一种可拆卸的尾座式垂直起降无人机制造技术

本实用新型专利技术提供了一种可拆卸的尾座式垂直起降无人机，机翼与机身之间可拆卸组装。机翼与机身形成两种布局。X型布局：机身上安装两对机翼，两对机翼左右对称，每对机翼上下对称，每对机翼的夹角是120度，四个机翼成X型。Y型布局：机身上安装三个机翼，相邻两个机翼之间的夹角为120度，三个机翼成Y型。X型布局的无人机适用于无风情况下长距离飞行的情况，Y型布局的垂直起降无人机适用于有侧向风情况下相对短距离飞行的情况。本实用新型专利技术结构简单、控制简单，机翼与机体之间是可拆卸的连接方式，适用于不同的场合，避免了过渡模式下的奇异问题，可实现长航时、长航程。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于飞行器结构设计领域，涉及飞行器外形设计、气动分析以及控制器的设计。
技术介绍
垂直起降飞行器(VTOL)的准确定义是：能够以零速度起飞/着陆，具备悬停能力，并能以固定翼飞机的方式水平飞行。与传统飞机相比，垂直起降飞行器对跑道无依赖，且具有可悬停的优势。与传统直升机相比，垂直起降飞行器具有高得多的前飞速度，并具有更大的航程。正因为具备这些优点，垂直起降飞行器尤其适用于需要悬停或对起降场地有特殊要求的场合。垂直起降无人机大致能分为三种类型，一类是倾转式旋翼机，另一类是尾座式无人机，还有一类是矢量推进式。倾转机身式和倾转旋翼式飞行器需要复杂的旋转机构，而矢量推进式飞行器的发动机结构过于复杂；相对而言，尾座式飞行器的构形简单，其结构与固定翼飞行器类似，可在其基础上通过加装尾部起落支架，更换大推力发动机，增大控制舵面等一系列改造而来。尾座式飞行器在起飞时机尾坐地机头朝上，在发动机的推动下垂直起飞，到达一定高度和速度时拉低机头转为水平飞行；降落时首先拉高机头爬升使机头朝上，然后减小发动机推力缓慢降落在指定位置。尾座式无人机融合了旋翼无人机和固定翼无人机的优点。一方面尾座式无人机具有垂直起降功能，因此不需要起降跑道，或者弹射和回收等附属装置，部署时间短，可以部署在地形复杂的丘陵山地和城市街道，甚至是小型水面舰艇和潜艇上。另一方面，尾座式无人机拥有高速水平巡航功能，这种飞行状态下无人机的效率高，这对于电池和燃油有限的无人机具有很大优势。尾座式无人机这些独特的优越性使其在民用、军事和科研领域得到广泛应用。综合当前的垂直起降无人机来看，其设计难点有以下三个。一是外形结构的设计。良好的外形结构设计以及气动布局设计能够使得无人机性能充分发挥出来，并且为控制系统的设计带来方便。二是过渡模态的设计。垂直起降无人机的飞行模式包括三种，一种是垂直起降模式，一种是平飞模式，另一种是所谓的过渡模式。很显然对前两种模式的设计可以类似多旋翼以及固定翼的控制设计。而过渡模态涉及到俯仰角变化超过90度，传统的欧拉角运动会带来奇异问题，而且过渡过程并不是唯一的，二是速度与姿态角的多变量组合问题，这涉及到过渡飞行过程中的优化问题。三是过渡模态的姿态描述以及这个飞行过程中的控制律的设计。首先，过渡模态涉及到俯仰角变化超过90度，会带来奇异问题，除此在过渡飞行过程中无人机的气动模型发生剧烈的变化，这对整个飞行过程中的控制器设计带来一定的困难。
技术实现思路
本技术采用了将旋翼与固定翼结合的方式，提供了一种可拆卸的尾座式垂直起降无人机，并设计了在过渡模式下的控制率，以避免过渡模式下的奇异问题。本技术提供的可拆卸的尾座式垂直起降无人机，机翼与机身之间可拆卸组装，机翼与机身形成两种布局，一种是X型布局，一种是Y型布局。X型布局是：机身上安装两对机翼，两对机翼左右对称，每对机翼上下对称，每对机翼的夹角是120度，四个机翼成X型。机身的前部布置有两个鸭翼，每个机翼上固定连接有一个电机，每个电机上安装有一个螺旋桨。机身上部的左右两个机翼上，通过铰链各固定安装有一个俯仰操纵舵。Y型布局是：机身上安装三个机翼，相邻两个机翼之间的夹角为120度，三个机翼成Y型。机身的前部布置有两个鸭翼，每个机翼上固定连接有一个电机，每个电机上安装有一对正反螺旋桨。机身上部的两个机翼，通过铰链各固定安装有一个俯仰操纵舵。机身下部的机翼，通过铰链固定安装有一个偏航操纵舵。本技术一种适用于快递的垂直起降无人机，其相对现有技术，优点与积极效果在于：(1)结构简单，由于机翼与机体之间是拆卸/固定连接，因此相对于倾转旋翼机来说，过渡模态过程中机翼与机体之间无需相对转动，不需要相应控制部件。(2)控制简单。垂直飞行状态下，机体质量主要分布在竖直方向，整机相当于X型旋翼，具有良好的对称性，控制简单。水平飞行状态下，以普通固定翼方式飞行，飞行速度高，节省能源，控制简单。过渡飞行状态下，推力相对于机体同步换向，转换过程简化为固定翼飞机的机动动作。