一种舵控式垂直起降无人机及其起降控制方法技术

本发明专利技术提供一种舵控式垂直起降无人机及其起降控制方法，舵控式垂直起降无人机机体细长尾部布置对称水平尾翼和上垂尾、下垂尾以及起落支杆，主翼后缘根部和翼梢分别安装一对固定的主动力螺旋桨、一对副动力螺旋桨以及其对应独立电机。本发明专利技术采用舵控式固定翼垂直起降技术，无人机可以垂直起飞和固定翼水平巡航，起落装置结构简单，飞行模态转换方式方便，去除了现有其他形式垂直起降飞机复杂倾转机构或者不充分利用的动力装置。操纵灵活，飞行模态转换成本低。利用主推进涵道螺旋桨的尾流和全动平尾，飞机垂直上升一定高度后偏转平尾使飞机平滑过渡到水平巡航状态。飞机平滑过渡到水平巡航状态。飞机平滑过渡到水平巡航状态。

【技术实现步骤摘要】
一种舵控式垂直起降无人机及其起降控制方法


[0001]本专利技术属于飞行器领域，尤其是涉及一种舵控式垂直起降无人机及其起降控制方法。

技术介绍

[0002]垂直起降无人机相较于水平起降无人机具有起降灵活的特点，受环境、场地影响较小。而纯旋翼无人机虽能垂直起降，但其巡航效率比固定翼飞机更低，因此，具备垂直起降能力的固定翼无人机在巡航效率和场地适应性方面有先天优势，近年来在短距货物投递、疫苗运送等领域有很多应用。
[0003]已有具备垂直起降能力的固定翼无人机布局形式包括了倾转旋翼无人机、倾转涵道螺旋桨、推力矢量式无人机以及复合翼无人机等。这些布局形式的无人机具备垂直起降、悬停、固定翼巡航等特点，但其用以实现垂直起降的转换机构或动力装置使飞机空重总重增加，有的无人机用来产生悬停拉力的动力部件在巡航状态并不使用，这增加了飞机巡航态的无用死重，降低其总体使用效费比。
[0004]采用舵控方式垂直起降的无人机有谷歌公司的Project wing，Project wing是一款小型无人机，采用类飞翼布局形式的舵控方式实现垂直起降，其转向舵面为主翼末端的襟副翼，双用途舵面使得该机型控制策略更为复杂，起降阶段抖动明显。倾转旋翼无人机在近年来国内、国际都有出现，此构型为垂直起降付出的倾转机构重量成本较大，且其控制策略也较为复杂，容易在起降阶段出现事故。而多旋翼无人机的巡航效率低、航程小也是其显著缺陷。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种舵控式垂直起降无人机及其起降控制方法，在兼具垂直起降功能和固定翼高巡航效率特点的同时，有效实现结构轻型化、模态转换方式简单化、更高的巡航效率、更方便的操作方式以及更平滑的过渡状态。本专利技术一种舵控式垂直起降无人机及其起降控制方法作为一种飞行平台，可以搭载相关载荷进行物探、巡线、反恐处突、航拍以及偏远地区药品投送等用途。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种舵控式垂直起降无人机，包括机体、主翼，主蓄电池，上垂尾，下垂尾，其特征在于，还包括水平尾翼、起落支架、主动力螺旋桨，副动力螺旋桨，飞行控制单元和副动力螺旋桨电机；
[0008]所述水平尾翼与机体尾部连接，水平尾翼包括外侧的活动部分；
[0009]所述主动力螺旋桨设于所述主翼的后缘根部，所述主动力螺旋桨为收缩涵道螺旋桨；
[0010]所述副动力螺旋桨和副动力螺旋桨电机均设于所述主翼的翼梢；
[0011]所述飞行控制单元位于机体内部，通过既定控制逻辑或地面直接发送指令控制无
人机飞行过程。
[0012]所述起落支架位于机体下方；
[0013]水平尾翼、主动力螺旋桨及副动力螺旋桨配合，实现无人机的垂直起降及水平巡航。
