一种混合布局旋翼无人机多模态飞行转换控制方法技术

本发明专利技术公开了一种混合布局旋翼无人机多模态飞行转换控制方法，涉及无人机飞行控制技术领域。基于复合式多模态多用途飞行器，将飞行器划分为五种飞行模态，飞行转换控制方法分别针对起飞/投放阶段、任务到达阶段、任务执行阶段、任务撤离阶段、降落/回收阶段，给出七种模态转换方式和转换时机。本发明专利技术可以合理地使无人机在多种模态间转换以适应不同的任务需求，充分发挥混合布局旋翼无人机的多模态飞行能力和多任务能力；能够充分发挥无人机具备的常规的陆地起降能力，也能够利用其灵活的水面/舰载/车载/机载投放等部署方式，并充分发挥其高速巡航能力和低空低速能力，使其具备快速到达和撤离及低速低空执行任务的能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种混合布局旋翼无人机多模态转换控制方法，涉及无人机飞行控制

技术介绍
旋翼类飞行器根据旋翼是否驱转，可以分为：直升机和自转旋翼机（简称为旋翼 机）。直升机可实现垂直起降和低空悬停，并具有优越的机动性能，可实现悬停、垂直飞行、 倒飞及侧飞等。但直升机存在结构复杂，振动和噪声较高、速度上限较低。旋翼机与直升机 相比，旋翼机结构简单，空重比低，造价低，而且气动效率更高，与固定翼飞机相比，旋翼机 可以短距起飞着陆，且低速飞行性能好，不易失速。近年来，旋翼机的独特优势及其在商业 和军事上的应用潜力逐渐受到重视，再次成为航空领域关注的热点。 但旋翼机存在以下问题：旋翼机虽然可以通过预旋，实现跳飞或超短距起飞，通过 旋翼高效地减速实现超短距降落，但旋翼机无法像固定翼飞机一样高速飞行，同时也不具 备垂直起降能力和悬停能力。 在申请号为201410852017. X的专利文献中公开了一种复合式多模态多用途飞行 器，基于桨尖喷气技术，将固定翼、直升机、旋翼机三种气动布局进行融合，提出了基于桨尖 喷气的混合布局旋翼飞行器。起降时，通过桨尖喷气发动机驱转旋翼，以直升机的方式实现 垂直起降。低速飞行时，主要由自转旋翼提供拉力，高速飞行时，通过调节桨盘倾角及旋翼 总距，降低旋翼转速，使旋翼卸载，使用升阻比更大的机翼承担大部分升力，提高整机的升 阻比，提高飞行速度。所述的复合式多模态多用途飞行器也称混合布局旋翼飞行器，具有以 下特点：（1)采用旋翼/固定翼相结合的混合式气动布局，需要根据总体性能需求进行气动 布局的综合优化设计；（2)能够实现垂直起降、短距起降，悬停和低速飞行；(3)能够实现高 速巡航飞行；（4)具有多种飞行模态，不同的模态时飞行器采用不同的气动构型、升力/推 力提供方式和控制方式。 无人混合布局旋翼机是混合布局旋翼飞行器技术和无人机技术的融合发展的结 果，一方面源于无人机多任务能力的发展需求，另一方面也弥补了混合布局旋翼有人机操 控困难、飞行员训练难度较大的问题。无人混合布局旋翼机代表了未来无人机技术发展的 一个重要的趋势，即通过采用创新的混合布局形式使得无人机同时具有直升机的垂直起 降、空中悬停能力及固定翼飞机的高速巡航能力，以提高其综合性能和任务适应性，满足不 同的任务需求。 混合布局旋翼无人机在拓展飞行包线、增强任务适应性的同时也带来了很多技术 难题：首先，由于混合布局旋翼无人机采用了旋翼-固定翼混合气动布局，在不同的包线下 可以采用不同的气动构型、不同飞行模态，需要明确混合布局旋翼无人机可以实现的飞行 模态及不同飞行模态的飞行机理；其次，需要确定混合布局无人机可实现的模态转换方式， 以及混合布局旋翼无人机从一种模态到另一种模态的平稳、安全、高效的转换方法。最后， 需要明确在实际任务中如何使用混合布局旋翼无人机，充分发挥其多模态飞行能力和多任 务能力。
技术实现思路
本专利技术针对已提出的一种复合式多模态多用途飞行器，【申请号】201410852017. X， 给出飞行器多模态划分及飞行机理，并给出所述飞行器模态划分、模态转换方式及模态转 换方法，以期为同类混合布局旋翼飞行器的模态转换飞行提供参考。 针对现有的复合式多模态多用途飞行器，本专利技术提供一种混合布局旋翼无人机多 模态飞行转换控制方法，所述的多模态是指自由自转旋翼模态、拖曳自转旋翼模态、桨尖喷 气驱转旋翼模态、固定翼模态和机载预投放模态，所述的多模态飞行转换控制方法包括： 起飞/投放阶段采用自由自转旋翼模态起飞、驱转旋翼模态起飞、拖曳自转旋翼 模态起飞或载机空投方式起飞（机载预投放模态）。采用拖曳自转旋翼模态起飞后，需要脱 离载具，增大飞行范围时，进行模态转换5,即拖曳自转旋翼模态转换到自由自转旋翼模态。 所述的机载预投放模态可以根据需要进行模态转换6和模态转换7,即机载预投放模态转 换到自由自转旋翼模态，机载预投放模态转换到固定翼模态。 任务到达阶段，可以保持拖曳自转旋翼模态，或使无人机从自由自转旋翼模态转 换至固定翼模态（模态转换2)，或从驱转旋翼模态转换至固定翼模态，或从驱转旋翼模态 转换至自由自转旋翼模态（模态转换1)。 