[發(fā)明專利]一種垂直起降無人機及其控制方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710109926.8
• 申請日: 2017-02-28
• 公開（公告）號: CN106892102A
• 公開（公告）日: 2017-06-27
• 發(fā)明（設計）人: 王文正;陳功;陸艷輝
• 申請（專利權(quán)）人: 王文正;陳功;陸艷輝
• 主分類號: B64C27/28
• 分類號: B64C27/28;B64C29/02
• 代理公司: 西北工業(yè)大學專利中心61204
• 代理人: 陳星

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無人飛機技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種垂直起降無人機及其控制方法。

背景技術(shù)

垂直起降無人機因?qū)ζ痫w和降落場地要求小，具有巨大的應用前景。現(xiàn)有的無人機實現(xiàn)垂直起降主要通過以下幾種形式：一是采用多旋翼(如四旋翼無人機)實現(xiàn)垂直起降，這種方式存在飛機氣動效率低，攜帶飛行載荷小，飛行時間短等問題；二是采用旋翼直升機的方式實現(xiàn)垂直起降，這種方式需要功率較大的主旋翼系統(tǒng)，為平衡旋翼產(chǎn)生的扭矩，需要專門設計尾槳或共軸旋翼系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)復雜，機體自由度較多，飛行控制困難；三是采用傾轉(zhuǎn)旋翼(如美國V-22飛機)實現(xiàn)垂直起降，這種方式需要設計復雜的傾轉(zhuǎn)機構(gòu)，傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，存在較大的結(jié)構(gòu)死重，傾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換控制過程復雜，可靠性較低。

此外，目前已經(jīng)出現(xiàn)了一些新型垂直起降無人機，典型的有涵道式無人機(如霍尼韋爾T-Hawk無人機)、多旋翼與固定翼組合式無人機(如成都縱橫公司的“大鵬”無人機)、采用螺旋槳滑流控制垂直起降的無人機(如中航611所VD200無人機)等。這些新型垂直起降無人機也存在著一些技術(shù)上的問題，如涵道式無人機受地面效應影響明顯，垂直起降時振動強烈，且水平飛行時完全靠涵道發(fā)動機提供升力和前進的推力，飛行速度較低；多旋翼與固定翼組合式無人機通常依靠固定安裝的四個旋翼產(chǎn)生的拉力抬起無人機實現(xiàn)垂直起降，但在水平飛行時四個旋翼無法提供前進動力，無人機必須安裝推進馬達和螺旋槳，增加了機體結(jié)構(gòu)死重，且四個旋翼及安裝結(jié)構(gòu)大幅增加了氣動阻力，無人機的整體氣動效率較低；而采用螺旋槳滑流控制的無人機在垂直起降時，由于飛行速度低，主要依靠機翼前端的螺旋槳提供的滑流增加舵面控制效率，進行無人機的姿態(tài)控制，這就要求無人機必須安裝較大直徑的螺旋槳和較大功率的發(fā)動機。此外，螺旋槳提供的滑流受環(huán)境條件(如陣風)和機體表面突出部件影響明顯，導致滑流不穩(wěn)定，給飛行控制帶來困難，易造成飛行事故。由于以上技術(shù)問題難以解決，導致現(xiàn)有的垂直起降無人機飛行穩(wěn)定性和可操縱性、有效載荷質(zhì)量、水平飛行速度、最大飛行距離等關(guān)鍵性能指標都受到極大限制，影響了其實際的工程應用。因此，突破現(xiàn)有垂直起降無人機的技術(shù)限制，創(chuàng)新發(fā)展適合于垂直起降的新型無人機氣動布局是實現(xiàn)無人機垂直起降技術(shù)獲得突破的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有垂直起降無人機技術(shù)中普遍存在的氣動效率低、傾轉(zhuǎn)機構(gòu)復雜、飛行時間短、飛行速度低、模態(tài)轉(zhuǎn)換復雜等問題，本發(fā)明首次提出一種新概念尾座式垂直起降無人機及其控制方法。

該無人機的機體采用高升阻比類飛翼氣動布局，并在機身上以“十”字形布置的方式安裝有四個電機和螺旋槳。該無人機可以利用機身上下螺旋槳產(chǎn)生的推力差形成俯仰控制力矩，利用機身左右螺旋槳產(chǎn)生的推力差形成偏航控制力矩，以及利用四個螺旋槳不同轉(zhuǎn)速形成的滾轉(zhuǎn)控制力矩，進行無人機機體的姿態(tài)控制，實現(xiàn)無人機在狹小地域中的垂直起降以及在飛行過程中在任意位置的定點懸停。該無人機轉(zhuǎn)換到平飛狀態(tài)后，類飛翼布局機體可以產(chǎn)生較大的巡航升阻比，大幅提高無人機的有效載荷水平和飛行距離。該無人機水平飛行時，可以只使用左右水平螺旋槳進行推進，進行較低速度飛行，也可以同時使用四個螺旋槳同時推進，進行快速飛行。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

所述一種垂直起降無人機，包括中間機體1、左機翼17、右機翼3、左側(cè)電機及螺旋槳18、右側(cè)電機及螺旋槳2，所述左側(cè)電機及螺旋槳18安裝在左機翼17前端，右側(cè)電機及螺旋槳2安裝在右機翼3前端；其特征在于：還包括上部電機及螺旋槳8、下部電機及螺旋槳19；上部電機及螺旋槳8安裝在上后支架9前端，下部電機及螺旋槳19安裝在下后支架12前端，上后支架9通過上支架10安裝在中間機體1上部，下后支架12通過下支架20安裝在中間機體1下部；左側(cè)電機及螺旋槳18、右側(cè)電機及螺旋槳2、上部電機及螺旋槳8、下部電機及螺旋槳19相對于中間機體縱向中心軸線呈“十”字形布置；左機翼17后部安裝有左后支架14，右機翼3后部安裝有右后支架6，左后支架14、右后支架6、上后支架9和下后支架12相對于中間機體縱向中心軸線呈“十”字形布置，且后端平齊。

進一步的優(yōu)選方案，所述一種垂直起降無人機，其特征在于：左機翼17外端安裝左翼梢小翼16，左方向舵15安裝在左翼梢小翼16后部，右機翼3外端安裝右翼梢小翼4，右方向舵5安裝在右翼梢小翼4后部；左副翼13安裝在左機翼17后部，右副翼7安裝在右機翼3后部；升降舵11安裝在中間機體1后部。

進一步的優(yōu)選方案，所述一種垂直起降無人機，其特征在于：中間機體1采用了類升力體氣動布局；上支架10和下支架20橫截面采用對稱翼型。