一种增强栖落末段俯仰控制性能的固定翼无人机制造技术

本发明专利技术涉及一种增强栖落末段俯仰控制性能的固定翼无人机，在传统固定翼无人机构型的基础上在尾翼部位增加一对小型的动力螺旋桨组件，该组件由电机安装座、小型无刷电机和桨叶三部分组成，所述两个动力螺旋桨组件在工作时分别按照顺时针和逆时针方向旋转，从而在尾翼部位分别产生向上和向下的拉力，这一对拉力相对于无人机重心分别使无人机产生低头力矩和抬头力矩。在栖落机动末段，由于飞行速度较低，传统固定翼无人机升降舵的操纵舵效很低，使得俯仰姿态难以精准控制，而本固定翼无人机利用所述动力螺旋桨组件可提供较强俯仰控制力矩，进而解决传统固定翼无人机在栖落末段俯仰姿态难以精准控制的问题。

A fixed wing UAV to enhance the performance of pitch control at the end of landing

【技术实现步骤摘要】
一种增强栖落末段俯仰控制性能的固定翼无人机
本专利技术涉及无人机
，尤其是涉及一种用于栖落机动的固定翼无人机。
技术介绍
自莱特兄弟专利技术第一架飞机以来，人类便实现了像鸟一样可以在空中飞翔，但仍未能很好的实现像鸟一样自由的栖落。栖落一词源于对大自然中鸟类飞行的研究，栖落特点使其不需要一直在空中飞行，可以灵活停靠在树枝及地面上以节约自身能量消耗，发现并捕食猎物。无人机若能够像鸟一样可以快速停靠在电线杆、建筑外墙、树枝等位置，则能够进一步增加滞空时间，进而实现全天候的情报收集、监视与侦查。对于侦查任务来说，在战区持续滞空对于任务完成至关重要，特别是在战场环境中，敌人的行为和习惯必须处于持久监视下。而执行侦查任务，尽量降低能量消耗是保持持续侦查的关键，而无人的栖落侦查便是一种耗能较低的方式。在现有的无人机中，旋翼类无人机可以实现空中悬停和稳定栖落，但其在飞行过程中耗能较大且飞行速度较低，无法同时满足快速飞行与稳定栖落的需求。传统构型的固定翼类无人机飞行速度较快，但很难实现像鸟一样快速栖落，主要原因有两点，其一是在栖落末段无人机容易出现大迎角失速现象，失速使得流经机翼表面的气流出现分离现象，进而表现出非常复杂的气动力现象，使飞机出现不稳定飞行。其二是在栖落末段飞行速度很低，此时舵面执行机构的操纵效率很低，导致依靠舵面偏转很难实现对飞机姿态准确控制。针对以上阐述本专利技术提出在无人机尾翼部位增加一对旋翼螺旋桨组件来解决栖落末段俯仰姿态难以控制的问题。
技术实现思路
要解决的技术问题为了解决传统固定翼无人机在栖落末段飞行速度低、舵面执行效率低而导致的俯仰姿态控制困难问题。本专利技术提出一种增强栖落末段俯仰控制性能的固定翼无人机。技术方案一种增强栖落末段俯仰控制性能的固定翼无人机，其特征在于沿着飞机纵轴中心线，按照前后放置的方式在飞机尾翼部位且不超过飞机平尾的前边线的位置处安装一对动力螺旋桨组件，所述螺旋桨组件包括电机安装底座、无刷电机和桨叶三部分；桨叶安装在无刷电机上，无刷电机安装在电机安装座上并带动桨叶旋转产生拉力；两个无刷电机旋转方向相反；两螺旋桨组件产生的拉力方向相反，靠近飞机平尾的螺旋桨组件产生的拉力方向向上，远离飞机平尾的螺旋桨组件产生的拉力方向向下；当飞机进入栖落末段后，通过控制两个螺旋桨组件的拉力改变飞机所受的俯仰力矩，从而实现俯仰姿态的精确控制。有益效果本专利技术提出的一种增强栖落末段俯仰控制性能的固定翼无人机，其一利用一对螺旋桨组件分别顺、逆时针旋转并在尾翼部位分别产生向上和向下的拉力，从而避免单螺旋桨组件在姿态控制时需要不断换向的问题。其二在栖落末段飞机飞行速度低，导致舵面控制效率很低，但是尾翼螺旋桨组件的气动力效相对于舵面要高很多。其三尾翼部位距离飞机重心位置较远，力臂较大，此时仅需要很小的气动力便可以产生较大的俯仰力矩，因此对电机功率要求很低，仅选用轻质无刷电机、小直径桨叶便可以满足栖落末段高精度俯仰姿态的控制需求。综合以上三点有益效果，采用本专利技术构型的固定翼无人机能够很好的解决在栖落末段无人机俯仰姿态控制困难的问题。附图说明图1螺旋桨组件安装位置示意图图2增强栖落末段俯仰控制性能的原理图3固定翼无人机栖落过程具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：本专利技术在传统固定翼无人机尾翼部位安装一对螺旋桨组件，所述螺旋桨组件包括小型电机安装底座、小型无刷电机和桨叶三部分。两个小型无刷电机分别采用顺时针和逆时针方向旋转，电机带动桨叶旋转分别产生向上和向下的空气动力，该气动力的作用点相对于无人机重心有一定的距离，在力和力臂的作用下无人机分别产生低头力矩和抬头力矩。