[0014]进一步的，所述主动力螺旋桨包括收缩涵道、轴支杆、螺旋桨、主动力螺旋桨电机、桨毂以及固定收缩涵道的扰流叶片；螺旋桨位于收缩涵道平直段；收缩涵道末端设有扰流叶片；桨毂为螺旋桨的旋转轴，一端通过扰流叶片和收缩涵道相连，另一端与轴支杆为一体化结构，通过主翼内部翼梁穿插固定，起到整体固定主动力螺旋桨的作用；所述轴支杆中心线与主动力螺旋桨的中心线重合，通过水平尾翼平均气动弦；所述主动力螺旋桨电机与轴支杆连接，设于主翼后缘。
[0015]进一步的，扰流叶片为3片或3片以上由对称翼型作为截面的平直小翼，其相互之间的角间距相等，起到对由主动力螺旋桨所产生尾流进行整流的作用。
[0016]进一步的，起落支架的4个支杆分别位于上垂尾，下垂尾和一对水平尾翼的活动部分末端，通过下垂尾和活动部分内部梁结构穿插固定。
[0017]进一步的，起落支架的4个支杆着地，支杆末端处于同一平面，全机重心垂线通过4个支杆末端连成多边形的中心。
[0018]进一步的，主动力螺旋桨和副动力螺旋桨各两个，分别通过各自独立的螺旋桨电机驱动。
[0019]进一步的，无人机还包括一对副翼，所述副翼位于主翼后缘内侧，用于控制水平巡航状态的滚转运动。
[0020]进一步的，还包括方向舵，所述方向舵位于上垂尾后部。
[0021]一种舵控式垂直起降无人机的起降控制方法，依次包括垂直起飞、悬停状态、第一次飞行模态转换、平飞飞行、水平巡航、第二次飞行模态转换、垂直降落过程，各过程控制方法如下：
[0022]S1垂直起飞：主动力螺旋桨电机和副动力螺旋桨电机分别驱动主动力螺旋桨和副动力螺旋桨，产生拉力使无人机垂直起飞；
[0023]S2悬停状态：所述飞行控制单元包括飞控计算机、姿态传感器和限位传感器，飞行控制单元的姿态控制器向飞控计算机反馈悬停状态无人机姿态是否稳定，飞控计算机根据反馈对对副动力螺旋桨和水平尾翼的活动部分进行微调，如此循环直到无人机姿态稳定；
[0024]S3第一次飞行模态转换：逆时针偏转水平尾翼的活动部分5
°
～20
°
使无人机产生低头力矩，无人机进入飞行模态转换阶段，所述逆时针方向为由水平尾翼外侧向机身观察为逆时针；
[0025]S4平飞飞行：主动力螺旋桨和副动力螺旋桨拉力向水平方向偏转，无人机作同时向前和向上的曲线运动，水平尾翼的活动部分逐渐回调，无人机进入平飞飞行状态；
[0026]S5水平巡航：方向舵控制偏航运动，副翼控制滚转运动，水平尾翼的活动部分控制俯仰运动，方向舵配合副翼控制转弯动作；
[0027]S6第二次飞行模态转换：飞行控制单元发送指令，增加副动力螺旋桨转速并偏转水平尾翼活动部分使无人机进入爬升状态，随着水平尾翼活动部分的逐渐偏转，副动力螺旋桨、主动力螺旋桨拉力逐渐垂直向上，后按照S2的控制过程，实现悬停状态；
[0028]S7垂直降落：当机体完全朝上时，水平尾翼的活动部分偏转角为零，此时减小副动力螺旋桨转速，无人机缓慢降落直到起落支架支杆末端触地。
[0029]进一步的，所述S2悬停状态中，无人机姿态稳定的标准为无人机俯仰角震荡幅度小于4
°
，滚转角及偏航角震荡幅度小于2
°
。
[0030]进一步的，S5水平巡航状态中，偏航运动为绕通过无人机重心的垂向轴线旋转，方向由机腹指向机背；所述S5水平巡航状态中，滚转运动为绕无人机纵向轴线旋转，所述纵向轴线为无人机对称面内通过重心由机头指向机尾的纵轴；所述S5水平巡航状态中，俯仰运动为绕无人机侧向轴线旋转，所述侧向轴线为通过重心由右翼梢指向左翼梢方向轴线。
[0031]本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：
