system and control system (5), a kite line and a line wheel (6). The frame (3) is used as a supporting and force bearing structure, the sail surface (1) is fixedly connected onto the frame (3) to generate lift force, the steering engine (4) is fixedly connected onto the frame (3) to control the rotation angle of the control surface (2), and the control surface (2) is turned over or integrally twisted under the control of the steering engine (4) to generate control force. During control, the motion of the remotely controllable electric kite in the space is decomposed into motion on three basic displacement components of the line releasing length, the altitude angle and the azimuth angle, and the motion of the remotely controllable electric kite in any direction is controlled by respectively adjusting the three basic displacement components. The invention can solve the problems that the unmanned aerial vehicle actively providing the lift force in the prior art can not carry out long-time air-leaving operation, and the traditional kite can not finish the movement in the appointed direction along with the change of wind power.)

一种基于太阳帆的可遥控电动风筝及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种中低空无人驾驶飞行器，尤其涉及一种基于太阳帆控制方案的可遥控电动风筝，适用于拍摄、侦查、高层作业、娱乐、健身等领域。

背景技术

现有的中低空无人驾驶飞行器，一般包括主动提供升力的无人机和被动提供升力的风筝。

无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，一般分为无人固定翼飞机、无人直升机、无人多旋翼飞行器、无人伞翼机等几类，这些无人机都是借助机上携带的能源，如汽油柴油、电池等来驱动动力装置以产生升力。无人机在军事、航拍、农业、动植物保护、测绘、救灾等领域应用广泛。风筝是起源于中国的一项传统工艺，它是借助风力来产生升力的一种无动力航空器，在军事、娱乐、文化等领域都有着一定的应用。

从实际应用效果来看，主动提供升力的无人机虽然可控，但是续航时间短，需要经常更换电池。而被动提供升力的风筝虽然可以持续飞行，但是难以控制其具***置，只能随风运动。两者均不适用于长时间的空中作业。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有技术中主动提供升力的无人机无法长时间留空作业，传统风筝随着风力变化无法完成指定方向运动的不足，提供了一种基于太阳帆的可遥控电动风筝及其操控方法，借鉴太阳帆的控制方案，对传统风筝的结构加以改进，加装可用于控制的空气舵，以此对风筝的姿态进行控制，使其可以实现对指定方向的运动，进而适用于长时间的空中作业，在多领域发挥用途。

本发明的技术解决方案是：一种基于太阳帆的可遥控电动风筝，包括帆面、舵面、框架、舵机、载荷、供电系统与控制系统、风筝线与线轮，其中：

框架：作为支撑和承力结构，为帆面、舵面、舵机、载荷、供电系统与控制系统的安装提供平台；

帆面：固定连接在所述框架上，通过相对与它有一定相对速度的气流吹过时产生的空气动力与风筝线传导到框架上的拉力将空气动力中的阻力部分相抵消后留下的空气动力分量产生升力；

舵机：固定连接在所述框架上，接收控制系统的控制信号，用于控制舵面的旋转角度；

舵面：与舵机相连接，在舵机的控制下进行翻转或整体的扭转，产生空气动力的改变，改变量作为控制力，对框架的整体运动进行控制；

载荷、供电系统与控制系统：载荷为可遥控电动风筝为了完成具体工作目标而搭载的设备，供电系统为载荷、舵机和控制系统供电，控制系统用于接收地面的控制指令，对风筝线与线轮的收放线、舵机的转动方向和角度、以及载荷的工作状态进行控制；

风筝线与线轮：风筝线缠绕在线轮上，风筝线的一端连接在框架上。

优选所述的框架为长方形，采用碳纤维杆作为骨架，并利用转接头进行相互连接。长方形的长宽比在3:1以下。

优选所述的帆面采用尼龙布，通过胶粘或缝制在框架上保持与框架之间的连接。

优选所述的舵机有偶数个，相对于框架的纵轴对称布置，使得与舵机相连接的舵面相对于框架的纵轴对称布置。

优选所述的舵面采用尼龙布，尼龙布的两端有着由硬质材料构成的边框，使得尼龙布的两端不会扭曲，并通过边框连接在舵机上。

优选所述舵面中，离纵轴最远的舵面与框架的骨架保持2～10cm的距离，同时两个相邻舵面之间间隔2～30mm。

一种基于太阳帆的可遥控电动风筝的控制方法，将可遥控电动风筝在空间内的运动分解为放线长度r、高度角β、方位角α三个基本位移分量上的运动，通过对放线长度r、高度角β、方位角α三者的分别调节，实现对可遥控电动风筝在任意方向上运动的控制。

