一种分布升力鸭式布局垂直起降无人机及控制方法技术

本发明专利技术提出一种分布升力鸭式布局垂直起降无人机及其控制方法，无人机具有机身、垂尾、两个固定翼升力面，多个在垂直起降阶段提供升力的螺旋桨，一对可以进行倾转运动的倾转螺旋桨。其中固定翼升力面分别是鸭翼和平尾，鸭翼位于机头附近，平尾位于机尾附近。多个升力螺旋桨通过撑杆分别连接在鸭翼和平尾上，且鸭翼、平尾上的升力螺旋桨数量相等，这些升力螺旋桨关于机身对称面对称分布。一对倾转螺旋桨安装在平尾翼尖部位，当倾转螺旋桨转动时，平尾翼尖部分翼面跟随其一起转动。本发明专利技术将停转旋翼式无人机和倾转旋翼式无人机进行有机组合，提升了无人机在垂直起降阶段的控制能力和爬升能力，同时尽可能的避免了资源浪费。

【技术实现步骤摘要】
一种分布升力鸭式布局垂直起降无人机及控制方法
本专利技术涉及无人机
，具体为一种分布升力鸭式布局垂直起降无人机及控制方法。
技术介绍
随着垂直起降无人机的应用范围越来越广，人们对其飞行性能，例如载重能力、巡航时间等的要求也越来越高。多旋翼无人机是一种最常见的垂直起降无人机，其优点在于成本低、易于控制等。但也有很明显的缺点，例如续航时间、载荷能力、抗风能力等。这些缺点限制了多旋翼无人机在更多专业领域的运用。为了克服这些缺点，出现了兼顾垂直起降性能和巡航性能的无人机，具体可分为倾转旋翼式、复合翼式和尾座式三类。这几类均利用转动部件提供垂直起降阶段足够的升力，利用固定翼面提供巡航时需用的升力，实现高效率的巡航。尾座式无人机由于形式非常规，目前应用很少。倾转旋翼式无人机通过旋翼旋转平面的转动，改变旋翼拉力的方向，从而实现垂直起降和固定翼巡航阶段不同的拉力需求。复合翼式无人机在垂直起降阶段，通过多个升力螺旋桨协同工作产生略大于飞机自身重力的拉力，在巡航阶段，无人机通过固定翼面产生足够的升力，而升力螺旋桨此时处于不工作的状态，由通常安装在机头的螺旋桨来克服飞机飞行的阻力。常见的停转旋翼式无人机可见授权专利技术专利“一种复合翼垂直起降无人机”(CN105539834B)中的描述。为了得到垂直起降阶段的操纵力矩，现有的方法是对四个螺旋桨的桨距或转速进行调整，使每个螺旋桨产生不同的拉力，从而产生相应的操纵力矩。因为螺旋桨桨叶气动设计和电机性能的限制，通过这种方式产生的操纵力矩有限。另外，提供前飞动力的前拉螺旋桨在垂直起降阶段基本无用，这是一种不必要的资源浪费。正如专利技术专利CN105539834B中的描述，目前制约复合翼类无人机的难点是垂直起降阶段的偏航控制，受制于升力螺旋桨的电机性能、自身扭矩小等，复合翼类无人机往往只能提供弱的偏航力矩，而其固定翼形式的气动布局形式，决定了其在某些环境下(如侧风)需要一定的偏航力矩来保持飞机的平衡。为了解决偏航力矩不足的问题，最直观的解决方式就是专利技术专利CN105539834B中描述的那样，在飞机垂直尾翼上安装专门负责提供偏航力矩的螺旋桨，但是这类飞机大部分的工作状态处于固定翼状态，在固定翼状态下，垂直尾翼上的方向舵，已经可以提供足够的偏航力矩，此时上述的偏航力矩螺旋桨将处于不工作的状态，是一种资源的浪费。同时，由于其在垂直尾翼上开孔，对飞机在固定翼巡航阶段的航向、横向静稳定性造成了一定的损失。
技术实现思路
为了克服上述复合翼式无人机的前拉螺旋桨垂直起降阶段的资源浪费及垂直起降阶段全机操纵力矩(特别是偏航力矩)有限的问题，本专利技术结合复合翼式无人机和倾转旋翼式无人机的特点，提出了一种分布升力鸭式布局垂直起降无人机，并提出相应的控制方法。本专利技术的技术方案为：所述一种分布升力鸭式布局垂直起降无人机，包括机身和垂尾，垂尾上具有方向舵；其特征在于：还具有两个固定翼升力面，分别为位于机头位置附近的鸭翼和位于机尾位置垂尾顶部的平尾，鸭翼和平尾上各自安装有鸭翼舵面和平尾舵面；在鸭翼和平尾上分别安装有升力螺旋桨，升力螺旋桨拉力方向不改变，用于提供垂直起降阶段的升力，在平尾翼尖两端分别安装有一个倾转螺旋桨，通过桨盘的倾转实现拉力方向的改变，提供垂直起降时的操纵力和力矩以及固定翼巡航时的前飞动力。