一种复合翼垂直起降无人机制造技术

本发明专利技术公开了一种复合翼垂直起降无人机，采用常规固定翼气动布局结合“X”形四轴布局，具有垂直起降、悬停、高速巡航等飞机状态。通过垂直尾翼上安装的变桨距螺旋桨和机翼上安装的具有倾角的四轴电机增加了偏航控制力矩，保证了大转动惯量复合翼无人机低速飞行状态下的鲁棒性和控制精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及垂直起降飞机
，特别是涉及一种复合翼垂直起降无人机。
技术介绍
固定翼垂直起降无人机兼顾固定翼无人机的高速飞行能力、久航能力和多轴无人机的垂直起降能力，因此，因为其实用价值，在工业无人机领域固定翼垂直起降无人机得到了的广泛推崇。现有固定翼垂直起降无人机大体分为三种形式:倾转动力式，尾座式和复合翼式。其中，复合翼垂直起降方案是以常规固定翼飞行器为基础，增加多轴动力单元，在垂直起降及低速状态下按照多轴模式飞行，通过多个螺旋桨产生向上的拉力克服重力和气动阻力进行飞行；而在高速状态下，按照固定翼模式飞行，通过机翼气动升力克服重力，通过拉力向前的螺旋桨克服气动阻力。与其他方式相比，复合翼垂直起降方案无需额外机构，结构简单;不存在大幅度飞行姿态变化，导航解算容易。因此，复合翼垂直起降方案是目前可靠性最高，技术风险最低的长航时垂直起降无人机方案，成为工业无人机研发领域的热点。然而，多轴模式的偏航控制是制约复合翼垂直起降无人机实用化的难点。大部分多轴无人机的控制是通过同时调整多个电机转速完成的，滚转、俯仰和偏航存在控制耦合，当三个方向指令值和测量值的偏差同时达到较高水平时，至少一个电机转速饱和，造成控制能力下降。多轴无人机的偏航控制力矩源于螺旋桨的转动阻力矩，其量值低于通过螺旋桨拉力与力臂产生的滚转控制力矩和俯仰控制力矩，当三个方向或两个方向(包括偏航方向)的指令值与测量值的偏差较大时，偏航方向将首先失去控制能力。由于复合翼无人机相比多轴无人机增加了机身、机翼等相对尺寸和重量较大的部件，其偏航转动惯量增量较大，偏航控制能力偏低的问题更为尖锐，轻者姿态控制精度下降，重者控制发散导致飞行事故。虽然调整控制器的参数和结构能在一定程度上延缓偏航控制饱和，但无法从根本上消除偏航控制能力的短板。
技术实现思路
针对上述现有技术中复合翼无人机飞行姿态的控制问题，本专利技术提供了一种复合翼垂直起降无人机，用于解决现有复合翼垂直起降无人机垂直起降和低速飞行状态下的偏航控制能力问题。为解决上述问题，本专利技术提供的一种复合翼垂直起降无人机通过以下技术要点来解决问题:一种复合翼垂直起降无人机，包括机身、固定于机身上且相对于机身的长度方向对称的机翼、固定于机翼上的垂直动力单元及固定于机身上的平飞动力单元，还包括固定于机身上的垂直尾翼，所述垂直尾翼上还设置有偏航控制单元和水平尾翼； 所述机翼固定于机身中段，所述机翼的后缘上铰接有两片副翼，两片副翼位于机身的不同侧； 所述垂直动力单元为四个，垂直动力单元包括垂直动力螺旋桨、电机和电子调速器，所述电子调速器用于控制电机的转速，所述电机用于制动垂直动力螺旋桨转动； 机身两侧的机翼上均设置有两个垂直动力单元，且位于机身同侧的两个垂直动力单元位于机身长度方向的不同位置，四个垂直动力单元相对于机身两两对称； 所述垂直尾翼固定于机身后端的上侧，所述垂直尾翼上开有通孔，所述偏航控制单元安装于所述通孔中，所述偏航控制单元包括可产生拉力向机身长度方向左侧或右侧的变桨距螺旋桨;所述水平尾翼相对于机身的长度方向对称，水平尾翼的后缘上还铰接有升降舵；所述平飞动力单元包括可产生沿着机身长度方向拉力的平飞螺旋桨。具体的，本专利技术提供的无人机在飞行时，具有多种飞行状态:高速状态、垂直起降及低速状态。高速状态下垂直动力单元不工作，平飞动力单元的拉力向前的平飞螺旋桨克服气动阻力，机翼产生气动升力，克服重力。副翼提供滚转控制力矩，升降舵提供俯仰控制力矩。垂直起降和低速状态下垂直动力单元的垂直动力螺旋桨提供的拉力的用于克服全机重力，4个垂直动力单元均有相对于无人机重心的滚转力臂和俯仰力臂，通过改变4个螺旋桨拉力提供所需的滚转控制力矩和俯仰控制力矩;偏航方向有通过如下途径提供控制力矩:偏航控制单元的变桨距螺旋桨具有相对于无人机重心的偏航力臂。本专利技术的提供的复合翼垂直起降无人机采用垂直尾翼上安装的变桨距螺旋桨提供偏航力矩，由于螺距响应速度高于转速响应速度，因此变桨距螺旋桨改变偏航力矩更快，与现有技术通过螺旋桨转动阻力矩控制偏航相比，本专利技术的偏航控制单元提高了偏航指令的响应速率，提高偏航控制效果。