优选所述高度角β通过控制对称于框架纵轴两侧的一对或者多对舵机旋转，带动与这些舵机连接的舵面的相对旋转来实现。

优选所述方位角α过控制框架上的一对或者多对舵机旋转，带动与这些舵机连接的舵面向同一方向进行旋转来实现。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明可遥控电动风筝相对于传统风筝，增加了用于控制的舵机、舵面，可以通过舵机控制舵面的旋转，控制舵面产生的气动力，得到对可遥控电动风筝的控制力，实现对可遥控电动风筝姿态和位置的调控，解决了传统风筝飞行时难以控制其姿态与位置的问题；

(2)本发明可遥控电动风筝的升力来源不需要靠自身提供，因此整个装置的耗电量相比于无人机很低，在同样使用同样电量的蓄电池进行供电时，可遥控电动风筝的工作时间显著高于无人机，此外，可遥控电动风筝也可以采用有线供电方式进行供电，彻底解决空中作业的续航问题，实现长时间的空中作业；

(3)本发明可遥控电动风筝的控制策略通过将其所在点在三维空间中的运动分解为放线长度r，方位角α，高度角β三个基本分量上的变化，提出对三个基本分量的控制策略，并实现对于三个基本分量的控制。而任意一点在空间中的运动都可以分解为放线长度r，方位角α，高度角β这三个基本分量上的变化，并通过对这三个分量的控制完成该运动。该控制策略简单可靠，易于理解，方便对于可遥控电动风筝的控制；

(4)本发明可遥控电动风筝造价低廉，同时结构简单，维护方便，可以大大降低空中作业的经济成本，促进空中作业相关产业的发展；

(5)本发明可遥控电动风筝可以如同传统风筝一般，通过多个风筝相互连接，增加可用负载，可以适应各种负载情况下的使用场景。可遥控电动风筝可以按照指定的运动规律运动，因此可以通过多个可遥控电动风筝形成阵列，集群化工作，在测绘、航拍等领域发挥重大优势。

附图说明

图1为本发明可遥控电动风筝的整体结构图；其中：1.帆面，2.舵面，3.框架，4.舵机，5.载荷、供电系统与控制系统，6.风筝线与线轮；

图2为本发明可遥控电动风筝的风筝线与线轮结构图；

图3为本发明可遥控电动风筝框架及舵机结构图；

图4为本发明可遥控电动风筝的舵面结构图；

图5为本发明可遥控电动风筝控制时的坐标系及控制量示意图；

图6为本发明可遥控电动风筝方位角α控制舵面偏转图；

图7为本发明可遥控电动风筝高度角β控制舵面偏转图。

具体实施方式

太阳帆是一种利用太阳光子冲击太阳帆面后获得动力的新型航天器，它可以得到持续的冲击力。尽管太阳光产生的冲击力很小，但是这种连续推力在真空的太空环境下却会使太阳帆获得的动量值持续增加。

通常，航天器在太空中会受到摄动力的影响而产生姿态角的改变，因此需要不断的对航天器的姿态进行控制。对于太阳帆来说，可以通过对叶片旋转角度的改变，进而对太阳帆的姿态角进行控制，保证太阳帆在轨道上的正常运行。

太阳帆利用太阳光压作用可在太空环境下获得持续动力，生成轨道面偏离于中心天体的悬浮轨道。利用该特性，可将太阳帆应用于近地编队任务之中，通过太阳光压作用，将轻质子帆固定放置在主星一侧，从而得到稳定的相对基线且与星下点轨迹保持横截。基于太阳帆的横截编队可大大改善传统编队任务的周期性变化基线，更适用于测绘、遥感、侦察、InSAR等对地成像和3D地形建模等太阳同步轨道任务。

