CN102390531A

CN102390531A - 一种涵道、机翼组合型微型飞行器

Info

Publication number: CN102390531A
Application number: CN2011102773087A
Authority: CN
Inventors: 昂海松; 蔡红明
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-09-19
Filing date: 2011-09-19
Publication date: 2012-03-28

Abstract

本发明属于一种飞行器，尤其涉及一种可悬停、垂直起降和快速前飞的微型飞行器。包括机体，机翼，起落架，方向舵，飞行驱动装置；所述的机体的机身部布置机翼，机体的尾部布置起落架，机体机尾的后端布置方向舵，飞行驱动装置布置在机体内；其特征在于：所述机体成圆筒形、机体内形成涵道，机体机头的筒径大于机体机尾的筒径；飞行驱动装置布置在机体的涵道内。可以悬停和垂直起降，它在起飞和降落时不需要机场；可以快速前飞，它能在更短时间内到达和离开，可以更好的完成指定任务；具有上述两种飞行方式的控制能力，它能自主完成上述两种不同的飞行方式。

Description

一种涵道、机翼组合型微型飞行器

技术领域

本发明属于一种飞行器，尤其涉及一种可悬停、垂直起降和快速前飞的微型飞行器。

背景技术

目前的微型飞行器主要可分为飞机和直升机。飞机可以快速前飞，但不能悬停和垂直起降。而直升机可以悬停和垂直起降，但飞行速度低，不利于快速到达、快速离开的战术目标。为此，国外研制了倾转旋翼机，如美国贝尔直升机公司设计的V-22“鱼鹰”飞机。它既具有固定翼飞机速度快和航程远的特点，又能象直升机一样垂直起降和悬停。它的原理是通过机翼偏转来调节飞机飞行状态：当螺旋桨轴水平时，就给飞机一个向前的推力;当桨轴竖直时，则给飞机一个向上的升力。但是其复杂的机构使得其价格昂贵且易发事故。

涵道飞行器是指以涵道螺旋桨为飞行动力的主要来源，并将涵道螺旋桨作为飞行器主体，具有垂直起降和悬停能力的无人飞行器。由于螺旋桨的抽吸作用，气流在涵道唇口处产生绕流形成低压区，产生涵道升力。涵道还抑制了桨尖涡的生成，降低了噪声，提高了螺旋桨效率和安全性。本设计另一需求是有良好的前飞能力，因此增设了机翼，并且在前飞时，涵道作为环翼可以提供一部分升力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：一是要求能悬停和垂直起降，能快速前飞；二是具有快速前飞能力并设计倾转过渡过程中的控制技术。

本发明采用如下技术方案：

本说明所述的一种涵道、机翼组合型微型飞行器，包括机体，机翼，起落架，方向舵，飞行驱动装置；所述的机体的机身部布置机翼，机体的尾部布置起落架，机体机尾的后端布置方向舵，飞行驱动装置布置在机体内；其特征在于：所述机体成圆筒形、机体内形成涵道，机体机头的筒径大于机体机尾的筒径；飞行驱动装置布置在机体的涵道内。

本发明所述的涵道、机翼组合型微型飞行器，所述的飞行驱动装置包括螺旋桨，无刷电机，支架，导流片，电子调速器；机体涵道内布置两个无刷电机，两个无刷电机的驱动轴各朝向机体涵道的两个涵道口，两个无刷电机的驱动轴上布置螺旋桨，两个无刷电机通过支架固定在机体涵内，导流片布置在机体涵道内，电子调速器的输出端连接无刷电机。

本发明所述的涵道、机翼组合型微型飞行器，还包括自动控制机构，所述的自动控制机构的输出端与电子调速器的输入端连接，自动控制机构包括微计算机处理器，三轴陀螺，三轴加速度计，三轴磁力计，气压高度计，GPS/卫星接收机，舵机，三轴陀螺、三轴加速度计、三轴磁力计、气压高度计、GPS/卫星接收机与微计算机处理器的输入端连接，微计算机处理器的信号输出端与舵机连接。

有益效果

可以悬停和垂直起降，它在起飞和降落时不需要机场；可以快速前飞，它能在更短时间内到达和离开，可以更好的完成指定任务；具有上述两种飞行方式的控制能力，它能自主完成上述两种不同的飞行方式。

附图说明

图1是本发明的机构示意图；

图2是本发明的俯视结构示意图；

图3是本发明飞行器悬停受力示意图；

图4是本发明飞行器小倾角前飞受力示意图；

图5是本发明飞行器大倾角前飞受力示意图；

图6是本发明飞行器的总体组成框图；

图7是本发明飞行器的综合控制系统组成框图；

图中1是机体，2是机翼，3是起落架，4是方向舵，5是螺旋桨，6是无刷电机，7是支架，8是导流片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明：

如图1、图2所示一种涵道、机翼组合型微型飞行器，包括机体1，机翼2，起落架3，方向舵4，飞行驱动装置，螺旋桨5，无刷电机6，支架7，导流片8。

机体1的机身部布置机翼2，机体1的尾部布置起落架3，机体1机尾的后端布置方向舵4，飞行驱动装置布置在机体1内；所述机体1成圆筒形、机体内形成涵道，机体机头的筒径大于机体机尾的筒径；飞行驱动装置布置在机体的涵道内。飞行驱动装置包括螺旋桨5，无刷电机6，支架7，导流片8，电子调速器；机体涵道内布置两个无刷电机，两个无刷电机的驱动轴各朝向机体涵道的两个涵道口，两个无刷电机的驱动轴上布置螺旋桨，两个无刷电机通过支架固定在机体涵内，导流片布置在机体涵道内，电子调速器的输出端连接无刷电机。

