融合多旋翼与固定翼的长航时飞行器的气动布局结构及其控制方法技术

本发明专利技术提出一种融合多旋翼与固定翼的长航时飞行器的气动布局结构及其控制方法，包括：多旋翼无人机本体和一对折叠翼；所述折叠翼与多旋翼无人机本体构成铰接,在折叠和展开状态下均不与多旋翼无人机本体所处水平面平行。其能去除在使用固定翼形态时闲置无用的多旋翼动力设备所带来的额外重量；同时在使用多旋翼形态时能明显的减小因固定机翼所带来的阻力所产生的力矩带来的横向不稳定性的问题。动力设备前倾，旨在减小多旋翼前进时因动力分配所产生的俯仰角带来的动力浪费。在固定翼展开前进时，能利用固定翼翼型带来的升力，配合前倾的动力设备与整机流线型气动外形，能显著提升续航时间。提升续航时间。提升续航时间。

【技术实现步骤摘要】
融合多旋翼与固定翼的长航时飞行器的气动布局结构及其控制方法


[0001]本专利技术涉及无人机飞行器
，尤其涉及一种融合多旋翼与固定翼的长航时飞行器的气动布局结构及其控制方法。

技术介绍

[0002]无人机巡线作业是电网管理、分析的重要技术手段，通过无人机巡线，能直观的了解架空高压线的作业状况。为充分提升无人机作业时长，提供可靠依据，尤其在减少地面巡线飞手的飞行时间，提升工作效率，减小因降落对架空高压线的损害，无人机的气动外形与起降方式尤为重要。
[0003]无人机的气动外形处于无人机设计的基本要求，气动外形所带来的降落方式是对使用场景的主要限制。过多的起降次数与过大的起降难度降低了无人机巡线的效率，加大了巡线人员的工作量与培养时间，影响了电网运行的经济性，不利于国家节能减排目标的实现。
[0004]无人机的降落方法主要是垂直起降与跑道起降。垂直起降操作简单、迅速，限制的场地少，操作简单。固定翼起降耗时长，配套场地多，巡线人员培养时间长。使用垂直起降为降落方法时，其气动外形多为多旋翼或多旋翼融合固定翼，使用跑道滑降时多使用固定翼或固定翼与多旋翼融合。多旋翼续航时间因其较差的气动外形而受到减小，因此需要多次起降更换电池。固定翼续航时间因其较好的气动外形而增加，但因其特殊的气动外形必须保持一定的航速以维持升力。而融合固定翼与多旋翼时，不合理的气动布局（不合理的气动布局尤其指4（多旋翼）+1（固定翼））往往使多旋翼的优点不能有效体现。
[0005]传统的多旋翼无人机具有垂直起降快速升空的能力，但因其特殊的动力布局，其续航远远不如同质量电池作用下的固定翼无人机。传统的固定翼无人机起降需要跑道、净空和冗长的起降训练。而把固定翼与多旋翼相结合，能明显提升续航并且减小起降场地以及训练的要求。传统的结合方式如说明书附图图1所示，使得无人机在垂直起降途中容易受到垂向风切变作用在机翼上产生的横向力矩所带来的滚转与抖动，使得在特殊场地下的应用，如电网、架空高压线等空域复杂场地受到限制。传统结合方式所带来的动力配置不佳进一步提升了无人机的使用及制造成本。传统结合方式在水平前飞过程中未能充分利用多旋翼所产生的动力，转而在无人机后端添加一组动力，旨在提升飞机的航速与稳定性。这样的设计没有解决利用多旋翼的动力弥补固定翼的动力的问题，进一步压缩了无人机载荷，加大无人机重量的同时减小了载荷。因此有必要对传统的结合方式提出改变。
[0006]同时，常规固定翼无人机在起降过程需要使用跑道，同时在降落时容易受到横向风切变的干扰。而常规多旋翼无人机在飞行时会因没有良好气动布局而缩短续航时间，但在起降时不容易受到风切变的干扰。多旋翼和固定翼融合时，续航时间显著延长，而垂直降落时因纵向风力作用在机翼上产生横向力矩所带来的滚转与机翼载荷增加；同时，传统的结合方式未能充分利用垂向电机提供的动力。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对现有技术存在的缺陷和不足，本专利技术提出一种融合多旋翼与固定翼的长航时飞行器的气动布局结构及其控制方法，为无人机固定翼与多旋翼的融合提供了新的途径。其将固定翼的设计改变为折叠式的结构，且提供了独特的气动布局。
[0008]为了加强对架空高压线的巡线效率与降低操作难度，通过本专利技术无人机气动布局能明显的提升无人机航速与续航的前提下，减小降落过程中受到的垂向风切变所带来的干扰，提升了无人机的操作的效率与安全性。同时，本专利技术当中特殊的气动布局能有效提升动力利用率，获得更长的续航时间。其基于多旋翼与固定翼融合，通过折叠与收放固定翼来减小受降落时垂向风切变所带来的纵向力矩产生的横向不稳定性影响，提升降落时的安全性，同时通过气动布局提升无人机的续航时间，减小降落频次。可以根据工作需求选择巡航状态与悬停状态，可通过无人机控制数据链进行姿态转换与航向调节，以提高当前架空高压线无人机巡线的工作效率，减轻因起降所带来的工作负荷，提高无人机电网巡线的效率。