基于此，本发明设计了可遥控电动风筝的结构，并基于太阳帆的控制方案，结合新式风筝的结构设计新型的控制策略。

为了使得可遥控电动风筝可以在各个自由度上可以受控，本发明结合太阳帆和传统风筝的异同之处，设计可遥控电动风筝的结构，具体如图1所示，其中1为帆面，2为舵面，3为框架，4为舵机，5为载荷、供电系统与控制系统，6为风筝线与线轮；

本发明可遥控电动风筝主要由六部分构成：

第一部分是由收放风筝线的风筝线与线轮6组成，它们由人工或者由电机控制收放风筝线，达到在风筝线方向上的运动控制。这里的风筝线采用能承受高拉力的尼龙绳或者凯拉夫绳等材料，线轮采用内部有电机驱动的风筝线轮，结构如图2所示，可以通过驱动电机来收放风筝线，达到改变放线长度r的目的。

第二部分是由风筝的框架3组成，它由支撑材料和连接部分构成，对各部分起到一个连接和支撑的作用，它由风筝的受力和材料的强度来设计，并留有一定的强度余量。

具体的，框架3是可遥控电动风筝的承力和维持外形的结构，采用碳纤维杆作为骨架，并利用转接头进行相互连接。帆面1和舵机4都直接连接在框架3上面，将所受到的空气阻力、升力、重力传到到其上，同时风筝线也连接在框架3上，传递绳上的拉力。具体结构如图3所示。框架3一般为矩形或沿纵向中轴形成一定夹角的两个矩形构成的空间形状，(纵向中线为矩形两长边中点的连线所在的直线或两矩形共用边所在直线)，后者具备一定的自稳定特性，当环境对稳定性要求较低时，采用矩形构形，当环境干扰较大时，采用沿纵向中轴形成一定夹角的两个矩形的自稳定构形。为保证稳定性，矩形长宽比一般在3:1以下，舵面2的总面积和太阳帆总面积之比根据对于控制的要求不同一般在0.2到0.6之间，同时舵面2的总个数一般为偶数，尽量远离纵向中轴并对称地分布在两侧以方便取得较大力矩以调节姿态，但离纵向中轴最远的舵面2应与框架3的骨架保持2～10cm的距离，同时两个相邻舵面之间视加工精度和可遥控电动风筝的尺寸大小留出2～30mm的间隔，并在确定舵面2的个数和安装位置后决定舵机4的个数和相应的安装位置。在舵面2没有覆盖的部分布置帆面1，帆面1直接与框架3相连，采用胶粘等方式固定在框架3上。舵机4以胶粘、螺栓连接等方式固定在框架3上。框架3的骨架部分由中空的碳纤维管构成，给舵机供电的电路直接经由碳纤维管内部将舵机4与供电系统相连，以避免风吹日晒和雨淋对于供电系统和控制系统的影响。框架3的转接头由硬质树脂或铝等低密度、高强度、脆性低的材料制成，中间为空心，可以使电线通过。

第三和第四部分由风筝的帆面1和舵面2构成，主要由帆面1来提供升力，由舵面2来控制风筝的运动，根据不同的使用情况，可以更改风筝帆面1与舵面2的面积比来实现更好的使用效果。

具体的，帆面是可遥控电动风筝中主要提供升力的部分，它由尼龙布等常用于风筝制作的高强度且不透风的布材制作，并通过胶粘或缝制在框架3上保持与框架3之间的连接。它是通过相对与它有一定相对速度的气流吹过时产生的空气动力与风筝线传导到框架3上的拉力将空气动力中的阻力部分相抵消后留下的空气动力分量产生升力的。