由于控制输入有8个，分别是4个电机转速和2个俯仰操纵舵以及2个鸭翼，使得整个无人机系统是一个完整可控系统，因此控制操作简单，便于实现。(3)机翼可拆卸/组装，功能丰富。机翼与机体之间是可拆卸的连接方式，适用于不同的场合。(4)在机体前部设计两个鸭翼，一方面鸭翼布局能够提升无人机在大迎角性能，另一方面鸭翼布局还能在俯仰方向上提供一定的配平力矩，增加控制量，对于系统的稳定操纵性有一定的提高。(5)航时长、航程长。水平飞行模式下通过机翼增加巡航时所需升力，减少能量消耗，从而实现大载荷下长航时、长航程飞行和垂直起降。附图说明图1是本技术的可拆卸的尾座式垂直起降无人机的X型布局示意图；图2是本技术的X型布局无人机的平面示意图；其中，a为右视图，b为俯视图，c为后视图；图3是本技术的可拆卸的尾座式垂直起降无人机的Y型布局示意图；图4是本技术的Y型布局无人机的平面示意图；其中，a为俯视图，b为右视图，c为后视图；图5是本技术所使用的IMU的结构示意图；图6是本技术的X型布局无人机的一个仿真示意图；(A)为升力系数和攻角的关系示意图；(B)为阻力系数和攻角的关系示意图；(C)为俯仰力矩系数和攻角的关系示意图；(D)为升阻比和攻角的关系示意图。图中：1-电机；2-鸭翼；3-俯仰操纵舵；4-电机与机体固定装置；5-机翼；6-偏航操纵舵。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。如图1所示，本技术的新型可拆卸尾座式垂直起降无人机，包括电机1、鸭翼2、俯仰操纵舵3、电机与机体固定装置4、机翼5以及机身。其中机体内部装有电子调速器、自动驾驶仪、数据传输模块以及电池等。无人机上安装有超声波传感器、摄像头、红外传感器等。超声波传感器用于测量无人机与外界物体的距离，避免撞上其它物体。摄像头用于采集图像，通过图像识别软件，实现辨识物体的功能和降落过程中的导航与定位功能。红外传感器用来探测温度，解决具有一定温度的问题，可用来实现避免碰触动物或人体的功能。本技术的可拆卸的尾座式垂直起降无人机，机翼与机身之间可拆卸组装，通过不同的机翼与机体的组合方式，机翼与机身可形成两种布局，一种是X型布局，一种是Y型布局。这两种布局能够用于不同的场合。X型布局的垂直起降无人机适用于无风情况下长距离飞行的情况，因为其等效翼面积大，升力大，耗能少，飞行距离远，但是他有一个缺点，就是方向控制不灵敏，需要采用螺旋桨的差动偏航，效率低下。因此，这就要产生了Y型结构的布局。Y型布局的垂直起降无人机适用于有侧向风情况下相对短距离飞行的情况，下边的翼面可以有效的提供航向阻尼，控制舵面可以提供方向操纵输入。X型布局即无人机的机身上可安装两对共四个机翼5，每对机翼上下对称，两对机翼左右对称，每对机翼的夹角是120度，左右相邻两个机翼的夹角为60度，四个机翼成X型。如图1和图2所示，机翼对称分布，并且带有反弯翼型，其前部有正弯度，零俯仰力矩对应的攻角为正值。在翼展有限的情况下，能有效的增加机翼面积，进而增加升力。采用这种X型布局，这样做的好处是增大了机翼面积，升力增大，而且这种夹角能使得气动效果最佳。对称轴为机身中轴线所在垂直或水平平面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可拆卸的尾座式垂直起降无人机，其特征在于，机翼与机身之间可拆卸组装，机翼与机身形成两种布局，一种是X型布局，一种是Y型布局；X型布局是：机身上安装两对机翼，两对机翼左右对称，每对机翼上下对称，每对机翼的夹角是120度，四个机翼成X型；机身的前部布置有两个鸭翼，每个机翼上固定连接有一个电机，每个电机上安装有一个螺旋桨；机身上部的左右两个机翼上，通过铰链各固定安装有一个俯仰操纵舵；Y型布局是：机身上安装三个机翼，相邻两个机翼之间的夹角为120度，三个机翼成Y型；机身的前部布置有两个鸭翼，每个机翼上固定连接有一个电机，每个电机上安装有一对正反螺旋桨；机身上部的两个机翼，通过铰链各固定安装有一个俯仰操纵舵；机身下部的机翼，通过铰链固定安装有一个偏航操纵舵。

【技术特征摘要】
2016.06.17 CN 20161043763421.一种可拆卸的尾座式垂直起降无人机，其特征在于，机翼与机身之间可拆卸组装，机翼与机身形成两种布局，一种是X型布局，一种是Y型布局；X型布局是：机身上安装两对机翼，两对机翼左右对称，每对机翼上下对称，每对机翼的夹角是120度，四个机翼成X型；机身的前部布置有两个鸭翼，每个机翼上...

【专利技术属性】
技术研发人员：王忆宁，于江龙，张远，徐兵，李清东，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：新型
国别省市：北京;11