更进一步的技术方案为: 作为具体的垂直动力单元在机翼上的连接方案，还包括用于垂直动力单元与机翼固定连接的两根动力单元安装杆，两根动力单元安装杆分别固定于机身的不同侧，且安装杆的长度方向与机身的长度方向平行，各动力单元安装杆的端部均固定有一个垂直动力单元。以上结构中，便于实现在不改变机翼尺寸的情况下，将位于机身同侧的两个垂直动力单元设置得间距较远，以在改变单个垂直动力单元运行状态的情况下，获得更为基准的无人机飞行状态控制效果。由于本专利技术提供的无人机在垂直起降时，特别是在起飞时，垂直动力单元提供的拉力需克服无人机的重力，为利于动力单元安装杆与机翼连接点的受力情况，所述动力单元安装杆与机翼的底面固定连接。为使得垂直动力单元能够为本无人机提供偏航力矩，所述垂直动力单元的垂直动力螺旋桨轴线具有非零的安装倾角，垂直动力螺旋桨轴线的倾斜方向为相对于机身的长度方向向左或向右倾斜，以在垂直动力螺旋桨工作的过程中，垂直动力单元可产生向无人机左侧或右侧的分力。本方案中，本复合翼垂直起降无人机采用的偏航控制单元可以通过改变变桨距螺旋桨转速改变偏航力矩，而垂直动力单元的安装倾角使4个垂直动力单元产生的拉力具有水平分量，即向本无人机左侧或者右侧的水平分力，也能够提供偏航控制力矩;这两种途径保证了本专利技术的无人机最大偏航控制力矩相比现有技术大幅度提高，避免了偏航控制饱和对于无人机姿态控制的负面影响，提高了无人机的鲁棒性，这种有益效果在偏航转动惯量相对较大的复合翼垂直起降无人机上体现的更为显著。本方案提供的复合翼垂直起降无人机采用偏航控制单元和垂直动力单元的倾角一起控制偏航，使得偏航、滚转和俯仰控制解耦成为可能;通过控制力矩分配，可将垂直动力单元完全用于滚转和俯仰控制，而其产生的偏航力矩由偏航控制单元进行抵消，这样降低了无人机的控制难度，提高了复合翼垂直起降无人机的控制精度。本方案中，4个垂直动力单元的螺旋桨拉力具有水平分量和相对于重心的偏航力臂，能够产生偏航控制力矩，而垂直动力螺旋桨的转动阻力矩也基本沿偏航方向，因此，协调的改变这4个螺旋桨的转速，能够改变偏航力矩。所述垂直尾翼的后缘上还铰接有方向舵。所述方向舵用于实现本无人机在高速飞行状态下的偏航控制，该技术方案中，通过垂直动力单元、偏航控制单元以及偏航舵，便于获得对无人机更大的偏航控制力矩。即方向舵、垂直动力单元和偏航控制单元均可独立提供偏航控制力矩，也可以同时提供偏航力矩。作为用于制动平飞螺旋桨转动的驱动装置的具体实现形式，用于制动平飞螺旋桨转动的驱动装置为内燃机或电机。优选设置为驱动装置包括内燃机和电机，以使得对平飞螺旋桨具有两种驱动形式，利于本无人机高速飞行下的安全性。作为偏航控制单元的具体实现形式，所述偏航控制单元还包括偏航电机、偏航电子调速器和偏航舵机，所述偏航电子调速器用于控制偏航电机的转速，所述偏航电机用于制动变桨距螺旋桨转动，所述偏航舵机用于改变变桨距螺旋桨的螺距。本方案中，偏航控制单元的变桨距螺旋桨具有相对于重心的偏航力臂，协调改变偏航电子调速器和偏航舵机的指令可以调本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合翼垂直起降无人机，包括机身（1）、固定于机身（1）上且相对于机身（1）的长度方向对称的机翼（2）、固定于机翼（2）上的垂直动力单元（4）及固定于机身（1）上的平飞动力单元（8），其特征在于，还包括固定于机身（1）上的垂直尾翼（5），所述垂直尾翼（5）上还设置有偏航控制单元（6）和水平尾翼（7）；所述机翼（2）固定于机身（1）中段，所述机翼（2）的后缘上铰接有两片副翼，两片副翼位于机身（1）的不同侧；所述垂直动力单元（4）为四个，垂直动力单元（4）包括垂直动力螺旋桨、电机和电子调速器，所述电子调速器用于控制电机的转速，所述电机用于制动垂直动力螺旋桨转动；机身（1）两侧的机翼（2）上均设置有两个垂直动力单元（4），且位于机身（1）同侧的两个垂直动力单元（4）位于机身（1）长度方向的不同位置，四个垂直动力单元（4）相对于机身（1）两两对称；所述垂直尾翼（5）固定于机身（1）后端的上侧，所述垂直尾翼（5）上开有通孔，所述偏航控制单元（6）安装于所述通孔中，所述偏航控制单元（6）包括可产生拉力向机身（1）长度方向左侧或右侧的变桨距螺旋桨；所述水平尾翼（7）相对于机身（1）的长度方向对称，水平尾翼（7）的后缘上还铰接有升降舵；所述平飞动力单元（8）包括可产生沿着机身（1）长度方向拉力的平飞螺旋桨。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王陈，王利光，任斌，王进，
申请(专利权)人：成都纵横自动化技术有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51