舵面2是可遥控电动风筝中提供控制力的部分，布材料选择与帆面1相同，它的边缘有着由高强度且密度低的材料如工程塑料、碳纤维杆等构成的边框，使得其边缘不会扭曲，并通过硬质材料构成的边框连接在舵机4上，由舵机4的旋转控制舵面2的翻转，由于舵面2的翻转后产生的空气动力会发生改变，改变量就可以作为控制力，因此可以通过对多个舵面2的翻转的控制，对可遥控电动风筝的整体运动进行控制，舵面2的结构如图4所示。整体为长方形薄片状，中间是一张风筝布，边缘通过边框固定，并在两端有着与舵机4相互固定的接口，用以将舵机4与舵面2之间相互固定，使得舵机4可以控制舵面2的翻转。

第五部分是由操纵舵面的舵机4构成，选取质量轻，功率适中的舵机以达到降能耗和增大风筝可用负载的效果。

具体的，舵机4是由可以通过输入电信号改变旋转角度的舵机构成，它的电源线连接在供电系统上，控制信号的输入线则连接到控制系统上，由控制系统控制其具体旋转角度。同时舵机4连接在框架上，具体结构如图3所示。

第六部分是由载荷、供电系统与控制系统5组成，可以沿风筝线从地面向风筝输送电力，同时传递控制信号，也可以将电源安装在风筝上面，并通过无线电通讯进行控制。

载荷、供电系统与控制系统5中，载荷是可遥控电动风筝为了完成具体工作目标而搭载的设备。供电系统是为控制舵机4旋转和为载荷可能的用电需要而服务的设备，可以通过在风筝线中加入供电线从地面直接供电，解决大功率载荷在无人机平台上无法长时间运转的问题，同时由于舵机所需用电量很小，在载荷用电量也很小的情况下也可以利用蓄电池进行长时间供电。控制系统则是对地面传来的信号进行处理，使其转化成发送给舵机4和载荷的装置，一般采用微机芯片、单片机等电子设备。

由于可遥控电动风筝在空间内的运动，都可以分解为放线长度r、高度角β、方位角α三个基本位移分量上的运动，因此通过对放线长度r、高度角β、方位角α三者的分别调节，便可以实现任意方向上的运动，达到对可遥控电动风筝的运动控制的效果。

在可遥控电动风筝的运动控制中，以地面操纵者为坐标原点，正东方向为x轴正方向，正北方向为y轴正方向，垂直向上方向为z轴正方向建立地面惯性坐标系，并以风筝到地面操纵者的放线长度r，连线与xoy平面的夹角β(高度角)，x轴正方向与连线和z轴形成的平面之间的夹角α(方位角)这三者来确定风筝在地面惯性坐标系中的位置。具体如图5所示。

在可遥控电动风筝的控制策略中，本发明控制方法就将实现对这三个基本位置分量的控制，从而实现对可遥控电动风筝的任意操纵。对于这三个基本位移分量，本发明有着不同的操纵策略。

首先是放线长度r，这是最容易操纵的一个位移分量。只需要操控风筝线轮，进行收放线操作，即可实现对r的调节。为达到对放线长度r的控制，可以对线轮中的电机发送控制信号，使其旋转δr/2π周，达到使放线长度改变δr。

其次是高度角β，可以通过将对称于纵向中轴的一到多对舵面2对称旋转，如图6所示，使得舵面产生的空气动力在不产生侧向力分量的情况下改变升力分量的大小，进而使得该平面旋转一个角度δβ以使总空气动力、重力、风筝线的拉力达到新的平衡，使得高度角β改变δβ。由于风筝在空间保持稳定时是受力平衡的，因此改变升力也必定会改变高度角β，这样就可以对高度角β进行调节了。

最后是方位角α，通过对一到多个舵面2进行同一方向的旋转，如图7所示，使得舵面产生的空气动力在风筝、原点、风筝在地面的垂直投影三点构成的平面的法线方向产生一个侧向力分量，在受到这个侧向力后风筝的受力平衡会被打破，会向着受到的侧向力方向运动，与此同时，由于方向角α的改变，风筝线上的拉力将有一部分与侧向力相抵消，进而使得该平面旋转一个角度δα以使总空气动力、重力、风筝线的拉力达到新的平衡，这样就实现了对方向角α的调节，使得方向角α改变δα。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。