任务执行阶段，可以采用拖曳自转旋翼模态、或固定翼模态、或从固定翼模态转换 至自由自转旋翼模态（模态转换3)，或从自由自转旋翼模态转换至驱转旋翼模态（模态转 换4)，或从驱转旋翼模态转换至自由自转旋翼模态（模态转换1)。 任务撤离阶段，采用固定翼模态撤离，或者采用拖曳自转旋翼模态撤离，需要从驱 转旋翼模态经过自由自转旋翼模态转换至固定翼模态（模态转换1+模态转换2)。 降落/回收阶段，采用拖曳自转旋翼模态、自由自转旋翼模态或驱转旋翼模态，需 要从固定翼模态转换至自由自转旋翼模态（模态转换3)，或者从固定翼模态转换至驱转旋 翼模态（模态转换3+模态转换4)。 所述模态转换1的转换方法为：桨尖喷气驱转旋翼模态通过旋翼总距、周期变距、 俯仰角、滚转角配平，并通过逐渐增大后推螺旋桨的推力来增大前飞速度，进入低速前飞状 态；在速度增加的过程中固定翼提供部分升力，旋翼转速、总距逐渐降低，当速度增大到标 称转换速度v a之后，关闭桨尖喷气推进系统，固定旋翼总距，旋翼进入自由自转旋翼模态， 此时仍通过旋翼总距、周期变距、俯仰角、滚转角实现配平。 所述模态转换2的转换方法为：保持自由自转旋翼的控制方式不变，增加后推螺 旋桨推力，持续提高空速，在空速增加的过程中固定翼提供的升力增大，旋翼转速降低，旋 翼拉力被部分卸载，当空速达到标称转换空速V b时，接入转速控制器A，通过总距和纵向周 期变距将自转旋翼稳定在较低转速，无人机进入高速的固定翼模态。控制方式由气动 -旋 翼混合控制，转入纯气动舵面的控制方式。 所述模态转换3的转换方法为：处于固定翼模态的无人机，首先要关闭转速控制 器A，减小推进发动机推力，同时增加桨盘迎角以增加流入桨盘的气流。在这个过程中，自 转旋翼在有效地降低空速的同时提供了自身转速，无人机可以平稳地进入自由自转旋翼模 态，控制方式由纯气动舵面控制方式，经过气动-旋翼混合控制方式。 所述模态转换4的转换方法为：处于自由自转旋翼模态的无人机，首先打开桨尖 的H20 2催化分解发动机和转速控制器B，随着旋翼的转速提高，控制方式由周期变距+方向 舵，转入周期变距+差动推力的控制方式，无人机进入桨尖喷气驱转旋翼模态。 所述模态转换5的转换方法为：处于拖曳自转旋翼模态的无人机，首先要打开后 推发动机，释放无人机段缆绳，控制方式保持周期变距+方向舵的控制方式不变。 所述模态转换6的转换方法为：转换时载机释放无人机，无人机解除旋翼的锁定， 并打开后推螺旋桨，在滑翔的过程中，气流吹动旋翼进入自由自转状态，控制方式与自转旋 翼模态相同。 所述模态转换7的转换方法为：转换时载机释放无人机，无人机解除旋翼的锁定， 并打开后推螺旋桨，在滑翔的过程中，气流吹动旋翼进入自转状态，打开转速控制器A，控制 旋翼低速旋转，固定翼提供主要升力。控制方式与固定翼模态相同。 本专利技术的有益效果如下： (1)本专利技术明确了复合式多模态多用途飞行器的飞行模态，并给出了不同模态飞 行器的控制机理； (2)本专利技术给出了混合布局旋翼无人机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合布局旋翼无人机多模态飞行转换控制方法，其特征在于：所述的多模态是指自由自转旋翼模态、拖曳自转旋翼模态、桨尖喷气驱转旋翼模态、固定翼模态和机载预投放模态，所述的多模态飞行转换控制方法包括：起飞/投放阶段，采用自由自转旋翼模态起飞、驱转旋翼模态起飞、拖曳自转旋翼模态起飞或载机空投方式起飞，采用拖曳自转旋翼模态起飞后，需要脱离载具，增大飞行范围时，进行模态转换5，即拖曳自转旋翼模态转换到自由自转旋翼模态；所述的机载预投放模态根据需要进行模态转换6和模态转换7，即机载预投放模态转换到自由自转旋翼模态，机载预投放模态转换到固定翼模态；任务到达阶段，保持拖曳自转旋翼模态，或使无人机从自由自转旋翼模态转换至固定翼模态，对应模态转换2，或从驱转旋翼模态转换至固定翼模态，或从驱转旋翼模态转换至自由自转旋翼模态，对应模态转换1；任务执行阶段，采用拖曳自转旋翼模态、或固定翼模态、或从固定翼模态转换至自由自转旋翼模态，对应模态转换3，或从自由自转旋翼模态转换至驱转旋翼模态，对应模态转换4，或从驱转旋翼模态转换至自由自转旋翼模态，对应模态转换1；任务撤离阶段，采用固定翼模态撤离，或者采用拖曳自转旋翼模态撤离，需要从驱转旋翼模态经过自由自转旋翼模态转换至固定翼模态，对应模态转换1+模态转换2；降落/回收阶段，采用拖曳自转旋翼模态、自由自转旋翼模态或驱转旋翼模态，需要从固定翼模态转换至自由自转旋翼模态，对应模态转换3，或者从固定翼模态转换至驱转旋翼模态，对应模态转换3+模态转换4。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡志浩，林清，闫坤，王英勋，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11