自动控制机构的输出端与电子调速器的输入端连接，自动控制机构包括微计算机处理器，三轴陀螺，三轴加速度计，三轴磁力计，气压高度计，GPS/卫星接收机，舵机，三轴陀螺、三轴加速度计、三轴磁力计、气压高度计、GPS/卫星接收机与微计算机处理器的输入端连接，微计算机处理器的信号输出端与舵机连接。

起落架采用碳纤管结构设计，机体其它部件采用轻木结构设计，可减小重量，并保证足够的结构强度。

动力组包括安装于电机支架两侧的两个独立的动力装置和两个电子调速器；每个动力装置包含一个螺旋桨和一个驱动其运转的无刷电动机。两个电子调速器的输入端均与综合控制系统连接，每个电子调速器的输出端与一个无刷电动机连接以控制该电动机的转速。本发明的微型飞行器的动力装置中的电动机优选为无刷电动机，可提高功率输出的效率并减小噪声，相应地电子调速器采用无刷电动机电子调速器。电源采用目前较成熟的聚合物锂电池，在保证较大的储能的同时，可降低整车成本，并提高设备的通用性。

如图3-5所示，由悬停转入大倾角前飞过程中，涵道飞行器各部件气动力变化剧烈，综合控制系统通过控制螺旋桨转速和升降副翼偏角来实现倾转。悬停时，螺旋桨转速较大，升降副翼偏角为零，涵道和螺旋桨提供拉力，机翼不产生升力，重力由拉力克服。在小倾角前飞时，飞行速度较小，螺旋桨转速适当减小，升降副翼向下偏转，涵道和机翼共同提供的升力较小，拉力由螺旋桨和涵道产生，重力主要由拉力垂直分量克服，阻力主要由拉力水平分量克服。在大倾角前飞时，飞行速度较大，螺旋桨转速适当增大，升降副翼偏转角度变小，拉力主要由螺旋桨和涵道产生，机翼和涵道提供了较大升力，重力主要由升力克服，阻力主要由拉力水平分量克服。

如图4所示，本发明的综合控制系统由遥控机构和自动控制机构所组成。自动控制机构包括微计算机处理器以及分别与该微计算机处理器信号连接的三轴陀螺、三轴加速度计、三轴磁力计、气压高度计、GPS/北斗卫星接收机和三个舵机，为了抗振动和减轻重量，其中三轴陀螺、三轴加速度计、三轴磁力计等采用微机电系统（MEMS）芯片。微型飞行器在空中的姿态由三轴陀螺和三轴加速度计自动控制；微型飞行器在空中的航向由三轴磁力计和GPS/北斗卫星接收机信号分析控制；微型飞行器在空中的飞行轨迹和位置由气压高度计、GPS/北斗卫星接收机信号综合来控制。自动控制机构由微计算机处理器综合计算，通过多种传感器信号融合（采用卡曼滤波）、动力装置控制和舵机控制来实现微型飞行器飞行时的姿态、位置、速度和航向等控制。

本发明的遥控机构主要包括人工指令键盘、遥控器和显示屏，人工指令键盘主要控制行驶速度和飞行速度，以及需要人工干预的起飞、着落指令；遥控器可控制螺旋桨转速来改变微型飞行器的飞行状态；显示屏起着告知驾驶员有关微型飞行器的运行信息（如速度、高度、电源消耗、姿态、导航地图和行驶轨迹等）。

Claims

1.一种涵道、机翼组合型微型飞行器，包括机体（1），机翼（2），起落架（3），方向舵（4），飞行驱动装置；所述的机体（1）的机身部布置机翼（2），机体（1）的尾部布置起落架（3），机体（1）机尾的后端布置方向舵（4），飞行驱动装置布置在机体（1）内；其特征在于：所述机体（1）成圆筒形、机体内形成涵道，机体机头的筒径大于机体机尾的筒径；飞行驱动装置布置在机体的涵道内。

2.根据权利要求1所述的涵道、机翼组合型微型飞行器，其特征在于：所述的飞行驱动装置包括螺旋桨（5），无刷电机（6），支架（7），导流片（8），电子调速器；机体涵道内布置两个无刷电机，两个无刷电机的驱动轴各朝向机体涵道的两个涵道口，两个无刷电机的驱动轴上布置螺旋桨，两个无刷电机通过支架固定在机体涵内，导流片布置在机体涵道内，电子调速器的输出端连接无刷电机。

3.根据权利要求1或2所述的涵道、机翼组合型微型飞行器，其特征在于：还包括自动控制机构，所述的自动控制机构的输出端与电子调速器的输入端连接，自动控制机构包括微计算机处理器，三轴陀螺，三轴加速度计，三轴磁力计，气压高度计，GPS/卫星接收机，舵机，三轴陀螺、三轴加速度计、三轴磁力计、气压高度计、GPS/卫星接收机与微计算机处理器的输入端连接，微计算机处理器的信号输出端与舵机连接。