[0009]本专利技术具体采用以下技术方案：一种融合多旋翼与固定翼的长航时飞行器的气动布局结构，其特征在于，包括：多旋翼无人机本体和一对折叠翼；所述折叠翼与多旋翼无人机本体构成铰接,在折叠和展开状态下均不与多旋翼无人机本体所处水平面平行。在该气动结构下，展开状态下的折叠翼即相当于固定翼。
[0010]优选地，所述多旋翼无人机本体包括：吊舱、动力舱、机架和动力设备；所述机架的顶部呈X型，并作为吊舱和动力舱的连接部件；所述动力设备共有四个，分别安装在机架顶部的四个末端。在该结构下，至少要求动力设备不影响折叠翼折叠。
[0011]优选地，所述吊舱为机架下方的前部舱体，吊舱前端置有椭圆形整流罩，吊舱的剖面为扁平三角形；所述动力舱为机架下方的后部舱体；所述动力舱与吊舱共同构成流线型结构。
[0012]优选地，每个所述动力设备由电机和螺旋桨构成；其中，位于对角线上的第一动力设备和第四动力设备采用正螺旋桨，位于另一对角线上的第二动力设备和第三动力设备采用反螺旋桨；所述折叠翼的后端中部通过舵机连接有副翼。
[0013]优选地，所述折叠翼展开时与多旋翼无人机本体所处水平面呈4
°
角；所述动力设备所在平面与多旋翼无人机本体所处水平面呈-15
°
角。
[0014]根据以上优选气动布局结构的飞行器的控制方法，主要依靠动力设备与折叠翼设备相互配合实现无人机的飞行姿态控制，其特征在于：包括悬停和巡航两种飞行状态。控制悬停状态为六自由度方向调节，调节的方法为加大与减小每个动力设备的功率从而改变力矩。控制巡航状态包括滚转与俯仰的调节。
[0015]在悬停状态下，所述折叠翼处于折叠状态，通过控制四个所述动力设备的输出功率对飞行器的飞行状态进行控制。
[0016]在巡航状态下，所述折叠翼处于展开状态，通过控制四个所述动力设备的输出功率以及副翼的状态对飞行器的飞行状态进行控制。在使用巡航状态调节俯仰角度与滚转角度的过程时，使用左右副翼上下翘与动力设备功率加大与减小完成。
[0017]巡航状态下飞行姿态控制包括偏航角度调节，调节偏航角度的过程为:调整副翼与动力设备,利用舵面产生的力矩来进行偏航角度增减，同时改变动力设备的功率从而使
飞行器转向。
[0018]调节俯仰角度的过程为:第一动力设备和第四动力设备或第二动力设备和第三动力设备增加或减少功率，第一副翼上下翘起，第二副翼上下翘起。
[0019]优选地，由悬停状态切换为巡航状态时，动力设备保持悬停状态时的功率，所述折叠翼展开，完全展开后动力设备的功率为巡航状态的前飞功率。
[0020]优选地，由巡航状态切换为悬停状态时，动力设备保持悬停状态时的功率，所述折叠翼收起，完全收起后动力设备的功率为状悬停态的悬停功率。
[0021]优选地，飞行器起飞与降落时均采用悬停状态的姿态，收起两侧折叠翼；降落至最后阶段时，展开两侧折叠翼，露出脚架，进行着陆。
[0022]本专利技术及其优选方案具有以下有益效果：与传统固定翼多旋翼结合方式相比（如说明书本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种融合多旋翼与固定翼的长航时飞行器的气动布局结构，其特征在于，包括：多旋翼无人机本体和一对折叠翼；所述折叠翼与多旋翼无人机本体构成铰接,在折叠和展开状态下均不与多旋翼无人机本体所处水平面平行。2.根据权利要求1所述的融合多旋翼与固定翼的长航时飞行器的气动布局结构，其特征在于：所述多旋翼无人机本体包括：吊舱、动力舱、机架和动力设备；所述机架的顶部呈X型，并作为吊舱和动力舱的连接部件；所述动力设备共有四个，分别安装在机架顶部的四个末端。3.根据权利要求2所述的融合多旋翼与固定翼的长航时飞行器的气动布局结构，其特征在于：所述吊舱为机架下方的前部舱体，吊舱前端置有椭圆形整流罩，吊舱的剖面为扁平三角形；所述动力舱为机架下方的后部舱体；所述动力舱与吊舱共同构成流线型结构。4.根据权利要求2所述的融合多旋翼与固定翼的长航时飞行器的气动布局结构，其特征在于：每个所述动力设备由电机和螺旋桨构成；其中，位于对角线上的第一动力设备和第四动力设备采用正螺旋桨，位于另一对角线上的第二动力设备和第三动力设备采用反螺旋桨；所述折叠翼的后端中部通过舵机连接有副翼。5.根据权利要求2-4其中任一所述的融合多旋翼与固定翼的长航时飞行器的气动布局结构，其特征在于：所述折叠翼展开时与多旋翼无人机本体所处水平面呈4
°

【专利技术属性】
技术研发人员：许军，吴文斌，陈伯建，林承华，王仁书，黄友聪，王晓杰，谢文炳，方超颖，郑钟楠，林鸿伟，林力辉，傅智为，吴晓杰，张伟豪，韩腾飞，徐鹏飞，叶思源，赵亚明，李诚龙，
申请(专利权)人：国网福建省电力有限公司中国民用航空飞行学院，
类型：发明
国别省市：