无刷电机位于电机安装座上两个无刷电机旋转方向相反，从而抵消部分由于电机旋转产生的扭转力矩，通过控制无刷电机转速来改变两螺旋桨组件的拉力大小。本专利技术的固定翼无人机在开始栖落机动前，飞行速度较快，此时控制飞机升降舵上偏转利用舵面的空气动力产生抬头力矩使飞机抬头，同时启动两个无刷电机使其工作在怠速状态，为快速的姿态控制做好准备。处于怠速状态的螺旋桨组件电机转速很低，进而产生的拉力十分微弱，对原固定翼构型无人机的空气动力影响可以忽略。飞机进入栖落末段后，一方面由于飞机抬头而出现高度爬升，将一部分动力势能转化为重力势能，另外一方面由于大迎角失速时出现的气流分离现象使得飞行阻力迅速增加，最终飞机飞行速度变得很低，此时舵面偏转对飞机的姿态控制效果很弱，转而利用尾翼部位的螺旋桨组件实现对俯仰姿态的精确控制。在精准俯仰姿态控制过程中，当飞机姿态处于期望目标姿态的一个很小邻域内时，由于较小的空气扰动和飞机震动等因素会使得飞机姿态不断在超过或低于目标姿态两种状态下切换，而此时对应的控制系统为保持姿态稳定则期望飞机尾翼不断提供抬头和低头力矩，若采用单螺旋桨组件则会导致电机不断的在正转和反转之间切换，这不仅对电机的损伤较大，而且输出力矩响应时间无法满足精准姿态控制的要求。利用两个螺旋桨组件分别产生向上和向下的力，在姿态控制过程中只需不断调整向上和向下力的大小，即调整两个电机的转速即可，整个过程中两个无刷电机分别保持一个固定方向旋转，从而避免出现上述问题。如图1所示，所
技术实现思路
用于改进固定翼无人机在栖落末段的俯仰姿态的控制性能，所采取的方式是在传统固定翼无人机尾部安装一对动力螺旋桨组件101和102，每个螺旋桨组件包含电机安装底座105、无刷电机103和桨叶104三部分。106为飞机平尾，无刷电机安装座的位置不超过平尾的前边线，最好距离前边线一小段距离，防止螺旋桨组件102产生的气流与飞机平尾相互干扰。增强栖落末段俯仰控制性能的原理如图2所示，无刷电机103顺时针旋转并产生向上的拉力F1，无刷电机10逆时针旋转并产生向下的拉力F2。无刷电机103距离重心201的长度为l1，无刷电机104距离重心201的长度为l2，飞机所受总的俯仰力矩用M表示。假设飞机在飞行过程中所受俯仰控制力矩包含升降舵偏转产生的气动力矩和由螺旋桨组件产生的直接力矩两部分，分别用MA,MP表示，则M满足以下等式M＝MA+MP(1)根据空气动力学的相关知识，升降舵偏转产生的力矩MA可以表示为式中，ρ为空气密度，Va为飞行速度，cA为机翼平均气动弦长，S为等效的机翼面积，为升降舵俯仰力矩系数是无量纲的常数，δe为升降舵偏转角度。根据图2，螺旋桨组件相对于重心产生的直接力矩MP可以表示为MP＝F1l1+F2l2(3)从公式(2)中可以看出随着飞行速度的降低，由升降舵偏转产生的俯仰力矩会显著减小，尤其当栖落末段飞行速度接近零时，该力矩会非常小。由于无刷电机距离重心的距离较长，在公式(3)中表示为l1、l2的值较大，这表示仅需要很小的拉力F1、F2便可以产生很大的俯仰控制力矩。至此从原理上分析了该专利技术用于改善栖落末段俯仰控制性能的优势。原理分析表明了该专利技术的固定翼无人机在栖落过程中对螺旋组件的拉力需求较小本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增强栖落末段俯仰控制性能的固定翼无人机，其特征在于沿着飞机纵轴中心线，按照前后放置的方式在飞机尾翼部位且不超过飞机平尾的前边线的位置处安装一对动力螺旋桨组件，所述螺旋桨组件包括电机安装底座、无刷电机和桨叶三部分；桨叶安装在无刷电机上，无刷电机安装在电机安装座上并带动桨叶旋转产生拉力；两个无刷电机旋转方向相反；两螺旋桨组件产生的拉力方向相反，靠近飞机平尾的螺旋桨组件产生的拉力方向向上，远离飞机平尾的螺旋桨组件产生的拉力方向向下；当飞机进入栖落末段后，通过控制两个螺旋桨组件的拉力改变飞机所受的俯仰力矩，从而实现俯仰姿态的精确控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种增强栖落末段俯仰控制性能的固定翼无人机，其特征在于沿着飞机纵轴中心线，按照前后放置的方式在飞机尾翼部位且不超过飞机平尾的前边线的位置处安装一对动力螺旋桨组件，所述螺旋桨组件包括电机安装底座、无刷电机和桨叶三部分；桨叶安装在无刷电机上，无刷电机安装在电机安装座上并...

【专利技术属性】
技术研发人员：许斌，宋燕随，贾坤浩，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61