进一步的，鸭翼和平尾上安装的升力螺旋桨个数N相同，且N为偶数，鸭翼上安装的N个升力螺旋桨关于机身对称面对称分布，平尾上安装的N个升力螺旋桨关于机身对称面对称分布。进一步的，所述升力螺旋桨通过固定连接结构安装在鸭翼和平尾的前部。进一步的，所述倾转螺旋桨后部有与平尾翼型匹配的翼段，翼段内端面与平尾端面通过转动结构连接，转轴垂直于机身对称面；当翼段相对平尾转动时，能够带动倾转螺旋桨桨盘倾转实现拉力方向的改变。进一步的，所述升力螺旋桨采用定距桨叶设计，通过转速控制其产生的拉力大小；所述倾转螺旋桨采用变距桨叶设计，能够通过控制总距和转速两种方式控制其拉力大小。进一步的，所述升力螺旋桨采用单桨盘或两桨盘串列式；其中两桨盘串列式升力螺旋桨由两个升力螺旋桨通过连杆上下平行放置组成。进一步的，所述升力螺旋桨采用桨叶分离式升力螺旋桨，升力螺旋桨的桨叶均不处于同一旋转平面，每个桨叶的旋转平面沿旋转轴线纵向分布，通过连杆连接在一起；在固定翼巡航阶段，所有桨叶均顺流向锁定。所述分布升力鸭式布局垂直起降无人机的控制方法，包括：在垂直起降开始阶段，先调整倾转螺旋桨，使其螺旋桨旋转平面与水平面平行；升力螺旋桨与倾转螺旋桨共同提供垂直起降阶段所需升力；在垂直起降过程中，通过调整倾转螺旋桨的桨距和转速，提供俯仰力矩和滚转力矩，并通过调整倾转螺旋桨的倾转角度提供偏航力矩；在垂直起飞至飞机高度满足要求时，进入垂直起降与固定翼飞行之间的过渡阶段，倾转螺旋桨逐渐改变其倾转角度，产生使飞机前进的拉力分量，飞机向前加速飞行；随着飞行速度的增大，两个固定翼升力面上的升力逐渐增大，同时通过控制升力螺旋桨转速逐步减小其产生的拉力；当两个固定翼升力面提供足够升力后，升力螺旋桨停止工作，倾转螺旋桨旋转平面垂直于水平面，拉力方向与机身纵向轴线平行，提供克服飞行阻力的拉力，无人机以固定翼形式进行巡航飞行；在固定翼巡航阶段，升力螺旋桨停止工作，倾转螺旋桨的拉力只用来克服飞机飞行阻力，根据飞行速度的不同，通过调整倾转螺旋桨的总距和转速以提高其工作效率，此时控制和平衡飞机的气动力矩由安装在鸭翼、平尾和垂尾上的舵面提供。有益效果本专利技术通过将停转旋翼式无人机和倾转旋翼式无人机进行有机组合，提升了无人机在垂直起降阶段的控制能力和爬升能力，同时尽可能的避免了资源浪费。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是单桨盘升力螺旋桨。图中：1桨叶、2驱动电机。图2是两桨盘串列式升力螺旋桨。图中：3桨盘间连杆。图3是桨叶分离式升力螺旋桨(未包含电机)。图中：4支杆。其中(a)为垂直起降时示意图，(b)为巡航时示意图。图4是无人机侧视图。此处以四个升力螺旋桨的构型为例进行说明。图中：5机身、6发动机进气口、7发动机排气口、8垂尾、9平尾、10方向舵、11鸭翼、12升力螺旋桨固定撑杆、13升力螺旋桨、14倾转螺旋桨、15起落架。图5是垂直起降阶段无人机俯视图。图中：16鸭翼舵面、17平尾舵面、18可动平尾。图6是巡航阶段无人机俯视图。具体实施方式本专利技术中的无人机具有机身、垂尾、两个固定翼升力面，多个在垂直起降阶段提供升力的螺旋桨，一对可以进行倾转运动的倾转螺旋桨。其中固定翼升力面分别是鸭翼和平尾，鸭翼位于机头附近，平尾位于机尾附近的垂尾顶部，呈T型布局。多个升力螺旋桨通过固定连接结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分布升力鸭式布局垂直起降无人机，包括机身和垂尾，垂尾上具有方向舵；其特征在于：还具有两个固定翼升力面，分别为位于机头位置附近的鸭翼和位于机尾位置垂尾顶部的平尾，鸭翼和平尾上各自安装有鸭翼舵面和平尾舵面；在鸭翼和平尾上分别安装有升力螺旋桨，升力螺旋桨拉力方向不改变，用于提供垂直起降阶段的升力，在平尾翼尖两端分别安装有一个倾转螺旋桨，通过桨盘的倾转实现拉力方向的改变，提供垂直起降时的操纵力和力矩以及固定翼巡航时的前飞动力。/n