[0032](1)水平尾翼具有相当于全动舵面的活动部分，将活动部分置于主翼后缘根部主动力螺旋桨尾流中，起到了控制无人机悬停状态俯仰姿态作用，同时活动部分亦可作巡航状态的升降舵使用。
[0033]使用主动力螺旋桨及副动力螺旋桨提供动力，同时副动力螺旋桨亦起到控制无人机悬停状态滚转姿态和航向姿态的作用。
[0034]因此，本专利技术通过独立驱动的主本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种舵控式垂直起降无人机，包括机体(1)、主翼(18)，主蓄电池(11)，上垂尾(10)，下垂尾(16)，其特征在于，还包括水平尾翼(9)、起落支架(8)、主动力螺旋桨(4)，副动力螺旋桨(15)，飞行控制单元(19)和副动力螺旋桨电机(5)；所述水平尾翼(9)与机体(1)尾部连接，水平尾翼(9)包括外侧的活动部分(6)；所述主动力螺旋桨(4)设于所述主翼(18)的后缘根部，所述主动力螺旋桨(4)为收缩涵道螺旋桨；所述副动力螺旋桨(15)和副动力螺旋桨电机(5)均设于所述主翼(18)的翼梢；所述飞行控制单元(19)位于机体(1)内部，通过既定控制逻辑或地面直接发送指令控制无人机飞行过程。所述起落支架(8)位于机体(1)下方；水平尾翼(9)、主动力螺旋桨(4)及副动力螺旋桨(15)配合，实现无人机的垂直起降及水平巡航。2.根据权利要求1所述的一种舵控式垂直起降无人机，其特征在于，所述主动力螺旋桨(4)包括收缩涵道(20)、轴支杆(2)、螺旋桨(3)、主动力螺旋桨电机(21)、桨毂(12)以及固定收缩涵道的扰流叶片(17)；所述螺旋桨(3)位于收缩涵道(20)平直段；收缩涵道(20)末端设有扰流叶片(17)；桨毂(12)为螺旋桨(3)的旋转轴，一端通过扰流叶片(17)和收缩涵道(20)相连，另一端与轴支杆(2)为一体化结构，通过主翼(18)内部翼梁穿插固定，起到整体固定主动力螺旋桨(4)的作用；所述轴支杆(2)中心线与主动力螺旋桨(4)的中心线重合，通过水平尾翼(9)平均气动弦；所述主动力螺旋桨电机(21)与轴支杆(2)连接，设于主翼(18)后缘。3.根据权利要求1所述的一种舵控式垂直起降无人机，其特征在于，所述起落支架(8)的4个支杆分别位于上垂尾(10)，下垂尾(16)和一对水平尾翼(9)的活动部分(6)末端，通过下垂尾(16)和活动部分(6)内部梁结构穿插固定。4.根据权利要求3所述的一种舵控式垂直起降无人机，其特征在于，所述起落支架(8)的4个支杆着地，支杆末端处于同一平面，全机重心垂线通过4个支杆末端连成多边形的中心。5.根据权利要求1所述的一种舵控式垂直起降无人机，其特征在于，所述主动力螺旋桨(4)和副动力螺旋桨(15)各两个，分别通过各自独立的螺旋桨电机驱动。6.根据权利要求1所述的一种舵控式垂直起降无人机，其特征在于，还包括一对副翼(14)，所述副翼(14)位于主翼(18)后缘内侧，用于控制水平巡航状态的滚转运动。7.根据权利要求1所述的一种舵控式垂直起降无人机，其特征在于还包括方向舵(7)，所述方向舵(7)位于上垂尾(10)后部。8.根据权利要求2所述的一种舵控式垂直起降无人机，其特征在于，所述扰流叶片(17)为3片或3片以上由对称翼型作为截面的平直小翼，其相互之...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔跃理，王超，许敏，吕超，朱振宇，刘凯飞，葛春雷，
申请(专利权)人：彩虹无人机科技有限公司，
类型：发明
国别省市：