【技术特征摘要】
1.一种分布升力鸭式布局垂直起降无人机，包括机身和垂尾，垂尾上具有方向舵；其特征在于：还具有两个固定翼升力面，分别为位于机头位置附近的鸭翼和位于机尾位置垂尾顶部的平尾，鸭翼和平尾上各自安装有鸭翼舵面和平尾舵面；在鸭翼和平尾上分别安装有升力螺旋桨，升力螺旋桨拉力方向不改变，用于提供垂直起降阶段的升力，在平尾翼尖两端分别安装有一个倾转螺旋桨，通过桨盘的倾转实现拉力方向的改变，提供垂直起降时的操纵力和力矩以及固定翼巡航时的前飞动力。


2.根据权利要求1所述一种分布升力鸭式布局垂直起降无人机，其特征在于：鸭翼和平尾上安装的升力螺旋桨个数N相同，且N为偶数，鸭翼上安装的N个升力螺旋桨关于机身对称面对称分布，平尾上安装的N个升力螺旋桨关于机身对称面对称分布。


3.根据权利要求1所述一种分布升力鸭式布局垂直起降无人机，其特征在于：所述升力螺旋桨通过固定连接结构安装在鸭翼和平尾的前部。


4.根据权利要求1所述一种分布升力鸭式布局垂直起降无人机，其特征在于：所述倾转螺旋桨后部有与平尾翼型匹配的翼段，翼段内端面与平尾端面通过转动结构连接，转轴垂直于机身对称面；当翼段相对平尾转动时，能够带动倾转螺旋桨桨盘倾转实现拉力方向的改变。


5.根据权利要求1所述一种分布升力鸭式布局垂直起降无人机，其特征在于：所述升力螺旋桨采用定距桨叶设计，通过转速控制其产生的拉力大小；所述倾转螺旋桨采用变距桨叶设计，能够通过控制总距和转速两种方式控制其拉力大小。


6.根据权利要求5所述一种分布升力鸭式布局垂直起...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞超，高正红，季逸民，杨华，
申请(专利权)人：西北工业大学，西北工业大学太仓长三角研究院，
类型：发明
国别省市：陕西;61